Pracownia Automatyki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 5 str. 1/16

ĆWICZENIE 5

CYFROWE UKŁADY SCALONE STOSOWANE W

AUTOMATYCE

1.CEL ĆWICZENIA:

zapoznanie się z podstawowymi elementami cyfrowymi oraz z prostymi układami

cyfrowymi stosowanymi w automatyce.

Układem cyfrowym jest nazywany układ elektroniczny służący do przetwarzania informacji

cyfrowej (dyskretnej). Działanie większości tych układów wykorzystuje sygnały

dwuwartościowe (binarne).

Ze względu na złożoność struktury wewnętrznej cyfrowe układy scalone można podzielić na

trzy grupy:

1. Elementy logiczne np. bramki, przerzutniki. Są to układy tzw. małej skali integracji

(zawierają nie więcej niż kilkadziesiąt elementów).

2. Bloki funkcjonalne np. licznik; rejestr. Są to układy tzw. średniej skali integracji

(zawierają do kilkuset elementów).

3. Zespoły funkcjonalne np. mikroprocesor. Są to układy tzw. wielkiej skali integracji,

(zawierające miliony elementów).

Natomiast ze względu na funkcjonalność układy scalone można podzielić na:

1. Kombinacyjne - stan sygnałów wyjściowych w każdej chwili zależy od bieżącego

stanu sygnałów wejściowych np. bramki, sumatory.

2. Sekwencyjne - stan sygnałów wyjściowych jest funkcją bieżącego i poprzednich

stanów sygnału wejściowego i wyjściowego (tzw. układy z pamięcią) np. przerzutniki,

liczniki. Układy sekwencyjne dzieli się na asynchroniczne i synchroniczne. W

układach synchronicznych zmiana stanu wyjść odbywa się w chwilach wyznaczonych

zmianą sygnału synchronizującego (taktującego, zegarowego).

Pracownia Automatyki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 5 str. 2/16

Analogowe układy elektroniczne przeznaczone są do przetwarzania sygnałów analogowych

tzn. takich, które przyjmują dowolną wartość pośrednią (np. napięcia, natężenia prądu) z

pewnego określonego, ciągłego przedziału wartości.

Rys.1. Porównanie układów: analogowego (a) i cyfrowego (b).

W przeciwieństwie do układów analogowych, układy cyfrowe są stosowane do odczytu,

przetwarzania i zapisu informacji zakodowanej w postaci dwu przedziałów wartości napięć

(natężeń i prądów): wysokich (H - High) i niskich (L - Low). Mówi się, że wejścia lub

wyjścia układu cyfrowego są odpowiednio w stanie wysokim (H) lub niskim (L). Taki

dwuwartościowy sygnał nazywamy binarnym (dwójkowym). Sygnał dwójkowy w określonej

chwili może przyjmować jedną z dwóch wartości (np. napięcia), oznaczonych umownie

symbolami 0 (zera) i 1 (jedynki) logicznej. W przypadku sygnałów dwójkowych

napięciowych, w których wyższemu poziomowi napięcia (H - bardziej dodatni)

przyporządkowuje się jedynkę logiczną, a niższemu (L - mniej dodatni) - zero logiczne mówi

się o logice dodatniej . Konwencja przeciwna nazywana jest logiką ujemną. Poziomy napięć

odpowiadające stanom zera i jedynki są dostosowane najczęściej do poziomów logicznych

układów TTL (Transistor - Transistor Logic) lub ECL (Emitter Coupled Logic). I tak w

układach TTL poziomy te mogą przyjmować wartości z pewnych zakresów:

1. U

we

≤ 0.8 V jest odbierane jako niski poziom napięcia wejściowego: „0”

U

we

≥

2V jest odbierane jako wysoki poziom napięcia wejściowego: „1”

2. U

wy

≤ 0.4V odpowiada stanowi niskiemu napięcia wyjściowego: „0”

U

wy

≥ 2.4V oznacza stan wysoki na wyjściu : „1”

we

wy

Wzmacniacz

a)

t[s]

t[s]

