MINISTERSTWO EDUKACJI
NARODOWEJ
Piotr Goz
dziaszek
Wykonywanie pomiarów w układach cyfrowych
311[46].O2.04
Poradnik dla ucznia
Wydawca
Instytut Technologii Eksploatacji  Państwowy Instytut Badawczy
Radom 2007
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
Recenzenci:
mgr in\
. Zbigniew Eliasz
mgr in\
. Dariusz Główczak
Opracowanie redakcyjne:
mgr in\
. Piotr Goz
dziaszek
Konsultacja:
mgr in\
. Ryszard Dolata
Poradnik stanowi obudowę dydaktyczną programu jednostki modułowej 311[46].O2.04
,,Wykonywanie pomiarów w układach cyfrowych , zawartego w programie nauczania dla
zawodu technik automatyk sterowania ruchem kolejowym.
Wydawca
Instytut Technologii Eksploatacji  Państwowy Instytut Badawczy, Radom 2007
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
1
SPIS TREÅšCI
1. Wprowadzenie 3
2. Wymagania wstępne 4
3. Cele kształcenia 5
4. Materiał nauczania 6
4.1. Arytmetyka cyfrowa i algebra logiki 6
4.1.1. Materiał nauczania 6
4.1.2. Pytania sprawdzajÄ…ce 12
4.1.3. Ćwiczenia 12
4.1.4. Sprawdzian postępów 14
4.2. Cyfrowe układy scalone 15
4.2.1. Materiał nauczania 15
4.2.2. Pytania sprawdzajÄ…ce 20
4.2.3. Ćwiczenia 20
4.2.4. Sprawdzian postępów 23
4.3. Przerzutniki i układy sekwencyjne 24
4.3.1. Materiał nauczania 24
4.3.2. Pytania sprawdzajÄ…ce 32
4.3.3. Ćwiczenia 33
4.3.4. Sprawdzian postępów 35
4.4. Układy arytmetyczne i komutacyjne 36
4.4.1. Materiał nauczania 36
4.4.2. Pytania sprawdzajÄ…ce 41
4.4.3. Ćwiczenia 41
4.4.4. Sprawdzian postępów 44
4.5. Układy mikroprocesorowe 45
4.5.1. Materiał nauczania 45
4.5.2. Pytania sprawdzajÄ…ce 50
4.5.3. Ćwiczenia 51
4.5.4. Sprawdzian postępów 54
5. Sprawdzian osiągnięć 55
6. Literatura 60
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
2
1. WPROWADZENIE
Poradnik będzie Ci pomocny w przyswajaniu wiedzy o podstawowych układach
cyfrowych i kształtowaniu umiejętności wykonywania pomiarów oraz diagnostyki układów
cyfrowych. W poradniku znajdziesz:
 wymagania wstępne  wykaz umiejętności, jakie powinieneś mieć ju\
ukształtowane,
abyś bez problemów mógł korzystać z poradnika,
 cele kształcenia  wykaz umiejętności, jakie ukształtujesz podczas pracy z poradnikiem,
 materiał nauczania  wiadomości teoretyczne niezbędne do opanowania treści jednostki
modułowej,
 zestaw pytań, abyś mógł sprawdzić, czy ju\
opanowałeś określone treści,
 ćwiczenia, które pomogą Ci zweryfikować wiadomości teoretyczne oraz ukształtować
umiejętności praktyczne,
 sprawdzian postępów,
 sprawdzian osiągnięć, przykładowy zestaw zadań. Zaliczenie testu potwierdzi
opanowanie materiału całej jednostki modułowej,
 literaturÄ™.
311[46].O2
Obwody elektryczne i układy elektroniczne
311[46].O2.01
Wykonywanie pomiarów w obwodach prądu
stałego
311[46].O2.02
Wykonywanie pomiarów w obwodach prądu
przemiennego
311[46].O2.03
311[46].O2.04
Wykonywanie pomiarów w układach
Wykonywanie pomiarów w układach
analogowych
cyfrowych
311[46].O2.05
Dobieranie układów sterowania i regulacji
Schemat układu jednostek modułowych
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
3
2. WYMAGANIA WST
PNE
Przystępując do realizacji programu nauczania jednostki modułowej powinieneś umieć:
 stosować jednostki układu SI,
 przeliczać jednostki,
 rozró\
niać podstawowe wielkości elektryczne i ich jednostki,
 rozró\
niać elementy obwodu elektrycznego,
 odczytywać schematy prostych układów elektrycznych i elektronicznych,
 łączyć układy elektryczne i elektroniczne zgodnie ze schematem,
 korzystać z ró\
nych z
ródeł informacji,
 współpracować w grupie,
 obsługiwać komputer.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
4
3. CELE KSZTAA
CENIA
W wyniku realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:
- scharakteryzować sygnał analogowy i cyfrowy,
- zastosować ró\
ne systemy zapisu liczb,
- zastosować operacje logiczne i obowiązujące prawa,
- scharakteryzować podstawowe techniki realizacji operacji logicznych,
- zrealizować prosty układ kombinacyjny,
- zrealizować prosty układ sekwencyjny,
- sprawdzić działanie wyświetlaczy cyfrowych,
- scharakteryzować działanie i rodzaje liczników i rejestrów,
- scharakteryzować działanie i rodzaje bloków arytmetycznych,
- scharakteryzować działanie i rodzaje układów komutacyjnych,
- scharakteryzować rodzaje pamięci,
- sprawdzić działanie mikroprocesorów,
- sprawdzić działanie i rodzaje przetworników A/C i C/A,
- zastosować zasady bezpieczeństwa przy pomiarach,
- wyjaśnić sposoby lokalizacji uszkodzeń w układach i obwodach cyfrowych.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
5
4. MATERIAA
NAUCZANIA
4.1. Arytmetyka cyfrowa i algebra logiki
4.1.1. Materiał nauczania
Sygnał analogowy i cyfrowy
Sygnał analogowy, to napięcie lub prąd, który w danym przedziale swej zmienności
przyjmuje nieskończoną liczbę wartości.
Sygnał cyfrowy, to napięcie lub prąd, który w danym przedziale swej zmienności
przyjmuje skończoną liczbę wartości. W technice cyfrowe zazwyczaj operujemy sygnałami
przyjmującymi jedną z dwóch mo\
liwych wartości, które symbolicznie zapisujemy jako 0 i 1.
Pozycyjne systemy liczbowe
Pozycyjny system liczbowy charakteryzuje siÄ™ tym, \
e ka\
dej cyfrze w liczbie przypisana
jest inna waga, uzale\
niona od podstawy systemu oraz od pozycji cyfry w liczbie.
W elektronice i informatyce wykorzystywane są systemy o podstawie dwa, dziesięć lub
szesnaście. Dowolną liczbę, zapisaną w dowolnym systemie liczbowym mo\
na przedstawić
w następującej postaci:
i=n
Lp = pi
"ai
i=-k
gdzie: p  podstawa systemu liczbowego,
ai  współczynniki nale\
Ä…ce do p-elementowego zbioru cyfr od 0 do p-1.
W systemie dziesiętnym do zapisu liczb u\
ywamy dziecięciu cyfr ai " {0, 1, & , 9},
podstawą systemu jest liczba 10, a wagi poszczególnych cyfr są całkowitą potęgą liczby 10.
Ka\
dą liczbę dziesiętną mo\
na zapisać w postaci następującej sumy:
i=n
L10 = 10i =a-k Å"10-k + ... + a-1 Å"10-1 + a0 Å"100 + a1 Å"101 + ... + an Å"10n
"ai
i=-k
W systemie dwójkowym (binarnym) do zapisu liczb u\
ywamy cyfr {0, 1}, podstawÄ…
systemu jest liczba 2, a wagi poszczególnych cyfr (bitów) są całkowitą potęgą liczby 2. Ka\
dÄ…
liczbÄ™ binarnÄ… mo\
na zapisać w postaci następującej sumy:
i=n
L2 = 2i =a-k Å" 2-k + ...+ a-1 Å" 2-1 + a0 Å" 20 + a1 Å" 21 + ...+ an Å" 2n
"ai
i=-k
W systemie szesnastkowym (heksadecymalnym) do zapisu liczb u\
ywamy szesnastu
symboli {0, 1, & , 9, A, B, C, D, E, F}, przy czym symbole literowe {A, B, C, D, E, F}
odpowiadają odpowiednio wartościom {10, 11, 12, 13, 14, 15}. Podstawą systemu jest liczba
16, a wagi poszczególnych cyfr są całkowitą potęgą liczby 16. Ka\
dÄ… liczbÄ™ szesnastkowÄ…
mo\
na zapisać w postaci następującej sumy:
i=n
L16 = 16i =a-k Å"16-k + ... + a-1 Å"16-1 + a0 Å"160 + a1 Å"161 + ... + an Å"16n
"ai
i=-k
Zasady konwersji liczb
Zamiana liczby dziesiętnej na odpowiadającą jej wartość w systemie binarnym polega na
podzieleniu jej części całkowitej przez 2 oraz zapisaniu wyniku w postaci części całkowitej
i reszty. W kolejnych krokach postępujemy identycznie z częścią całkowitą wyniku
poprzedniego dzielenia, a\
do momentu uzyskania części całkowitej równej zero. Ciąg reszt
uzyskanych w poszczególnych dzieleniach stanowi odpowiednik dwójkowy liczby
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
6
dziesiętnej, przy czym reszta z pierwszego dzielenia jest bitem najmniej znaczącym LSB,
a reszta z ostatniego dzielenia bitem najbardziej znaczÄ…cym MSB.
