Innehållsförteckning. Digitalteknik B



Relevanta dokument
DIGITALA TAL OCH BOOLESK ALGEBRA

Talsystem Teori. Vad är talsystem? Av Johan Johansson

Digital elektronik CL0090

2-14 Binära talsystemet-fördjupning Namn:

Moment 2 - Digital elektronik. Föreläsning 1 Binära tal och logiska grindar

T1-modulen Lektionerna Radioamatörkurs OH6AG OH6AG. Bearbetning och översättning: Thomas Anderssén, OH6NT Heikki Lahtivirta, OH2LH

Struktur: Elektroteknik A. Digitalteknik 3p, vt 01. F1: Introduktion. Motivation och målsättning för kurserna i digital elektronik

IE1204 Digital Design

5:2 Digitalteknik Boolesk algebra. Inledning OCH-funktionen

F2 Binära tal EDA070 Datorer och datoranvändning

F2 Datarepresentation talbaser, dataformat och teckenkodning EDAA05 Datorer i system! Roger Henriksson!

3-3 Skriftliga räknemetoder

Minneselement,. Styrteknik grundkurs. Digitala kursmoment. SR-latch med logiska grindar. Funktionstabell för SR-latchen R S Q Q ?

Vår väg till Godkänt, och sedan vidare...

Grundläggande digitalteknik

F2 Datarepresentation talbaser, dataformat och teckenkodning

Mattias Wiggberg Collaboration

Digitala system EDI610 Elektro- och informationsteknik

IE1205 Digital Design: F4 : Karnaugh-diagrammet, två- och fler-nivå minimering

Det finns en hemsida. Adressen är

Laboration i digitalteknik Introduktion till digitalteknik

Digital elektronik CL0090

INNEHÅLL. Inledning...1. Talsystem...2. Logiska funktioner Logiska kretsar i praktiken Elektrostatisk urladdning (ESD)...

Ett minneselements egenskaper. F10: Minneselement. Latch. SR-latch. Innehåll:

Du har följande material: 1 Kopplingsdäck 2 LM339 4 komparatorer i vardera kapsel. ( ELFA art.nr datablad finns )

Tentamen i Grundläggande ellära och digitalteknik ETA 013 för D

DIGITALTEKNIK I. Laboration DE2. Sekvensnät och sekvenskretsar

Digital Design IE1204

Digital- och datorteknik

Mintermer. SP-form med tre mintermer. William Sandqvist

Digital Design IE1204

Tenta i Digitalteknik

Ett urval D/A- och A/D-omvandlare

Grindar och transistorer

F5 Introduktion till digitalteknik

Digital- och datorteknik

Tenta i Digitalteknik

Tentamen i Grundläggande ellära och digitalteknik ETA 013 för D

F5 Introduktion till digitalteknik

Laboration D181. ELEKTRONIK Digitalteknik. Kombinatoriska kretsar, HCMOS v 2.1

Tentamen i IE1204/5 Digital Design måndagen den 15/

Digitalitet. Kontinuerlig. Direkt proportionerlig mot källan. Ex. sprittermometer. Elektrisk signal som representerar ljud.

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

Digital Aritmetik Unsigned Integers Signed Integers"

Digitalteknik EIT020. Lecture 15: Design av digitala kretsar

Laboration 6. A/D- och D/A-omvandling. Lunds universitet / Fakultet / Institution / Enhet / Dokument / Datum

2-5 Decimaltal Namn: Inledning. Vad är ett decimaltal, och varför skall jag arbeta med dem?

SMD033 Digitalteknik. Digitalteknik F1 bild 1

Grundläggande Datorteknik Digital- och datorteknik

Vad är en UART? Universal Asynchronous Receiver Transmitter parallella seriella parallell åttabitars signal mest signifikant bit

Maurice Karnaugh. Karnaugh-diagrammet gör det enkelt att minimera Boolska uttryck! William Sandqvist

Laboration Kombinatoriska kretsar

ELEKTRONIK. Ämnets syfte. Kurser i ämnet

Tentamen i IE1204/5 Digital Design onsdagen den 5/

Experiment med schmittrigger

Elektronik grundkurs Laboration 6: Logikkretsar

Introduktion till digitalteknik

2-1: Taltyper och tallinjen Namn:.

