DIGITÁLIS ALAPÁRAMKÖRÖK

Átírás

1 BUDAPESTI MŰSZAKI FŐISKOLA Kandó Kálmán Villamosmérnöki Főiskolai Kar dr. Szentiday Klára DIGITÁLIS ALAPÁRAMKÖRÖK oktatási segédlet a villamosmérnök szak Elektronikus eszközök szakirány hallgatói számára 2. (javított) kiadás Mikroelektronikai és Technológiai Intézet Budapest, 2003

2 A kéziratot átnézte: Lovassy Rita főiskolai tanársegéd Szerkesztette és az ábrákat készítette: Mihalik Gáspár tanszéki mérnök

3 - 3 - Tartalomjegyzék BEVEZETÉS DIGITÁLIS KAPUÁRAMKÖRÖK ADATLAPJELLEMZŐINEK VIZSGÁLATA KOMBINÁCIÓS- ÉS TRIGGER-ÁRAMKÖRÖK MÉRÉSI GYAKORLATAI ARITMETIKAI ÁRAMKÖRÖK ÉS ANALÓG MULTIPLEXER VIZSGÁLATA TÁROLÓK ÉS LÉPTETŐREGISZTEREK VIZSGÁLATA FREKVENCIAOSZTÓK ÉS SZÁMLÁLÓK MÉRÉSEI ABEL SZIMULÁCIÓS GYAKORLAT...73

4 - 4 - BEVEZETÉS A Digitális technika c. törzstárgyhoz hallgatóink részére 6 db mérési gyakorlat áll rendelkezésre. Egy-egy gyakorlat elvégzése 4 órás foglalkozást igényel. Az első öt mérés TTL és CMOS áramkörökkel foglalkozik, míg a 6. mérési gyakorlat számítógépes áramkörtervezést tartalmaz, ami a rendelkezésre álló ABEL PLD program segítségével kapuhálózat-alapú tervezési feladat-megoldást és szimulációs lehetőségeket biztosít. Az első öt mérési anyaggal kapcsolatos alapismereteket a hallgatók a Digitális technika c. tantárgy harmadik félévi előadásainak keretében sajátíthatták el, míg a számítógépes szimulációhoz szükséges ismereteket a negyedik félév előadásai tárgyalják. Valamennyi mérési gyakorlat elején felsoroljuk, hogy milyen műszerek és kellékek szükségesek a mérések elvégzéséhez. Az alkalmazott műszerekkel kapcsolatosan felhívjuk a figyelmet az alábbiakra: Tápegység A legtöbb méréshez 5 V tápfeszültség szükséges, néhány esetben azonban a tápfeszültséget szabályozni vagy változtatni kell. A mérődobozokba védődiódát építettünk be, ami fordított polaritás rákapcsolása esetén megakadályozza az áramkörök helytelen táplálását (ekkor a védődióda zárófeszültséget kap). Helyes táplálásnál a védődióda nyitóirányban működik, és ebben az esetben sarkai között kb. 0,5 0,6 V esik. Ezért a tápfeszültséget előzőleg digitális voltmérővel ellenőrizve állítsuk 5,6 V-ra, és ezt az értéket adjuk rá a mérődobozra. Figyelem! A TTL áramkörök igen pontosan beállított 5 V-os tápfeszültséget igényelnek! A tápegység-mérőműszereknél a (+) pozitív és a (-) negatív kimeneteken kívül található még egy föld jelű kimenet is. Ezt a kimenetet semmikor ne használjuk! Mindenkor a negatív kimenet legyen az áramkör közös (földelt) pontja! A legtöbb tápegység dobozán áramkorlátozó forgató gomb is található. Ha ez minimum helyzetben van, a tápegység által leadott áram nem elegendő az áramkörök és a LED-ek meghajtásához. Ügyeljünk arra, hogy az áramkorlátozó gomb maximum-helyzetben legyen!

5 - 5 - Függvénygenerátor A mérések egy részénél impulzusgenerátor hiányában - függvénygenerátor áll a hallgatók rendelkezésére. A függvénygenerátoron található olyan kimenet (Trig.out TTL), ami TTL-szintű, tehát kb. 3,5 4 V-os pozitív négyszögjelet ad ki. Mindenkor ezt a kimenetet használjuk! Nem ajánlott a függvénygenerátor használata azoknál a méréseknél, ahol nagyfrekvenciás impulzusokkal kell mérni. Ennek oka, hogy a függvénygenerátor jele mintegy 1 MHz fölött erősen torzított. Éppen ezért az ilyen mérésekhez impulzusgenerátor használatát írtuk elő, mivel az impulzusgenerátor kifejezetten a meredek felfutású jelekre optimalizált! Impulzusgenerátor A digitális mérések céljára a legideálisabb jeladó eszköz az impulzusgenerátor. Az impulzusgenerátornak 2 db főimpulzus kimenete van: az egyik kimeneten a földhöz képest pozitív, és a másik kimeneten a földhöz képest negatív impulzusok jelennek meg. Van azonban az impulzusgenerátornak egy harmadik kimenete is: a Trig. Out TTL, amelyről TTL szintű jel vehető le. A TTL áramkörökön végzett méréseknél ezt a kimenetet használjuk! Mindhárom kimenet időzítése szinkronban történik, tehát az időzítő kapcsolók (ismétlődési frekvencia, késleltetés, jelszélesség) egyforma hatást fejtenek ki mindhárom kimenetre. Amennyiben az időzítő kapcsoló négyszög rajzolatú állását használjuk, 1:1 kitöltési tényezőjű négyszög-impulzusokat kapunk. Ha egyéb beállítást használunk, akkor az impulzusok kitöltési tényezőjét szabályozhatjuk. Ügyeljünk azonban arra, hogy az ismétlődési frekvencia és a jelszélesség beállítása egymással összhangban legyen, mert ha a jelszélesség nagyobb, mint a periódusidő, akkor szabálytalan, és nem a beállított értékeknek megfelelő jeleket kapunk. A legtöbb mérésnél a bemeneti jelet felvisszük az oszcilloszkóp egyik csatornájára, hogy azzal összevetve vizsgálhassuk a kimenet jelét. Ebben az esetben a bemeneti jelet kétfelé kellene ágaztatni, ami kényelmetlenné teszi a mérést. Megkönnyíti a mérést, ha a vizsgálat számára a generátor pozitív főimpulzusát visszük az oszcilloszkópra, ami mint fent már említettük az időzítést tekintve megegyezik a TTL kimenet jelével. Ezt az eljárást a függvénygenerátornál is követhetjük a szelektor-kapcsoló négyszög-állását választva. Bár a függvénygenerátor négyszögjele földszimmetrikus (ezért nem használhatjuk a digitális áramkörök vezérlésére!), az időzítési viszonyok azonban ekkor is megegyeznek a TTL kimenet időzítési értékeivel.