Zamiana części ułamkowej polega na pomno\
eniu jej przez 2. Część całkowita wyniku
mno\
enia stanowi najbardziej znaczący bit części ułamkowej w systemie binarnym, natomiast
część ułamkową wyniku mno\
ymy kolejny raz w celu uzyskania kolejnych bitów. Mno\
enia
wykonujemy a\
do momentu uzyskania wyniku 1,0 przy czym mo\
e się zdarzyć, \
e ciÄ…g
bitów reprezentujących część ułamkową będzie ciągiem nieskończonym.
Przykładowo zamiana liczby dziesiętnej 29,6875 wygląda następująco:
Konwersja części całkowitej Konwersja części ułamkowej
29 : 2 = 14 + reszta 1 - bit LSB 0,6875 · 2 = 1,375 nadmiar = 1 - bit MSB
14 : 2 = 7 + reszta 0 0,375 · 2 = 0,75 nadmiar = 0
7 : 2 = 3 + reszta 1 0,75 · 2 = 1,5 nadmiar = 1
3 : 2 = 1 + reszta 1 0,5 · 2 = 1,0 nadmiar = 1 - bit MSB
1 : 2 = 0 + reszta 1 bit MSB
Czyli liczbie dziesiętnej 29,6875 odpowiada liczba binarna 11101,1011
Aby liczbę binarną zamienić na postać dziesiętną, nale\
y rozpisać ją w postaci sumy
odpowiednich potęg liczby 2, a następnie obliczyć wartość wyra\
enia.
Np. 11101,1011 =
= 1 x 2-4 + 1 x 2-3 + 0 x 2-2 + 1 x 2-1 + 1 x 20 + 0 x 21 + 1 x 22 + 1 x 23 + 1 x 24 =
= 0,0625 + 0,125 + 0 + 0,5 + 1 + 0 + 4 + 8 + 16 = 29,6875
Analogicznie wygląda zamiana liczb z systemu dziesiętnego na heksadecymalny, przy
czym nale\
y pamiętać, \
e podstawÄ… systemu heksadecymalnego jest liczba 16, czyli liczbÄ™
dziesiętną dzielimy przez 16 w przypadku konwersji części całkowitej oraz mno\
ymy przez
16 podczas konwersji części ułamkowej.
Kody binarne
Kodem nazywamy zestaw symboli reprezentujÄ…cych danÄ… informacjÄ™. W technice
cyfrowej do reprezentacji informacji stosujemy kody binarne, wykorzystujÄ…ce symbole 0 i 1.
Obok naturalnego kodu binarnego NKB, będącego dwójkowym systemem liczbowym, do
zapisu cyfr stosuje się szereg innych kodów binarnych. Najpopularniejsze z nich to:
- kod dwójkowo-dziesiętny BCD  ka\
dej cyfrze dziesiętnej w liczbie przyporządkowuje
się 4-bitową liczbę dwójkową. Przykładowo:
L10 = 317 LBCD = 0011 0001 0111
- kod Aikena  jest kodem wagowym, niepozycyjnym, czyli waga danej cyfry nie jest
funkcją jej pozycji. Dla liczb 4-bitowych wagi poszczególnych bitów, poczynając od bitu
LSB wynoszÄ… odpowiednio 1, 2, 4, 2.
- kod Johnsona  niepozycyjny kod zwany kodem pseudopierścieniowym,
- kod Graya  charakteryzujÄ…cy siÄ™ tym, \
e dwa sąsiednie słowa kodowe ró\
niÄ… siÄ™ tylko
jednym bitem. Tworząc kolejne słowo kodowe, nale\
y zmienić w słowie poprzednim
tylko jeden, mo\
liwie najmniej znaczący bit, tak aby otrzymać słowo dotychczas
nieu\
yte.
- kod 1zN  zwany kodem pierścieniowym. W słowie kodowym tego kodu tylko jeden bit
przyjmuje wartość wyró\
nioną 1, a pozostałe 0.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
7
Tabela 1. Reprezentacja cyfr dziesiętnych 0-9 w wybranych kodach binarnych
NKB Aikena Johnsona Graya 1z10
0 0000 0000 00000 0000 0000000001
1 0001 0001 00001 0001 0000000010
2 0010 0010 00011 0011 0000000100
3 0011 0011 00111 0010 0000001000
4 0100 0100 01111 0110 0000010000
5 0101 1011 11111 0111 0000100000
6 0110 1100 11110 0101 0001000000
7 0111 1101 11100 0100 0010000000
8 1000 1110 11000 1100 0100000000
9 1001 1111 10000 1000 1000000000
Poza wymienionymi kodami, u\
ywa się szeregu kodów do reprezentacji liczb ze
znakiem, spośród których najpopularniejsze to:
- zapis  znak-moduł ZM  jest to naturalny kod dwójkowy, uzupełniony o dodatkowy bit
znaku, przyjmujący wartość 0 dla liczb dodatnich oraz 1 dla liczb ujemnych.
- zapis  znak-uzupełnienie do 2 U2  zapis liczb dodatnich nie ró\
ni siÄ™ od zapisu ZM,
natomiast aby zapisać liczbę ujemną w kodzie U2, nale\
y najpierw zapisać w kodzie ZM
liczbę dodatnią o takim samym module, następnie zanegować ka\
dy bit (zmienić wartość
na przeciwną) oraz do otrzymanego wyniku dodać 1.
Tabela 2. Reprezentacja cyfr +9 i  9 w kodach ZM i U2
Liczba dziesiętna Zapis ZM Kod U2
[phone]
 9 11001 10111
Poza reprezentacją liczb w ró\
nych kodach binarnych, często zachodzi konieczność
dwójkowego kodowania znaków alfanumerycznych (oprócz cyfr tak\
e liter i innych symboli).
W tym celu najczęściej stosowany jest kod ASCII.
Algebra logiki
Algebra logiki (algebra Boole a) to dział logiki matematycznej, słu\
Ä…cy do opisu
układów cyfrowych, gdzie argumenty i wartości funkcji to zmienne (a, b, c, & ), które mogą
przyjmować wartości 0 lub 1. Podstawowe funkcje algebry logiki to:
- suma logiczna OR  funkcja przyjmująca wartość 1, jeśli którykolwiek z jej składników
jest równy 1,
- iloczyn logiczny AND  funkcja przyjmująca wartość 1, jeśli wszystkie jej składniki są
równe 1,
- negacja NOT  funkcja oznaczana poprzez umieszczenie kreski nad zmiennÄ…,
przyjmująca wartość 1, jeśli jej argument jest równy 0.
Tabela 3. Operacje logiczne
Suma logiczna Iloczyn logiczny Negacja
0 + 0 = 0 0 · 0 = 0
0 = 1
0 + 1 = 1 0 · 1 = 0
1 = 0
1 + 0 = 1 1 · 0 = 0
1 + 1 = 1 1 · 1 = 1
Z właściwości przedstawionych funkcji logicznych wynikają podstawowe prawa algebry
logiki, podane poni\
ej.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
8
a + b = b + a a · b = b · a
a · (b + c) = a · b + a · c a + b · c = (a + b) · (a + c)
a + 0 = a a · 0 = 0
a + 1 = 1 a · 1 = a
a + a = a a · a = a
a + a = 1 a · a = 0
a = a
Oraz tzw. prawa de Morgana
a + b = a Å" b a Å" b = a + b
Sposoby zapisu funkcji logicznych
Istnieje kilka ró\
nych sposobów opisu danej funkcji logicznej, spośród których
najbardziej u\
yteczne to tabela prawdy oraz postać kanoniczna sumy i iloczynu. Tabela
prawdy zawiera w poszczególnych wierszach kolejne kombinacje zmiennych wejściowych
(argumentów funkcji) oraz odpowiadające im wartości zmiennych wyjściowych (wartości
funkcji). Przykładowo dla funkcji logicznej y = a + b c tabela prawdy wygląda następująco.