U

we

U

wy

H
L

U

we

t[s]

we

wy

H
L

U

wy

t[s]

b)

Układ

cyfrowy

Pracownia Automatyki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 5 str. 3/16

Sygnał cyfrowy, np. dwójkowy, służy do przedstawienia wartości wielkości nieciągłych

(ziarnistych). Wartości wielkości ziarnistej można zapisać za pomocą kombinacji cyfr: 1 i 0,

czyli w postaci kodu. Otrzymamy zapis nazywany słowem. Najmniejszą jednostką sygnału

cyfrowego jest bit, którym może być tylko jeden z dwóch możliwych stanów (0 lub 1). Grupa

bitów tworzy słowo cyfrowe, a liczba bitów słowa określa jego długość. Pierwszy bit z lewej

strony słowa cyfrowego (np. 1 w słowie sześciobitowym 101100) nazywa się bitem

najbardziej znaczącym (MSB - Most Significat Bit), a pierwszy z prawej nazywany jest

bitem najmniej znaczącym (LSB - Least Significat Bit) [1]. Najczęściej stosuje się naturalny

kod dwójkowy, kod Greya, kody dwójkowo - dziesiętne (BCD).

Ta b.1. Wartości współczynników kodu naturalnego i Greya.

a) kod naturalny (8421)

b) kod Greya

n

b

8

b

4

b

2

b

1

N

g

8

g

4

g

2

g

1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

1

1

0

0

0

1

2

0

0

1

0

2

0

0

1

1

3

0

0

1

1

3

0

0

1

0

4

0

1

0

0

4

0

1

1

0

5

0

1

0

1

5

0

1

1

1

6

0

1

1

0

6

0

1

0

1

7

0

1

1

1

7

0

1

0

0

8

1

0

0

0

8

1

1

0

0

9

1

0

0

1

9

1

1

0

1

10

1

0

1

0

10

1

1

1

1

11

1

0

1

1

11

1

1

1

0

12

1

1

0

0

12

1

0

1

0

13

1

1

0

1

13

1

0

1

1

14

1

1

1

0

14

1

0

0

1

15

1

1

1

1

15

1

0

0

0

Naturalny kod dwójkowy 4- bitowy określa liczbę systemu dziesiętnego na podstawie

zależności:

n = 8b

8

+ 4b

4

+ 2b

2

+ b

1

Współczynniki b

1

, b

2

, b

4

, b

8

mogą przyjmować tylko wartości 1 i 0. Wartości tych

współczynników odpowiadających liczbom dziesiętnym od zera do piętnastu przedstawia

Pracownia Automatyki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 5 str. 4/16

Tabela 1a. Ogólną strukturę budowy kodu Greya (4 - bitowego) przedstawia Tabela 1b. Kod

Greya charakteryzuje się tym, że tylko jeden bit zmienia wartość przy kolejnym zliczeniu.

Sygnały cyfrowe charakteryzują się dużą odpornością na zakłócenia i zniekształcenia. Układy

elektroniczne służące do przetwarzania sygnałów cyfrowych noszą nazwę przetworników

cyfrowo - cyfrowych lub układów logicznych.

Układy logiczne.

Układy logiczne dzieli się na układy kombinacyjne i sekwencyjne. Układy logiczne

kombinacyjne to takie, w których każdej kombinacji sygnałów wejściowych odpowiada jedna

i tylko jedna kombinacja sygnałów wyjściowych. W układach logicznych sekwencyjnych

sygnały wyjściowe zależą nie tylko od stanów na wejściu, lecz także od stanów

wewnętrznych układu (od jego „historii”). Najprostszymi układami logicznymi

kombinacyjnymi są bramki logiczne (funktory) i sumatory. Podstawowymi układami

sekwencyjnymi są przerzutniki. Przy opisie tych układów korzystamy z algebry logiki zwanej

też algebrą Boole’a (nazwa pochodzi od nazwiska jej twórcy Charles’a Boole’a, który

opublikował podstawowe twierdzenia z algebry logiki w 1854 roku w książce „An

Investigation of the Law of Thought”). W algebrze logiki dowolne zmienne mogą osiągać

