Statyczne badanie przerzutników - ćwiczenie 3
1. Cel ćwiczeniaZapoznanie się z podstawowymi strukturami przerzutników w wersji TTL realizowanymi przy wykorzystaniu bramek logicznych NAND oraz NOR.
2. Wykaz przyrządów:
• zasilacz stabilizowany,
• woltomierz cyfrowy i / lub tester stanów logicznych,
• płytka montażowa do badania układów scalonych.
3. Przedmiot badań
Przerzutniki: asynchroniczny typu RS, synchroniczny typu RS oraz synchroniczny typu D zbudowane przy wykorzystaniu bramek NAND (UCY-7400) i NOR (UCY-7402) umieszczonych na płytce montażowej (rysunek 1).
Rys. 1. Płytka montażowa do badania układów scalonych
GND UCC
1 2 3 4 5 6 7
9 10 11 12 13 14
1 2
3 4
8 15
16
GND UCC
1 2 3 4 5 6 7
10 9 12 11
13 14
1 2
3 4
8 15
16
D1 D2 D3 D4
GND
4. Wprowadzenie teoretyczne
Do tej pory w ramach ćwiczeń laboratoryjnych (1 i 2) zajmowaliśmy się układami kombinacyjnymi - to znaczy takimi, w których stan sygnałów wyjściowych zależy w każdej chwili wyłącznie od bieżącego stanu sygnałów wejściowych. Natomiast przerzutniki są elementami zaliczanymi do grupy układów sekwencyjnych. W układach sekwencyjnych stan na wyjściu układu jest funkcją nie tylko bieżących stanów wejściowych, ale również stanów na wyjściu układu w poprzednich chwilach czasowych. W układach tych oprócz elementów logicznych (kombinacyjnych) występują elementy pamięciowe. W zależności od trybu pracy układy sekwencyjne możemy podzielić na asynchroniczne i synchroniczne.
Układ asynchroniczny zmienia swój stan wyjść bezpośrednio po zmianie stanu wejść. W układach synchronicznych zmiana stanu wyjść odbywa się w chwilach wyznaczonych zmianą sygnału synchronizującego. Podział układów cyfrowych przedstawiono na rysunku 2.
Rys. 2. Podział układów cyfrowych
Podstawowym elementem sekwencyjnym, który zapamiętuje jeden bit informacji jest układ nazywany przerzutnikiem. Przerzutnik jest układem o co najmniej dwóch wejściach i z reguły dwóch wyjściach. Wejścia mogą być:
• zegarowe CK (ang. Clock), zwane inaczej synchronizującymi albo wyzwalającymi,
• informacyjne,
• programujące.
Jeśli przerzutnik ma wejście synchronizujące, to jest nazywany przerzutnikiem synchronicznym, natomiast jeśli nie ma takiego wejścia – przerzutnikiem asynchronicznym. Przerzutnik synchroniczny reaguje na informację podawaną na wejścia informacyjne tylko w obecności impulsu zegarowego. Przerzutnik może być wyposażony w dwa wejścia programujące: ustawiające S (ang. Set) i zerujące R (ang. Reset) nazywane również Preset i Clear. Wejścia programujące są zawsze wejściami asynchronicznymi (niezależne od sygnału zegarowego).
Istnieje wiele typów przerzutników. Podstawowe to: RS, D i JK.
Działanie logiczne przerzutników najczęściej obrazuje się za pomocą tablicy stanów, w której przedstawione są stany na wejściach informacyjnych układu oraz odpowiadające im stany na wyjściu(ach) układu. Wyjścia przerzutników oznaczane są zazwyczaj symbolami Q i Q. W tablicy stanów zazwyczaj prezentuje się stan wyjścia Q pomijając wyjście Q, które jest jego negacją.
Większość przerzutników to przerzutniki synchroniczne. Wyjątek stanowi najprostszy przerzutnik nazywany asynchronicznym przerzutnikiem RS.
4.1. Symbole graficzne przerzutników w wersji TTL
Symbole graficzne przerzutników odzwierciedlają ich strukturę wewnętrzną. Jeżeli umieścimy wskaźnik negacji na wejściu przerzutnika to wejście jest aktywowane niskim poziomem logicznym (w symbolu graficznym należy umieścić okrąg przed nazwą wejścia rys 3.b).
