Dynamiczne badanie przerzutników - Ćwiczenie 3 1. Cel

Wszystkie grafiki, zdjęcia, programy oraz treść instrukcji podlegają ochronie prawnej na mocy ustawy o prawie autorskim. Używanie ich w jakikolwiek sposób bez uprzedniego, pisemnego zezwolenia wydanego przez AGH jest zabronione i może spowodować pociągnięcie do odpowiedzialności cywilnej i karnej w maksymalnym zakresie dopuszczalnym przez prawo.

1

Dynamiczne badanie przerzutników - Ćwiczenie 3

1. Cel ćwiczenia

Zapoznanie się z budową i działaniem przerzutnika astabilnego (multiwibratora) wykonanego w technice TTL oraz zapoznanie się z działaniem przerzutnika T (zwanego dwójką liczącą) jako dzielnika częstotliwości.

2. Wykaz przyrządów

• zestaw laboratoryjny (generator przebiegu prostokątnego + zasilacz + częstościomierz),

• oscyloskop 2-kanałowy z pamięcią,

• komputer z kartą pomiarowo-sterującą,

• płytka montażowa do badania układów scalonych, zestaw elementów R i C

3. Przedmiot badań

o UCY 7400 (cztery dwuwejściowe bramki NAND) – 1 szt.

o UCY 74132 (cztery dwuwejściowe bramki NAND z układem Schmitta) – 1 szt.

o UCY 7474 (dwa przerzutniki typu D z wejściami do ustawiania i zerowania) – 1 szt.

o UCY 7476 (dwa przerzutniki typu JK z wejściami do ustawiania i zerowania) – 1 szt.

4. Wprowadzenie teoretyczne

Przerzutniki astabilne będące generatorami przebiegów prostokątnych, mogą być zbudowane w prosty sposób przy użyciu bramek logicznych. Na rysunku 1 pokazano schemat ideowy takiego generatora z możliwością kluczowania, zbudowanego z dwóch bramek NAND.

Rys. 1. Schemat ideowy symetrycznego przerzutnika astabilnego

Stan niski na wejściu kluczowania oznacza zablokowanie układu, natomiast stan wysoki oznacza pracę układu jako przerzutnika. Częstotliwość sygnału wyjściowego (dla układu symetrycznego) z wystarczającą dokładnością oblicza się ze wzoru:

] 7 [ ,

0 Hz

f = RC , R[Ω], C[F]

R2=2k2 R1=2k2

C1=10nF

C2=10nF

B1 B2

U2

U1

kluczowanie

Wszystkie grafiki, zdjęcia, programy oraz treść instrukcji podlegają ochronie prawnej na mocy ustawy o prawie autorskim. Używanie ich w jakikolwiek sposób bez uprzedniego, pisemnego zezwolenia wydanego przez AGH jest zabronione i może spowodować pociągnięcie do odpowiedzialności cywilnej i karnej w maksymalnym zakresie dopuszczalnym przez prawo.

2

Maksymalna częstotliwość generatora tego rodzaju zależy od częstotliwości granicznej zastosowanych układów scalonych i może sięgać kilku MHz. Dla układu niesymetrycznego (R₁ ≠R₂,C₁ ≠C₂) właściwy jest wzór:

] Hz C [ R C R

4 , f 1

2 2 1

1 +

= , R1,R2[Ω], C1,C2[F]

W praktycznych układach należy przyjmować wartości R1 i R2 z przedziału 1÷ k10 Ω. Wartości pojemności kondensatorów dobiera się w zależności od żądanej częstotliwości oscylacji, należy przy tym unikać kondensatorów elektrolitycznych. Podobnie, nie są zalecane kondensatory o pojemności mniejszej niż 150pF.

Osobną grupę generatorów fali prostokątnej stanowią układy budowane z wykorzystaniem bramek zlinearyzowanych za pomocą rezystorowego sprzężenia zwrotnego (rysunek 2).