tylko dwa stany „tak” lub „nie” przybierające wartości 1 i 0. Funkcję jednej lub wielu

zmiennych, które są zmiennymi binarnymi nazywa się funkcją przełączającą. Trzy

podstawowe funkcje przełączające używane w algebrze to przeczenie, suma logiczna i

iloczyn logiczny, zwane również negacją, alternatywą i koniunkcją (po angielsku funkcje te

nazywane są NOT, OR, AND) definiują tablice prawdy (Tabela 2). Elementy fizyczne

realizujące wymienione podstawowe funkcje przełączające nazywa się elementami

kombinacyjnymi, funktorami lub bramkami logicznymi. W Tabela 3 zestawiono oznaczenia

bramek logicznych [1].

Pracownia Automatyki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 5 str. 5/16

Tab.2. Tablice prawdy funkcji AND (a), OR (b), NOT (c), NOR (d), NAND (e).

a) iloczynu logicznego AND

b) sumy logicznej OR

a

b

y = a ∧ b

a

b

y = a ∨ b

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

1

1

1

0

0

1

0

1

1

1

1

1

1

1

c) negacji NOT d) zanegowanej sumy NOR e) zanegowanego iloczynu NAND

a

Y =

a

a

b

y =

a

b

∨

a

b

y =

a

b

∧

0

1

0

0

1

0

0

1

1

0

0

1

0

0

1

1

1

0

0

1

0

1

1

1

0

1

1

0

Dowolną inną funkcję logiczną można przedstawić jako pewną kombinację wyżej

przedstawionych działań.

Mają one następujące własności:

a + 0 = a

a ⋅ 1 = a

a ⋅ b = b ⋅ a

a + b = b + a

a ⋅ b ⋅ c = a ⋅ (b ⋅ c) = (a ⋅ b) ⋅ c

a ⋅ (b + c) = a ⋅ b + a ⋅ c

a + b + c = a + (b + c) = (a + b) + c

a + b⋅ a = a + b

Za pomocą tzw. przekształceń równoważnych można dokonać zmiany elementów NOR w

NAND i odwrotnie. Realizacje równoważności zachodzących między funkcjami NOR,

NAND, AND i OR są ujęte tzw. prawami de Morgana i mają następującą postać:

b

+

a

b

a

=

⋅

a ⋅ b = a + b

b

a

b

+

a

⋅

=

a + b =

a

b

⋅

Pracownia Automatyki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 5 str. 6/16

Przenosz

ą

c znak negacji z całego wyra

ż

enia logicznego na jego składowe nale

ż

y

jednocze

ś

nie zamieni

ć

symbole operacji logicznych wyst

ę

puj

ą

cych w zapisie. Przenosz

ą

c

symbol negacji z wyj

ś

cia na ka

ż

de z wej

ść

bramki lub ze wszystkich jej wej

ść

na wyj

ś

cie

nale

ż

y równocze

ś

nie zamieni

ć

OR (NOR) na bramki AND (NAND) i odwrotnie.

Przykładowe równowa

ż

no

ś

ci mi

ę

dzy układami zawieraj

ą

cymi elementy OR i AND

pokazano na rys.4.

OR

⇒

AND

AND

⇒

OR

Rys. 4. Równowa

ż

no

ś

ci mi

ę

dzy układami zawieraj

ą

cymi elementy OR i AND.

Prawa de Morgana maj

ą

istotne znaczenie przy projektowaniu układów logicznych.

Poniewa

ż

wszelkie warto

ś

ci liczbowe mo

ż

na wyrazi

ć

w postaci kombinacji dwóch stanów

logicznych, a operacje algebraiczne - w postaci operacji na tych stanach, wi

ę

c wy

ż

ej

omawiana dziedzina matematyki okazała si

ę

bardzo wa

ż

na w elektronice. Jednymi z

najbardziej rozpowszechnionych układów logicznych s

ą

układy TTL pracuj

ą

ce w logice

dodatniej . Seria podstawowa tych układów (tzw. 74) powstała w 1965 r. poziomy „L” (0 -

0.8V) „H” (2.4 - 3.6V).

