Laborationshandledning

Laborationshandledning Utbildning: ED Ämne: TNE094 Digitalteknik och konstruktion Laborationens nummer och titel: Nr 5 Del A: Schmittrigger Del B: Analys av sekvensnät Laborant: E-mail: Medlaboranters namn: Handledarens namn: Kommentarer från laborationsrättaren: Utförd: Retur: Inlämnas senast: Inlämnas senast efter retur: Godkänd:

Linköpings Universitet 2012-09-26 Campus Norrköping/ITN A. Schmittriggern 1. UPPGIFT Att undersöka funktionen hos Schmittriggern med tillämpningar 2. FÖRBEREDELSEUPPGIFTER del A ( Klart när Du kommer till lab!) Dessa förberedelser gör du tillsammans med din laborationspartner. Svaren till förberedelseuppgifterna nedan skriver ni på separat blad (använd blyerts/sudd/linjal eller dator ) om inget annat anges. Svaren till förberedelseuppgifterna visas för laborationshandledaren innan laborationen staras. Skriv rubriken (understruken) samt era namn och E-mail, se exempel nedan: (OBS! Se till att ni har varsitt ex av svaren/lösningarna till förberedelseuppgifterna, bra att ha när ni repeterar och tentamensläser) Svar till förberedelsefrågor för laboration 5 i kursen Digitalteknik och konstruktion, TNE094 Namn : Pelle Pellesson Namn: Lisa Lisasdotter E-mail: pelpe345@student.liu.se E-mail: lisli567@student.liu.se Datablad hittar ni under stud dir S:\TN\E\094_Digitalteknik_och_konstruktion\Datablad Schmitt-triggern och Schmitt-triggeroscillatorn Här ska du bekanta dig med Schmittriggerkretsarna: TTL 74LS14 och CMOS-CD40106. En typisk applikation med Schmitt-triggern är som buffert för att regenerera (återskapa) dämpade eller störda digitala signaler. En annan är att med Schmitt-triggern bygga en fyrkantvågsoscillator att användas t.ex som klocksignal till synkrona sekvensnät. Se datablad och bifogade sidor om Schmittriggern. Några frågor på databladen till Schmittriggerkretsarna: 74LS14 och CD40106 2.1 Matningsspänningen för TTL-kretsen 74LS14 ansluts till pinnarna GND och V CC, Supply voltage. a) Vilket är det minsta värdet, V CCmin som vi kan ha på matningsspänningen? b) Vilket är det största värdet, V CCmax som vi kan ha på matningsspänningen? 2.2 Matningsspänningen för CMOS-kretsen ansluts till pinnarna V SS och V DD, V DD är beteckning för matningsspänningens positiva pol och V SS är matningsspänningens negativa pol ( t. ex jord ). Observera att CMOS-kretsar kan ha matningsspänningen inom ett visst område, till skillnad från TTL (som alltid ska ha V CC = 5V och GND= 0 V). Antag att V SS = 0 V. a) Vilket är då det minsta värdet vi kan ha på V DD, V DDmin =? b) Vilket är det största värdet, vi kan ha på V DD, V DDmax =? Lab5 Analys sekvensnät_tne094 TNE094 Digitalteknik och konstruktion 2012-09-26/17:04 2

2. FÖRBEREDELSEUPPGIFTER del A (fortsättning) På laborationen kommer du att ha matningsspänningen: V DD = +5V och V SS = 0 V för CMOS-kretsen CD 40106 och V CC = 5 V och GND = 0 V för TTL-kretsen 74LS14. I datablad till 74LS14 (under "description") kan Du se hur tröskelspänningarna V T+ och V T- är definierad. ( T i V T står för engelskans Threshold som betyder tröskel ) 2.3 Beskriv med ett par meningar vad beteckningen a) V T+ står för? b) V T- står för? 2.4 Beskriv med ett par meningar vad beteckningen a) V OL står för? b) V OH står för? 2.5 Fyll i databladsuppgifter för 74LS14 och CD40106 i tabellen nedan. På laborationen fyller ni sedan i kolumnerna Uppmätt och kan då jämföra hur databladsvärdena stämmer med uppmätta värden. V OL V OH V T+ V T- TTL 74LS14 CMOS CD40106 Datablad Datablad Uppmätt Min Typ Max Uppmätt Min Typ Max Tabell 1: Jämförelse mellan databladsvärden och mätvärden 2.6 Studera sidan (sid 10) Schmitt-triggern som fyrkantvåggenerator och sätt dig in i hur den fungerar. Vilka faktorer är det som påverkar vilken frekvens fyrkantvågen får? 2.7 Ta reda på vilka bennummer som matningsspänning, in- och utgång har för 74LS14 respektive 40106 och skriv in detta anvisad plats på sidan 4. Lab5 Analys sekvensnät_tne094 TNE094 Digitalteknik och konstruktion 2012-09-26/17:04 3

