Badanie funktorów logicznych TTL - ćwiczenie 1
1. Cel ćwiczenia
Zapoznanie się z podstawowymi strukturami funktorów logicznych realizowanych w technice TTL (Transistor Transistor Logic), ich podstawowymi parametrami technicznymi oraz zasadą działania.
2. Wykaz przyrządów
• zasilacz stabilizowany,
• woltomierz cyfrowy i/lub tester stanów logicznych,
• generator sygnałów w standardzie TTL,
• oscyloskop wraz z zestawem komputer-drukarka.
3. Przedmiot badań
- układ UCY7400 umieszczony na płytce montażowej przedstawiony na rysunku 1.
Rys. 1. Płytka montażowa 4. Wprowadzenie teoretyczne
Sygnałem będziemy nazywać przebieg czasowy wielkości fizycznej (najczęściej napięcia), w którym zawarta jest pewna informacja. Najogólniej sygnały dzielimy na analogowe oraz cyfrowe. Sygnały analogowe charakteryzują się tym, że mogą przyjmować dowolną wartość liczbową z pewnego określonego zakresu zmienności.
Sygnałem cyfrowym nazywamy taki przebieg czasowy (najczęściej napięcia), który przyjmuje tylko dwie wartości. Należy jednak pamiętać o tym, że w ogólnym przypadku sygnał cyfrowy może przyjmować skończoną liczbę wartości.
t U
b)U a)
H - 1L
L - 0L
GND UCC
1 2 3 4 5 6 7
10 9 12 11
14 13
1 2
3 4
1 - A1
2 - B1
3 - Y1
4 - A2
5 - B2
6 - Y2
7 - GND
10 - Y3
11 - B3
12 - A3
13 - Y4
14 - B4
15 - A4
16 - UCC
8 16 15
8 - niepodłączone 9 - niepodłączone
Podstawowym elementem stosowanym w technice cyfrowej jest bramka logiczna.
Nazwą tą określa się układ elektroniczny o jednym lub kilku wejściach i jednym wyjściu obliczający funkcję logiczną na podstawie sygnałów wejściowych. Sygnały wejściowe i wyjściowe są sygnałami cyfrowymi – najczęściej napięciowymi. W technice TTL napięcia przyjmują dwie wartości: 0 i 5 V. Wartości te nazywane są poziomami logicznymi. W logice dodatniej napięcie 0 V odpowiada niskiemu poziomowi logicznemu L (ang. low) i jest oznaczane jako „0” logiczne. Drugi poziom logiczny H (ang. high) oznaczony jest jako „1”
logiczne. W logice ujemnej oznaczenia te są przyjęte odwrotnie: H ! „0”, L ! „1”.
Zestawienie zaprezentowane na rysunku 3 przedstawia podstawowe funktory logiczne, ich symbole graficzne oraz równanie, na podstawie którego jest wyliczany sygnał wyjściowy.
Rys. 3. Zestawienie podstawowych funktorów logicznych.
Bramki można łączyć ze sobą tak, aby wyjście jednej bramki było połączone z wejściem następnej. Dzięki tej właściwości można budować układy logiczne realizujące wybraną funkcję. Bramki NAND i NOR oddzielnie tworzą tzw. minimalny zestaw funkcjonalnie pełny, ponieważ za pomocą każdego z nich można zrealizować dowolnie złożoną funkcję, a także funkcje podstawowe. Na rysunku 4 przedstawiono przykład funkcji AND zrealizowany za pomocą bramek NOR.
A B A B Y
0 0 1 1 0
0 1 1 0 0
1 0 0 1 0
1 1 0 0 1
Rys. 4. Przykład realizacji funkcji AND za pomocą bramek NOR
Rysunek 4 jest realizacją jednego z praw de Morgana. Prawa te wyrażone są wzorami (1) i (2):
B A B
A+ = ⋅ (1)
B A B
A⋅ = + (2)
BRAMKA SYMBOL RÓWNANIE
NOT AND
OR NOR NAND
Y = A
Y = A B Y = A B
Y = A + B Y = A + B
A
B
Y A
B
A
B
Y
Negując prawą i lewą stronę równania (1) oraz stosując prawo o podwójnej negacji A=A łatwo wykazać, że
B A B A B
A+ = ⋅ = ⋅ (3)
Dla zapewnienia współpracy układów logicznych przyjęte zostały gwarantowane wartości napięć na ich wejściach i wyjściach. Wielkości te są następujące:
• napięcie wyjściowe w stanie niskim UOLmax=0,4 V,
• napięcie wyjściowe w stanie wysokim UOHmin=2,4 V,
• napięcie wejściowe w stanie niskim UILmax=0,8 V,
• napięcie wejściowe w stanie wysokim UIHmin=2 V.
