PRZERZUTNIKI CYFROWE BISTABILNE I MONOSTABILNE

P.Rz. K.P.E.
Laboratorium Elektroniki 2FD
2003/11/06
PRZERZUTNIKI CYFROWE BISTABILNE I MONOSTABILNE
1.
CEL ĆWICZENIA
Celem ćwiczenia jest eksperymentalne zilustrowanie sposobu działania i rodzajów pracy scalonych
przerzutników TTL w układach cyfrowych.
2. WSTĘP
W ćwiczeniu badane są elementarne przerzutniki bi- i monostabilne, wykonywane w postaci układów scalonych serii TTL, stosowane w układach i systemach cyfrowych.
Pierwsza część ćwiczenia polega na obserwacji reakcji badanych przerzutników bistabilnych na różne kombinacje sygnałów wejściowych, określaniu tablic stanów logicznych tych układów, a także zaobserwowaniu wpływu impulsów zakłócających oraz efektu zliczania impulsów. W tej części ćwiczenia
badane są przerzutniki asynchroniczne rs (tranzystorowy i z bramek logicznych)oraz synchronicznych
RS, JK,T i D również w wersji rmaster-slave.
W drugiej części ćwiczenia badane są właściwości podwójnego przerzutnika monostabilnego (układu czasowego) z serii TTL typu 74123, głównie z punktu widzenia różnych możliwych rodzajów wyzwalania (ang. retriggerable mode) oraz w pracy astabilnej. W ćwiczeniu przewidziano również badanie
tranzystorowego przerzutnika monostabilnego w układzie Eccles-Jordana.
3.
OPIS TECHNICZNY BADANYCH.UKŁADÓW
3.1. Układy przerzutników bistabilnych (wkładka DN111A)
Wkładka DN111A przedstawiona na Rys.1, zawiera sześć niezależnych badanych układów przerzutnikowych:
a)
b)
c)
d)
e)
f)
asynchroniczny tranzystorowy przerzutnik rs w układzie Eccles-Jordana,
asynchroniczny przerzutnik rs złożony z bramek TTL NOR,
quasi-synchroniczny (kluczowany) przerzutnik RS z bramek TTL NAND,
scalony synchroniczny przerzutnik JK-MS (master-slave),
scalony synchroniczny (wyzwalany zboczem) przerzutnik D,
scalony przerzutnik T na bazie przerzutnika D.
Wskaźnikami stanu przerzutników są diody elektroluminescencyjne o barwie czerwonej, przy
czym stanowi wysokiemu wyjścia odpowiada świecenie diody. Poziomy wejściowe przerzutników sr,
SR, JK, D wymusza się przez podanie na odpowiednie wejścia napięć z generatora stanów logicznych
SN1211, natomiast impulsy zegarowe na wejście „clock” z generatora SN3311. Impulsy te mogą być
generowane pojedynczo (wyzwalane ręcznie) lub w sposób ciągły. W tym drugim przypadku obserwacji przebiegów wyjściowych dokonuje się na ekranie oscyloskopu.
Na płycie czołowej wkładki DN111A(Rys.2a) znajduje się przycisk „clear” do ręcznego kasowania
przerzutników JK i D. Rozmieszczenie diod wskaźnikowych na poszczególnych wkładkach zilustrowano na Rys. 3.
3.2. Układy przerzutników monostabilnych (wkładka DN111B)
Wkładka DN111B (Rys. 4) zawiera trzy układy przerzutników monostabilnych: dwa elementarne
quasisymetryczne w układzie Eccles-Jordana, różniące się głównie sposobem obserwacji działania i
wyzwalania i w związku z tym – czasem trwania generowanego impulsu oraz podwójny scalony przerzutnik monostabilny typu 74123 wchodzący w skład rodziny układów scalonych TTL. Przerzutnik scalony może być wyzwalany za pośrednictwem trzech różnychh wejść A, B i R a także przez kaskadowe
połączenie obu składowych układów monostabilnych – może pracować w sposób astabilny. Wyboru rodzaju pracy dokonuje się za pomocą przełącznika klawiszowego, umieszczonego na płycie czołowej
(Rys.2.b).
P.Rz. K.P.E.