Tabela 4. Tablica prawdy funkcji y = a + b c
Wartość
cba y
dziesiętna
0 000 0
poniewa\
0 + 0 · 0 = 0
1 001 1
poniewa\
1 + 0 · 0 = 1
2 010 0 itd.
3 011 1
4 100 1
5 101 1
6 110 0
7 111 1
Postać kanoniczna sumy, to zapis funkcji logicznej w postaci sumy iloczynów
argumentów funkcji, dla których funkcja przyjmuje wartość 1. Przykładowo dla funkcji
y = a + b c postać kanoniczną sumy zapisujemy następująco:
y = f(c,b,a) = cba + cba + cba + cba + cba
lub w skrócie:
y = f(c,b,a) =
"[1,3,4,5,7]
Postać kanoniczna iloczynu, to zapis funkcji logicznej w postaci iloczynu sum
argumentów funkcji, dla których funkcja przyjmuje wartość 0. Przykładowo dla funkcji
y = a + b c postać kanoniczną iloczynu zapisujemy następująco:
y = f(c, b,a) = (c + b + a) Å" (c + b + a) Å" (c + b + a)
lub w skrócie:
y = f(c,b,a) =
"[0,2,6]
Minimalizacja funkcji logicznych
Minimalizacja funkcji logicznych ma na celu uproszczenie zapisu matematycznego
funkcji realizowanych przez elektroniczne układy cyfrowe, w taki sposób, aby dana funkcja
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
9
mogła być zrealizowana za pomocą jak najmniejszej liczby funktorów (bramek) logicznych.
MinimalizujÄ…c funkcjÄ™ logicznÄ… mo\
na posługiwać się metodą analityczną, opartą na prawach
algebry Boole a lub jedną ze znanych metod algorytmicznych, spośród których najbardziej
popularna, to metoda tablic Karnaugha, zwana metodą graficzną. Sposób minimalizacji
funkcji logicznej metodÄ… analitycznÄ… przedstawia poni\
szy przykład.
(a + b )(abc + a b + b c) + ab c (a + b) =
= aabc + aa b + a b c + b abc + b a b + b b c + ab c a + ab c b =
= abc + a b + a b c + 0 +a b + b c +ab c +ab c =
= abc + a b + a b c + b c +ab c =
= ab(c + c ) + a b (1 + c) + b c =
= ab + a b + b c =
= a (b + b ) + b c =
= a + b c
Metoda graficzna minimalizacji funkcji logicznych oparta jest na następujących
zale\
noÅ›ciach, wynikajÄ…cych z praw algebry Boole a: ab + ab = a lub (a + b) Å" (a + b) = a .
Pierwszym etapem minimalizacji funkcji tą metodą jest wpisanie wartości funkcji
odpowiadających poszczególnym kombinacjom argumentów funkcji w odpowiednie pola
tablicy Karnaugha (rys. 1.). Następnie przystępujemy do zakreślania w tablicy obszarów,
zawierających pola wypełnione jednakowymi wartościami funkcji (zerami lub jedynkami),
pamiętając o następujących zasadach:
- liczba łączonych pól musi być całkowitą potęgą liczby 2 (1, 2, 4, 8 itd.),
- łączone pola muszą tworzyć obszar w kształcie prostokąta lub kwadratu,
- osiÄ… symetrii obszaru mo\
e być dowolna krawędz
siatki,
- tworzone obszary powinny zawierać mo\
liwie najwięcej pól,
- jeśli tworzymy obszary zawierające  1 , to ka\
da  1 powinna siÄ™ znalez
ć w co najmniej
jednym obszarze, analogicznie jeśli tworzymy obszary zawierające  0 , to ka\
de  0
powinno siÄ™ znalez
ć w co najmniej jednym obszarze,
- tworzymy mo\
liwie jak najmniej obszarów.
Następnie przystępujemy do zapisania funkcji w postaci uproszczonej. Końcowa postać
funkcji będzie sumą iloczynów, jeśli tworzono obszary zawierające  1 lub iloczynem sum,
jeśli tworzono obszary zawierające  0 .
Rys. 1. Tablice Karnaugha dla: a) funkcji 2 zmiennych, b) funkcji 3 zmiennych, c) funkcji 4 zmiennych
[opracowanie własne]
Przykładowo dla funkcji y = f(c,b,a) =
"[1,3,4,5,7] zaznaczamy w siatce Karnaugha
obszary zawierające  1 w sposób przedstawiony na rys. 2, a następnie zapisujemy funkcję
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
10
logiczną w postaci zminimalizowanej y = a + b c, przy czym składnik  a odpowiada
obszarowi 4-elementowemu, natomiast składnik  b c obszarowi 2-elementowenu.
ba
c 00 01 11 10
0
0 1 1 0
1
1 1 1 0
Rys. 2. Siatka Karnaugha z zakreślonymi obszarami dla funkcji
y = f(c,b,a) =
"[1,3,4,5,7] [opracowanie własne]
Bramki logiczne
Bramką logiczną nazywamy układ elektroniczny, realizujący jedną z podstawowych
funkcji logicznych. W układach tych zmienną logiczną jest napięcie elektryczne, mogące
przyjmować jedną z dwóch wartości: niską L oraz wysoką H. Zwykle poziomowi wysokiemu
napięcia przypisuje się stan logiczny 1, natomiast poziomowi niskiemu stan logiczny 0.
Najczęściej wykorzystywane bramki logiczne, przedstawione na rys. 3 to:
- AND  iloczyn logiczny,
- OR  suma logiczna
- NOT  negacja,
- NAND  negacja iloczynu logicznego,
- NOR  negacja sumy logicznej.
Rys. 3. Symbole graficzne i tablice prawdy podstawowych bramek logicznych [opracowanie własne]
Realizacja funkcji logicznych
Aby zrealizować dowolną, nawet bardzo skomplikowaną funkcję logiczną, nale\
y
połączyć ze sobą odpowiednią ilość bramek logicznych (rys. 4). Układ elektroniczny,
zawierający w swojej strukturze jedynie bramki, nazywamy układem kombinacyjnym.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
11
Charakterystyczną cechą wszystkich układów kombinacyjnych jest fakt, \
e wartości napięć
występujące na jego wyjściach zale\
ą tylko i wyłącznie od aktualnych wartości napięć
podanych na jego wejścia.
Rys. 4. Realizacja funkcji y = a + b c za pomocą dowolnych bramek logicznych [opracowanie własne]
W wielu przypadkach wskazane jest, aby do realizacji układu kombinacyjnego u\
yć
bramek tylko jednego typu. Dowolny układ kombinacyjny mo\
na zrealizować, wykorzystując
tylko i wyłącznie bramki NAND lub tylko i wyłącznie bramki NOR, co przedstawiono na
rys. 5. Przykładowo, aby zrealizować funkcję y = a + b c przy u\
yciu bramek NAND, nale\
y
stosując prawa algebry Boole a przekształcić zapis funkcji w taki sposób, aby wyeliminować
z niego funkcję sumy logicznej. Realizujemy to poprzez podwójne zanegowanie całej funkcji,
a następnie zastosowanie prawa de Morgana, zamieniającego negację sumy na iloczyn
negacji:
y = a + bc = a + bc = a Å"bc
Rys. 5. Realizacja funkcji y = a + b c za pomocą bramek NAND [opracowanie własne]
4.1.2. Pytania sprawdzajÄ…ce
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Jaka jest ró\
nica pomiędzy cyfrowym, a analogowym układem elektronicznym?
2. Jakich systemów liczbowych u\
ywa siÄ™ w elektronice i informatyce do zapisu liczb?
3. W jaki sposób dokonuje się konwersji sposobu zapisu liczb?
4. Jakich kodów binarnych u\
ywa siÄ™ w technice cyfrowej oraz jaki jest cel ich stosowania?
5. Jakie sÄ… podstawowe prawa algebry Boolea a?
6. Jakie znasz sposoby zapisu funkcji logicznych?
7. Na czym polega minimalizacja funkcji logicznych metodÄ… siatek Karnaugha?
8. Jakie funkcje logiczne realizują poszczególne bramki logiczne?
9. Jak wyglądają symbole graficzne podstawowych funktorów logicznych?
4.1.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Liczby dziesiętne 62 oraz 247 zapisz w systemie binarnym, heksadecymalnym, w kodzie
BCD, ZM oraz U2.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
12
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) odszukać w materiałach dydaktycznych informacje na temat zasad konwersji liczb,
2) zastosować poznane informacje w celu wykonania odpowiednich przekształceń,
3) opracować wnioski oraz zaprezentować efekty pracy.
Wyposa\
enie stanowiska pracy:
- papier formatu A4,
- długopis,
- literatura zgodna z punktem 6.