6 - 6 - Vezérlés statikus L- és H-szintekkel A mérések egy részénél nem használunk jelgenerátort, hanem statikus (állandó) L- és H- szintekkel vezéreljük az áramkör-bemeneteket. Valamennyi mérőpanelon nagy számban állnak rendelkezésre (föld) jelzésű banánhüvelyek, amelyek a panelon belül a tápfeszültség nullpontjára csatlakoznak. L-szint igénye esetén ezekhez a pontokhoz csatoljuk a kérdéses bemeneteket. H-szint esetén egyszerűsítéssel élhetünk a TTL áramköröknél: kihasználjuk a TTL áramköröknek azt a tulajdonságát, hogy az üresen hagyott bemenetek (lebegő bemenetek) az áramköri sajátosságok következtében H-szintre töltődnek fel. Ezért hogy takarékoskodjunk a banánhüvelyekkel, és megkíméljük a hallgatókat a túl sok huzalozástól a H-szintet úgy adjuk bemenetre, hogy a kérdéses bemenetet szabadon hagyjuk! CMOS áramköröknél ez a módszer nem követhető, az L-szintre kapcsolandó bemeneteket az áramkör (-) pontjára, és a H-szintre kapcsolandó bemeneteket az áramkör (+) tápfeszültség-pontjára kell kötni! Rajzjelek A kapcsolási rajzoknál mindenhol a magyar szabványnak megfelelő, ún. dobozos jelöléseket alkalmaztuk a kapuk és a tárolók esetében. Felhívjuk a figyelmet arra, hogy a digitális áramkörök esetében a kapcsolási rajzokon nem tüntetik fel az egyes áramköri egységek tápfeszültségvezetékeit! Az integrált áramkörök tokbekötési rajzai és a mérőpanel egyes áramkörei azonban tartalmazzák a tápfeszültség-bevezetések jelét és helyét. Jegyzetünkben csak olyan ábráknál tüntettük fel a tápfeszültséget, ahol a kapukat körülvevő ellenállás-hálózat megvalósítása azt igényli. Ajánlott szakirodalom: A mérési feladatok megértését segíti és a felkészülést megkönnyíti, amennyiben a hallgatók átnézik az alábbiakban felsorolt szakirodalmak megfelelő fejezeteit. 1. Rőmer Mária: Digitális rendszerek áramkörei 6. kiadás, Hungarian Edition Műszaki Könyvkiadó Bp. 2. Texas TTL receptek. 2. kiadás. Műszaki Könyvkiadó Bp. 3. Magyari-Theisz-Glofák: Digitális IC-atlasz 2. kiadás. Műszaki Könyvkiadó Bp. 4. Rőmer Mária: easy ABEL kezelési útmutató KKMF jegyzet 25/94 Bp. 1994

7 DIGITÁLIS KAPUÁRAMKÖRÖK ADATLAPJELLEMZŐINEK VIZSGÁLATA Műszerek és kellékek: 1 db szabályozható kettős tápegység 1 db impulzusgenerátor 1 db oszcilloszkóp 2 db digitális multiméter 1 db forrasztható mérőpanel, 1 db próba-panel, forrasztókészlet, 3-4 db integrált áramkör, néhány db ellenállás, kondenzátor és LED A HALLGATÓK A MÉRENDŐ KAPCSOLÁSOKAT FORRASZTÁSSAL ÁLLÍTJÁK ÖSSZE! A mérés célja a leggyakrabban használt digitális kapuáramkörök katalógus által megadott jellemzőinek értelmezése, a legfontosabb katalógusparaméterek és jelleggörbék kimérése és néhány alkalmazási lehetőség megismerése. A vizsgálatok céljára TTL kapuáramkörök és egy CMOS kapuáramkör áll rendelkezésre. Vizsgálandó integrált áramkörök: TTL típusból: SN 7400 és SN 74LS00 NÉS kapu, SN 7406 nyitott kollektoros inverter; CMOS típusból: CD 4001 NVAGY kapu, vagy CD 4011 NÉS kapu. A CMOS digitális integrált áramkörök családjában a legtöbb TTL áramköri kapcsolás megtalálható, azonban a CMOS változatban bonyolultabb, nagyobb integráltsági fokozatú áramkörök is rendelkezésre állnak. Méréseink során csak az egyszerűbb változatokkal fogunk találkozni, olyanokkal, amelyek a TTL-családból is ismeretesek. A CMOS elnevezés arra utal, hogy valamennyi tranzisztor p- és n-csatornás komplementer tranzisztor-párból áll, tehát az áramkörök nem tartalmaznak csak p-, vagy csak n-csatornás tranzisztorokat.

8 - 8 - A TTL és a CMOS áramkörcsalád elemeit összehasonlítva, a következők mondhatók: - A TTL áramkörök kötött szintűek, tehát tápfeszültségük csak kis mértékben (mintegy ±10 %-ban) szórhatnak. A CMOS áramkörök szabadszintűek: tápfeszültségük és H-szintjük 3,5 V 15 V tartományon belül választható meg. - A TTL áramkörök jelentős, l mw-tól többszáz mw-ig terjedő teljesítményfelvétellel rendelkeznek, míg a CMOS áramkörök teljesítményfelvétele a nw-os nagyságrendekbe esik. - A TTL áramkörök működési sebessége általában nagyobb a CMOS áramkörök működési sebességénél (az átlagot tekintve, és nem az erre optimalizált típusokra nézve). - A CMOS kapuk átviteli jelleggörbéje igen jól megközelíti az ideális változatot, míg a TTL átviteli jelleggörbe és ezáltal a zavarvédettség is sokkal kedvezőtlenebb. - A TTL áramkörök terhelhetősége (FAN OUT) kapubemenet, míg a CMOS áramköröknél a terhelhetőség eléri a több száz kapubemenetet. Megjegyzendő azonban, hogy a terhelés, vagyis a kapubemenet-szám növelésével a működési sebesség jelentősen csökken! A mérődoboz vázlatos rajzát az 1.1. ábra szemlélteti. A doboz tetején lévő NYÁK lap 3 db IC foglalatot tartalmaz a bennük elhelyezett integrált áramkörökket. Az áramköröket a tokból kiemelni, forgatni és cserélgetni tilos! Az áramkörökhöz csak a laborvezető nyúlhat! A tokok lábkivezetései a dobozon belül összekapcsolódnak az alsó és a felső forrcsúcsokkal. Az alsó sín a doboz hátoldalán lévő GND feliratú 5 db banánhüvelyre csatlakozik, e sínre kell kiforrasztani az éppen vizsgált IC tápfeszültségének (-) pontját. A felső sín a +5 feliratú (piros) banánhüvelyre csatlakozik, e sínre kell kiforrasztani azt az IC-lábat, amelyre a tápfeszültség (+) pontja kapcsolódik. A doboz elején lévő számozott forrcsúcs-sor 1 7 jelű forrcsúcsai rendre a hátoldal azonos számozású banánhüvelyeire vannak csatolva a dobozon belül. Az 1. és a 2. forrcsúcs a doboz hátoldalán a két BNC csatlakozó aljzatra vezet (meleg pontokra). A dobozba beépítve l db potencióméter is található (P 1 ), amelynek értéke 10 kω. A potméter kivezetései a forrcsúcsokra csatlakoznak a dobozon belül összekötve a forgatógomb mellett található ábra szerint. Megjegyezzük, hogy a mérőpanelt kézbe véve, valamennyi jelölés értelemszerű!

9 ábra A mérődoboz bekötésének sematikus rajza 1.1 Az SN 7400 TTL áramkör vizsgálata A gyakorlat elvégzése során előadódhat, hogy az SN 7400 áramkör helyett SN 74S00 vagy SN 74LS00 IC áll a hallgatók rendelkezésére. Ezek az áramkörök mint korábbi tanulmányainkból ismeretes csak a működési sebességben és a tápegységből való áramfelvételben térnek el egymástól. Amennyiben az általunk felvett jelleggörbéket összevetjük a katalógusokban közöltekkel, ezt a körülményt figyelembe kell venni! A 7400 típus 4 db kétbemenetű NÉS kaput tartalmaz. A tokban lévő kapuk szimbolikus jelölését és az IC lábkiosztását az 1.2. ábra szemlélteti ábra

10 Mérési feladatok: Bemeneti jelleggörbe (Ube Ibe ) felvétele A mérőpanelon forrasztással állítsuk össze az 1.3. ábra szerinti kapcsolást. A bemeneti áram és a bemeneti feszültség mérését a rendelkezésre álló két multiméterrel végezzük el. Az U t tápfeszültség értéke legyen pontosan +5 V! Potencióméterként alkalmazhatjuk a dobozba beépített P 1 potmétert. Változtassuk P 1 segítségével az U be feszültséget 0 V..+4 V között és határozzuk meg az egyes mérési pontokban az I be áramot. Ahol a görbe meredeken változik, ott sűrítsük a mérési pontokat! Ábrázoljuk a felvett jelleggörbét mm-papíron. Milyen érdekességet figyelhetünk meg? Fűzzünk hozzá magyarázatot! 1.3. ábra Átviteli jelleggörbe (Ube Uki) felvétele Állítsuk össze a következő kapcsolást (1.4. ábra), pontosan 5 V-os tápfeszültséget alkalmazva.