3. UTRUSTNING del A Spänningsaggregat, oscilloskop, voltmeter ( 2 st ) kopplingsdäck, box med switchar och lysdioder. TTL-kretsen: 74LS14 (eller 74HC14 eller 74HCT14) CMOS-krets: CD40106 4. UTFÖRANDE del A Bestäm tröskelspänningarna mm för TTL 74LS14 och CMOS CD40106 Koppla upp, med 74LS14, enligt schema nedan. Reglera spänningen E (spänningskällan) och mät upp spänningar V OL,V OH, V T+ samt V T+ och för in värdena tabell 1 på föregående sida. Jämför med databladsvärden. OBS! Om Du har 74HC14 (HCT) ska Du jorda alla icke använda ingångar. Byt nu ut 74LS14 mot CD40106 och gör samma mätningar och för in värdena tabell 1 på föregående sida. Jämför med databladsvärden. V DD = + 5V R = 330 Ω E V I V O Fig 1: Kopplingsschema vid mätning på 74LS14 respektive CD40106 Bennummer för 74LS14: V CC : GND: Ingång:.. Utgång:... Bennummer för 40106: V DD = V SS = Ingång:.. Utgång:... Lab5 Analys sekvensnät_tne094 TNE094 Digitalteknik och konstruktion 2012-09-26/17:04 4

Schmittriggeroscillator med CMOS-kretsen CD40106 Gör uppkoppling enligt schema nedan Välj: C = 0,1 μf och R = 1 kohm. Låt V SS = 0 V och V DD = 5V R + + + U C C U ut U utbuff - - - Fig 2: Kopplingsschema för oscillatorkoppling Studera signalerna U C och U ut och U utbuff med oscilloskopet. Skissa av spänningarna U C, U ut och U utbuff i tre diagram under varandra (nästa sida). U C t U ut t U utbuff t Gradera axlarna. Bestäm V T+, V T-, T ( periodtid ) och f ( frekvens ). V T+ =... V T- =... T =... f =... Lab5 Analys sekvensnät_tne094 TNE094 Digitalteknik och konstruktion 2012-09-26/17:04 5

B. Analys av sekvensnät 5. UPPGIFT Att analysera funktionen hos en D-vippa Att analysera sekvensnät 6. FÖRBEREDELSEUPPGIFTER del B ( Klart när Du kommer till lab!) 6.1 Studera i datablad funktionen hos 74LS174 och 74LS175. a) Vad är skillnaderna mellan 74LS174 och 74LS175? b) På vilken flank triggar vipporna i kapseln 74LS175? c) Rita, i diagram nedan, in den förväntade utsignalen Q för D-vippan 74LS175 med signaler på klocka CLK, data D samt clear CLR, i diagram nedan. d) Sätt ut bennummer i symbolen för D-vippan (74LS175) nedan. D Q CLK Q CLR CLK t CLR D Q Lab5 Analys sekvensnät_tne094 TNE094 Digitalteknik och konstruktion 2012-09-26/17:04 6

6. FÖRBEREDELSEUPPGIFTER del B (fortsättning) CLK 6.2 a) Analysera sekvensnätet nedan genom att göra tillståndstabell för nätet. Observera att signalen restna är asynkron ( direktverkande styrs ej av klocksignalen) så den har du inte med i tillståndstabellen. b) Rita tillståndsdiagram (tillståndsgraf) för sekvensnätet. c) Vilken funktion har nätet? d) Sätt ut ben-nummer på samtliga kretsar nedan, D-vipporna är 74LS175. resetna D CLK Q q 0 CLR & & D Q q 1 & CLK CLR 6.3 a) Gör tillståndstabell för sekvensnätet i fig 2.51 (har du nog gjort tidigare) på sidan 88 i läroboken. b) Rita tillståndsdiagram för sekvensnätet. c) Rita nu nätet, med sammaa funktion, men nu får du enbart använda 2-ingångars NAND (och de 2 D-vipporna förstås). d) Sätt ut bennummer i schemat Lab5 Analys sekvensnät_tne094 TNE094 Digitalteknik och konstruktion 2012-09-26/17:04 7