Laboratorium Elektroniki 2FD
2003/11/06
Rys.1 Schemat ideowy wkładki DN111A
DN 111A
clock
DN 111B
D1
one shot
S
D2
T1
US 1
T2
7402
outputs
R
Tr
outputs
J
US 1
D3
D4
7400
US 3
D7
US 4
7472
D8
7474
D5
D6
D9
D10
A
B
clear
K
R
D1
trig inputs
T1
Ast
JK , D
D
US 1
74123
Rys.2 Płyty czołowe wkładek DN111A oraz DN111B
D2
C1
T2
C2
T3
B2 T4
Rys.3. Uproszczone schematy montażowe płytek
drukowanych wkładek DN111A oraz DN111B
P.Rz. K.P.E.
Laboratorium Elektroniki 2FD
2003/11/06
.
Rys. 4. Schemat ideowy wkładki DN111B
4.
WYKAZ WKŁADEK POMOCNICZYCH
Do wykonania ćwiczenia potrzebne są następujące wkładki pomocnicze:
− generator stanów logicznych TTL dwuwyjściowy
− generator impulsów zegarowych
− generator par impulsów
− przełącznik czterokanałowy DC
− sonda do oscyloskopu.
SN1211
SN3311
SN3411
SA4022
P.Rz. K.P.E.
5.
Laboratorium Elektroniki 2FD
2003/11/06
OPIS TECHNICZNYWKŁADEK POMOCNICZYCH
5.1.
Generator impulsów zegarowych TTL SN3311
Generator impulsów zegarowych TTL SN3311 jest uniwersalnym laboratoryjnym źródłem impulsów zegarowych do synchronicznych układów cyfrowych TTL. Generator ten może generować impulsy zegarowe pojedyncze, inicjowane przez ręczne wciskanie klawisza "clock" (Rys 2) lub pracować
samobieżnie z częstotliwością rzędu kiloherców (pozycja "auto" przełącznika rodzaju pracy). Dla umożliwienia obserwacji na ekranie oscyloskopu pracy układów cyfrowych w czasie wielokrotnie większym
Rys.5. Schemat ideowy generatora impulsów zegarowych TTL SN3311
Rys. 6. Płyta czołowa generatora impulsów zegarowych TTL SN3311
od okresu impulsów zegarowych, generator SN3311 został wyposażony w układ licznikowy, zmniejszający szesnastokrotnie częstotliwość impulsów wyzwalających.
Dane techniczne
Parametry przebiegu wyjściowego
standard TTL
Obciążalność wyjścia
30
Amplituda impulsów wyzwalających
>2V
Maksymalny pobór prądu z zasilacza +5 V
70 mA
Opis schematu ideowego i zasady działania układu:
Generator impulsów zegarowych TTL SN3311 C rys.2.32) składa się z przerzutnika bistabilnego RS
bramki (B1 i B2) , generującego impulsy wyzwalane ręcznie, przerzutnika bistabilnego B5-, B6, B7) ,
generującego impulsy przy pracy samobieżnej, bramki kluczującej B3 licznika binarnego modulo 16
(US3) oraz wzmacniacza wyjściowego (B4) i wzmacniacza kształtującego impulsy wyzwalające (.B8) .
Układ przerzutnika B1, B2 eliminuje ewentualne drgania zestyków przełącznika "clock" i standaryzuje
impulsy zegarowe wyzwalane ręcznie. Impulsy te mogą przedostać się na wyjście tylko wtedy, gdy wejście sterujące bramki B3 nie jest uziemione przełącznikiem "auto" , który jednocześnie wyłącza w tym
przypadku przerzutnik astabilny B5, B6, B7, wymuszając stan wysoki na wyjściach bramek B6 i B7
Gdy przełącznik rodzaju pracy spoczywa w pozycji "aut", droga dla impulsów wyzwalanych ręcznie
jest zamknięta. Pracuje natomiast prze- rzutnik astabilny wysterowując bramkę B4 oraz licznik 7493,
którego przebieg Wyjściowy o szesnastokrotnie mniejszej częstotliwości niż częstotliwość impulsów
zegarowych jest różniczkowany w obwodzie R5, C2 i kształtowany w bramce B8 do postaci impulsów
szpilkowych.
P.Rz. K.P.E.