11 ábra Vegyük fel az átviteli jelleggörbét úgy, hogy a bemeneti feszültséget 0 +3 V között változtatjuk. A billenési feszültség környezetében sűrítsük a mérési pontokat. Ábrázoljuk a függvényt mm-papíron. A papírra rajzoljuk fel az ideális jelleggörbét is, összehasonlítás céljából! A kimeneti jelleggörbék (Iki -.Uki )felvétele Kétféle kimeneti jelleggörbe létezik: a kimeneti H-szint, ill. a kimeneti L-szint esetén felvett jelleggörbe. Mindkét esetben a kimeneti áram függvényében mérjük a kimeneti feszültséget! Kimeneti H-szintet úgy állítunk be, hogy a bemeneteket L-szintre kötve, a kapu-kimenet H-szintre kényszerül (ld ábra). Ha a P 1 potenciómétert változtatható ellenállásnak kötjük be, akkor az ellenállás csökkentésével egyre nagyobb áramot húzunk ki a kapuból. Mielőtt a kapukimenetre bármit is kapcsolnánk, adjunk L-szintet a bemenetre, és mérjük meg voltmérővel a kapu kimeneti feszültségét. Ez az érték fog megfelelni az I ki = 0 helyzetnek. Ezt követően állítsuk össze az 1.5. ábra szerinti kapcsolást, majd fokozatosan csökkentsük a P 1 potméterrel a kimeneti ellenállást. Ezáltal érthető módon nő a kimeneti áram és csökken a kimeneti feszültség. Mérésünknél a kimeneti áram semmi esetre se lépje túl a 10 ma értéket! Ábrázoljuk a mért kimeneti feszültségeket a kimeneti áram függvényében mm-papíron.

12 ábra Kimeneti L-szintet úgy állítunk be, hogy mindkét kapubemenetet H-szintre helyezzük. Mielőtt a kimenetre bármit is kapcsolnánk, mérjük meg voltmérővel a kapu kimeneti feszültségét. Ez az érték fog megfelelni az I ki = 0 helyzetnek. Ezt követően állítsuk össze a kapcsolást az 1.6. ábra szerint ábra Állítsunk be a P 1 potméterrel maximális ellenállást, majd az ellenállást csökkentve és ezáltal az I ki kimeneti áramot növelve vegyük fel az I ki U ki jelleggörbét. A méréseket az I ki max = 10 ma-ig végezzük el. Ábrázoljuk mm-papíron ezt a kimeneti jelleggörbét is. Számítási feladat: Az elvégzett jelleggörbe-mérések alapján határozzuk meg a kapu zavarvédettségi feszültség-tartományát a következők szerint:

13 Az U be I be jelleggörbéből olvassuk le, hogy mekkora a bemeneti áram az U be minimális (0V) és maximális (nagyobb 3 V) értékénél. Ha a terhelést N = 10 kapubemenetre vesszük, mekkora áramnak felel ez meg H- és L- szintű bemenetek esetén? A kimeneti jelleggörbékből olvassuk le a fenti áramokhoz tartozó kimeneti feszültségeket (U kih, U kil ). Az átviteli jelleggörbéből olvassuk le a maximálisan megengedett bemeneti L-szint és a minimálisan megengedett bemeneti H-szint értékét! A fentiek alapján határozzuk meg a U zavarvédettségi feszültségtartományokat H- és L- szint esetén: U H = U kih U beh min ; U L = U kil U bel max. 1.2 CMOS kapuáramkör vizsgálata Vizsgálataink céljára CD 4001 vagy CD 4011 típusú (esetleg egyéb gyártmányú) CMOS áramkört használunk. Ezek a típusok 4 db kétbemenetű NVAGY, ill. NÉS kaput tartalmaznak. A kapuk lábkiosztása megegyezhet az 1.2. ábrán látható TTL kapu lábkiosztásával, azonban ettől eltérő típusokkal is találkozhatunk. Ilyen tokbekötést mutat az 1.7. ábra.figyelem! A mérések megkezdése előtt kérdezzük meg a laborvezetőtől, hogy milyen típusú áramkör van a mérődobozban, és annak milyen a lábkiosztása! 1.7. ábra

14 Mérési feladatok: Átviteli jelleggörbe meghatározása Ezt a mérést az feladat mintájára végezzük el az 1.4. ábra szerinti kapcsolásban úgy, hogy a kiválasztott kapu két bemenetét összekötjük, és közösen vezéreljük. Végezzük el a méréseket 3,5 V; 5 V és 14 V tápfeszültség esetén is! Tekintve, hogy a CMOS kapu átviteli jelleggörbéje meredeken billen, a mérés mindössze abból áll, hogy megkeressük azt a bemeneti feszültséget, amely esetén a kimenet H-szintből L-szintbe vált át. Felhívjuk a figyelmet arra, hogy a CMOS kapu H-szintje mindig megegyezik a tápfeszültséggel! Ennek ellenőrzése céljából mérjük meg a kimeneti L- és H-szint pontos értékét is mindhárom tápfeszültség esetében! Késleltetési idő mérése Adjunk az áramkörre 5 V-os tápfeszültséget. Kapcsoljunk sorba két kaput úgy, hogy mindkét kapu bemeneteit közösítjük. Az első kapu bemenetére impulzusgenerátorból adjunk 5 V nagyságú pozitív impulzust (néhány khz jelfrekvenciával). Ugyanezt a bemeneti jelet vezessük az oszcilloszkóp első csatornájára, míg a második csatornára kapcsoljuk rá a második kapu kimenetét. Ha jól állítottuk össze a mérést, a két csatorna jele csaknem teljesen megegyezik egymással. Ezt követően növeljük a bemeneti jel frekvenciáját mindaddig, amíg a kimeneti és a bemeneti jel között jól leolvasható késleltetést figyelhetünk meg. Mérjük le mind a fel-, mind a lefutási él esetében a késleltetési időt (a méréseket a jel 50 %-ánál végezzük!). A mérés megkezdése előtt ellenőrizzük a szkóp időskálájának hitelességét. Az egy kapura jutó késleltetési időket úgy kapjuk meg, hogy a mért értékeket felezzük. A mérési összeállítást az 1.8. ábra szemlélteti ábra Kapcsoljunk kondenzátort a kimenetre, és úgy is mérjük meg a késleltetési időket. Egy vagy két kondenzátorral végezzük el a méréseket. Figyelem! Ebben az esetben megnő a

15 jelkésleltetés, tehát sokkal kisebb impulzus-frekvenciákon kell a méréseket elvégezni, hogy jól leolvasható késleltetéseket kapjunk! Gyűrűs oszcillátor készítése Adjunk a vizsgált CMOS áramkörre 5 V tápfeszültséget. Kapcsoljunk három kaput gyűrűbe az 1.9. ábra szerint. Valamelyik kapukimenetet kapcsoljuk oszcilloszkópra, és helyes beállítás esetén az önrezgő kapcsolás impulzusait figyelhetjük meg. A mért impulzus periódus-idő a három kapu késleltetési idejének az összegével fog megegyezni. Mérjük le a periódus-időt, osszuk el hárommal, és az eredményt hasonlítsuk össze a feladatban meghatározott késleltetési idővel ábra CMOS és TTL kapuk illesztése Helyezzünk egy SN 74LS00 TTL kaput a próba-panelba és válasszuk ki annak egyik kapuját. Közösítsük a két kapubemenetet, majd impulzusgenerátorból adjunk kb. 10 khz-es négyszögjelet a bemenetre. A kapu-kimenetet kapcsoljuk az eddigiek során vizsgált CMOS kapuáramkör egyik kapujának a bemenetére, miután a két kapubemenetet közösítettük (ld a. ábra). A CMOS áramkörre adjunk ugyancsak 5 V-os feszültséget. Kapcsoljuk az oszcilloszkóp egyik csatornájára a TTL kapu kimenetét, és a másik csatornára a CMOS kapukimenetet. Növeljük meg a négyszögjel frekvenciáját kb. 2 MHz-re, és rajzoljuk le az oszcilloszkópon látható jelalakokat. Mit tapasztalunk és miért?! Cseréljük fel a két kaput, vagyis végezzük el a fenti mérést úgy is, hogy a CMOS kapu kimenetére kapcsolódjék a TTL-kapu közösített két bemenete (ld b. ábra).