Ćwiczenie 2
PodanÄ… poni\
ej funkcję logiczną przedstaw za pomocą znanych ci sposobów zapisu
funkcji logicznych. Zminimalizuj zadanÄ… funkcjÄ™ metodÄ… graficznÄ…. Narysuj schematy
układów kombinacyjnych realizujących tą funkcję, wykorzystując w tym celu dowolne
bramki logiczne oraz wyłącznie bramki NAND. Zmontuj zaprojektowane układy. Dla
poszczególnych kombinacji zmiennych wejściowych wykonaj pomiary poziomów logicznych
na wyjściach układów. Porównaj otrzymane wyniki z tabelą prawdy.
y = f(d,c,b,a) =
"[2,3,5,7,11,13,15]
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) zapisać podaną funkcję w znanych ci postaciach, zgodnie z podanym materiałem
nauczania,
2) narysować oraz wypełnić odpowiednią siatkę Karnaugha,
3) zapisać podaną funkcję logiczną w postaci uproszczonej,
4) narysować układ kombinacyjny realizujący podaną funkcję na bramkach dowolnego
typu,
5) przekształcić zminimalizowaną funkcję, tak aby mo\
na ją było zrealizować za pomocą
wyłącznie bramek NAND,
6) narysować układ kombinacyjny realizujący podaną funkcję na bramkach NAND,
7) zmontować zaprojektowane układy kombinacyjne,
8) poprosić nauczyciela o sprawdzenie poprawności połączeń oraz włączenie napięcia,
9) wykonać pomiary poziomów logicznych na wyjściach układów dla poszczególnych
wartości poziomów logicznych na wejściach,
10) porównać otrzymane wyniki pomiarów z tabelą prawdy,
11) opracować wnioski oraz zaprezentować efekty pracy.
Wyposa\
enie stanowiska pracy:
- papier formatu A4,
- długopis, ołówek, linijka,
- literatura zgodna z punktem 6,
- zasilacz stabilizowany 5V,
- tester stanów logicznych,
- stanowisko laboratoryjne z układami scalonymi zawierającymi podstawowe bramki,
- przewody monta\
owe,
- instrukcja do ćwiczenia.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
13
4.1.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak Nie
1) wyjaśnić ró\
nicę pomiędzy układem cyfrowym, a analogowym?
Ç Ç
2) zapisywać liczby w ró\
nych systemach pozycyjnych?
Ç Ç
3) zapisywać liczby w ró\
nych kodach binarnych?
Ç Ç
4) stosować prawa algebry Boole a?
Ç Ç
5) zapisać funkcję logiczną w postaci kanonicznej?
Ç Ç
6) upraszczać zapis funkcji logicznych metodą siatek Karnaugha?
Ç Ç
7) narysować symbole graficzne podstawowych bramek?
Ç Ç
8) zapisać tabelę prawdy poszczególnych bramek?
Ç Ç
9) projektować układy kombinacyjne, realizujące funkcje logiczne za
pomocÄ… bramek? Ç Ç
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
14
4.2. Cyfrowe układy scalone
4.2.1. Materiał nauczania
Klasyfikacja cyfrowych układów scalonych
Cyfrowe układy scalone mo\
na podzielić ze względu na stopień scalenia, rozumiany jako
liczba bramek elementarnych tworzących dany układ, na następujące grupy:
- SSI  mały stopień scalenia (do 10 bramek),
- MSI  średni stopień scalenia (od 10 do 100 bramek),
- LSI  du\
y stopień scalenia (od 100 do 10000 bramek),
- VLSI  bardzo du\
y stopień scalenia (powy\
ej 10000 bramek).
Kolejnym kryterium podziału układów cyfrowych jest technologia ich wytwarzania.
Zgodnie z tym kryterium rozró\
nia się układy: DTL, RTL, TTL, ECL, MOS, I2L oraz CTD.
W praktyce największe zastosowanie mają układy TTL oraz CMOS (będące podgrupą
układów MOS).
Parametry cyfrowych układów scalonych
Podstawowe parametry, charakteryzujÄ…ce ka\
dy cyfrowy układ scalony to:
- napięcie zasilania UZ,
- napięcia wejściowe i wyjściowe w stanie niskim i wysokim UIL, UIH, UOL, UOH,
- czas propagacji tp  określający szybkość działania układu, definiowany jako czas
upływający pomiędzy wystąpieniem na wejściu i wyjściu napięcia (UH + UL)/2 przy
zmianie stanu logicznego na wyjściu,
- moc strat PS  moc pobierana przez układ ze z
ródła zasilania, podczas przełączania tego
ukÅ‚adu przebiegiem prostokÄ…tnym o wypeÅ‚nieniu ½ oraz czÄ™stotliwoÅ›ci 100 kHz,
- dobroć D  iloczyn czasu propagacji i mocy strat,
- margines zakłóceń "U  jest to maksymalna amplituda impulsu zakłócającego, która
dodana do napięcia wejściowego elementu (pochodzącego z wyjścia elementu
poprzedniego) nie spowoduje błędnego działania układu,
- obciÄ…\
alność wyjść N  dopuszczalna liczba wejść innych elementów, które mogą być
z tego wyjścia prawidłowo sterowane.
Technika TTL
Układy scalone TTL wykonane są w technologii bipolarnej tranzystorowo-
tranzystorowej. Obecnie produkowane są układy TTL serii podstawowej (oznaczenie
UCY74& ), Schottky ego (UCY74S& ), Schottkyego małej mocy (UCY74LS& ), szybkiej
(UCY74F& ), ulepszonej Schottkyego (UCY74AS& ), ulepszonej Schottkyego małej mocy
(UCY74ALS& ). Układy TTL serii podstawowej charakteryzują się następującymi
wartościami podstawowych parametrów:
- napięcie zasilania UZ = 5 V ą 5%,
- napięcie wejściowe dla poziomu niskiego UIL = -0,5 V & 0,8 V,
- napięcie wejściowe dla poziomu wysokiego UIH = 2 V & 5,5 V,
- napięcie wyjściowe dla poziomu niskiego UOL = 0 V & 0,4 V,
- napięcie wyjściowe dla poziomu wysokiego UOH = 2,4 V & 5 V,
- czas propagacji tp = 10 ns,
- moc strat PS = 10 mW,
- współczynnik dobroci D = 100 pJ,
- margines zakłóceń "U = ą0,4 V,
- obciÄ…\
alność wyjść N = 10 wejść układów tego samego typu.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
15
Technika CMOS
Układy scalone CMOS wykonane są w technologii unipolarnej, co oznacza, \
e zawierajÄ…
w swej strukturze tranzystory z izolowanÄ… bramkÄ… MOS. Tranzystory te tworzÄ… tzw. pary
komplementarne, składające się z połączonych szeregowo lub równolegle tranzystorów
z kanałem typu P oraz kanałem typu N. Obecnie produkowane są układy CMOS serii
podstawowej (oznaczenie 40& B), szybkiej (MCY74HC& ), szybkiej kompatybilnej
z układami TTL (MCY74HCT& ), ulepszonej szybkiej (MCY74AC& ), ulepszonej szybkiej
kompatybilnej z układami TTL (MCY74ACT& ). Układy CMOS serii podstawowej
charakteryzują się następującymi wartościami podstawowych parametrów:
- napięcie zasilania UZ = 3 V & 18 V,
- napięcie wejściowe dla poziomu niskiego UIL = 0% & 30% UZ,
- napięcie wejściowe dla poziomu wysokiego UIH = 70% & 100% UZ,
- napięcie wyjściowe dla poziomu niskiego UOL H" 0 V,
- napięcie wyjściowe dla poziomu wysokiego UOH H" UZ,
- czas propagacji tp = 90 ns,
- moc strat PS = 10 nW w stanie statycznym,
- współczynnik dobroci D = 0,2 pJ,
- margines zakłóceń "U = 30% UZ,
- obciÄ…\
alność wyjść N = 2 wejścia bramek TTL-LS.
Współpraca układów TTL i CMOS
W przypadku konieczności zastosowania w jednym urządzeniu układów cyfrowych
ró\
nych serii oraz wykonanych w ró\
nych technologiach, nale\
y osiągnąć zgodność takich
parametrów jak napięcie zasilania oraz wartości napięć odpowiadające poziomowi H i L.