Styrteknik: Grundläggande logiska funktioner D2:1

Laborationshandledning för mätteknik

Copyright 2001 Ulf Rääf och DataRäven Elektroteknik, All rights reserved.

Datorsystem. Övningshäfte. Senast uppdaterad: 22 oktober 2012 Version 1.0d

Blinkande LED med 555:an, två typkopplingar.

Tentamen i Digital Design

Hur implementera algoritmerna på maskinnivå - datorns byggstenar

Styrteknik distans: Minneselement, register, räknare, AD-omv D4:1

Tentamen i IE1204/5 Digital Design onsdagen den 5/

Exempel på tentamensfrågor Digitalteknik

Hambley avsnitt 12.7 (7.3 för den som vill läsa lite mer om grindar) sann 1 falsk 0

TSIU05 Digitalteknik. LAB1 Kombinatorik LAB2 Sekvensnät LAB3 System

Översikt, kursinnehåll

DIGITAL ELEKTRONIK. Laboration DE3 VHDL 1. Namn... Personnummer... Epost-adress... Datum för inlämning...

Repetition TSIU05 Digitalteknik Di/EL. Michael Josefsson

DIGITALTEKNIK I. Laboration DE1. Kombinatoriska nät och kretsar

Introduktion till logik

Tentamen i Grundläggande ellära och digitalteknik ETA 013 för D

PARITETSKONTROLL. Om generatorn i vidstående exempel avkänner ett jämt antal ettor ger den en nolla ut. Detta innebär att överföringen

LiTH Lab1: Asynkron seriell dataöverföring via optisk länk Laboration 1. Asynkron seriell dataöverföring via optisk länk

Laborationshandledning

Laboration Kombinatoriska kretsar

Lösningförslag till Exempel på tentamensfrågor Digitalteknik I.

Digitalteknik 7.5 hp distans: 5.1 Generella sekvenskretsar 5.1.1

Tentamen i Grundläggande ellära och digitalteknik ETA 013 för D

Tenta i Digitalteknik

Bokens innehåll 1. MEKATRONIK en del av vår vardag 2. Styrning med LOGISKA FUNKTIONER

Digital- och datorteknik

D0013E Introduktion till Digitalteknik

D/A- och A/D-omvandlarmodul MOD687-31

Laboration II Elektronik

Tentamen i Elektronik, ESS010, del 2 den 17 dec 2007 klockan 8:00 13:00 för inskrivna på elektroteknik Ht 2007.

Tentamen EDAA05 Datorer i system

Förenklad förklaring i anslutning till kompedieavsnitten 6.3 och 6.4

Tentamen i Grundläggande ellära och digitalteknik ETA 013 för D

Steg-Vis. Innehållsförteckning

Digitalteknik. Talsystem Grindlogik Koder Booles algebra Tillämpningar Karnaughdiagram. A.Lövdahl

Talrepresentation. Heltal, positiva heltal (eng. integers)

IE1205 Digital Design: F6 : Digital aritmetik 2

Lgr 11 matriser i Favorit matematik 4 6

Lösningsförslag till tentamen i Digitalteknik, TSEA22

Institutionen för systemteknik, ISY, LiTH. Tentamen i. Tid: kl

Transkript:

ii

Innehållsförteckning Digitalteknik B - ENK1204...5 Talsystem med viktade positioner...6 Binära och hexadecimala talsystem...7 Digitala ord...7 Negativa tal...7 Hexadecimalt...8 Grindar...9 Diskreta implementationer av grindar...9 Logiska spänningsnivåer...9 Schmitt-trigger...9 Logiska byggblock, Boolesk algebra...11 Varför kallas "+" för 'ELLER'?...11 Sekvenser och kombinatorik...11 Förenkling...12 De Morgans teorem...12 Karnaugh diagram...12 Datablad...13 Vi konstruerar en BCD till 7-segment avkodare...13 Vippor...14 Astabil...14 Bistabil...14 Monostabil...15 Fler vippor...16 SR-vippan...16 JK-vippan...16 Klockade vippor...16 D-vippan...16 T-vippan...16 Utgångstyper...17 Öppen kollektor (open collector)...17 totempåle...17 tristate...17 Drivsteg...17 Räknare, register...18 Aritmetik...18 De fyra räknesätten...18 Multiplikation...18 Division...18 Register...19 Optoelektronik...20 Spektrat fotoner energi...20 LDR fotoresistorn...20 Fotodioder fototransistorer...20 iii