Układy Kombinacyjne
Asynchroniczne Synchroniczne Układy Sekwencyjne
Układy Cyfrowe
R S
Q Q (R)
(S)
Q
Q
a) b)
0 1
0 1
Wejścia zegarowe (synchronizujące) oznaczone są poprzez trójkąt równoboczny. Niektóre przerzutniki są wyzwalane (aktywowane) przy zmianie sygnału na wejściu zegarowym;
wejście takie nazywamy wejściem dynamicznym. Mówimy wówczas o takim przerzutniku, że jest wyzwalany frontem (sygnału zegarowego):
• narastającym, gdy sygnał zmienia się z „0” na „1”
• opadającym, gdy sygnał zmienia się z „1” na „0”
Na rysunku 3 zebrano symbole graficzne oznaczające różne rodzaje wejść przerzutników.
Rys 3. a) wejście statyczne aktywowane wysokim poziomem logicznym;
b) wejście statyczne aktywowane niskim poziomem logicznym;
c) wejście dynamiczne aktywowane frontem narastającym sygnału zegarowego;
d) wejście dynamiczne aktywowane frontem opadającym sygnału zegarowego 4.2. Asynchroniczny przerzutnik RS
Przerzutnik ten składa się z dwóch odpowiednio połączonych ze sobą bramek. Do budowy tego przerzutnika można wykorzystać bramki NAND lub NOR. Przerzutnik ten ma dwa wejścia informacyjne/programujące R i S oraz dwa wyjścia Q i Q. Wejścia R i S są wejściami asynchronicznymi tzn. ich stany natychmiast oddziaływują na stany wyjść.
Rys. 4. Asynchroniczny przerzutnik RS zbudowany z bramek NOR:
a) schemat logiczny; b) symbol graficzny; c) tablica stanów
Rysunek 4a przedstawia schemat przerzutnika asynchronicznego RS zbudowanego z bramek NOR. Podanie stanu „1” na jedno z wejść informacyjnych (programujących) powoduje ustawienie na wyjściu odpowiadającej mu bramki stanu „0” (Suma dwóch sygnałów, z których co najmniej jeden jest równy „1” wynosi „1” a po zanegowaniu daje „0”
B A
NOR→ + ). Podanie stanu „1” na obydwa wejścia przerzutnika spowodowałoby wystąpienie stanów „0” na obydwu wyjściach, co jest niezgodne z założeniem, że w przerzutniku jedno wyjście jest negacją drugiego. Stan ten jest nazywany stanem niedozwolonym N. Podanie stanu „0” na obydwa wejścia daje możliwość określenia stanu wyjść w chwili n-tej wyłącznie na podstawie stanu wyjść w chwili n-1. Jest to stan w którym przerzutnik realizuje funkcję pamiętania sygnału poprzedniego. Na rysunkach 4b, 4c i 4d zamieszczono odpowiednio symbol graficzny asynchronicznego przerzutnika RS jego tablicę prawdy oraz jej wersję uproszczoną. Symbol X oznacza dowolny sygnał.
c)
R R CK CK
a) b) c) d)
R S Qn
0 0 Qn-1
0 1 1 1 0 0 1 1 N R S Qn-1 Qn
0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 X 1 1 0 X 0 1 1 X N
d)
4.3. Synchroniczny przerzutnik RS
Synchroniczny przerzutnik RS różni się w swojej budowie od przerzutnika asynchronicznego dodatkowymi dwoma bramkami dołączonymi na wejścia układu.
Odpowiednio połączone pełnią funkcję negacji, gdy na wejściu CK jest utrzymany stan „0”
lub na ich wyjściach utrzymywany jest stan „0”, gdy na wejściu CK jest stan „1”. W tym ostatnim przypadku stany na wyjściach przerzutnika zależeć będą od stanu poprzedniego.
Przerzutnik ten można zbudować zarówno z bramek NOR, jak i NAND.
Rys. 5. Synchroniczny przerzutnik RS zbudowany bramek NOR:
a) schemat logiczny; b) symbol graficzny; c) tablica stanów; d) uproszczona tablica stanów Rysunek 5a przedstawia schemat przerzutnika synchronicznego RS zbudowanego z bramek NOR. Na rysunkach 5b, 5c i 5d zamieszczono odpowiednio symbol graficzny synchronicznego przerzutnika RS, jego tablicę prawdy oraz jej uproszczoną wersję. W tablicy na rysunku 5c podkreślono stany stabilne, tzn. nie powodujące zmiany stanu wyjść.
4.4 Synchroniczny przerzutnik D
Modyfikując synchroniczny przerzutnik RS poprzez dodanie bramki NOT pomiędzy wejścia R i S otrzymamy przerzutnik typu D. Przerzutnik ten posiada jedno wejście informacyjne oznaczone literą D. Układ ten (w przypadku przerzutnika zbudowanego z bramek NOR) przepisuje informację z wejścia D na wyjście Q gdy na wejściu CK pojawi się front opadający lub jest ono w stanie niskim. Jeżeli na wejście CK jest podany prostokątny sygnał zegarowy to przepisanie informacji z wejścia D na wyjście Q realizowane jest z opóźnieniem jednego impulsu taktującego. Nazwa przerzutnika pochodzi od pierwszej litery angielskiego słowa Delay (opóźnienie). Budowę przerzutnika, symbol graficzny oraz tabelę stanów podano na rysunku 6.