Bezpośrednia współpraca układów TTL z układami CMOS serii standardowej, HC lub
AC nie jest mo\
liwa ze względu na ró\
ne wartości napięć odpowiadające poziomowi
wysokiemu i niskiemu. Aby mo\
liwe było poprawne wysterowanie wejścia układu CMOS
z wyjścia TTL nale\
y uwzględnić fakt, \
e minimalne napięcie wyjściowe układu TTL
w stanie wysokim jest o 1,1 V mniejsze ni\
to samo napięcie dla układu CMOS (przy
zało\
eniu, \
e układ CMOS zasilany jest napięciem o wartości 5 V). Z tego względu
sprzęgając układ TTL z układem CMOS nale\
y pamiętać o konieczności stosowania
dodatkowego rezystora podciągającego R0 o wartości 1,5 k&!  4,7 k&!, którego zadanie
polega na zwiększeniu napięcia wyjściowego układu TTL (rys. 6). Im większa wartość tej
rezystancji, tym mniejszy pobór mocy ze z
ródła zasilania, a jednocześnie mniejsza mo\
liwa
częstotliwość przełączania układu. W przypadku konieczności współpracy układu TTL
z układem CMOS zasilanym napięciem o wartości innej ni\
5 V najlepszym rozwiÄ…zaniem
jest zastosowanie scalonego konwertera 40115B. Układ ten mo\
na wykorzystać tak\
e w celu
poprawnego sterowania wejścia układu TTL z wyjścia układu CMOS zasilanego napięciem
innym ni\
5 V. Sterowanie wejścia układu TTL z wyjścia układu CMOS nie wymaga
natomiast stosowania układów sprzęgających w przypadku takiej samej wartości napięcia
zasilającego oba układy.
Bez konieczności stosowania odpowiednich konwerterów mogą współpracować układy
TTL dowolnej serii z układami CMOS serii HCT lub ACT.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
16
Rys. 6. SprzÄ™\
enie a) TTL CMOS przy u\
yciu rezystora podciÄ…gajÄ…cego b) TTL CMOS przy u\
yciu
konwertera 40115B, c) CMOS TTL przy u\
yciu konwertera 40115B [opracowanie własne]
Bramki trójstanowe
W ramach serii standardowej układów TTL produkowane są obok bramek podstawowych
bramki specjalne, ró\
niące się od bramek podstawowych budową układów wejściowych lub
wyjściowych, a tym samym zastosowaniem. W technice cyfrowej i mikroprocesorowej du\
e
zastosowanie mają bramki trójstanowe, umo\
liwiające dołączenie kilku wyjść do wspólnej
magistrali. Bramki tego typu obok wejść danych posiadają dodatkowe wejście sterujące.
W zale\
ności od poziomu logicznego podanego na wejście sterujące bramka realizuje
określoną funkcję logiczną lub wyjście bramki pozostaje w stanie wysokiej impedancji, bez
względu na wartości napięć podawanych na jej wejścia. Przykładowo tablicę prawdy oraz
symbol graficzny bramki trójstanowej NAND z wejściem sterującym S aktywowanym
poziomem niskim przedstawiono na rysunku 7.
Rys. 7. Tablica prawdy i symbol graficzny trójstanowej
bramki NAND [opracowanie własne]
Układy wejściowe
y
ródłem sygnałów podawanych na wejścia układów cyfrowych są często przełączniki
mechaniczne lub przekaz
niki. W wielu przypadkach zachodzi konieczność odpowiedniego
uformowania tych sygnałów oraz wytłumienia nało\
onych na nie zakłóceń i oscylacji. W tym
celu stosuje się układy całkujące o stosunkowo du\
ej stałej czasowej lub bramki Schmitta.
Charakterystyczną cechą bramek Schmitta jest histereza charakterystyki przełączania
(Rys. 8), dzięki czemu bramki te prawidłowo współpracują z sygnałami wejściowymi
o długich czasach narastania lub opadania.
Rys. 8. Bramka Schmitta a) symbol graficzny, b) charakterystyka przełączania [opracowanie własne]
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
17
Je\
eli wejście układu cyfrowego ma być sterowane za pomocą przełącznika
mechanicznego, to konieczne jest zastosowanie układu tłumiącego drgania zestyków. W tym
celu stosuje się najczęściej przerzutnik asynchroniczny przedstawiony na rysunku 9.
W układzie tym po zmianie poło\
enia przełącznika następuje zmiana poziomu logicznego na
wyjściu na przeciwny i ewentualne drgania zestyków nie mają wpływu na działanie układów
sterowanych z wyjścia przerzutnika.
Rys. 9. Układ eliminujący drganie zestyków [opracowanie własne]
Układy wyjściowe
Informacja uzyskiwana na wyjściach układów cyfrowych słu\
y do sterowania ró\
nego
rodzaju urządzeń lub jest wizualizowana w postaci czytelnej dla człowieka. Moc sygnałów
wyjściowych układów TTL i CMOS jest wystarczająca do bezpośredniego sterowania
wskaz
ników LED lub wyświetlaczy ciekłokrystalicznych. W przypadku konieczności
sterowania innych urządzeń typu przekaz
niki elektromechaniczne, przetworniki
elektroakustyczne, silniki, \
arówki itp., konieczne jest zastosowanie tranzystorowego
wzmacniacza mocy (Rys. 10).
+Uz +Uz
a) b)
Układ
sterowany
R
R
Rys. 10. Współpraca układów cyfrowych z urządzeniami zewnętrznymi a) bezpośrednie sterowanie
diody LED, b) sterowanie urządzeń du\
ej mocy poprzez wzmacniacz mocy [opracowanie własne]
Lokalizacja i przyczyny uszkodzeń układów cyfrowych
Po zaprojektowaniu i wykonaniu układu cyfrowego często dochodzi do sytuacji,
w których nie działa on prawidłowo. Najczęstsze przyczyny wadliwej pracy układów
cyfrowych to:
- brak zerowania systemu w chwili startu. Dotyczy to w szczególności układów
mikroprocesorowych, które powinny rozpoczynać pracę od ściśle określonego stanu
początkowego. W przeciwnym razie nie da się przewidzieć działania systemu po
włączeniu zasilania. Najprostszym rozwiązaniem gwarantującym wykonanie resetu po
włączeniu zasilania jest zastosowanie szeregowego obwodu RC.
- wejście układu w stan zabroniony. W przypadku układów sekwencyjnych istnieją tzw.
stany zabronione, czyli wartości sygnałów, których nie mo\
na podać na wejście systemu,
gdy\
doprowadzi to do nieprawidłowego (nieprzewidzianego) dalszego działania.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
18
Projektując układ nale\
y pamiętać o takich stanach. Nale\
y równie\
zapewnić mo\
liwość
wykonanie resetu ręcznego na wypadek przypadkowego wejścia układu w stan
zabroniony na skutek zakłóceń zewnętrznych.
- opóz
nienia sygnałów wynikające z czasu propagacji układów cyfrowych. Zagadnienie to
dotyczy wszystkich systemów taktowanych sygnałem zegarowym. Je\
eli dojdzie do
sytuacji, w której sygnały wejściowe układów sekwencyjnych zostaną opóz
nione
w stosunku do sygnału taktującego, to będzie to skutkowało błędnym działaniem
urzÄ…dzenia.
- pojawianie się stanów przejściowych. W wielu urządzeniach stany logiczne powinny się
zmieniać wg ściśle określonego porządku. Przykładowo liczba impulsów zliczonych
przez licznik powinna się zwiększać o 1 po ka\
dym okresie sygnału zegarowego. Często
zdarza siÄ™, \
e pomiędzy dwoma kolejnymi stanami po\
Ä…danymi pojawia siÄ™ jeden lub
kilka stanów niepo\
Ä…danych, co mo\
e prowadzić do nieprawidłowego działania urządzeń
cyfrowych.
- zakłócenia zewnętrzne. W wyniku wszelkiego rodzaju zakłóceń w liniach
doprowadzających sygnały do urządzeń cyfrowych indukują się siły elektromotoryczne,
które dodają się do sygnałów u\
ytecznych. Mo\
e to doprowadzić do wadliwej pracy
systemu cyfrowego, jeśli amplituda zakłóceń przekroczy wartość marginesu zakłóceń.
Dotyczy to szczególnie sytuacji, gdy sygnały doprowadzane są do wejść układów
długimi przewodami. Wpływ zakłóceń mo\
na ograniczyć stosując ekranowanie
przewodów lub całych urządzeń. Zbyt długie linie transmisyjne skutkują tak\
e
zniekształceniem impulsów cyfrowych w wyniku tłumienia. Rozwiązaniem tego
problemu jest stosowanie regeneratorów sygnału cyfrowego.
- pozostawienie niepodłączonych niewykorzystywanych wejść. Niewykorzystywanych
wejść nie nale\
y pozostawiać niepodłączonych, gdy\
są one wówczas mniej odporne na
zakłócenia zewnętrzne. Na wejścia takie nale\
y podawać odpowiednie poziomy logiczne,
nie zmieniające działania układu. Przykładowo jeśli w 4-wejściowej bramce AND
wykorzystujemy tylko 3 wejścia, to wejście czwarte nale\
y podłączyć do stanu
wysokiego.