Lysdioder synligt ljus och Infrarött...20 LCD glasbitar och moduler...21 Lampor LED, glödlampor, urladdningsrör...21 LASER...21 Koldioxid, Helium-Neon, Rubin och halvledarlaser...21 Optik...21 Speglar linser...21 Kollimering...21 Störningar felkällor...22 Motverka störningar...22 Länkar...23 Digitalteknik...23 iv

Digitalteknik B - ENK1204 50 poäng inrättad 2000-07 SKOLFS: 2000:31 Mål Mål för kursen Kursen skall ge fördjupade kunskaper om digitala grundfunktioner och digitala elektronikkretsar samt hur dessa används i apparater och elektroniksystem. Kursen skall även utveckla förmågan att i projektform lösa enkla styrtekniska problem med egna kretslösningar där digitala elektronikkomponenter används. Kursen skall dessutom ge fördjupade kunskaper i mätteknik och mer avancerad felsökning på digitala kretsar. Mål som eleverna skall ha uppnått efter avslutad kurs Eleven skall kunna använda olika typer av räknare, aritmetiska kretsar, register, A/D och D/A-omvandlare, programmerbara logiska kretsar, UART- kretsar, optokomponenter samt olika typer av minnen kunna tolka kretsars datablad, använda faktaböcker samt kunna läsa och förstå elektronikkretsscheman kunna lösa logik- och sekvensstyrningsproblem med hjälp av digitala elektronikkretsar kunna mäta kretsars in- och utsignaler med oscilloskop och andra mätinstrument ha kunskap om hur kretsinformation och datablad kan hämtas via internet och andra media ha kunskap om digitala kretsars och optokomponenters arbetssätt och funktion. Betygskriterier Kriterier för betyget Godkänd Eleven löser med viss handledning enkla styrtekniska problem med digitala kretslösningar. Eleven utför felsökning i digital elektronik. Eleven söker de fakta som behövs för arbetsuppgifterna ur olika källor. Eleven hanterar komponenter, instrument och övrig utrustning på ett säkert sätt. Eleven beskriver hur digitala kretsar med sammansatta funktioner fungerar och används. 09-01-09 5 av 24

Talsystem med viktade positioner Till skillnad från det Romerska talsystemet är många andra system beroende av siffrornas position i ett tal. Vi kommer inte att behandla andra än det decimala talsystemet utanför det hexadecimala och binära. Men man ska veta att det finns andra signifikanta talsystem (oktala) i teknikens värld. Dessutom kan man själv hitta på bäst man orkar. Det decimala talsystemet består av tio siffror. Siffran noll uppfanns av en Indier. Se: http://home.swipnet.se/sangha/sangabrev/noll.htm Så här funkar det decimala talsystemet: Heltal (Eng. integer) Decimaler Hundratal Tiotal Ental Tiondel Hundradel 10 2 (100) 10 1 (10) 10 0 (1) 10-1 (0,1) 10-2 (0,01) * * * * * 3 7 8 4 2 Summa 300 +70 +8 +0,4 +0,02 = 378,42 Det finns ingen självklarhet i att talbasen är 10. Kanske är orsaken så enkel att de första matematikerna räknade på sina fingrar. Men det får vi aldrig säkert veta. Matematiskt sett är det decimala talsystemet inte alls ett logiskt val. Det kunde lika gärna blivit 2, 8 eller e (ca. 2,72 - den naturliga logaritmen). 6 av 24