Laboratorium Elektroniki 2FD
2003/11/06
5.2
Generator par impulsów SN3411
Generator par impulsów SN3411 wytwarza przebieg impulsowy, w którym z
częstotliwością rzędu kilkuset Hz powtarzana jest sekwencja dwu identycznych impulsów prostokątnych, przy czym drugi z nich może być opóźniany względem pierwszego o czas, regulowany w stosunkowo szerokim zakresie. Generator SN3411 przeznaczony Jest do badania układów przerzutnikowych, zwłaszcza monoslabilnych scalonych, pracujących z podtrzymaniem generacji impulsu. Przebieg wyjściowy może
mieć polaryzację dodatnią lub ujemną - w zależności od tego, z jakiego gniazda wyjściowego sygnał jest pobierany (.por, rys. 2.33). Do regulacji opóźnienia miedzy impulsami służy pokrętle "delay", znajdujące się na płycie czołowej przyrządu.
Dane techniczne
Czas trwania impulsów
Zakres regulacji opóźnienia
Pozostałe parametry impulsów
Polaryzacja przebiegu wyjściowego
Maksymalny pobór prądu z zasilacza
Opis schematu ideowego i. zasady działania układu
10 µs
3 - 150 µs
standard TTL
+ lub +15 V
5 mA
Generator SN3411 składa się z przerzutnika astabllnego, determinującego. częstotliwość powtarzania sckwcncj1 impulsów, dwóch układów opóźniających, dwóch
przerzutników monostabilnych wytwarzających impulsy wyjściowe oraz wyjściowego układu sumującego. Schemat ideowy generatora SN3411 oraz niektóre idealizowane przebiegi czasowe przedstawiono na rys. 2.34.. Przerzutnik astabilny z tranzy- Rys.7. Płyta
storami T1 i T2, pracuje w tzw. układzie z przełączaną asymptotą. Przebieg prosto- czołowa generatora par impulkątny z tego przerzutnika jest wykorzystywany trojako. Po pierwsze - dla wytworze- sów SN3411
nia impulsów wyzwalających podstawę czasu oscyloskopu (B1). Po drugie, po nieznacznym (~1 µs) opóźnieniu w układzie nieregeneracyjnym, całkująco-ksztaltującym z bramkami B2,
B3 i B4 wyzwala drugi przerzutnik monostabilny układu scalonego US3, powodując generację pierwszego z pary impulsów wyjściowych. Po trzecie wreszcie służy do wyzwalania regulowanego regeneracyjnego układu opóźniającego (T3 - T6), pracującego w układzie przerzutnika symetrycznego z tranzystorami przeciw- stawnymi pnp - npn. Przebieg prostokątny z tego układu wyzwala pierwszy przerzutnik monoslabilny układu scalonego US3, powodując generację drugiego impulsu sekwencji wyjściowej.
Oba impulsy są sumowane za pomocą bramki NAND (B5) i odwracane w kolejnej bramce (B6).
5.3. Przełącznik czterokanałowy dc SA4022
Przełącznik SA4022 służy do zwielokrotniania torów pomiarowych przez
przyłączanie jednego lub dwóch przyrządów pomiarowych do czterech różnych punktów pomiarowych. Podobnie
jak wkładka SA4011, przełącznik ten
przeznaczony jest do pracy w torach
pomiarowych prądu stałego. Wyboru
kanału dokonuje się przez wciśnięcie
klawisza oznaczonego tą samą literą, co
wybierane gniazdo wejściowe (jedno z
czterech oznaczonych "inputs", Rys.9).
Wyjście przełącznika SA4022 stanowią
dwa równolegle połączone gniazda prądu stałego (ozn. "outputs") - do każdego
kanału pomiarowego można więc dołączyć jednocześnie dwa przyrządy lub
wkładki pomiarowe wkładki pomocnicze. Należy pamiętać, że do gniazd tych
nie wolno dołączać źródeł sygnału i zasilających, ponieważ zwieranie ich wyjść
może być przyczyną uszkodzenia tych
przyrządów.
Rys.8. Schemat ideowy
czterokanałowego przełącznika dc SA4022
Rys.9. Płyta czołowa
czterokanałowego przełącznika dc SA4022
P.Rz. K.P.E.
Laboratorium Elektroniki 2FD
2003/11/06
6. ZAGADNIENIA WSTĘPNE I PROJEKTOWE.
1. Określić czasy trwania T1 i T2 impulsów generowanych w obu przerzutnikach monostabilnych
układu 74123 na podstawie danych katalogowych oraz wartości elementów podanych na schemacie 4c.