16 a) b) ábra 1.3 Nyitott kollektoros TTL kapu vizsgálata Méréseinkhez SN 7406 TTL kaput alkalmazunk, ami 6 db nyitott kollektoros invertert tartalmaz. Tokbekötési rajza az 1.11.a. ábrán és egyik inverterének kapcsolási rajza az 1.11.b. ábrán látható. a) b) ábra a) Nyitott kollektoros TTL kapu tokbekötése b) Az egyik kapu áramköri kapcsolása

17 Mint az 1.11.b. ábrán látható, a végtranzisztor kollektora szabadon van. Ez a Q kimenet egy R ellenálláson át a kapu 5 V-os tápfeszültségére, vagy más értékű tápfeszültségre kapcsolható. A 7406 esetében U K max = 30 V értékű, és a maximálisan megengedett kollektoráram, I ki = 16 ma. Mérési feladatok: A minimális terhelő-ellenállás meghatározása Valósítsuk meg az ábra kapcsolását. A biztonságos működés érdekében a változtatható ellenállásnak kötött P 1 potméterrel kapcsoljunk sorba egy kb. 800 Ohmos R 1 ellenállást is ábra Adjunk a kapu tápfeszültség bemenetére a szokásos módon 5 V-ot, azonban az U K -val jelzett pontra másik tápegység-részből kapcsoljunk +25 V-ot. Adjunk a kapu bemenetére H- szintet. A P 1 potméter ellenállását csökkentsük egészen addig, amíg a kimeneti áram el nem éri a 15 ma-t. Mérjük meg az ehhez az álláshoz tartozó U ki feszültséget, majd szétszedve a kapcsolást, ohmmérővel mérjük meg a P 1 -gyel beállított ellenállásnak és az R 1 ellenállásnak az összegét. Ez az érték felel meg a minimális terhelő ellenállásnak Alkalmazási példa (szorgalmi feladat) A nyitott kollektoros kapu jól alkalmazható valamilyen fogyasztó digitális vezérlésére. Példaként LED-meghajtó áramkört készítünk.

18 Valósítsuk meg az ábra szerinti kapcsolást. A kapura adjunk 5 V tápfeszültséget, és az U K pontra adjunk a másik tápegységből +25 V-ot. Adjunk a kapubemenetre H-szintet. Amennyiben a LED-et helyes polaritással kötöttük be, a LED világítani fog. P 1 -et változtassuk addig, amíg az I ki kimeneti áram 10 ma nem lesz. Változtassuk meg a kapubemenet feszültségét H-szintre! Helyes beállítás esetén a LED kialszik. Amennyiben ez nem következik be, változtassuk a P 1 potmétert úgy, hogy csökkenjen a kimeneti áram, majd a LED éppen kialudjék. Ha nem tudjuk az ellenállást olyan értékre beállítani, hogy a LED ne világítson, csökkentsük a 25 V-os U K feszültséget is! Végül kapcsoljunk a kapubemenetre impulzusgenerátort, amelyen TTL szintű négyszögjelet állítunk be lassú, néhány Hz-es jelfrekvenciával. Helyes beállítás esetén szemünkkel is követhetjük a LED fényerejének változását. Kezdjük el növelni a jelfrekvenciát, és keressük meg azt a frekvencia értéket, amelytől kezdve a LED villódzása megszűnik, és fényét állandónak látjuk! Ez a frekvencia tekinthető szemünk határfrekvenciájának, ami fontos fiziológiai jellemző ábra

19 KOMBINÁCIÓS- ÉS TRIGGER-ÁRAMKÖRÖK MÉRÉSI GYAKORLATAI Műszerek és kellékek: 1 db kettős tápegység 1 db impulzusgenerátor 1 db függvénygenerátor 1 db digitális multiméter 1 db oszcilloszkóp 1 db mérődoboz, ami 2 db 7400, 1 db 7446, 1 db 7486, 1 db TIL 301 áramkört és szintjelző LEDeket tartalmaz, továbbá 1 db műanyag doboz áramkörrel és 1 db műanyagdoboz 7414 és 7404 áramkörrel ellátva. Kombinációs áramköröknek nevezzük a visszacsatolásokat nem tartalmazó kapuhálózatokat, amelyek a bemenetre adott jelkombinációk hatására a válaszjelet a kimeneten azonnal (tárolásmentesen) megjelenítik. A valóságos kapuhálózatok esetében azonban érvényesülnek a jelkésleltetések, ezek sok esetben versenyfutási helyzeteket, ún. hazárdokat eredményeznek. Impulzusok előállítására, formálására, továbbá szinusz- és egyéb jelformák négyszögesítésére alkalmazhatók a trigger-áramkörök. A tranzisztorokból összeállítható monostabil- és trigger-kapcsolásokkal már az előző félév Elektronika gyakorlatai során megismerkedtünk. Ezért a mérések megértéséhez el kell olvasni az Elektronikai laboratóriumi gyakorlatok c. jegyzet 5. sz. mérési gyakorlatát! A most sorra kerülő mérések lényegében a már megismert monostabil- és trigger-kapcsolások integrált áramkörös változatait tartalmazzák. A gyakorlat első részében a kombinációs hálózatok számítási és mérési feladataival foglalkozunk, majd a második részben integrált monostabil multivibrátorral és Schmitt-triggerrel ismerkedünk meg. Ez utóbbi áramkörök belső felépítésükben mind kombinációs, mind szekvenciális kapcsolási elemeket tartalmaznak. 2.1 Kombinációs áramkörök vizsgálatai Logikai függvények egyszerűsítése és a minterm alakok megvalósítása NÉS-NÉS hálózattal

20 Mérési feladatok: Egyszerűsítsük az alábbi függvényeket Karnaugh-táblával. A mérési jegyzőkönyvben tüntessük fel a táblákat, a számítások részleteit és az egyszerűsített függvényalakokat! Ezt a feladatot a hallgatók a mérésre való felkészülés során oldják meg, és a mérés megkezdése előtt az eredményt mutassák be a gyakorlatvezetőnek! f 1 = Σ 4 (3, 4, 5, 6, 7, 8, 10, 12) f 2 = Σ 4 (0, 1, 2, 3, 4, 5, 9, 11, 13) f 3 = Σ 4 (0, 1, 4, 5, 7, 8, 9, 10, 11) f 4 = Σ 4 (1,3, 4, 6, 8, 9, 11, 14, 15) f 5 = Σ 4 ( 1, 5, 9, 12, 13, 14, 15) Valósítsuk meg az egyszerűsített f5 függvényt NÉS-NÉS kapuhálózattal! Készítsük el az eredeti (egyszerűsítés előtti) f5 függvény igazságtáblázatát, majd annak néhány sorát igazoljuk úgy, hogy az egyszerűsített függvénynek megfelelő kapuhálózat azonos jelű bemeneteire adjuk a kérdéses jelkombinációkat. A kimenetet kapcsoljuk az egyik szintkijelző LED-hez tartozó banánhüvelyre. Szorgalmi feladatként egyéb függvények elkészítése is ajánlott! A vizsgálatoknál a bemeneteket statikus L- és H-szintekkel vezéreljük! Ezzel kapcsolatban utalunk a Bevezetésben említett előírásokra.