Rys. 2. Generator fali prostokątnej zbudowany z bramek zlinearyzowanych

Bramka NAND ze sprzężeniem rezystorowym R1, R2

jest wzmacniaczem liniowym. Bramki pełnią funkcję układów odwracających fazę, a więc sprzężenie zwrotne jest dodatnie i układ pracuje samowzbudnie.

Jeżeli dwie bramki ze sprzężeniem rezystorowym zostaną połączone szeregowo, wówczas stanowią układ wzmacniacza liniowego o przesunięciu fazowym 360⁰. Aby taki wzmacniacz przekształcić w układ astabilny, należy zamknąć go w pętlę poprzez kondensatory C1 i C2. Maksymalna częstotliwość generowanych impulsów wynosi 10MHz. Zmianę częstotliwości drgań można uzyskać przez zmianę pojemności C lub płynną zmianę rezystancji R w pętlach sprzężenia zwrotnego.

Częstotliwość generowanych drgań można w przybliżeniu wyznaczyć ze wzoru:

[ ]

2 2 1 1

1

= +

4.2. Przerzutnik typu T

Podstawowym elementem układów sekwencyjnych jest funktor, zwany przerzutnikiem, którego zadaniem jest zapamiętanie jednego bitu informacji. Przerzutnik jest układem o co najmniej dwu wejściach i z reguły dwu wyjściach. Zasadniczymi typami przerzutników synchronicznych są przerzutniki D, JK i T.

Przerzutnik typu D ma wejście informacyjne D i wejście zegarowe C. Wyzwalanie tego przerzutnika odbywa się zboczem narastającym, tzn. w chwili gdy napięcie na wejściu zegarowym zmienia się z poziomu logicznego „0” na „1”, następuje przepisanie informacji z wejścia D na wyjście Q. Przerzutnik pozostaje w tym nowym stanie do czasu pojawienia się kolejnego zbocza narastającego na wejściu zegarowym. Symbol graficzny i tabela stanów logicznych dla przerzutnika D pokazane są na rysunku 3.

Wszystkie grafiki, zdjęcia, programy oraz treść instrukcji podlegają ochronie prawnej na mocy ustawy o prawie autorskim. Używanie ich w jakikolwiek sposób bez uprzedniego, pisemnego zezwolenia wydanego przez AGH jest zabronione i może spowodować pociągnięcie do odpowiedzialności cywilnej i karnej w maksymalnym zakresie dopuszczalnym przez prawo.

3

Rys. 3. Przerzutnik typu D

Przerzutnik typu JK ma dwa wejścia informacyjne J i K oraz wejście zegarowe C.

Wyzwalanie tego przerzutnika odbywa się zboczem opadającym, tzn. w chwili gdy napięcie na wejściu zegarowym C zmienia się z poziomu logicznego „1” na „0”, następuje przepisanie informacji na wyjście Q. Przerzutnik pozostaje w tym stanie do czasu pojawienia się kolejnego zbocza opadającego na wejściu zegarowym. Symbol graficzny i tabela stanów logicznych dla przerzutnika JK pokazane są na rysunku 4.

C J K Q Q

0 0 Qn-1 Q_n−1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 Qn₋1 Q^n-1

Rys. 4. Przerzutnik typu JK

Przerzutniki D i JK mogą spełniać funkcję przerzutnika T, tzw. dwójki liczącej. Dwójka licząca jest układem pełniącym funkcję dzielnika częstotliwości przez 2 (lub inaczej licznika modulo 2). Przykłady realizacji przerzutnika T pokazano na rysunkach 5 i 6.

Rys. 5. Realizacja przerzutnika T na podstawie przerzutnika JK

C D Q Q 0 0 1 1 1 0 D

Q Q C

J

Q Q C K

Wy

We

J

Q Q C K

"1"

Wy

We

J

Q Q C K

Wszystkie grafiki, zdjęcia, programy oraz treść instrukcji podlegają ochronie prawnej na mocy ustawy o prawie autorskim. Używanie ich w jakikolwiek sposób bez uprzedniego, pisemnego zezwolenia wydanego przez AGH jest zabronione i może spowodować pociągnięcie do odpowiedzialności cywilnej i karnej w maksymalnym zakresie dopuszczalnym przez prawo.