Binära och hexadecimala talsystem I digitaltekniken kan en siffra bara anta värdena 1 eller 0. Det finns alltså två siffror i det binära talsystemet. Om man vill beskriva större tal får man snällt använda fler siffror. Vi börjar på noll, sedan kommer ett. Nu har vi gjort av med alla tillgängliga siffror. Så vad gör vi nu? Jo, vi börjar om på noll, och sätter en etta på nästa position åt vänster i talet. Vanligtvis kallas det tiotalet, men här blir det istället tvåtalet. Men sen då? Det är bara att fortsätta i samma stil. När siffrorna är slut, börja om och räkna upp nästa position... (fyrtalet, åttatalet, sextontalet osv.) Heltal (Eng. integer) Binaler Fyrtal Tvåtal Ental Andredel Fjärdedel 2 2 2 1 2 0 2-1 2-2 * * * * * 1 1 0 0 1 Summa 4 +2 +0 +0,0 +0,25 = 6,25 10 Siffrorna i det binära talsystemet kallas bits, efter binary digits. Digitala ord Det går 4 bits på en nibble, och 2 nibbles på en byte. Ofta sägs ett ord ha längden 2 bytes, men ett ord kan ha ett godtyckligt antal bits. Negativa tal Även i digitaltekniken behöver man ibland kunna representera tal mindre än noll. En konvention man kommit fram till ger att en bit har offrats för att ge talet positivt eller negativt värde. Det är när den högsta biten är 1, som talet är negativt. Det betyder att 11111111 inte längre är 255, utan -1. 01111111 2 =127 10 Men nästa större tal blir: 10000000 2 =-128 10 Syns det att talen är inverterade? 10000001 2 =-127 10 Och att talserien nu är omvänd? Hmm, är den verkligen omvänd? Den går fortfarande från mer negativt till mindre negativt. Eftersom MSB bestämmer tecknet, måste MSB finnas på en bestämd position. Därför måste ordlängden vara fast. 09-01-09 7 av 24

Hexadecimalt Vid flera tillfällen blir det bökigt att beskriva tal binärt, och decimala tal fungerar illa i digitaltekniken eftersom talbasen tio inte följer jämna dubbleringar. Det är då vi tar i med det hexadecimala talsystemet. Som namnet anger, hexa(6) decimal(10), så innehåller systemet sexton siffror. Den högsta siffran känner vi som F, vilket motsvarar 15 decimalt. Glöm inte nollan! För att kunna beskriva F behövs 4 bits, vilket är en halv byte. Alla tal oberoende av talbas, kan omvandlas som visat med de binära och decimala talsystemen. Men här är ännu ett: Hex Dec 0 0 1 1 : : 9 9 A 10 : : F 15 10 16 11 17 3B9 Ett hexadecimalt tal 3 B 9 Dela upp siffrorna i talet 0011 1011 1001 Omvandla siffrorna till binär kod 001110111001 Addera värdena för positionerna där det finns en etta 953 Resultatet i decimal form 8 av 24

Grindar Det är med dessa grundläggande byggblock man skapar det mesta inom digitaltekniken. Diskreta implementationer av grindar Motsatsen till integrerade kretsar är diskreta, alltså enskilda komponenter. Det är lätt att slå upp i en katalog de grindar som behövs för en konstruktion. Men grindarna är konstruerade av vanliga komponenter. Ibland behövs inte en hel krets med grindar i. Kanske behövs bara några dioder eller en transistor. I tabellen på omstående sida finns också små scheman som beskriver grindarnas funktion med diskreta komponenter. Logiska spänningsnivåer För att en signal ska tolkas som hög eller låg, måste den fylla några villkor. Komponenter tillverkas i massupplagor, men orenheter och processer gör ändå att varje liten enhet får små avvikelser. Därför behövs en viss tolerans. Faktorer som också påverkar signalen är belastning, matning, strökapacitans osv. Dessutom kan störningar påverka från tändsystemet i en förbränningsmotor, ett lysrör som tänds, kompressorn i ett kylskåp. Mobiltelefoner är väldigt skräpiga för sin närmaste omgivning. TTL-kretsar arbetar med 5 Volt (detta är en gammal sanning som nu kan modifieras något).cmos-kretsar har ett mycket större område för matning. Även TTL-kretsarna tillverkas numera med CMOS-teknik. Schmitt-trigger Otto Herbert Schmitt (1913 1998) American inventor, engineer, and biophysicist (Wikipedia) Med hjälp av hysteres kan kretsen ignorera signaler som inte helt är att lita på. Symbolen till höger representerar hysteresen. Ur databladet för HCF4511B Matning 5V V OH 4,95 V OL 0,05 V IH 3,5 V IL 1,5 Här intill ser vi en påhittad kurva för insignalen. Men omslagsnivåerna är hämtade ur databladet för 40106 Hex inverter med Schmitt-trigger. Dessa nivåer gäller vid matningsspänningen 5V. Omslagsspänningarna 2,2 respektive 3,0V ger en hysteres på 0,8V. På detta viset kan man alltså tvätta, eller skärpa upp signaler som blivit störda på vägen. 09-01-09 9 av 24