21 Vezérelt inverter készítése kizáró-vagy kapuból Mérési feladatok: Írja fel a kétváltozós kizáró-vagy függvény igazságtáblázatát és igazolja annak helyességét a 7486 áramkör egyik kapujának segítségével Adjon az egyik kapubemenetre TTL-szintű négyszögjelet (a függvénygenerátor vagy az impulzusgenerátor TTL kimenetét használva) 10 khz körüli frekvenciával és a kapukimenetet kapcsolja oszcilloszkópra. A másik kapubemenetet helyezze felváltva L-, majd H-szintre. Mit tapasztal? Vezesse az oszcilloszkóp másik csatornájára a bemeneti négyszögjelet. Mit tapasztal? Miért nevezzük ezt az áramkört vezérelt inverternek? Indokolja meg a választ az igazságtáblázat alapján! Hazárdot tartalmazó kombinációs hálózat vizsgálata Állítsuk össze a 2.1. ábra szerinti többszintű kapuhálózatot. Ehhez a méréshez alkalmazzunk impulzusgenerátort, annak TTL kimenetét felhasználva, négyszögjelet beállítva. Az ábrát tekintve egyszerűen belátható, hogy az y ki kimenet mindig H-szintű, mivel a vezérlő négyszögjel ellenfázisban vezérli az y 1 és y 2 kimenetű kapukat. A körbe sorosan kapcsolt 3 db inverternek kapcsolt kapu azonban késlelteti az egyik ágon a jelet, így az y 2 kimenet még akkor is H-szintű lesz, amikor már az y 1 is elérte a H-szintet. Így egy rövid időre y ki L-szintű tűimpulzust (hazárdot, azaz hamis vezérlést) mutat ábra

22 Mérési feladatok: Állítsuk össze a 2.1. ábra kapcsolását. Az inverterek és a kapuk céljára használjuk a 7400 áramkör kapuit. (Figyelem! A fel nem használt kapubemenet üresen hagyva H-szintet képvisel, ahogyan azt a Bevezetés c. fejezetben már elmondtuk!) Az U be bemenetre adjunk közepes frekvenciás (10 khz körüli) négyszögjelet, majd vezessük az y 1 kimenetet az oszcilloszkóp egyik, míg az y 2 kimenetet a másik csatornájára. A kapcsolást akkor sikerült jól összeállítanunk, ha a két kimeneti jel ellenfázisban van. Rajzolja le a kapott ellenfázisú jelalakokat! Az igen rövid idejű hazárd jelet akkor tudjuk kimérni, ha nagyfrekvenciás vezérlést adunk a kapuhálózatra. Növeljük meg a jelfrekvenciát 1 2 MHz-re, majd kapcsoljuk az egyik oszcilloszkóp-bemenetre az y ki kimenetet és a másik bemeneten hagyjuk meg az előző feladatnak megfelelő vezérlést. Figyeljük meg az y ki kimeneten megjelenő tűimpulzust, rajzoljuk le a jelalakokat, majd mérjük meg a tűimpulzus fele amplitúdójánál annak időtartamát. Tekintve, hogy 3 db invertert kapcsoltunk sorba, a mért értéknek az egyharmada lesz az egy kapura jutó jelkésleltetési idő. Határozzuk meg ezt az értéket, majd nézzük meg a katalógusban a 7400 kapu tipikus jelkésleltetési idejének értékét. A mérésnél ügyeljünk az oszcilloszkóp időskálájának pontos beállítására! Amennyiben 10-szeres idő-nyújtást alkalmazunk, a kapott idő-értéket értelemszerűen tízzel osztani kell! Mind az y 1, mind az y 2 kimenettel együtt nézze meg az y ki kimenetet. Magyarázza meg, hogy miért csak az egyik jelátmenetnél lép fel hazárd? Kódátalakító készítése (binárisból Gray-kódba) E feladat során kódátalakító kapcsolást tervezünk és valósítunk meg. A kódátalakító áramkör olyan legyen, hogy 4 bites bináris kódot 4 bites Gray-kódba alakítson át a 2.2. ábra szerinti tömbvázlat szerint. Ha felírjuk a kétféle kód igazságtáblázatát, láthatjuk, hogy kizáró-vagy kapukkal egyszerűen megoldható az átalakítás ábra

23 Mérési feladatok: Készítse el a kódok igazságtáblázatát Valósítsa meg a kódátalakító kapcsolását. A kódátalakító kimeneteit (Gray ki) vezesse a LEDsorra! Adjon a bemenetre (bin. be) néhány jelkombinációt, és ellenőrizze az átalakítás helyességét! TIL 301 kijelzővel összekapcsolt 7446 dekóder vizsgálata A 7446 áramkör aktív L-szintű bináris-hétszegmenses dekóder. Az A, B, C, D bemenetek súlyozású BCD-kódban fogadják a vezérlést. A bemenetek közül az A a legkisebb és a D a legnagyobb helyi értéket fogadja számokkal vezérelve a bemeneteket, rendre megjeleníti dekóderhez kapcsolt kijelző a beírt számokat. A számoknak megfelelő bemeneti kombináció egyéb szegmenskombinációkat jelez ki. Az utolsó: az 1111 (15) szám a kijelző sötét állapotát jeleníti meg. Az LT (lamp test) bemenet a kijelző vizsgálatára szolgál. Ha ezt a bemenetet aktivizáljuk (vagyis L-szintet adunk rá), valamennyi szegmens kigyullad (8-as szám jelenik meg). A BI/RBO bemenet kioltásra való. Az RBI bemenet révén soros nullkioltás valósítható meg, ennek azonban csak több IC sorba kapcsolásakor van értelme. Mérésünknél ezzel a bemenettel nem foglalkozunk. A kijelzőnek külön vezérelhető tizedespontja is van (TP bemenet), amelynek vezérlését a dekóder nem látja el. Ehhez külön tizedespont-vezérlő kaput kell készíteni. Méréseink során erre nem térünk ki.

24 Mérési feladatok: Statikus szintekkel vezérelve a dekóder A, B, C és D bemeneteit, igazoljuk a megfelelő számjegyek megjelenését. (Megjegyezzük, hogy a dekóder a, b, c, stb. kimeneteit a panelon belül összekapcsoltuk a TIL 301 LED-es kijelző megfelelő bemeneteivel.) Rajzoljuk le az összes vezérlési kombinációhoz tartozó szegmens-rajzolatokat! Adjunk az LT bemenetre L-szintet. Mit tapasztalunk? Állítsunk be egy számjegyet a kijelzőn, majd adjunk a BI/RBO bemenetre L-szintet. Mit tapasztalunk? Állítsunk be egy számjegyet a kijelzőn, majd impulzusgenerátorból adjunk kb. 200 Hz-es TTL-jelet a BI/RBO bemenetre. Lassan csökkentsük a négyszögjel frekvenciáját és figyeljük meg, hogy mekkora frekvencia-értéktől vesszük észre a kijelző vibrálását. Ez az érték felel meg szemünk ún. CFF vibrációs frekvenciahatárának. Ez a frekvencia egyénenként eltérő, sőt attól is függ, hogy pihentek vagy fáradtak vagyunk A BI/RBO kioltó bemenetet fényerősségmodulációra is használhatjuk. Adjunk az impulzusgenerátorból impulzus-jelalakot olyan jelfrekvenciával a kioltó bemenetre, ami már nem okoz szemünkben vibrálást. Ezután csökkentsük a jelszélességet (vagyis a kitöltési tényezőt) és figyeljük meg a változást. Célszerű 6,4 ms-os periódusidőt, majd kezdetnek 100 µs-os impulzusszélességet választani. A generátor kimenetét vezessük oszcilloszkópra, és figyeljük meg a jelszélesség és a fényerő közötti összefüggéseket. 2.2 Trigger áramkörök vizsgálata Monostabil multivibrátor vizsgálata A mérés során TTL áramkörös típusú monostabil multivibrátorral ismerkedünk meg, amely egyetlen áramkört tartalmaz. Az integrált áramkör belső felépítésének tömbvázlatát és külső hálózatát a 2.3. ábra szemlélteti. Az ábrán a zárójelben feltüntetett számok az IC tok lábainak számozását jelentik. Mint az ábrából látható, az R és C időzítő elemeket kívülről kell az áramkörhöz csatolni! A mérőpanelen feltüntettük azokat a banánhüvelyeket, ahová a külső R és C tagot be kell helyezni.