4

Rys. 6. Realizacja przerzutnika T na podstawie przerzutnika D

Na podstawie analizy działania przerzutnika T można stwierdzić, że zmiana stanu przerzutnika na wyjściu Q występuje zawsze podczas narastającego zbocza sygnału zegarowego C (dla realizacji z wykorzystaniem przerzutnika D) oraz podczas opadającego zbocza sygnału zegarowego (dla realizacji z wykorzystaniem przerzutnika JK). Stąd wynika, że do uzyskania całego okresu przebiegu wyjściowego do wejścia C muszą być doprowadzone kolejne dwa impulsy.

5. Przebieg ćwiczenia

5.1. Badanie przerzutnika astabilnego zbudowanego z bramek NAND

a) wykorzystując płytki montażowe z układem UCY 7400 oraz rezystory i kondensatory zbudować przerzutnik astabilny wg schematu pokazanego na rysunku 1,

b) dobrać wartości elementów R i C w celu uzyskania założonej częstotliwości przebiegu wyjściowego,

c) po sprawdzeniu poprawności połączeń zasilić układ napięciem UCC = +5V, d) przy pomocy oscyloskopu zaobserwować przebiegi na wyjściach przerzutnika,

e) powtórzyć punkty b), c), d) dla układu z rysunku 2 (wykorzystując układ UCY 74132).

5.2. Badanie przerzutnika T zbudowanego w oparciu o przerzutniki D i JK

a) wykorzystując płytki montażowe z układami UCY7474 i UCY7476 sprawdzić działanie obu przerzutników (D i JK), podając na ich wejścia odpowiednie sygnały i rejestrując sygnały na wyjściu (sporządzić tabelę stanów logicznych),

b) z pomocą wspomnianych płytek zbudować przerzutnik typu T, na podstawie przerzutnika JK, wg schematów pokazanych na rysunku 5,

c) w układzie pokazanym na rysunku 7, przy pomocy oscyloskopu z pamięcią, zaobserwować przebiegi sygnałów na wejściu zegarowym (C), wejściach informacyjnych (J, K) oraz wyjściu (Q), a następnie zarejestrować je wykorzystując do tego komputer z przygotowanym oprogramowaniem,

Wy

D

Q Q We C

Wszystkie grafiki, zdjęcia, programy oraz treść instrukcji podlegają ochronie prawnej na mocy ustawy o prawie autorskim. Używanie ich w jakikolwiek sposób bez uprzedniego, pisemnego zezwolenia wydanego przez AGH jest zabronione i może spowodować pociągnięcie do odpowiedzialności cywilnej i karnej w maksymalnym zakresie dopuszczalnym przez prawo.

5

Rys. 7. Oscyloskopowa analiza przebiegów sygnałów występujących w przerzutniku T (zbudowanym na podstawie przerzutnika JK)

d) przy pomocy częstościomierza dokonać pomiaru częstotliwości sygnałów na wejściu zegarowym (C) i wyjściu (Q),

e) powtórzyć punkty c) i d) dla przerzutnika T zbudowanego na podstawie przerzutnika D wg schematu pokazanego na rysunku 6. Dokonać obserwacji przebiegów sygnałów na wejściu zegarowym (C), wejściu informacyjnym (D) oraz wyjściu (Q).

6. Sprawozdanie z przebiegu ćwiczenia

Na podstawie przeprowadzonych pomiarów należy przygotować sprawozdanie, które powinno zawierać: schematy układów zrealizowanych na zajęciach, przebiegi sygnałów na wejściach i wyjściach badanych układów, obliczenia okresu generowanych drgań dla przerzutnika astabilnego, analizę pracy przerzutnika T oraz wnioski końcowe.

J

Q Q C K GENERATOR

PRZEBIEGU TTL

OSCYLOSKOP 2-KANAŁOWY

Z PAMIĘCIĄ