UMEÅ UNIVERSITET Tillämpad fysik och elektronik Digitalteknik Håkan Joëlson, John Berge 203 DIGITALTEKNIK I Laboration DE2 Sekvensnät och sekvenskretsar Namn... Personnummer... Epost-adress... Datum för inlämning... Visat uppgift 6... Visat uppgift 7... Visat extra uppgift 8...
Introduktion Sekvenskretsar är en mycket viktig grupp av digitala kretsar. Allt från enkla låskretsar till komplicerade mikroprocessorkretsar hör till kategorien sekvenskretsar. Det som utmärker sekvenskretsar och sekvensnät är att utsignalerna inte bara beror på insignalernas momentana värde utan även på kretsens/nätets tillstånd. De har den avgörande egenskapen att de kan "minnas". Syftet med denna laboration är att du ska bekanta dig med de grundläggande elementen i sekventiell digital elektronik: låskretsar och vippor; deras grundläggande idé, allmänna funktion, egenskaper, och begränsningar. Du ska även bli förtrogen med hur vippor och ev. kombinatoriska block kan kopplas ihop för att åstadkomma större logiska sekvensnät. Uppgifterna syftar till att utveckla både teoretiska och praktiska färdigheter. Redovisning Uppgift, 3, 4, 5: Redovisa skriftliga svar på alla frågor och deluppgifter. Uppgift 6: Skriftligt Redovisa fullständig lösning, inkluderande alla beräkningar och resonemang, funktionsuttryck, tabeller, o.dyl. som behövs för att komma fram till tillståndsdiagrammet. Praktiskt Demonstrerar och förklarar din fungerande praktiska uppkoppling. Uppgift 7, Grunduppgift: Skriftligt Redovisa fullständiga lösningar, inkluderande alla beräkningar och resonemang, funktionsuttryck, tabeller, minimeringar o.dyl. som behövs för att komma fram till konstruktionen. Redovisa fullständigt kopplingsschema. Uppgift 8, Extrauppgift: Skriftligt Redogör för hur du har realiserat de kombinatoriska delarna med 74HC00-kapslar, och rita ett symbolschema över det slutliga nätet (fullständigt kopplingsschema krävs ej). Praktiskt Demonstrerar och förklarar din fungerande praktiska uppkoppling. Laborationsredovisningen bedöms med U, 3, 4 eller 5. Observera att löst extra uppgift inte garanterar högre betyg, en helhetsbedömning av alla uppgifter görs alltid. Laboration DE2 2
Uppgift Låskretsar Några av de enklaste sekvenskretsarna kallas låskretsar. I denna uppgift ska du med hjälp av återkopplade grindar skapa en låskrets, och studera hur den fungerar.. Komplettera schemat nedan så att du får ett fullständigt kopplingsschema, och koppla sedan upp kretsen. S & R & _ 2. Mät av och fyll i tabellen exakt i den ordning som är angiven. Använd en multimeter för att mäta nivåerna på utgångarna, eller koppla lysdioder som indikatorer. (Glöm inte de strömbegränsande motstånden!) Studera hur själva ordningsföljden hos insignalerna påverkar utsignalerna. S R 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 3. Alla rader i tabellen med S = R = 0 ska inte vara lika om S och R har ändrats enligt tabellen. Vad är det som bestämmer tillståndet hos och när S = R = 0? 4. S = R = brukar ibland kallas "otillåtet tillstånd". Varför? 5. Sammanställ SR-låskretsens egenskaper genom att göra en sanningstabell för de fyra kombinationer på S och R som kan förekomma. 6. Utgå från resultatet av dina undersökningar för att ta ställning till vad som skiljer sekvenskretsar från kombinatoriska kretsar. Formulera vad som är den grundläggande skillnaden. Laboration DE2 3
Uppgift 2 Studsfri omkopplare En vanlig omkopplare (strömbrytare) kan aldrig åstadkomma en enda momentan tillslutning. Det blir alltid en serie studsar mellan kontaktytorna tills de mekaniskt har stabiliserats i kontaktläge. Detta kallas för kontaktstuds, och är oundvikligt av fysikaliska skäl. Ibland är det viktigt att få ett "rent tillslag", annars kan kretsen som omkopplaren är ansluten till uppfatta en serie pulser och reagera på detta på ett okontrollerat sätt. En studsfri omkopplare kan konstrueras exempelvis med hjälp av två NAND-grindar, en omkopplare, och två motstånd, se schemat nedan. 5V 0 kω 2 3 OUT 4 5 6 OUT 0 kω 5V Koppla upp kretsen och se till att du förstår dess funktion. Laboration DE2 4
Uppgift 3 JK-vippan En mer avancerad typ av sekvenskretsar kallas vippor. Det finns olika typer av vippor, och en av de vanligaste är JK-vippan. Kapseln 74HC73 innehåller två JK-vippor.. Rita ett fullständigt kopplingsschema för en av JK-vipporna i en 74HC73-kapsel. Koppla upp vippan, med en studsfri omkopplare till klockingången. 2. Nollställ vippan med RESET och tag sedan upp tidsdiagrammet, dvs. fyll i värdena för vippans utsignaler nedan. Varför är det viktigt att just klockingången styrs av en studsfri omkopplare? CK 2 3 4 5 6 7 8 9 0 2 3 4 5 6 J K t t t t 3. Upprätta en sanningstabell för JK-vippan med hjälp av informationen i tidsdiagrammet. 4. Upprätta en excitationstabell för JK-vippan med hjälp av informationen i tidsdiagrammet. Vilken av vippans ingångar är signifikant när man befinner sig i respektive nuvarande tillstånd? Nuvarande J K 0 0 Nästa + 5. Slår om på klockpulsens positiva flank eller på dess negativa flank? Hur markeras detta i schemasymbolen? Laboration DE2 5