25 Megjegyezzük, hogy az áramkör tartalmaz egy kb. 10 kω-os beépített ellenállást, ami megfelelő csatolással a külső R ellenállás helyett felhasználható. A szükséges kapcsolás megtalálható a katalógusokban és kézikönyvekben. Méréseinknél ennek alkalmazására nem térünk ki ábra Az alkalmazható R és C elemek értékhatárai: 1 kω R 40 kω 10 pf C 10 µf. A kvázi-stabil állapot idejét, vagyis a formált kimeneti jel impulzus-szélességét (H-szintjét) az alábbi összefüggés alapján számíthatjuk ki: T(imp) 0,7. RC. Az áramkör A1 vagy A2 bemeneteire adva a vezérlő jelet, annak lefutó éle indít, míg a B bemenetet vezérelve, a felfutó él fog indítani. A vezérlésnél ügyelni kell arra, hogy az impulzusgenerátor jeleinek ismétlődési ideje feltétlenül hosszabb legyen, mint a beállított T(imp) idő. Az áramkör kimenete a Q és annak negáltja. Mérési feladatok: Állítsuk össze a monostabil kapcsolást a mellékelt R és C elemek valamelyikének alkalmazásával. Adjunk az áramkörre 5 V tápfeszültséget. Az impulzusgenerátor TTL kimenetéről adjunk igen keskeny tűimpulzust a bemenetre ügyelve arra, hogy az impulzusok periódusideje feltétlenül nagyobb legyen a beállított T(imp) időnél! Vezessük az

26 impulzusgenerátor pozitív impulzus-kimenetét az oszcilloszkóp egyik csatornájára, míg a másik csatornára adjuk a multivibrátor Q kimenetét. Hasonlítsuk össze a bemeneti és a formált jelet. Növeljük kissé a bemeneti jel szélességét, ha a kapcsolást helyesen állítottuk össze, a Q kimeneti jel szélessége független marad a vezérlőjel szélességétől. Ellenőrizzük, hogy valóban a lefutó él végzi az indítást? Mérjük meg a kimeneti jel H-szintjének idejét és hasonlítsuk össze a T(imp) idő számított értékével. A mérésnél ügyeljünk az oszcilloszkóp időskálájának helyes beállítására. Végezzük el a mérést más értékű RC kombinációval is. Ha nagy eltérést tapasztalunk a mért és a számított értékek között, hitelesítsük az oszcilloszkópot az impulzusgenerátor ismert jelével! Adjuk a vezérlő jelet a B bemenetre, és ellenőrizzük, hogy ebben az esetben valóban a felfutó él indít. Figyelem! Ha a B bemenetet használjuk, valamelyik A bemenetet L-szintre kell kapcsolni! Schmitt-trigger vizsgálata A Schmitt-trigger általánosabban használható jelformálásra, mint a monostabil multivibrátor, továbbá hiszterézissel is rendelkezik, vagyis a vezérlő jel felfutó szakasza más feszültségszintnél billent, mint a lefutó szakasz. Mérési feladatok: Adjunk 5 V tápfeszültséget a 7414 típusú Schmitt-trigger TTL áramkörre. A kimenetet vezessük az oszcilloszkóp egyik csatornájára, és a bemenetre függvénygenerátorból adjunk szinusz, majd háromszög jelformát. Ügyeljünk arra, hogy a vezérlőjel ne haladja meg az 5 V- ot! A bemeneti jelet vezessük az oszcilloszkóp másik csatornájára. Egymásra csúsztatva az oszcilloszkópon a be- és a kimeneti jelet, igen jól megfigyelhető, hogy a billenés máshol következik be a felfutó- és máshol a lefutó bemeneti jelszakasz esetében. E kettő különbsége lesz a hiszterézis feszültség. Kíséreljük meg lemérni ezt a kicsiny feszültséget! Figyelem! A bemeneti jel kissé torzított képet mutat, mivel a Schmitt-trigger leterheli a generátort A Schmitt-trigger mint a legtöbb nemlineáris áramkör megfelelő visszacsatolással ellátva oszcillációra is képes. A Schmitt-trigger érdekessége, hogy ha bemenetét ezzel együtt 5 V-ot nem meghaladó DC feszültséggel vezéreljük, a keletkezett négyszögjelek frekvenciája

27 változni fog. A visszacsatolt Schmitt-trigger tehát felfogható, mint az egyik legegyszerűbb feszültségvezérelt oszcillátor (VCO)! Valósítsuk meg a 2.4. ábra szerinti kapcsolást. Az egyes áramköri elemek a dobozban beépítve megtalálhatók, csupán banándugókkal össze kell kötnünk a megfelelő pontokat. A méréseket végezzük el először az egyik C kondenzátor alkalmazásával, majd a két kondenzátor párhuzamos kapcsolása (összegzése) mellett is! 2.4. ábra Az 5,4 kω ellenállásra az ábrán látható módon kapcsoljuk rá a kettős tápegység másik egységét, és e feszültséget adjuk rá a digitális voltmérőre is. Vezessük a Schmitt-trigger - kimenetét oszcilloszkópra, és mérjük le a megjelenő négyszögjel T periódusidejét. f = 1/T alapján a jelfrekvencia is kiszámítható Vegyük fel a DC feszültség függvényében az f ismétlődési frekvenciát. Mérjünk 0, 1, 2, 3, 4 és 5 V DC feszültségnél. Ábrázoljuk a függvényt mm-papíron Ha a Schmitt-trigger kimenetét a dobozban elhelyezett inverterre adjuk, annak 1Y kimenetén szebb, meredekebb válaszjelet figyelhetünk meg. Vizsgáljuk meg így is a kimeneti jeleket!

28 ARITMETIKAI ÁRAMKÖRÖK ÉS ANALÓG MULTIPLEXER VIZSGÁLATA Műszerek és kellékek: 1 db tápegység 1 db digitális multiméter 1 db impulzusgenerátor 1 db oszcilloszkóp 1 db mérődoboz, ami 7408, 7432, 7475, 7483, 7485, 7486 és IC-ket és szintjelző LED-eket tartalmaz, továbbá l db mérő-panel 4051 CMOS áramkörrel ellátva. A mérések első részében aritmetikai feladatokat ellátó TTL kombinációs áramkörökkel foglalkozunk, majd a második részben egy 8 csatornás CMOS multiplexer/demultiplexer kombinációs áramkör vizsgálatait végezzük el. Az aritmetikai áramkörök döntően olyan kombinációs áramkörökből épülnek fel, amelyeket már a korábbi tanulmányaink során megismertünk. Az aritmetikai áramkörök az alapvető aritmetikai és logikai műveletek elvégzésére valók, ezért a számítógépek nélkülözhetetlen építőelemei. 3.1 Fél- és teljesösszeadó készítése alapkapukból Felhívjuk a figyelmet arra, hogy statikus H-szintet a kérdéses bemenetek szabadon hagyásával, míg statikus L-szintet a kérdéses bemenetek jelű banánhüvelyekre való kapcsolásával adunk az áramkörökre (ld. Bevezetés c. fejezet)! Mérési feladatok: A következő három feladatot a hallgatók a mérésre való felkészülés során, otthon végezzék el, és a megoldásokat mutassák be a mérés megkezdésekor a laborvezetőnek!

29 Korábbi tanulmányainkból már ismerjük a félösszeadó egybites változatát, ami átvitel fogadására nem alkalmas. Írjuk fel az áramkör igazságtáblázatát! Ugyancsak ismeretes a hallgatók számára a teljesösszeadó egybites változata, ami átvitel fogadására is alkalmas. Írjuk fel az áramkör igazságtáblázatát és egyszerűsítve azt K-táblával, rajzoljuk fel a kapcsolást ÉS-VAGY kapukat alkalmazva Tekintsük át a 3.1. ábrán látható kapcsolást, és elméletileg igazoljuk néhány bemeneti kombinációval, hogy ez az áramkör valóban megfelel a teljesösszeadónak ábra Valósítsuk meg kapukból a feladat áramkörét, és igazoljuk statikus szintekkel a működés helyességét! Valósítsuk meg a 3.1. ábrán látható kapcsolást a panelon található kapuk segítségével, és igazoljuk statikus szintekkel a működés helyességét! A kimeneteket mindegyik esetben vezessük a LED-ekre. 3.2 Négybites párhuzamos bináris összeadó vizsgálata Az SN 7483 integrált áramkör 4 db teljesösszeadó párhuzamosan kapcsolt változatából áll. Segítségével két darab 4 bites operandus összeadása végezhető el. Az áramkör átvitel fogadására is képes. A tokbekötési rajz a 3.2. ábrán látható.