Funktion Amerikansk Europeisk Diskret Sanning. AND A B Q 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 OR NOT A B Q 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 A Q 0 1 1 0 NAND A B Q 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 NOR A B Q 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 XOR XNOR A B Q 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 A B Q 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1 10 av 24

Logiska byggblock, Boolesk algebra George Boole lade grunden till den matematik som används i dagens datorer. Varför kallas "+" för 'ELLER'? se sanningstabellerna. 0*0=0 0*1=0 1*0=0 1*1=1 0+0=0 0+1=1 1+0=1 1+1=10 Denna sanningstabell stämmer överens med OCH-funktionen. Så snart man har en nolla med i en multiplikation blir svaret noll. Det krävs att a OCH b OCH c osv. är ettor för att svaret ska bli ett. Likaledes passar "+"-tecknet in på ELLER-funktionen därför att: a ELLER b (ELLER båda) kan vara ett för att svaret ska bli ett. Här ska tilläggas att resultatet ändå inte kan bli mer än ett, men det är i alla fall mer än 0... vilket betyder 1. Sekvenser och kombinatorik Det går att pussla ihop de mest märkliga funktioner med hjälp av grindarna. Och här finns ett par mjukvaror som kan hjälpa: Digital Simulator - http://web.mit.edu/ara/www/ds.html LogicSim - java - http://www.tetzl.de/ logisim - java - http://sourceforge.net/projects/circuit 09-01-09 11 av 24

Förenkling En maskin kan vara väldigt enkel. Men rätt vad det är så behöver man lägga till ett villkor eller två. Allt eftersom tiden går har man modifierat maskinen så att ett virrvarr av trådar vuxit fram. Det behöver troligen inte vara så. Det är värdefullt att förenkla kretslösningen redan vid konstruktion. Genom att lyckas undvika massor av komponenter, så kan man även undvika massor av felkällor. Det blir också billigare att tillverka. Samtidigt blir det enklare att lösa eventuella problem som kan uppstå. De Morgans teorem (Augustus De Morgan (1806 1871) var en Engelsk matematiker) Med hjälp av detta teorem, kan man byta en sorts grind mot en annan genom att växla in- och utgångarnas tecken. A+B = A*B A*B = A+B Karnaugh diagram (Utvecklad 1953 av Maurice Karnaugh vid Bell labs) Karnaugh diagrammet är din vän. Upp till 4 ingående signaler kan kombineras till flera olika villkor. När man väl sammanställt sina önskemål i diagrammet gör man hoptagningar. Hoptagningarna får vara 1, 2, 4, 8 eller 16 i kombination. 16 är dock lite löjligt... Och 1 ger ju ingen förenkling. Det går faktiskt att lösa större diagram, men det är ganska bökigt, och utanför kursens ramar. Större system löser man bättre med andra tekniker. AB CD 00 01 11 10 00 1 01 1 1 11 1 1 Notera talföljden. Bara en siffra ändrar sig åt gången. Så funkar Gray-koden. Lägg också märke till hur sista talet passar ihop med det första. Internet är fullt av resurer, här är en för just Karnaughdiagram : http://members.cox.net/cyclone1980/kmapsimulation10embedded.htm 10 F=ABC+ACD+ACD 12 av 24

Datablad Varje elektrisk komponent har ett datablad. Tillverkaren tillhandahåller nödvändig information för att på bästa sätt använda deras produkter. Vi konstruerar en BCD till 7-segment avkodare Med endast fyra bitars ordlängd, kan man styra sju segment i kombinationer som ger 16 olika tecken. Men hur ska man tända rätt segment vid rätt BCDkod? Först tar vi reda på vilka tecken som ska presenteras, och sen i vilka tecken som de olika segmenten ska användas. Titta på ett segment åt gången, och identifiera de BCD-koder som ska tända segmentet. För in den koden i Karnaugh-diagrammet. Gör hoptagningar och sammanställ uttrycken. Ur uttrycken kan vi nu kombinera OCH-, ELLER- och ICKE-grindar. Nu är det bara resten av segmenten kvar! Så här kan man alltså konstruera andra maskiner, till exempel kaffeautomater eller tvättmaskiner. 09-01-09 13 av 24