Zasady wykonywania pomiarów układów cyfrowych
W celu przeprowadzenia diagnostyki cyfrowych układów elektronicznych stosowany jest
następujący sprzęt laboratoryjny oraz aparatura kontrolno pomiarowa:
- zasilacze stabilizowane napięcia stałego  wykorzystywane do zasilania układów oraz do
podawania odpowiednich poziomów logicznych na wejścia układów,
- generatory sygnałów testowych  wykorzystywane w celu podania wszystkich
mo\
liwych kombinacji poziomów logicznych na poszczególne wejścia,
- multimetry  słu\
ące do pomiaru napięć lub prądów w dowolnym punkcie układu,
- testery poziomów logicznych  słu\
Ä…ce do szybkiego pomiaru stanu logicznego na
wejściu lub wyjściu układu,
- generatory sygnału prostokątnego  wykorzystywane do taktowania układów
sekwencyjnych,
- oscyloskopy  słu\
ące do pomiaru parametrów dynamicznych układów cyfrowych,
takich jak czas propagacji, czy czasy narastania i opadania sygnałów.
Wykonując pomiary wielkości elektrycznych nale\
y zapoznać się z instrukcją obsługi
u\
ywanych urządzeń pomiarowych, jak równie\
nale\
y posiadać podstawowe wiadomości
z zakresu metrologii elektrycznej i elektronicznej. PracujÄ…c z urzÄ…dzeniami elektrycznymi
nale\
y te\
przestrzegać podstawowych zasad BHP.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
19
4.2.2. Pytania sprawdzajÄ…ce
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Jakie znasz technologie produkcji cyfrowych układów scalonych?
2. Jakimi parametrami charakteryzują się cyfrowe układy scalone?
3. Jaka jest definicja czasu propagacji i jakie wielkości powinien przyjmować ten parametr?
4. Jaka jest definicja mocy strat i jakie wielkości powinien przyjmować ten parametr?
5. Jaka jest definicja marginesu zakłóceń i jakie wielkości powinien przyjmować ten
parametr?
6. Jakie są podstawowe cechy układów scalonych wykonanych w technologii TTL?
7. Jakie są podstawowe cechy układów scalonych wykonanych w technologii CMOS?
8. Czym charakteryzują się bramki trójstanowe i jakie jest ich zastosowanie?
9. Czym charakteryzujÄ… siÄ™ bramki Schmitta i jakie jest ich zastosowanie?
10. Jakie są zasady współpracy układów cyfrowych TTL i CMOS?
11. Jakie są zasady sterowania układów cyfrowych za pomocą przełączników
mechanicznych?
12. W jaki sposób mo\
na sterować z wyjścia układu cyfrowego urządzenia zewnętrzne?
13. Jakie są najczęstsze przyczyny nieprawidłowej pracy układów cyfrowych?
14. Jakich urządzeń kontrolno pomiarowych u\
ywa się do wykonywania pomiarów
w układach cyfrowych?
4.2.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Wykonaj pomiar czasu propagacji bramek TTL serii podstawowej i LS oraz bramek
CMOS serii podstawowej i HC. Wyniki pomiarów porównaj z danymi katalogowymi. Zbadaj
wpływ obcią\
enia na szybkość działania bramek. Dla bramek CMOS zbadaj wpływ wartości
napięcia zasilania na szybkość działania bramek.
Rys. do ćwiczenia 1 [opracowanie własne]
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) zmontować układ pomiarowy wg podanego rysunku,
2) poprosić nauczyciela o sprawdzenie poprawności połączeń oraz włączenie napięcia,
3) podać na wejście badanej bramki sygnał prostokątny o częstotliwości 1kHz i parametrach
zgodnych ze standardem TTL lub CMOS,
4) obserwowane na oscyloskopie przebiegi elektryczne przerysować na papier milimetrowy,
5) odczytać wartości czasów propagacji badanych bramek,
6) zanotować uzyskane wyniki i porównać z danymi katalogowymi,
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
20
7) dołączyć do wyjścia badanych bramek obcią\
enie wg podanego układu pomiarowego,
8) wykonać pomiary czasów propagacji poszczególnych bramek dla następujących wartości
impedancji obciÄ…\
enia: 470 &!, 1 k&!, 4,7 k&!, 10 k&!.
9) dla bramek CMOS powtórzyć pomiary dla następujących wartości napięcia zasilania: 5
V, 10 V, 15 V,
10) opracować wnioski oraz zaprezentować efekty pracy.
Wyposa\
enie stanowiska pracy:
- papier kancelaryjny formatu A4 oraz papier milimetrowy,
- długopis, ołówek, linijka,
- literatura zgodna z punktem 6,
- zasilacz stabilizowany o regulowanej wartości napięcia wyjściowego,
- generator sygnału prostokątnego o regulowanej amplitudzie oraz częstotliwości,
- oscyloskop 2-kanałowy,
- dekada rezystancyjna,
- stanowisko laboratoryjne z układami scalonymi zawierającymi badane bramki,
- przewody monta\
owe,
- instrukcja do ćwiczenia.
Ćwiczenie 2
Wyznacz minimalną i maksymalną wartość rezystora podciągającego, umo\
liwiajÄ…cego
sterowanie bramki CMOS serii HC z wyjścia bramki TTL serii standardowej.
Rys. do ćwiczenia 2 [opracowanie własne]
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) zmontować układ pomiarowy wg podanego rysunku,
2) poprosić nauczyciela o sprawdzenie poprawności połączeń oraz włączenie napięcia,
3) podać na wejścia bramki TTL takie poziomy logiczne, aby na jej wyjściu pojawił się
poziom wysoki,
4) dobrać maksymalną wartość rezystora podciągającego, jako wartość przy której napięcie
na wyjÅ›ciu bramki TTL osiÄ…ga wartość 0,7·UZ,
5) podać na wejścia bramki TTL takie poziomy logiczne, aby na jej wyjściu pojawił się
poziom niski,
6) dobrać minimalną wartość rezystora podciągającego, jako wartość przy której napięcie na
wyjÅ›ciu bramki TTL nie przekracza wartoÅ›ci 0,3·UZ, a prÄ…d pobierany z wyjÅ›cia bramki
nie przekracza wartości dopuszczalnej, która dla układów TTL serii standardowej wynosi
16 mA,
7) zweryfikować poprawność działania układu, obserwując poziom logiczny na wyjściu
bramki CMOS dla ró\
nych poziomów logicznych na wejściu bramki TTL,
8) opracować wnioski oraz zaprezentować efekty pracy.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
21
Wyposa\
enie stanowiska pracy:
- papier kancelaryjny formatu A4,
- długopis, ołówek, linijka,
- literatura zgodna z punktem 6,
- zasilacz stabilizowany 5 V,
- dekada rezystancyjna,
- dwa multimetry cyfrowe,
- stanowisko laboratoryjne z układami scalonymi zawierającymi badane bramki,
- przewody monta\
owe,
- instrukcja do ćwiczenia.
Ćwiczenie 3
Wyznacz wartość rezystancji ograniczającej prąd płynący przez diodę LED sterowaną
z wyjścia układu TTL serii standardowej (rys. 3a). Zmontuj zaprojektowany układ i sprawdz

poprawność jego działania. Następnie zmontuj układ umo\
liwiający sterowanie z wyjścia
bramki TTL odbiornika du\
ej mocy poprzez tranzystor i przekaz
nik, dobierając wcześniej
wartość rezystora ograniczającego prąd bazy tranzystora (rys. 3b). Sprawdz
działanie
zaprojektowanego układu.
b
a
Rys. do ćwiczenia 3 [opracowanie własne]
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) obliczyć wartość rezystora ograniczającego prąd diody LED, tak aby uzyskać nominalną
wartość prądu diody przy niskim poziomie logicznym na wyjściu bramki, korzystając ze
wzoru:
UZ - UF
R =
IF
gdzie: UZ  napięcie zasilania,
UF  napięcie przewodzenia diody LED,
IF  prÄ…d przewodzenia diody LED.
Nale\
y pamiętać, \
e prÄ…d IF nie mo\
e być większy ni\
dopuszczalna obciÄ…\
alność wyjścia
bramki TTL w stanie niskim.
2) dołączyć do wyjścia bramki TTL diodę LED wraz z rezystorem szeregowym,
3) poprosić nauczyciela o sprawdzenie poprawności połączeń oraz włączenie napięcia,
4) zweryfikować poprawność działania układu dla ró\
nych wartości poziomów logicznych
podawanych na wejścia bramki,
5) obliczyć wartość rezystora ograniczającego prąd bazy tranzystora sterującego
przekaz
nikiem, tak aby uzyskać wymaganą wartość prądu kolektora, korzystając ze
wzoru:
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
22
UOH - UBE IC
R = , w którym: IB =
IB ²
gdzie: UOH  napięcie na wyjściu bramki TTL w stanie wysokim,
UBE  napięcie przewodzenia złącza baza-emiter tranzystora,
IC  prąd kolektora, równy prądowi znamionowemu cewki przekaz
nika,
²  wzmocnienie prÄ…dowe tranzystora w ukÅ‚adzie wspólny emiter.