30 ábra A4, ill. B4 az összeadandók legmagasabb helyi értékét jelentik, C1 az áthozat- és C5 az átvitelbit. Mint ismeretes, a 4 bites párhuzamos összeadó négy darab teljes összeadóból épül fel úgy, hogy az átvitel végig fut mind a négy összeadó-egységen, ami viszonylag hosszú időt kíván. Az összeadó működési sebességét ez az átfutási idő limitálja. Mérési feladatok: Rajzoljuk le a 4 bites párhuzamos összeadó felépítését 4 db teljesösszeadó áramkör felhasználásával! A panelon lévő 7483 összeadó kimeneteit vezessük a LED-sorra. Célszerű az átvitelt (C5) a sárga LED-re vezetni! Ezt követően az A és B bemenetekre adjunk tetszőleges bináris számokat (statikus L-H szintekkel), és ellenőrizzük az összeadó működését. Legalább 3 db összeadást végezzünk el! Következő feladatként állítsunk be az impulzusgenerátoron négyszögjelet (néhány khz frekvenciával). Kapcsoljuk az impulzusgenerátor TTL kimenetét a C1 áthozat bemenetre és a C5 átvitelt kapcsoljuk oszcilloszkópra. Összehasonlításul a szkóp másik csatornájára vigyük fel az impulzusgenerátor bemeneti jelét (e célra alkalmazhatjuk a pozitív főimpulzust!). Bizonyos A-B jelkombinációknál (pl. A = 0110, B=1001) a C5 átvitel követi C1-et. Számítással ellenőrizzük ezt az állítást, és adjuk meg azoknak az operandusoknak a halmazát, ahol teljesül a fenti feltétel! Maradjunk az előző beállításban (vagyis amikor C5 követi C1 impulzusait) és mérjük le az összeadó késleltetési idejét. Ehhez nagy jelfrekvencia szükséges azért, hogy az oszcilloszkópon kellően kinagyítható legyen a kicsiny késleltetési szakasz. Állítsunk be az impulzusgenerátoron 1 2 MHz-es jelfrekvenciát. A mérésnél ügyeljünk az oszcilloszkóp

31 időzítésének helyes beállítására. Mivel a késleltetési idő igen kicsiny, célszerű 10-szeres időnyújtást alkalmazni. Figyelem! Tízszeres nyújtás esetén a lemért időt értelemszerűen tízzel osztani kell! Mérjük meg a jelkésleltetést mind a fel- mind a lefutó élnél a jelamplitúdó 50 %-ánál! A be- és a kimeneti jel amplitúdóját állítsuk be egyforma nagyra, és csúsztassuk egymásra a két jelet. Ebben az esetben könnyen és pontosan elvégezhetjük a késleltetési idő-mérést. 3.3 Soros összeadó készítése teljesösszeadóból és statikus D tárolóból (szorgalmi feladat) Korábbi tanulmányainkból már ismerjük a soros összeadó felépítését és működését, amelynek tömbvázlatát a 3.3. ábra szemlélteti ábra Mint az ábrából látható, ennél a kapcsolásnál a bemeneti biteket léptető regiszterből kell beolvastatni, és az összeget is léptető regiszterbe írják be. Az átvitel mindig a következő bithez adódik hozzá, ezért ezt egy D-tárolóval késleltetve vezetik vissza az áthozat-bemenetre (C1). A léptető regiszterek mint ismeretes sorrendi hálózatok, amelyeket órajel vezérel. A fenti kapcsolás esetén valamennyi léptető regisztert és a D-tárolót is ugyanaz az órajel vezérli (szinkron rendszer). Ennek a kapcsolásnak a megvalósítása túl bonyolult volna, azonban a működést statikusan is modellezhetjük. Ekkor a jelszinteket statikusan írjuk be, és az átvitel-áthozat összekötést is egy statikus D-tároló (D-latch) segítségével valósítjuk meg. Az elrendezést a 3.4. ábra szemlélteti.

32 ábra Az összeadóból most csak az A1 és B1 bemeneteket fogjuk felhasználni, így az összeg az S1 kimeneten és az átvitel az S2 kimeneten keletkezik. Ezért az S2 kimenetet kapcsoljuk a D-tároló D- bemenetére, és annak Q kimenetét a C1 áthozat-bemenetre kötjük. Az S1, S2 kimeneteket LED-re kapcsoljuk és az A1, B1 bemeneteket statikus szintekkel vezéreljük. Az A2, A3 és a B2, B3 bemeneteket L-szintre kapcsoljuk, hogy azok ne befolyásolják az eredményt. A működtetéshez először tekintsük át a 7475 D-tároló működését. Amennyiben a C órajelbemenetre L-szintet adunk, a tároló kimenete megőrzi eredeti értékét, akármit adunk a D-bemenetre. Amennyiben a C órajel-bemenetre H-szintet adunk, a D-bemenetre adott szint azonnal megjelenik a Q kimeneten. Megjegyezzük, hogy a 7475 statikus D-tároló (latch) annak ellenére, hogy órajelbemenete van.

33 Mérési feladatok: Elsőként ellenőrizzük a D tároló működését a fent leírtak szerint Állítsuk össze a 3.4. ábra kapcsolását és első lépésben nullázzuk a kimeneteket. Kapcsoljuk az A1, B1 bemenetet L-szintre, adjunk a C órajel-bemenetre H-szintet, ekkor a két kimenet (az S1 összeg és az S2 átvitel) nulla értékű lesz (a LED-ek sötétek lesznek). Ezután kapcsoljuk a C órajel-bemenetet L-szintre. Ebben az esetben a összeadást végeztük el, ha most C= H-szintet állítunk be, akkor is marad a kimeneteken a 0 0 eredmény. a) Legyen C= L-szint. Adjunk A1=1 és B1=0 jeleket az összeadóra. Az eredmény 0 1 lesz (0+1=1 és átvitel nincs). Ha most C=H-szintet állítunk be, akkor is marad a kimeneteken a 0 1 eredmény. b) Legyen C=L-szint. Adjunk A1=1 és B1=1 jeleket az összeadóra. Az eredmény 1 0 lesz (1+1 = 10, vagyis S1=0 és S2=1, tehát átvitel van!). C=0 marad, különben hozzáadja a saját átvitelét! c) Legyen C=H-szint, ekkor a kimeneten 1 1 jelenik meg, mert hozzáadja a saját átvitelét. Ezután legyen C=L-szint, ekkor a Q kimenet megőrzi a D-bemenet előző állapotát, és ezután adjuk a bemenetekre a következő operandus-kombinációt, pl. A1 = 0 és B1 = l számokat. Ekkor 1 0 jelenik meg ( ) összeadás történik, ugyanis az előző átvitelt hozzáadja a jelenlegi 01 bemenethez. d) Végezzünk további összeadásokat, legalább még 3 db-ot. Írjuk fel gondosan az eredményeket, és igazoljuk magyarázattal, hogy sikerült modelleznünk a 3.4. ábrán látható kapcsolást! 3.4 Logikai komparátorok vizsgálata Az SN 7485 áramkör 2 db négybites bináris szám összehasonlítására alkalmazható. A két bináris szám: A3 A0 és B3 B0 (A3 és B3 jelentik a legnagyobb helyi értéket). Az IC- tok rajzát a 3.5. ábra szemlélteti. Az áramkör kimenetei: Q(A= B), Q(A<B) és Q(A>B), amelyik reláció teljesül, az ahhoz tartozó kimeneten H-szint jelenik meg! Az A=B, A<B és A>B jelölésekkel az ún. kaszkád bemeneteket illettük. Megjegyezzük, hogy a mérőpanel áramköri rajzán a felső sorban találjuk a megfelelő Q kimeneteket, és az alsó sorban a kaszkád bemeneteket! A kaszkád bemenetek segítségével két vagy több áramkör sorba kapcsolható, és így két 8 bites (16 bites, stb.) szám összehasonlítása is elvégezhető. Tekintsük a 3.6. ábra kapcsolását:

34 ábra Ha a rajzon látható 1.sz. áramkör bemenetei azonos értékeket kapnak (A1=B1, A2=B2, stb.), akkor a két szám relációját a 2. sz. áramkör bemeneti jelei döntik el ábra