Vippor De tre grundläggande vipporna är astabil, monostabil och bistabil. Nedan presenteras de lite närmare. Men de kan kombineras nära nog i det oändliga. Kärt barn har flera namn. En vippa kallas också multivibrator, eller på Engelska, flip-flop. Astabil Denna vippan skiftar nivå hela tiden den är aktiv. Vippan kan konstrueras på flera sätt, bara fasvridningen är 180 grader. http://da.wikipedia.org/wiki/astabil_multivibrator Har man bara en inverterande grind över så kan den tillverkas med ett RCnät. Men om frekvensen blir för låg, riskerar signalen att fastna i det förbjudna området. Då behöver man använda en grind med Schmitt-trigger. Bistabil Utgången på en bistabil vippa skiftar nivå när ingången känner av en puls, och den skiftar tillbaka vid nästa puls. Man skulle kunna kalla den för "frekvenshalverare". Varianter härav används i räknare, vanligtvis D-vippan. 14 av 24

Monostabil Den monostabila vippan tar emot en puls och dess utgång slår då om en bestämd tid. Detta kan användas, bland annat för att rensa bort kontaktstudsar, men även som batteriladdare... Den enklaste varianten gör man med en kondensator och en diod. I kombination med en OP-förstärkare kopplad som en komparator, blir det än bättre. Observera att exemplet nedan bara visar en av alla tänkbara möjligheter. Till exempel kan man börja räkna tiden redan vid inpulsens positiva flank, eller hindra nya pulser innan tiden gått ut. 09-01-09 15 av 24

Fler vippor Låskretsarna beskrivs på ett utomordentligt vis på: http://www.isk.kth.se/kursinfo/6b2344/vippor/index.htm Genom att koppla NOR- eller NAND-grindar så att utgången på en går till ingången på en annan, kan man skapa en låsbar krets. SR-vippan Namnet kommer sig av Set och Reset. Vippan har sina fördelar, den är nämligen mycket enkel att bygga. Men nackdelar saknas inte då den kan komma i konflikt med sig själv. Den tillåter nämligen att båda utgångarna kan anta samma värde, och det är inte tillåtet. Utgångarna ska nämligen vara varandras motsatser. JK-vippan Med ytterligare några grindar har man skapat JK-vippan. Den är skyddad mot ogiltiga tillstånd och kan inte hamna i förbjudna lägen. Därför brukar den föredras över SR-vippan. Klockade vippor För att göra vipporna riktigt användbara har lite logik till adderats. På så vis skapas en sluss mellan in- och utgångarna. Det gör att ett värde kan bevaras medan ingången kan ges ett nytt värde, utan att påverka utgången. En ny klockpuls krävs för att ändra den. D-vippan D-vippan används i skiftregister och räknare för att ange några exempel. Vi kommer att se den flera gånger framöver. T-vippan Genom att knyta ingångarna på en JK-vippa till varandra och binda dem till matningen kan man få en bistabil vippa när man Togglar på klockingången. 16 av 24

Utgångstyper Det är mycket viktigt att man känner till de vanligaste utgångstyperna. Varför det är viktigt beskrivs i respektive avsnitt. Öppen kollektor (open collector) Denna utgången kan kopplas ihop med andra utgångar utan att skapa konflikter. Men den kräver en resistor som pullup för att utsignalen ska kunna gå till hög nivå. totempåle Med en utgång typ Totempåle, så kan man fastslå signalens läge på ett mycket distinkt vis. Man måste dock vara försiktig med vad man kopplar den till. två utgångar som vill hålla olika nivå, kommer att avge stor termisk effekt (det blir varmt). tristate För att på ett säkert sätt koppla ihop flera block på exempelvis en buss, använder man utgångar med tristate-egenskaper. I stort sett är det en totempåle som man kan koppla ur slutsteget på. Då blir utgången högimpediv, och belastar övriga komponenter så gott som inte alls. Drivsteg 09-01-09 17 av 24