2. Zaprojektować szczegółowo parametry przebiegu wyjściowego generatora par impulsów do
eksperymentów ilustrujących sposoby wyzwalania przerzutnika monostabilnego 74123.
3. Opracować i narysować w protokole schematy pomiarowe do wszystkich eksperymentów omawianych w p.7.
7.
OBSERWACJE I POMIARY
7.1. Określanie tablicy stanów przerzutników bistabilnych
1 Podając różne kombinacje poziomów logicznych na wejścia informacyjne, określić tablice stanów
badanych w ćwiczeniu przerzutników rs, RS, JK i D. Należy również podać, w jakim momencie
względem zboczy sygnałów informacyjnych lub sygnału zegarowego zostaje zapisana informacja
w badanym przerzutniku, tzn. jakim zboczem są wyzwalane przerzutniki synchroniczne. Wejścia
informacyjne należy wysterować z generatora stanów logicznych SN1211, zaś na wejście zegarowe
podawać sygnał z generatora SN3311 wyzwalanego ręcznie.
2 Sformułować krótko zasadniczą różnicę między przerzutnikami z Rys.1b i 1c i podać wynikające z
tej różnicy konsekwencje w zastosowaniach.
3 Podać , w jakim przedziale czasu można wprowadzić informację do badanego przerzutnika
JK, w jakim zaś – do badanego przerzutnika D. Sprawdzić odpowiedź empirycznie.
7.2. Badanie wpływu zakłóceń na pracę przerzutników synchronicznych
1
Sprawdzić, czy chwilowa zmiana sygnału (sygnałów) informacyjnych na wejściach przerzutników
JK oraz D w czasie trwania impulsu zegarowego powoduje zmianę zapisywanej informacji. Prób
należy dokonać dla wszystkich możliwych kombinacji sygnałów wejściowych.
2
Wyjaśnić przyczynę zaobserwowanych efektów;
3
Podać, czym się różnią badane przerzutniki JK i D pod względem chwili wpisywania informacji
oraz chwili pojawiania się wpisanej informacji na wyjściu przerzutnika ( jakim są wyzwalane zboczem).
7.3. Obserwacja efektu zliczania impulsów w przerzutnikach synchronicznych
1 Podając odpowiednie stany logiczne na wejścia JK, zaobserwować efekt zliczania modulo 2 impulsów zegarowych w przerzutniku 7472.
2
Podobnych obserwacji należy dokonać na wyjściu przerzutnika D.
3
Przebiegi wejściowe i wyjściowe oglądać jednocześnie na oscyloskopie, przy czym należy pamiętać o wyzwalaniu podstawy czasu oscyloskopu z generatora SN3311.
4
Zbadać działanie przerzutnika T (Rys.1f)
7.4. Badanie rodzajów pracy przerzutnika 74123
1
Sprawdzić na oscyloskopie działanie generatora SN3411
2
Wykorzystując możliwości generatora par impulsów SN3411 oraz wkładki DN111B, uzyskać
następujące rodzaje pracy przerzutnika monostabilnego 74123:
3
a)
generacja impulsu o czasie trwania T1 obliczonym w punkcie podrozdziału 4, przy wyzwalaniu kolejno na wejściu A, B i R;
b)
generacja impulsu o czasie trwania 1,5T1 przy wyzwalaniu parą impulsów kolejno na wejściach A i B;
c)
generacja impulsu o czasie trwania 0,5T1.
We wszystkich przypadkach dokonać obserwacji przebiegów: wejściowego i wyjściowego
na ekranie oscyloskopu. Podstawę czasu oscyloskopu wyzwalać zewnętrznie.
P.Rz. K.P.E.
8.
Laboratorium Elektroniki 2FD
2003/11/06
SPRAWOZDANIE
Sporządzić sprawozdanie zawierające schematy pomiarowe, wyniki pomiarów , analizę uzyskanych
rezultatów, z uwzględnieniem wszystkich punktów pomiarowych oraz wnioski i spostrzeżenia.
9.
LITERATURA
[1]
[2]
[3]
[4]
Filipkowski A. “Układy elektroniczne analogowe i cyfrowe”.
Baranowski J. “Półprzewodnikowe układy impulsowe i cyfrowe”.
Pieńkoś J., Turczyński J. “Układy scalone TTL w systemach cyfrowych”.
Łakomy M., Zabrodzki J. “Cyfrowe układy scalone”.