Uppgift 4 JK-vippans flexibilitet En del av JK-vippans popularitet beror på att den är så flexibel. Det är mycket enkelt att koppla om den till flera andra sorters vippor, bl.a. till T-vippa och D-vippa.. Rita ett fullständigt kopplingsschema för en JK-vippa i en 74HC73-kapsel kopplad som T-vippa. Koppla upp kretsen, kontrollera funktionen, och redovisa resultatet i form av en sanningstabell. 2. Rita ett fullständigt kopplingsschema för en JK-vippa i en 74HC73-kapsel kopplad som D-vippa. Koppla upp kretsen, lägg på signaler enligt diagrammet nedan, mät utsignalerna, och fyll i resultatet (raden för 74HC73). Startläget ska vara = 0 vid t = 0. Kom ihåg att använda en studsfri omkopplare till klockingången. 3. Det finns även vippor som är konstruerade som D-vippor. Koppla upp en D-vippa i en 74HC74-kapsel och mät upp tidsdiagrammet för den på samma sätt som i uppgift 2. (Med samma CK/D-signaler.) Se även här till att startläget är = 0 vid t = 0. Fyll i resultatet i diagrammet (raden för 74HC74). 6. Jämför och sammanfatta vad som utmärker de två varianterna. Kommentera även vad som händer om D-signalen ändras när klockan är hög respektive låg. Vilka slutsatser drar du? Laboration DE2 6
Uppgift 5 Vippors tidsegenskaper För flanktriggade vippor av typen 74HC74 eller 74HC73 måste insignalerna uppfylla vissa tidskrav för att de ska fungera. Bland annat gäller att: Signal på ingång måste ha nått en stabiliserad nivå en viss tid innan klocksignalen går hög (på positivt flanktriggade vippor) respektive låg (på negativt flanktriggade vippor). Denna minsta tid kallas ställtid (min. set-up time). En kort stund efter det att vippan har triggats på klockpulsens flank isoleras ingången/ingångarna från vippan. Under denna korta tid får insignalen inte ändras. Denna tid kallas hålltid (min. hold time). Klockpulsen måste ha en minsta pulsbredd (min. clock pulse width) för att den ska hinna "agera". Studera nu tidsegenskaperna hos en D-vippa i en 74HC74-kapsel.. Koppla upp vippan enligt principschemat i figur nedan. Använd en studsfri omkopplare för insignalen. Nollställ vippan med hjälp av RESET och mata därefter in ett antal pulser. Händer någonting med utsignalen? Försök förklara. 2. Lägg in en tidsfördröjning för klockpulsen enligt figur 2. Nollställ vippan med RESET och mata åter in ett antal pulser. Om resultatet blir detsamma som ovan, koppla in fler AND-grindar. a) Vilken ställtid måste 74HC74 minst ha enligt databladet? b) Vilken ställtid har du i din uppkoppling? 3. Koppla slutligen upp enligt figur 3. Skicka in ett antal klockpulser. a) Vilken hålltid kräver 74HC74 enl databladet? b) Vilken hålltid har du i din uppkoppling? c) Varför får man omslag för varje klockpuls? D D CK CK & CK D _ FIG, FIG.2 FIG.3 Laboration DE2 7
Uppgift 6 Analys av sekvensnät Ibland får man tag i en färdigbyggd koppling eller ett färdigt kretsschema och behöver ta reda på hur konstruktionen fungerar. Man säger då att man gör en analys av nätet. Man går från konkret konstruktion till teoretisk beskrivning. I denna uppgift ska du analysera följande koppling teoretiskt och praktiskt. A B I D A = D = A C D B D C B CLK. Beskriv hur nätet fungerar med hjälp av ett fullständigt tillståndsdiagram. 2. Koppla upp nätet och kontrollera att funktionen stämmer med ditt tillståndsdiagram. Vilken typ av vippor ska du använda? Använd en studsfri omkopplare till klockingången, och lysdioder för att indikera A / B. Laboration DE2 8
Uppgift 7 Syntes av sekvensnät Ibland behöver man utifrån en teoretisk-logisk modell skapa en konkret krets-konstruktion. Man säger då att man gör en syntes av en logisk funktion. Grunduppgift: Realisera följande tillståndsmaskin digitalt med hjälp av D-vippor i ett synkront sekvensnät. 00/0 0 0/0 /0 00/00 0/00 0/0 0/0 00 / /0 0 0/ 0/ 00/0 0/0 0/00 /00 00/ nuv. tillst. in/ut-signaler Extra uppgift 8 Syntes av sekvensnät Modifiera ditt sekvensnät genom att realisera alla kombinatoriska funktioner med enbart 74HC00-kapslar. Koppla upp nätet praktiskt och kontrollera att tillståndsmaskinen fungerar enligt det givna tillståndsdiagrammet. Använd en studsfri omkopplare till klockingången, och lysdioder för att indikera nuvarande tillstånd och utsignaler. Laboration DE2 9