Laboration D151. Kombinatoriska kretsar, HCMOS. Namn: Datum: Epostadr: Kurs:

Transkript

1 UMEÅ UNIVERSITET Tillämpad fysik och elektronik Digitalteknik Christer Ardlin/Lars Wållberg/ Håkan Joëlson v 2.3 ELEKTRONIK Digitalteknik Laboration D151 Kombinatoriska kretsar, HCMOS Namn: Datum: Epostadr: Kurs: Studieprogram: Innehåll: Uppgift 1 NAND-grinden 2 Fördröjnings- och omslagstider hos HCMOS-grinden 74HC00 3 Inverterare 4 3-ingångars NAND-grind 5 NAND-logik 6 Exclusive-OR-nät 7 Konstruktion med kombinatoriska kretsar

2 151-1 I denna laboration kommer du arbeta med en s.k. NAND-grind. Du kommer studera dess egenskaper och koppla den på lite olika sätt. Studien kommer ha sin utgångspunkt i grinden 74HC00. HC står för High-Speed CMOS. (CMOS står för Complementary Metal Oxide Semiconductor.) Uppgift 1 NAND-grinden 74HC00 I denna uppgift skall du studera NAND-grindens grundläggande egenskaper. 1 Rita ett fullständigt kopplingsschema för en tvåingångars NAND-grind. (Ett fullständigt kopplingsschema skall innehålla kretsbeteckning, pinnummer, uppgifter om var matningsspänningen skall anslutas osv, dvs alla uppgifter som behövs för att man skall kunna koppla upp kretsen. För resistanser och kondensatorer räcker det i ett fullständigt kopplingsschema att ange värden.) 2 Mät och rita upp sanningstabellen för grinden och ange boole-uttrycket. 3 Undersök hur grinden uppfattar en icke inkopplad ingång (frisvävande ingång), dvs uppfattas ingången som en logisk 1:a eller en logisk 0:a? Beskriv hur du gör för att undersöka detta. Har det i denna undersökning någon betydelse om den icke frisvävande (styrda) ingången är hög eller låg? Frivillig extraknorr: Koppla in ena änden av en ca 20 cm lång tråd på den frisvävande ingången (antenn). Låt den sticka rakt upp. Hur uppför sig nu grinden? (Studera utgången.) 4 Vad säger databoken att man skall göra med ingångar till icke använda grindar i samma kapsel? 5 Är det tillåtet att "tråda utgångar" på logik-kretsar, dvs koppla ihop utgångar parallellt med varann.

3 151-2 Uppgift 2 Fördröjnings- och omslagstider hos HCMOS-grinden 74HC00 I ett digitalt system är en signals tidsfördröjning en viktig parameter. Om två signaler, som kommer till en grind i ett nät har haft olika gångvägar, kan skillnad i gångtid eventuellt ge upphov till falska pulser (s.k. hasardpulser). Huvuddelen av gångtiden ligger i fördröjningar i själva kretsarna. (Fördröjningar i ledningarna till och från grindarna kan man som regel försumma, eftersom en ledare på 15 cm motsvarar en fördröjning på c:a 1 ns.) Använd ett oscilloskop för att mäta fördröjningstiderna. För att lättare kunna göra mätningen, kan du skicka signalen genom ett antal kaskadkopplade grindar. (Detta är inte nödvändigt om man använder oscilloskopet HP54600.) Använd mätprober med dämpning 1: Rita en figur med kopplingsschema som visar principen på din mätuppställning. 2. Rita en figur, som visar hur man definierar stegfördröjning (propagation delay time) för kretsen 74HC00. (Jfr. Floyd uppl.7 s.132 fig.3-52, uppl.6 s.124 fig.3-49.) 3. Mät stegfördröjningen och jämför med fabrikantens data (max- och typ-värden). 4. Vad händer om man belastar sista grindens utgång med en kapacitans C = 100 pf.

4 151-3 Uppgift 3 Inverterare Om man vill invertera en signal kan man göra detta på några olika sätt. 1 Det naturligaste sättet är att ta en NOT-grind. Finns det några sådana grindar att tillgå i HCMOSfamiljen? Ge isåfall exempel på beteckningar. 2 Ofta använder man NAND- eller NOR-grindar även som inverterare. Rita ett kopplingsschema för en krets som svarar mot symbolen nedan. Använd endast 74HC00-grindar. A B X 3 Mät upp sanningstabellen. Ange boole-uttrycket. Vilken logisk grundfunktion motsvarar kretsen?