(R)
(S) CK
Q
Q
R S
Q CK Q
a) b)
RS
CKQn-1 0 0 0 1 1 0 1 1
0 0 N 0 1 0
0 1 N 0 1 1
1 0 0 0 0 0
1 1 1 1 1 1
c)
RS
CK 0 0 0 1 1 0 1 1
0 N 0 1 Qn-1
1 Qn-1 Qn-1 Qn-1 Qn-1
d)
5. Przebieg ćwiczenia
• wykorzystując płytkę montażową zbudować kolejno układy pomiarowe przerzutników według schematów ideowych przedstawionych w podrozdziałach 5.1 – 5.3,
• podłączyć wyjścia przerzutnika do diod wskazujących poziom logiczny,
• po sprawdzeniu poprawności zmontowanego układu podłączyć napięcie zasilania równe +5 V do odpowiednich zacisków wykorzystywanych układów scalonych. W celu wykorzystania diod LED do wskazywania stanów logicznych wyjść przerzutników, masę napięcia zasilania połączyć również z zaciskiem GND znajdującym się na płytce montażowej,
• na wejścia przerzutników (A i B) podawać stany logiczne „1” lub „0” zgodnie z tabelą prawdy odpowiednią dla danego układu.
5.1. Badanie asynchronicznego przerzutnika RS zbudowanego z bramek NAND
A B Qn-1 Qn
0 0
0 1 1 0 1 1
1 1
Na podstawie przeprowadzonych obserwacji wypełnić tabelę prawdy, nadać nazwę wejściom badanego przerzutnika (R i S) i oznaczyć je na schemacie. Gdy na wejście R podany jest wysoki poziom logiczny, a na wejście S niski, wyjście Q przerzutnika powinno znajdować się w stanie niskim. W sytuacji odwrotnej (R = „0”, S = „1”) wyjście powinno być ustawione w stanie wysokim. Rozważyć dwa przypadki:
1. obydwa wejścia w stanie wysokim i stan poprzedni na wyjściu niski,
2. obydwa wejścia w stanie wysokim i stan poprzedni na wyjściu również wysoki.
(A)
(B)
Q
Q
R S
Q Q D
CK
Q
Q
D Q
CKQ
a) b)
c)
CK D Qn
1 X Qn-1
0 0 0 0 1 1 Rys. 6. Synchroniczny przerzutnik D zbudowany z bramek NOR:
a) schemat logiczny; b) symbol graficzny; c) tablica stanów
5.2. Badanie synchronicznego przerzutnika RS zbudowanego z bramek NAND
Na podstawie przeprowadzonych obserwacji wypełnić tabelę prawdy, nadać nazwę wejściom badanego przerzutnika (R i S) i oznaczyć je na schemacie Zwrócić uwagę na negację wejść R i S. Gdy na wejście R podany jest niski poziom logiczny, a na wejście S wysoki, wyjście Q przerzutnika powinno znajdować się w stanie niskim. W sytuacji odwrotnej (R = „1”, S = „0”) wyjście powinno być ustawione w stanie wysokim.
5.3. Badanie synchronicznego przerzutnika D zbudowanego z bramek NAND
Podczas badania przerzutnika D ustawić wyjście przerzutnika w stanie niskim, następnie „zablokować” jego wyjście poprzez zmianę na wejściu CK sygnału z wysokiego na niski. Zmienić stan na wejściu D na wysoki, następnie na wejściu CK wywołać front narastający. Ćwiczenie powtórzyć przy początkowym ustawieniu wejścia D w stanie wysokim.
6. Sprawozdanie z przebiegu ćwiczenia
Na podstawie przeprowadzonych pomiarów należy przygotować sprawozdanie, które powinno zawierać: zrealizowane na zajęciach struktury przerzutników wraz z ich tabelami stanów logicznych i symbolami graficznymi oraz wnioski końcowe. Na schematach strukturalnych przerzutników zrealizowanych na zajęciach należy nanieść odpowiednie oznaczenia wejść (np. S, R)
R S
Q CK Q (A)
(B)
Q
Q CK
AB
CK Qn-1 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0
0 1 1 0 1 1
D Q
CK Q D
CK
Q
Q
CK D Qn
0 X
1 0 1 1 RS
CK 0 0 0 1 1 0 1 1 0
1