Przerzutniki.

Prostymi elementami pami

ę

ciowymi s

ą

przerzutniki (rys.9). Zapami

ę

tuj

ą

one

pojedyncze zdarzenie, polegaj

ą

ce na pojawieniu si

ę

impulsu na ich wej

ś

ciu.

We

Zapami

ę

tanie

Skasowanie

Wy

Wej

ś

cie kasuj

ą

ce

PRZERZUTNIK

Pracownia Automatyki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 5 str. 7/16

Rys.9. Przerzutnik.

Zapami

ę

tanie tego zdarzenia objawia si

ę

zmian

ą

stanu wyj

ś

ciowego przerzutnika. W

przerzutniku monostabilnym po pewnym (zaprogramowanym) czasie stan zapami

ę

tania ulega

samoistnemu wykasowaniu, natomiast w przerzutniku bistabilnym kasowanie odbywa si

ę

przez podanie impulsu na odpowiednie wej

ś

cie. Przerzutniki bistabilne s

ą

układami

dwustanowymi. W ka

ż

dym z tych stanów przerzutnik mo

ż

e pozostawa

ć

przez

nieograniczenie długi czas (rys.10).

Rys.10. Przerzutnik bistabilny.

gdzie: A, B - wej

ś

cia informacyjne synchroniczne

C - wej

ś

cie zegarowe (Clock)

S,R - wej

ś

cia informacyjne asynchroniczne

S - wej

ś

cie ustawiaj

ą

ce (Set)

R - wej

ś

cie zeruj

ą

ce (Reset)

Q,

Q

- wyj

ś

cia: proste (Q) i zanegowane (

Q

)

Je

ś

li przerzutnik otrzyma instrukcj

ę

"przejd

ź

do stanu 1" to wykona j

ą

i pozostanie w

tym stanie do czasu otrzymania instrukcji "przejd

ź

do stanu 0". Je

ś

li przerzutnik b

ę

d

ą

c w

stanie 1 otrzyma instrukcj

ę

"przejd

ź

od stanu 0" to wykona j

ą

i pozostanie w stanie 0 do czasu

otrzymania instrukcji "przejd

ź

do stanu 1". W ten sposób przerzutnik mo

ż

e zapami

ę

ta

ć

1 bit

informacji.

Gdy na wej

ś

ciach R i S jest zero logiczne, stan wyj

ś

ciowy okre

ś

laj

ą

wej

ś

cia A i B, ale ustala

PRZERZUTNIK

R

S

A

C

B

Q

Q

Pracownia Automatyki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 5 str. 8/16

si

ę

on dopiero po pojawieniu si

ę

impulsu zegarowego.

Zmiana poziomu napi

ę

cia na wej

ś

ciu informacyjnym asynchronicznym wymusza okre

ś

lony

stan wyj

ść

niezale

ż

nie od stanu pozostałych wej

ść

. Nowy stan trwa dopóki na danym wej

ś

ciu

trwa odpowiedni poziom napi

ę

cia.

Przerzutniki synchroniczne maj

ą

dwa rodzaje wej

ść

: zegarowe (synchronizuj

ą

ce) -

wymuszaj

ą

ce przej

ś

cie przerzutnika do nowego stanu i wej

ś

cie informacyjne (programuj

ą

ce)

D, JK, RS - zadaj

ą

ce nowy stan. Na rys.12 przedstawiono symbol i zasad

ę

działania

przerzutnika D.

Rys.12. Przerzutnik D: symbol przerzutnika (a), sposób działania (b), tabela przej

ść

(c).

Sygnał wyst

ę

puj

ą

cy na wej

ś

ciu D w chwili tn pojawia si

ę

na wyj

ś

ciu Q dopiero w chwili tn+1

po przyj

ś

ciu zbocza LH narastaj

ą

cego impulsu zegarowego. Dlatego przerzutnik D nazywa

si

ę

układem opó

ź

niaj

ą

cym. Stosuje si

ę

go do układów synchronizacji przebiegów i do

budowy liczników.