35 Mérési feladatok: Vezessük az egyik 7485 áramkör Q kimeneteit LED-ekre, és a bemeneteket vezéreljük statikusan. Próbáljuk ki a működést úgy, hogy a négybites A és B operandusok egymással azonosak, és úgy is, hogy az egyik nagyobb és a másik kisebb. Ellenőrizzük a LED-ek jelzése alapján a helyes működést. Ha pl. A=B, akkor a Q(A=B) kimenetre kapcsolt LED fog világítani, stb Valósítsuk meg a 3.6. ábrán látható kapcsolást. Nézzük az alábbi példákat: a) A: B: b) A: B: Mit tapasztalunk? Próbáljuk ki a kapcsolást néhány további példával is. Adjuk meg, hogy kapcsolásunkban melyik IC fogadja az összehasonlítandó A és B operandus 4 magasabb helyi értékét, és melyik a 4 alacsonyabb helyi értéket? 3.5 Paritásvizsgáló készítése kizáró-vagy kapukból A panelon lévő 7486 kizáró-vagy kapukat tartalmazó áramkör felhasználásával készítsünk 5 bites paritásvizsgáló áramkört. Mérési feladatok: Tervezzük meg az 5 bites paritásvizsgálót a 7486 négy darab kapuáramkörének felhasználásával. Rajzoljuk le az áramkört, és néhány számpéldával igazoljuk helyességét. Figyelem! Ezt a feladatot a hallgatók végezzék el otthon, a felkészülés során! Építsük meg az áramkört, és kimenetét vezessük rá az egyik LED-re. Adjunk az áramkör bemenetére valamilyen jelkombinációt. Ellenőrizzük a működést. Mikor lesz a kimenet H- szint, ha páros, vagy ha páratlan az 1-esek száma? 3.6 Aritmetikai-logikai egység vizsgálata Az aritmetikai-logikai egység (ALU) kombinációs áramkör, ami két négybites operandust képes fogadni, és azokkal műveleteket végezni. A műveletek egy része tisztán logikai művelet (két változó összes lehetséges művelete, tehát 16-féle, ld. korábbi tanulmányok), másik része tartalmaz aritmetikai műveleteket: összeadást, kivonást, továbbá vegyes, részben aritmetikai, részben logikai

36 műveleteket. A tisztán logikai, ill. a vegyes aritmetikai-logikai műveletcsoportokat az M kiválasztó bemenettel, és a csoportokon belül a konkrét műveleteket az S3, S2, S1, S0 szelekciós bemenetek segítségével választhatjuk ki. Az SN áramkör tokbekötési rajza a 3.7. ábrán látható. A rajzon feltüntetett P és G kimenetek alkalmazására akkor volna szükség, ha a et 74182, ún. gyors átvitelképző áramkörrel kapcsolnánk össze. (Mint ismeretes, ekkor valamelyest lerövidíthető a műveletvégzések ideje.) Méréseinknél erre nem térünk ki. Nem foglalkozunk továbbá az A=B komparátor-kimenettel sem ábra Az A és B operandusok legnagyobb helyi értéke az A3, B3, ill. a legkisebb helyi értéke az A0, B0. Az eredménykimeneteknél a legnagyobb helyi érték az F3, a legkisebb az F0. Az átvitel a C4 jelű kimeneten lép fel. C0 az előző fokozat (ha van ilyen!) áthozatalát fogadja. M a műveleti csoport kiválasztó bemenet: M=H-szint esetén tisztán logikai műveleteket végez az áramkör, míg M=L-szint esetén vegyesen aritmetikai-logikai műveleteket. Az egyes műveletcsoportokon belül az S3...S0 kiválasztó bemenetek által választható műveleteket a 3.1. táblázat tartalmazza. A mérőpanelon a C4, F3 F0 kimeneteket a panelon belül összekötöttük a felső LED-sorral, így ezzel a kapcsolással már nem kell foglalkozni!

37 táblázat Kiválasztó bemenetek M = H szint M = L szint Aritmetikai-logikai műveletek S0 S1 S2 S3 Logikai műveletek C0 = L szint C0 = H szint F = A F = A F = A p F= A + B F= A + B F = (A + B) p F = AB F= A + B F = (A + B ) p F = nulla F = -1 F = nulla F = AB F = A p A B F = A p A B p F = B F = (A + B) p A B F = (A + B) p A B p F= A (+) B F = A B - 1 F = A - B F = A B F = AB - 1 F = A B F= A + B F = A p AB F = A p AB p F= A (*) B F = A p B F = A p B p F = B F = (A + B ) p AB F = (A + B ) p AB p F = AB F = AB - 1 F = AB F = 1 F = A p A F = A p A p F= A + B F = (A + B) p A F = (A + B) p A p F= A + B F = (A + B ) p A F = (A + B ) p A p F = A F = A - 1 F = A Az érthetőség kedvéért néhány megjegyzést fűzűnk a táblázathoz. A (+) szimbólum a kizáró-vagy függvény-kapcsolatot jelenti, míg a (*) jelölés az ekvivalenciát. Az M=H-szint segítségével kiválasztható 16 logikai művelet nem követi a közismert sorrendet, tehát a kiválasztó bemenetek 0000 kombinációja nem az f0 függvény (ami - mint ismeretes - az azonosan nulla függvény), stb. Az ALU a logikai műveleteket bitenként végzi el, pl. VAGY művelet esetén A1 VAGY B1, A2 VAGY B2, stb. Az aritmetikai műveletek két oszlopa szerint a C0=L-szint esetében nincs áthozat az előző fokozatról, míg a C0=H-szintnél az 1 hozzáadása képviseli az áthozatalt. Mint a táblázatból látható, ebben az oszlopban is találhatók tisztán logikai műveletek, azonban ha van áthozat (C0 = H-szint), akkor az 1-et az utolsó bithez az egység hozzáadja!

38 Ami a műveleti jeleket illeti, ahol + (összeadás) vagy a. (szorzás) jelet alkalmaztuk, azok a logikai VAGY, ill. ÉS műveleteket jelentik. A logikai műveletek esetén tehát megőriztük a szokványos műveleti jeleket. Ha azonban aritmetikai műveletet végez az egység, akkor a (-) jel kivonást jelent, míg a p a plusz rövidítése, amivel az aritmetikai összeadást jelöljük. Ezeknél a műveleteknél tehát az A és B operandusokat bináris számokként kezeli az áramkör. Az M=L-szinthez tartozó legtöbb művelet vegyes aritmetikai-logikai, ezeket úgy kell értelmezni, hogy az ALU előzőleg bitenként elvégzi a logikai műveletet, majd az így kapott eredményt bináris számnak tekintve, a kijelölt aritmetikai műveletet oldja meg. Kivonás esetén a negatív szám kettes komplemensével történik a művelet elvégzése, azonban nem használ az áramkör előjel-bitet (erre nézve nem rendelkezik elegendő számú kimenettel az ALU!). Részletezve: Az F = -l művelet az egyes szám (tehát 0001) kettes komplemensét jelenti. Mint ismeretes, ez 1111 értékkel lesz azonos! Hasonlóan járunk el pl. az AB - 1 műveletnél, először elvégezzük az AB műveletet, majd ehhez hozzáadjuk az 1-es szám kettes komplemensét. Az (A B) műveletnél az A operandushoz hozzáadja a B operandus kettes komplemensét. Felhívjuk a figyelmét azoknak, akik az ALU áramkört saját célra is alkalmazni szeretnék! Ha valaki tüzetesen végignézi a 3.7. ábrán látható tokbekötési rajzot észre veheti, hogy az A és B operandus-bemeneteknél kis köröcske található, ami a negációra utal. Ugyancsak negáltak az F kimenetek is. Nincs azonban negációra utaló kis köröcske a C0 bemenetnél és a C4 kimenetnél. Azért, hogy a mérést ne nehezítse ezeknek a bemeneteknek a fordított vezérlése, a dobozon belül invertereket alkalmaztunk a C0 és a C4 esetében. Aki tehát saját célra készít ilyen áramkört, ügyeljen erre a vezérlési problémára!