6) dołączyć do wyjścia bramki TTL silnik prądu stałego poprzez tranzystor i przekaz
nik,
7) poprosić nauczyciela o sprawdzenie poprawności połączeń oraz włączenie napięcia,
8) zweryfikować poprawność działania układu dla ró\
nych wartości poziomów logicznych
podawanych na wejścia bramki,
9) opracować wnioski oraz zaprezentować efekty pracy.
Wyposa\
enie stanowiska pracy:
- papier kancelaryjny formatu A4,
- długopis, ołówek, linijka,
- literatura zgodna z punktem 6,
- zasilacz stabilizowany 5 V oraz 12 V,
- dekada rezystancyjna,
- multimetr cyfrowy,
- dioda LED,
- tranzystor bipolarny BC211,
- przekaz
nik elektromagnetyczny 12 V,
- silnik prądu stałego zasilany napięciem 12 V,
- dane katalogowe u\
ytej diody LED, tranzystora oraz przekaz
nika,
- stanowisko laboratoryjne z układami scalonymi zawierającymi badane bramki,
- przewody monta\
owe,
- instrukcja do ćwiczenia.
4.2.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak Nie
1) scharakteryzować podstawowe parametry cyfrowych układów
scalonych? Ç Ç
2) scharakteryzować cechy techniki TTL?
Ç Ç
3) scharakteryzować cechy techniki CMOS?
Ç Ç
4) wyjaśnić zastosowanie bramek trójstanowych?
Ç Ç
5) zastosować w jednym urządzeniu układy TTL i CMOS łącznie?
Ç Ç
6) zapewnić prawidłową współpracę wejść układów cyfrowych z
sygnaÅ‚ami o dÅ‚ugich czasach narastania lub opadania? Ç Ç
7) zapewnić prawidłową współpracę wejść układów cyfrowych z
przeÅ‚Ä…cznikami mechanicznymi? Ç Ç
8) zapewnić prawidłową współpracę wyjść układów cyfrowych z diodą
LED oraz przekaz
nikiem? Ç Ç
9) zlokalizować typowe przyczyny wadliwej pracy układów cyfrowych?
Ç Ç
10) wykonać pomiary podstawowych parametrów cyfrowych układów
scalonych? Ç Ç
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
23
4.3. Przerzutniki i układy sekwencyjne
4.3.1. Materiał nauczania
Rodzaje przerzutników
Przerzutniki to najprostsze sekwencyjne układy logiczne, których podstawową funkcją
jest pamiętanie jednego bitu informacji. Podstawową cechą sekwencyjnych układów
cyfrowych, jest zale\
ność stanów logicznych na poszczególnych wyjściach nie tylko od
obecnych, ale równie\
od poprzednich stanów na jego wejściach. Rozró\
niamy następujące
rodzaje przerzutników:
- bistabilne  w których oba stany logiczne na wyjściu (0 i 1) są stanami stabilnymi, czyli
mogą się utrzymywać na wyjściu przerzutnika przez dowolnie długi czas. Zmiana stanu
logicznego na wyjściu nie mo\
e zajść samoczynnie, lecz wyłącznie pod wpływem
zmiany sygnałów wejściowych.
- monostabilne  w których tylko jeden stan wyjścia (0 lub 1) jest stanem stabilnym.
W stanie stabilnym przerzutnik mo\
e być utrzymywany przez dowolnie długi czas.
Przejście do stanu niestabilnego odbywa się pod wpływem wymuszenia zewnętrznego,
natomiast powrót do stanu stabilnego zachodzi samoczynnie po upływie określonego
czasu od momentu wymuszenia stanu niestabilnego.
- astabilne  w których wyjście nie posiada \
adnego stanu stabilnego. Stan wyjścia zmienia
się samoczynnie z 0 na 1 i z 1 na 0 z określoną częstotliwością. Przerzutnik astabilny jest
więc generatorem sygnału prostokątnego.
Przerzutniki monostabilne i astabilne często nazywane są układami czasowymi.
Dodatkowo przerzutniki bistabilne mo\
na podzielić na:
- asynchroniczne  w przerzutnikach tych zmiana stanu na wyjściu zachodzi w chwilach
uzale\
nionych tylko od zmiany stanu na jego wejściach (brak wejścia zegarowego),
- synchroniczne  w przerzutnikach tych zmiana stanu na wyjściu mo\
e mieć miejsce tylko
w chwilach ściśle uzale\
nionych od stanu sygnału zegarowego.
Przerzutniki bistabilne asynchroniczne
Przerzutnik bistabilny asynchroniczny jest zbudowany z dwóch bramek NOR.
Przerzutnik ten ma dwa wejścia: s  ustawiające i r  zerujące oraz dwa wyjścia: proste
Q i zanegowane Q . Je\
eli na oba wejścia przerzutnika podajemy poziomy L, to pamięta on
wówczas zapisaną w nim informację. Stanem aktywnym dla tego przerzutnika jest stan H, co
oznacza, \
e wpisu informacji dokonujemy podając jedynkę logiczną na wejście r (aby wpisać
bit o wartości 0) lub s (aby wpisać bit o wartości 1). Podanie poziomów H na oba wejścia
przerzutnika jest logicznie zabronione. Analogicznie mo\
na zbudować przerzutnik rs za
pomocą bramek NAND, dla którego stanem aktywnym jest stan L. Budowę oraz tablicę
prawdy obu przerzutników przedstawia rys. 11.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
24
Rys. 11. Przerzutniki bistabilne asynchroniczne a) budowa i tablica prawdy przerzutnika rs, b) budowa i tablica
prawdy przerzutnika rs [opracowanie własne]
Przerzutniki bistabilne synchroniczne
Przerzutniki synchroniczne posiadają wejścia informacyjne, których stan mo\
e
oddziaływać na wyjście tylko w chwilach uzale\
nionych od stanu sygnału taktującego,
doprowadzanego do wejścia zegarowego C. Istnieją przerzutniki wyzwalane wysokim lub
niskim poziomem sygnału zegarowego, jak równie\
zboczem narastajÄ…cym lub opadajÄ…cym.
Rys. 12 przedstawia sposoby oznaczania wejść zegarowych w zale\
ności od sposobu
wyzwalania. Obok wejść informacyjnych przerzutniki synchroniczne mogą posiadać wejścia
programujące r i s (wejścia asynchroniczne), umo\
liwiające ustawienie określonego stanu na
wyjściu Q przerzutnika natychmiast, bez względu na stan sygnału zegarowego.
Rys. 12. Rodzaje wejść zegarowych przerzutników a) wyzwalane poziomem wysokim,
b) wyzwalane poziomem niskim, c) wyzwalane zboczem narastajÄ…cym, d) wyzwalane
zboczem opadającym [opracowanie własne]
Działanie przerzutników opisuje się za pomocą tablicy przejść lub tablicy wzbudzeń.
Tablica przejść określa, jaki będzie kolejny stan przerzutnika Q+ w zale\
ności od jago
aktualnego stanu Q oraz od aktualnego stanu jego wejść. Tablica wzbudzeń określa, jaki
powinien być stan wejść informacyjnych, aby przerzutnik przeszedł z jednego stanu do
drugiego.
W praktyce majÄ… zastosowanie przerzutniki bistabilne synchroniczne typu D, T, RS oraz
JK, których symbole graficzne oraz zasadę działania (tablice wzbudzeń oraz tablice przejść)
przedstawia rys. 13.
Rys. 13. Przerzutniki bistabilne synchroniczne [opracowanie własne]
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
25
Konwersje przerzutników
Podobnie jak w przypadku układów kombinacyjnych rozwiązaniem ekonomicznym jest
realizacja układu za pomocą bramek jednego rodzaju, tak samo układy sekwencyjne lepiej
jest realizować za pomocą przerzutników jednego typu. Dzięki temu maleje liczba układów
scalonych koniecznych do zrealizowania danego układu nawet, jeśli roście liczba elementów
funkcjonalnych tworzących układ. Ka\
dy z omówionych przerzutników mo\
na zrealizować
za pomocÄ… przerzutnika JK. Mo\
liwość zastąpienia przerzutnika RS przerzutnikiem JK jest
oczywista, gdy\
przerzutnik RS ró\
ni siÄ™ od przerzutnika JK tylko tym, \
e podanie na oba
jego wejścia poziomów wysokich jest stanem zabronionym. Realizację przerzutników typu
D i T za pomocÄ… przerzutnika JK przedstawia rys. 14.