5 151-4 Uppgift 4 Tre-ingångars NAND-grind Om man behöver en tre-ingångars NAND-grind kan man ta en 74HC10 men man kan också klara sig med 74HC00-grindar, genom att koppla dem på lämpligt sätt. 1 Rita ett fullständigt kopplingsschema för ett nät som svarar mot symbolen enligt krets 1 nedan. Nätet ska konstrueras enbart med 74HC00-grindar. Koppla och mät upp sanningstabellen. 2 Kan man med en 74HC00-kapsel (fyra grindar) koppla upp ett nät som svarar mot symbolen enligt krets 2 nedan? Rita i så fall ett kopplingsschema. Krets 1 Krets 2 A A B X=ABC B C C X=ABC

6 151-5 Uppgift 5 NAND-logik Alla logiska funktioner kan utföras med NOT-, AND- och OR-grindar. Man kan dessutom visa, att de tre grundfunktionerna NOT, AND och OR kan realiseras med enbart NAND- eller NOR-grindar. Detta innebär, att en allmän logisk funktion kan realiseras med endast en typ av grindar, vilket ofta är praktiskt, eftersom det normalt reducerar antalet kapslar. 1 Speciellt användbar är den s k ekvivalensmetoden för syntes av NAND-nät. Denna metod innebär, att ett AND/OR-nät kan bytas ut mot ett NAND-nät, utan att funktionen ändras. Visa med DeMorgans satser hur du går från AND/OR-logik till NAND-logik. (Jfr. Floyd uppl.7 s.238 fig.5-18, uppl.6 s.226 fig.5-18). (Frivilligt: Ange de tre satser som beskriver ekvivalensmetoden.) 2 Rita ett kopplingsschema som svarar mot figuren nedan. Använd endast NAND-grindar. (En 74HC00-kapsel räcker) A B C NANDnät X=AB + C 3 Mät upp sanningstabellen och verifiera funktionen.

7 151-6 Uppgift 6 EXCLUSIVE-OR-nät Även EXCLUSIVE-OR-funktionen kan realiseras med enbart NANDgrindar, t ex enligt principschemat nedan. 1 Visa algebraiskt att kretsen verkligen ger X = A B 2 Komplettera figuren nedan, så att du får ett fullständigt kopplingsschema. Koppla upp kretsen, mät upp och redovisa sanningstabellen. A X = A + B B 3 Det finns en EX-OR-grind i 74-serien. Rita ett kopplingsschema med en sådan grind, så att den uppkopplingen blir ekvivalent med kretsen ovan.

8 151-7 Uppgift 7 Konstruktion med kombinatoriska kretsar I denna uppgift ska Du konstruera ett kombinatoriskt nät med 5 insignaler. Tre av insignalerna ska "räknas", dvs det kombinatoriska nätet ska "känna av" hur många av insignalerna som är höga och hur många som är låga. Utsignalerna ska visa antalet höga insignaler. Utsignalerna ska vara i binär form på så kallat BCDformat. Dessa utsignaler ska anslutas till en BCD/SJUSEGMENTS-avkodare. Avkodaren ska kopplas till en sjusegmentsdisplay som visar hur många av de tre insignalerna som är höga. De två återstående insignalerna ska användas som figuren visar. ON/OFF tänder eller släcker displayen. TEST tänder alla segmenten på displayen om displayen är aktiv.d.v.s ON: 1. Konstruera det kombinatoriska nät som ska anslutas till BCD/SJUSEGMENT-avkodaren. 2. Rita ett fullständigt kopplingsschema över hela nätet. 3. Koppla upp och redovisa för labhandledare. in1 in2 in3 ON/OFF TEST KOMBINA- TORISKA NÄT 4 2 BCD/ 7-SEG 7 470Ω Display (I laboration D152 kommer denna uppgift att lösas med PLD (Programmable Logic Device), utan BCD/7- SEGMENT-avkodare.)