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
.