5.Przebieg ćwiczenia
5.1.Statyczne badanie bramki NAND
• Napięcie stałe równe +5 V (sprawdzić za pomocą woltomierza) podłączyć do odpowiednich zacisków układu UCY 7400 znajdującego się na płytce zestawu laboratoryjnego („+” do Ucc, „−”„ do GND).
• Woltomierz (lub tester stanów logicznych) podłączyć do wyjścia jednej z bramek.
Na wejścia bramki (A i B) podawać stany logiczne „1” lub „0” zgodnie z tabelą prawdy (tabela 1). W celu podania sygnału „1” (H) należy wybrane wejście połączyć z zaciskiem oznaczonym Ucc. Aby wybrane wejścia ustawić w stanie „0”
(L) należy połączyć je z zaciskiem oznaczonym GND. Na podstawie pomiarów napięć wyjściowych UY wypełnić tabelę prawdy.
NAND Tabela 1
A B UY
[V] Y
0 0
0 1
1 0
1 1
UY – wartość napięcia w woltach, Y – stan logiczny na wyjściu bramki.
• Przypisać kolejnym wartościom napięć wyjściowych UY odpowiednie wartości logiczne zgodnie z zakresem poziomów logicznych dla techniki TTL.
• Po wypełnieniu tabeli prawdy odłączyć wejścia A i B i pozostawić nie podłączone.
Odczytać stan wyjścia Y i porównać z tabelą prawdy. Określić, co oznacza wejście niepodłączone („pozostawione w powietrzu”).
5.2. Statyczne badanie funktorów logicznych zbudowanych za pomocą bramek NAND
• Zbudować i sprawdzić działanie bramek: NOT, AND, OR, NOR z wykorzystaniem bramek NAND. Dorysować schematy połączeń. Po zaakceptowaniu przez prowadzącego zajęcia podłączyć układ zgodnie ze schematem połączeń.
NOT schemat połączeń Tabela 2 A
0 1
AND schemat połączeń Tabela 3
A B Y
0 0
0 1
1 0
1 1
OR schemat połączeń Tabela 4
A B Y
0 0
0 1
1 0
1 1
NOR schemat połączeń Tabela 5
A B Y
0 0
0 1
1 0
1 1
5.3. Statyczne badanie funktorów logicznych zbudowanych za pomocą bramek NOR
• Punkt 5.2 powtórzyć używając bramek NOR (układ UCY7402) zamiast bramek NAND.
5.4. Dynamiczne badanie bramek
W celu zbadania dynamicznego bramki (np. NAND) należy jej wejścia podłączyć do sygnałów zmiennych w czasie i zaobserwować odpowiedź. Aby przetestować odpowiedzi na
wszystkie możliwe stany wejść, należy je podłączyć do sygnałów przedstawionych na rysunku 5.
Rys. 5. Sygnały na wejściach podczas dynamicznego badania bramek
• Podłączyć generator sygnałów (TTL) do oscyloskopu. Jeżeli generator nie posiada wyjścia w standardzie TTL należy ustawić sygnał na jego wyjściu zgodnie z rysunkiem 5 (sygnał A). Poziom niski 0 [V], wysoki 4÷5 [V], częstotliwość ok.
1 kHz.
• Połączyć układ zgodnie ze schematem podanym na rysunku 6.
Rys. 6. Schemat układu pomiarowego do dynamicznego badania bramek
• W celu zaobserwowania jednocześnie trzech sygnałów: A, B oraz Y na oscyloskopie należy podłączyć sygnały z wejść bramki (A i B) do wejść oscyloskopu. Ustawić wyzwalanie oscyloskopu względem kanału, do którego podłączony jest sygnał o niższej częstotliwości (w tym przypadku B). Zapamiętać przebiegi (przycisk HOLD a następnie SAVE). Odłączyć sygnał z wejścia o wyższej częstotliwości (tu A) i podłączyć sygnał wyjściowy z bramki (Y). Wywołać (RECALL) zapisany
t 0 [V]
A
t 0 [V]
B
t
t 0 [V]
Y
GENERATOR SYGNAŁÓW
TTL
+UCC
1:2
DZIELNIK CZĘSTOTLIWOŚCI
OSCYLOSKOP 2-KANAŁOWY Z PAMIĘCIĄ A
B
NAND Y
• Korzystając z programu LGP do obsługi oscyloskopu wydrukować wynik przeprowadzonych obserwacji.
6. Sprawozdanie z przebiegu ćwiczenia
Na podstawie przeprowadzonych pomiarów należy przygotować sprawozdanie, które powinno zawierać: zrealizowane na zajęciach badania statyczne (schematy i tabele), badania dynamiczne (schemat, wyniki obserwacji, wydruk) oraz wnioski końcowe.