Räknare, register Aritmetik De fyra räknesätten Vi börjar med plus. Som syns av exemplet, så fungerar det exakt likadant binärt som det gör decimalt. Får man ett värde större än 1, så får man sätta upp en minnessiffra. Och konstigare än så är det inte. 1 1 136 +75 211 1 10001000 +1001011 11010011 Minus är inte mycket knepigare. Man ska bara komma ihåg att låna 2 där det behövs. Just denna metoden fungerar bäst för människan då vi har förmågan att se några steg i förväg. För maskiner är det dock lite lättare att bara addera. Därför ska vi alltså nu titta på den modell som används av processorer. Subtraktion genom addition med 2-komplementet 10 136-75 61 10 10 10 10 10 10 10 10001000-1001011 111101 1. Bestäm ordlängden (antal bitar) 2. Fyll ut med nollor om det behövs (glöm inte detta) 3. Invertera talet som ska subtraheras 4. Addera 1 (Nu kallas talet för 2-komplement) 5. Addera de två talen 6. Blir det en bit för många i svaret, släng bort den 7. Färdigt! Multiplikation Kort sagt är detta en upprepad addition 150-72=78 tal1(150) 10010110 tal2(72) 01001000 invertera 10110111 addera + 1 2-kompl. 10111000 addera 10010110 talen + 10111000 Svar(78) 101001110 Division Om du behärskar subtraktion, då kan du dividera. Precis som med multiplikation, är division inget annat än en upprepning, fast med minus istället. 18 av 24

Register Det finns ett par olika typer. Men gemensamt för dem är att "komma ihåg". Vi kan kalla dem för minne. En signal läggs till registrets ingång, och klockas in. Sedan ligger signalen där tills ett annat värde klockas in. Registren finns lite överallt. Till exempel som utgångar, eller som ett "kommihåg" för aritmetiska operationer dvs. minnes- eller lånesiffra. Det finns många fler exempel, försök att komma på några. Med skiftregistren kan man omvandla seriell information till parallell, och tvärt om. I aritmetiken har vi ju kommit fram till att en multiplikation är detsamma som en upprepad addition plus vänsterskift, och division är en upprepad subtraktion med högerskift. I ELFA-katalogen finns ett hyggligt utbud av skiftregister. Finns det någon som passar för binära räkneoperationer? 09-01-09 19 av 24

Optoelektronik I kursen ingår även optoelektronik. Om det inte ger sig självt, så handlar det om ljus i olika former och hur elektronik kan styra, eller styras av, det. Spektrat fotoner energi Det finns massor av ljus, och större delen av det, ser vi inte. Våra ögon är konstruerade för ett ganska snävt område. Men det räcker för våra behov. Ljuset är ett märkligt medium. Det är nämligen både strålning och partiklar, samtidigt. Men det överlåter vi åt fysikerna att debattera. Vad vi behöver veta är att ljuset innehåller energi, och tillräckligt för att det ska kunna användas i komponenter som kan användas till flera intressanta konstruktioner. Solpaneler låter fotoner riva med sig elektroner från ett skikt till ett annat. för att på så sätt ge upphov till potentialskillnader (spänning) och därmed ström (det är lite mer komplicerat, men ta det vid ett annat tillfälle). LDR fotoresistorn När ljus träffar ytan på en LDR (Light Dependant Resistor), kommer elektroner att flyta lättare, dvs. sänker resistansen. Fotodioder fototransistorer Alla halvledare är känsliga för energi, och som tidigare sagt, innehåller ljuset sådan. Exempelvis kan en transistor börja leda om den blir belyst. Vanligen är transistorn ingjuten i en plastkapsel. Det betyder dock inte att den är okänslig. Termisk energi påverkar trots kapseln. Lysdioder synligt ljus och Infrarött På senare år har lysdioder tillverkats med sällan skådade prestanda. Fler färger och högre ljusstyrka har blivit vanliga. Blått ljus var för bara några år sedan mycket dyra. Med de blå dioderna har vita följt. Genom att dopa eller förorena LED-chippet med olika material, påverkar man våglängden tills önskade färger kan tillverkas. Så även utanför våra ögons känsliga område. IR eller infrarött, har man länge använt i larm och fjärrkontroller. Med passiv IR-detektor kan man avläsa avgiven termisk strålning (kroppsstemperatur). Ljusstyrkan i lysdioder med synligt ljus, anges i candela, Cd, eller millicandela, mcd. Moderna starka dioder kanske gör sig bättre med grundenheten... IR-dioders styrka brukar istället mätas i effekt per steradian, mw/sr. Vad detta innebär ingår inte i kursen, men information kan hittas på internet, eller hos Microchip: ww1.microchip.com/downloads/en/appnotes/00243a.pdf 20 av 24