Przerzutniki synchroniczne mog

ą

by

ć

sterowane (z wej

ś

cia zegarowego) zboczem impulsu

lub impulsem - przerzutniki "Master-Slave" JK. W przerzutniku JK narastaj

ą

ce zbocze

impulsu zegarowego wpisuje informacj

ę

okre

ś

lon

ą

na wej

ś

ciach programuj

ą

cych do cz

ęś

ci

"Master" przerzutnika, a opadaj

ą

ce zbocze powoduje przepisanie jej do wyj

ś

cia przerzutnika

przez cz

ęść

"Slave" przerzutnika.

Liczniki.

Odpowiednie poł

ą

czenie przerzutników typu D lub JK tworzy licznik słu

żą

cy do

zliczania i zapami

ę

tywania impulsów. Ze wzgl

ę

du na zastosowanie w licznikach

t

n

t

n+1

D

Q

Q

0

0

1

1

1

0

Pracownia Automatyki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 5 str. 9/16

przerzutników bistabilnych, zliczanie odbywa si

ę

w systemie dwójkowym. Pojemno

ść

P

licznika wynosi:

P = 2

n

- 1, n - liczba zastosowanych przerzutników

Jeden ze stanów licznika przyjmuje si

ę

jako zerowy, a czynno

ść

ustawiania licznika w tym

stanie nazywa si

ę

zerowaniem. Ze wzgl

ę

du na rodzaj pracy liczniki dzieli si

ę

m.in. na

synchroniczne (równoległe), asynchroniczne (szeregowe). Rys.14 przedstawia jednobitowy

licznik (dzielnik) z przerzutnikiem D i JK

Rys.14. Elementarny licznik jednobitowy z przerzutnikiem D i JK

W liczniku szeregowym (rys.15) zliczane impulsy doprowadza si

ę

tylko do wej

ś

cia

synchronizacji pierwszego przerzutnika licznika. Wej

ś

cie ka

ż

dego nast

ę

pnego przerzutnika

jest poł

ą

czone z wyj

ś

ciem poprzedniego.

a)

C

D

Q

Q

Q

1

D

Q

Q

Q

2

D

Q

Q

Q

3

C

C

Pracownia Automatyki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 5 str. 10/16

b)

Rys.15. Szeregowy licznik dwójkowy: schemat (a), przebiegi czasowe (b).

2.LITERATURA

1. M.Rusek, R.

Ć

wirko, W.Marciniak:

Przewodnik po elektronice

, WNT 1986.

2. Otto Limanu:

Elektronika bez wielkich problemów

, WKŁ, Warszawa 1976.

3. J.Kalisz:

Podstawy elektroniki cyfrowej

, WKŁ, Warszawa 1998.

4. W.Sasal:

Układy scalone serii UCE64/UCY74 – Parametry i zastosowania

, WKŁ,

Warszawa 1985

Pracownia Automatyki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 5 str. 11/16

3.PRZEBIEG ĆWICZENIA:

Student wykonuje wybrane punkty ćwiczenia zgodnie z zaleceniami prowadzącego.

3.l. BRAMKI LOGICZNE

3.1.1. Bramka NOT.

Wypełni

ć

tablic

ę

stanów bramki NOT:

A

F

0

1

Poda

ć

funkcj

ę

logiczna tej bramki:

F= ..........

3.1.2. Bramka NAND dwuwejściowa

Wypełni

ć

tablic

ę

stanów dwuwej

ś

ciowej bramki NAND:

A

B

F

0

0

O

1

1

0

1

1

Pracownia Automatyki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 5 str. 12/16

Poda

ć

funkcj

ę

logiczna tej bramki:

F

= .....