7. UTRUSTNING del B Spänningsaggregat, kopplingsdäck, box med switchar och lysdioder. TTL-kretsarna: 74HCT00, 74LS175, 74HCT10 8. UTFÖRANDE del B 8.1 D-vippan Koppla upp och verifiera D-vippans funktion med de insignaler (CLK,CLR och D) som anges i diagram i förberedelseuppgift 6.1. Visa handledaren! Godkänd:.. 8.2 Sekvensnät Koppla upp sekvensnätet i avsnitt 6.2 med kretsarna 74LS175 och 74HCT00. Undersök funktionen för nätet. Denna bör stämma överens med förberedelseuppgiften. Om ej undersök varför. Visa handledaren! Godkänd:.. 8.3 Räknare med synkron reset Koppla nu upp sekvensnätet som du ritat i förberedelseuppgift 6.3. Stämmer teori och praktik?. Visa handledaren! Godkänd:.. 9. BEARBETNING ( Laborationsredogörelse ) Bifoga förberedelseuppgifterna Lab5 Analys sekvensnät_tne094 TNE094 Digitalteknik och konstruktion 2012-09-26/17:04 8

Schmitt-triggern Schmitt-triggern är en nivåkännande krets som finns som IC-krets. En av de Schmitt-triggerkretsar Du kommer att använda Dig av på laborationerna är TTL-kretsen 74LS14. Hur Schmitt-triggern är uppbyggd ser Du under "schematics" i databladshäftet. I figur 1 visas Schmitt-triggerns symbol. I databladet för 74LS14 hittar Du utsignalen som funktion av insignalen. Lägg märke till att omslagsnivån är olika för växande insignal (V T+ = 1,6 V cirka) och för avtagande insignal (V T- =0,8 V cirka). Man säger att Schmitt-triggern har hysteresegenskaper. Figur 1: V I V O I figur 2 ser Du hur utsignalen V O ser ut för insignalen V I. Figur 2: V I V T+ = 1,6 V V T- = 0,8 V Tid V O I digitala system krävs pulser med givna nivåer (t.ex 0V motsvarar digital 0:a och 5V motsvarar digital 1:a). Om yttre kretsar ska anslutas till digitala system måste man därför ofta sätta in s k "interface"-kretsar mellan det digitala systemet och de yttre kretsarna. Schmitt-triggern används ofta i dessa sammanhang. Exempel på användningsområden ser Du i databladshäftet under "Typical Application Data". Tid Lab5 Analys sekvensnät_tne094 TNE094 Digitalteknik och konstruktion 2012-09-26/17:04 9

Schmitt-triggern som fyrkantvåggenerator Genom återkoppling, enligt figur 3, kan Schmitt-triggern fungera som fyrkantvåggenerator. Figur 3: R - Funktionsbeskrivning: (Se figur 3 och 4) + U C C + U ut - 1. När Matningsspänningen V CC ansluts antas C oladdad. Då är U c = 0 och U ut är hög (V OH ). 2. Nu kommer U c att växa genom att C laddas upp, med tidskonstanten τ=rc, via resistorn R. 3. När U c nått V T+ kommer U ut att bli 0 (V OL ) 4. Nu är U ut < U c och kondensatorn kommer att laddas ur vilket innebär att U c minskar. 5. U c sjunker från V T+ till V T- och efter tiden t 1 blir nu U ut hög (V OH ). 6. Kondensatorn uppladdas och efter tiden t 2 blir U ut låg (V OL ). 7. o.s.v Figur 4: Frekvensen på U ut fås som f = 1/(t 1 + t 2 ) R=330 ohm För 74LS14 kan Du använda uttrycket f = 0,64/RC som ger ett ungefärligt värde på f. Databladet rekommenderar Lab5 Analys sekvensnät_tne094 TNE094 Digitalteknik och konstruktion 2012-09-26/17:04 10