LCD glasbitar och moduler Digitalteknik B Flytande kristaller kan fås att vrida sig om de blir utsatta för elektriskt fält. Genom att polarisera ljuset som ska gå från displayen till ögat, har man filtrerat bort allt ljus som inte infaller i en bestämd vinkel. När sen kristallerna vrider sig, ja, då blockeras resten av ljuset och segmentet blir svart. För att driva många segment, eller pixlar i en matris, hjälper tillverkarna till genom att leverera displayen tillsammans med drivelektronik i en komplett modul. Tittar man på vad som krävs för att driva en LCD så uppskattas all hjälp man kan få. På så vis kan kommunikationsprotokoll standardiseras. Lampor LED, glödlampor, urladdningsrör Hur många sorters lampor som finns har jag ingen aning om. I Elfa-katalogen skrivs att allt som avger ljus får kallas lampa. Det finns båglampor också, alltså lampor som avger sitt ljus genom en elektrisk ljusbåge. Men jag tänker inte kalla en svets för lampa... Det har blivit rätt vanligt att ersätta glödtråden i vanliga lampor med lysdioder. Absolut inget fel i det. Glimlampan är en gammal konstruktion som är väldigt stabil. Nära nog bara glaset kan gå sönder. När en växelspänning matas till lampan joniseras gasen i lampan som då utstrålar fotoner och ser ut att glöda. LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Ljuset är koherent dvs, i fas. Därmed har ljusets alla strålar samma våglängd. Beroende av typ kan man få ut effekt som räcker för att skära plåt Koldioxid, Helium-Neon, Rubin och halvledarlaser Optik Speglar linser För speglar gäller att ljusets utgångsvinkel är densamma som ingångsvinkeln. Exakt hur ljuset bryts i en lins är lite bökigt. Det får en annan kurs ta hand om. Kollimering Med en sorts teleskop samlar man det ljus som lasern avger och fokuserar det till alldeles parallellt. 09-01-09 21 av 24

Störningar felkällor Vem har väl inte på TV sett hur luften dallrar på de heta savannerna i Afrika. Skicka en ljusstråle genom en kilometer sådan luft och se om det inte finns några störningar hos mottagaren. Ljus är okänsligt för magnetfält och elektriska urladdningar (så gott som). Men omgivande ljus kan leta sig in i mottagaren. Motverka störningar Att filtrera våglängder som inte är intressanta, exempelvis med kontrastfilter är en enkel och billig lösning. Men man kan också särskilja ljussignalerna genom att ge dem en specifik frekvens eller annan unik karaktär. Det kallas då modulering. Det gör att DVD-spelaren inte påverkas av TV:ns fjärrkontroll. 22 av 24

Länkar Digitalteknik Grindar och transistorer förklarade på ett bra sätt. Ett löst sammansatt nätverk av kollegor och vänner bidrar också fackkunskaper inom sina områden. Mats Wiklund http://faktabanken.nu/elektronik.htm Inte bara elektronik presenteras. surfa upp en nivå och se. Wikipedia täcker alldeles för mycket för att jag ska kunna nämna allt i en kort presentation. Men mycket information saknas på Svenska. Bortse inte från viktig kunskap på Engelska eller Danska, Norska och för den delen andra språk. http://www.wikipedia.org/ Talsystem och siffror: http://sv.wikipedia.org/wiki/siffra Låskretsar och vippor. Högskolorna är suveräna källor till kunskap. William Sandqvist har skrivit detta dokument. http://www.isk.kth.se/kursinfo/6b4059/vippor/index.htm Men William har skrivit mycket mer. En bit ner på sidan hittar du en lista på kursmaterial. Han har dessutom tillåtit oss att använda det i undervisningen, med glädje till och med! Vi har all anledning att återkomma till hans verk. http://www.isk.kth.se/kursinfo/6b4059/kursprogvt07.htm Datatermgruppen http://www.nada.kth.se/dataterm/ 09-01-09 23 av 24

24 av 24 Digitalteknik B