Wyja

ś

ni

ć

zapis funkcji logicznej:

F

=

B

+

A

B

A

=

⋅

Wypełnić tabelę stanów ośmiowejściowej bramki NAND:

A1

A2

A3

A4

A5

A6

A7

A8

F

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

0

0

0

0

1

1

0

0

0

1

1

0

1

1

1

0

0

0

1

0

1

1

1

1

1

1

.1

1

0

1

1

1

1

0

1

0

0

0

1

1

1

0

1

0

0

0

0

1

1

1

1

0

Podać funkcję logiczną tej bramki: F=

3.2. PRZERZUTNIKI

3.2.1. Przerzutnik asynchroniczny RS

Poł

ą

czy

ć

układ przerzutnika asynchronicznego RS. Wypełni

ć

tabel

ę

stanów.

Pracownia Automatyki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 5 str. 13/16

Q

n

- stan wyjścia Q w chwili t

n

Q

n-1

- stan wyjścia Q w chwili t

n-1

bezpośrednio poprzedzającej t

n

Przerzutnik realizuje funkcję:

1

−

+

=

n

n

Q

S

R

Q

Wyjaśnić, co to jest stan niedozwolony na wejściu przerzutnika.

3.2.2. Przerzutnik synchroniczny RS.

Poł

ą

czy

ć

układ synchronicznego przerzutnika RS. Wypełni

ć

tablic

ę

stanów przerzutnika

.

R

S

T

Q

n-1

Q

n

Wyja

ś

ni

ć

, na czym polega ró

ż

nica w budowie i działaniu pomi

ę

dzy przerzutnikiem

synchronicznym a asynchronicznym.

3.2.3. Przerzutnik D.

Połączyć układ przerzutnika typu D. Wypełnić tablicę stanów analogicznie jak w punkcie.3.2.2.

R

S

1

−

n

Q

n

Q

n

Q

Pracownia Automatyki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 5 str. 14/16

3.3. LICZNIKI

3.3.1. Licznik dwójkowy:

Poł

ą

czy

ć

układ licznika binarnego (dwójkowego) oraz wypełni

ć

tablic

ę

stanów.

3.3.2. Licznik dziesiętny:

Poł

ą

czy

ć

układ licznika dziesi

ę

tnego. Wypełni

ć

tablic

ę

stanów analogicznie jak w

punkcie 3.3.1. Wyja

ś

ni

ć

, dlaczego licznik liczy tylko do dziesi

ę

ciu.

D

T

Q

n-1

Q

n

Pracownia Automatyki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 5 str. 15/16

3.4. PRAKTYCZNE UKŁADY ZASTOSOWAŃ

3.4.1. Zegar elektroniczny.

Poł

ą

czy

ć

układ zegara elektronicznego i sprawdzi

ć

jego działanie. Nast

ę

pnie usun

ąć

dodatkowe bramki w układzie sprz

ęż

enia obu liczników i ponownie sprawdzi

ć

działanie

układu.

Pracownia Automatyki Katedry Tworzyw Drzewnych Ćwiczenie 5 str. 16/16

3.4.2. Stoper elektroniczny.

Poł

ą

czy

ć

układ stopera elektronicznego (licz

ą

cego do 60) bez u

ż

ycia dodatkowych

bramek w obwodzie sprz

ęż

enia. Dla zapewnienia prawidłowej pracy wykorzysta

ć

wewn

ę

trzn

ą

bramk

ę

wej

ś

cia zeruj

ą

cego licznika (patrz schemat na pulpicie). Sprawdzi

ć

działanie układu i narysowa

ć

schemat poł

ą

cze

ń

.

3.4.3. Licznik modulo 120.

Podł

ą

czy

ć

układ licznika zliczaj

ą

cego w kodzie binarnym modulo 120 (po 120-tym

impulsie powinno wyst

ą

pi

ć

wyzerowanie licznika). Sprawdzi

ć

działanie układu. Narysowa

ć

schemat poł

ą

cze

ń

.

3,4.4 Układ zliczający impulsy.

Poł

ą

czy

ć

układ zliczaj

ą

cy liczb

ę

impulsów podan

ą

przez prowadz

ą

cego zaj

ę

cia. Po

zliczeniu zadanej liczby N impulsów, układ powinien si

ę

zatrzyma

ć

i uniemo

ż

liwi

ć

dalsze

zliczanie. Sprawdzi

ć

działanie układu i narysowa

ć

schemat poł

ą

cze

ń

.