Rys. 14. Zastosowanie przerzutnika JK jako: a) przerzutnik typu D, b) przerzutnik typu T [opracowanie własne]
Rejestry
Rejestrem nazywany układ zbudowany z przerzutników, słu\
Ä…cy do przechowywania
informacji w postaci słów binarnych. Liczba bitów, jaka mo\
e być przechowywana
w rejestrze jest nazywana długością rejestru i odpowiada ona zawsze liczbie przerzutników
u\
ytych do budowy rejestru. Wpis informacji do rejestru lub wyprowadzanie informacji
z rejestru mo\
e odbywać się szeregowo, czyli bit po bicie w takt sygnału zegarowego lub
równolegle, czyli całe słowo jest zapisywane lub odczytywane jednocześnie w chwili
wyznaczonej przez stan sygnału zegarowego. W związku z tym rozró\
nia się następujące
rodzaje rejestrów:
- szeregowo-szeregowe (szeregowe) SISO  zapis i odczyt realizowany szeregowo,
- szeregowo-równoległe SIPO  zapis szeregowy, a odczyt równoległy,
- równoległo-szeregowe PISO  zapis równoległy, a odczyt szeregowy,
- równoległo-równoległe (równoległe) PIPO  zapis i odczyt realizowany równolegle.
Do budowy rejestrów u\
ywa się przerzutników typu D taktowanych wspólnym sygnałem
zegarowy. Rys. 15 przedstawia 3-bitowy rejestr równoległy. Informacja przechowywana jest
w tym rejestrze przez jeden okres sygnału zegarowego. W momencie pojawienia się zbocza
opadającego sygnału zegarowego do rejestru wpisywane jest kolejne słowo, natomiast
poprzednia informacja ulega wykasowaniu.
Rys. 15. Rejestr równoległy PIPO [opracowanie własne]
Rys. 16 przedstawia rejestr szeregowy (jeśli wykorzystywać będziemy tylko wyjście Qc)
lub szeregowo-równoległy (jeśli wykorzystamy wszystkie wyjścia Qa, Qb i Qc). Po pojawieniu
się zbocza opadającego sygnału zegarowego wartość logiczna podawana na wejście tego
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
26
rejestru (wejście D przerzutnika A) zostanie wpisana do przerzutnika A. Jednocześnie nastąpi
przesuw informacji zapisanej w rejestrze o jednÄ… pozycjÄ™ w prawo, czyli bit przechowywany
w przerzutniku A zostanie przepisany do przerzutnika B itd., natomiast bit przechowywany w
przerzutniku C zostanie utracony.
Rys. 16. Rejestr szeregowy SISO oraz szeregowo-równoległy SIPO [opracowanie własne]
Rys. 17 przedstawia przykładowy rejestr równoległo-szeregowy. W rejestrze tego typu
wpis informacji realizowany jest za pomocą wejść asynchronicznych s i r, niezale\
nie od
stanu sygnału zegarowego, po podaniu poziomu niskiego na linię WPIS. Wykorzystanie do
wpisu informacji wejścia D nie jest mo\
liwe, gdy\
na wejście to podawany jest sygnał
z wyjścia Q przerzutnika poprzedniego. Odczyt informacji odbywa się wyjściem Q
przerzutnika ostatniego w takt sygnału zegarowego.
Rys. 17. Rejestr równoległo-szeregowy PISO z wpisem asynchronicznym [opracowanie własne]
W praktyce zazwyczaj nie buduje się rejestrów z pojedynczych przerzutników, lecz
wykorzystuje się gotowe rejestry scalone. Zaletą rejestrów scalonych jest ich uniwersalność,
czyli mo\
liwość wyboru sposobu wpisu i odczytu informacji, a tak\
e kierunku przesuwu
zawartości rejestru. Najczęściej u\
ywane rejestry scalone to:
- UCY74174  6-bitowy rejestr, mogący pracować jako układ szeregowy, szeregowo-
równoległy lub równoległy,
- UCY74164  8-bitowy rejestr szeregowo-równoległy,
- UCY74165  8-bitowy rejestr, mogący pracować jako układ szeregowy lub równoległo-
szeregowy,
- UCY74194  4-bitowy rejestr rewersyjny, z mo\
liwością szeregowego i równoległego
wprowadzania i odczytywania informacji. Określenie rewersyjny oznacza, \
e zapisana
w rejestrze informacja mo\
e być przesuwana zarówno w prawo, jak i w lewo.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
27
Liczniki
Licznik to układ sekwencyjny, słu\
ący do zliczania i pamiętania impulsów podawanych
na jego wejście. Podstawowe parametry licznika to jego długość i pojemność. Długość
licznika n to liczba przerzutników, z których został zbudowany, równa ilości wyjść.
Pojemność licznika N to ilość impulsów, które mo\
e zliczyć licznik do momentu
przepełnienia. Długość licznika n i jego maksymalna pojemność NMAX powiązane są
następującą zale\
nością: NMAX = 2n. Licznik o pojemności N nazywamy licznikiem
modulo N.
Rozró\
nia siÄ™ liczniki synchroniczne oraz asynchroniczne. W licznikach synchronicznych
wszystkie przerzutniki taktowane są tym samym sygnałem zegarowym, będącym przebiegiem
zliczanych impulsów. W licznikach asynchronicznych sygnał zegarowy doprowadzany jest
tylko do pierwszego przerzutnika, natomiast przerzutniki kolejne taktowane są z wyjścia
przerzutnika poprzedniego. Liczniki asynchroniczne charakteryzujÄ… siÄ™ prostszÄ… budowÄ…,
jednak ich wadą jest występowanie niepo\
ądanych stanów przejściowych pomiędzy dwoma
kolejnymi stanami po\
ądanymi, będącymi aktualną liczbą zliczonych impulsów.
Liczniki asynchroniczne
Podstawowym elementem licznika asynchronicznego jest tzw. dwójka licząca, czyli
przerzutnik pracujący jako dzielnik częstotliwości sygnału zegarowego przez 2. Dwójkę
liczÄ…cÄ… mo\
na zrealizować za pomocą przerzutnika JK lub T, podłączając wejścia
informacyjne do poziomu wysokiego lub za pomocą przerzutnika D, podając na wejście
informacyjne sygnał z wyjścia Q . Szeregowe połączenie takich dzielników daje licznik
o pojemności 2n, gdzie n to liczba u\
ytych przerzutników. Rys. 18 przedstawia budowę
i działanie licznika modulo 8 zliczającego w przód.
Rys. 18. Licznik asynchroniczny modulo 8: a) budowa, b) przebiegi czasowe na wyjściach licznika
[opracowanie własne]
Przebiegi czasowe na wyjściach licznika zostały narysowane przy zało\
eniu, ze mamy do
czynienia z przerzutnikami idealnymi o zerowym czasie propagacji. W rzeczywistości czas
ten jest ró\
ny od zera, czyli np. podczas przejścia licznika ze stanu 5 w stan 6 zmiana na
wyjściach Q1 i Q2 nie zachodzi jednocześnie. Najpierw zmienia się stan na wyjściu Q1 (jako
reakcja na zbocze opadające sygnału wejściowego), a następnie po czasie równym czasowi
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
28
propagacji przerzutnika zachodzi zmiana na wyjściu Q2 (jako odpowiedz
na zbocze
opadające sygnału Q1). W związku z tym pomiędzy stanem 5 a 6 występuje stan niepo\
Ä…dany
4. PojawiajÄ…ce siÄ™ stany niepo\
Ä…dane mo\
na uznać za nieistotne, jeśli spełniona jest
następująca zale\
ność:
T >> n · tp
gdzie: T  okres sygnału wejściowego,
n  długość licznika,
tp  czas propagacji pojedynczego przerzutnika.
Licznik asynchroniczny o skróconym cyklu zliczania
Stosując wyłącznie przerzutniki mo\
na budować liczniki modulo 2n (modulo 4, 8, 16
itd.). Często zachodzi potrzeba realizacji licznika modulo 3, 5, 7, 10 itd. Zasada
projektowania liczników tego typu jest następująca. W pierwszej kolejności nale\
y określić
liczbę przerzutników niezbędną do realizacji licznika, a następnie w liczniku modulo 2n
zdekodować pierwszy stan niepo\
ądany i doprowadzić do zresetowania licznika w momencie
pojawienia się tego stanu na wyjściach licznika.
Przykładowo aby uzyskać przedstawiony na rys. 19 licznik modulo 10 (zliczający
w przód od 0 do 9) nale\
y u\
yć 4 przerzutników (trzy przerzutniki nie wystarczą, gdy\

umo\
liwiają realizację licznika zliczającego maksymalnie do 7). Następnie w liczniku
modulo 16 nale\
y zrealizować układ sprzę\
enia zwrotnego, którego zadaniem będzie
wyzerowanie licznika w momencie przejścia ze stanu 9 (1001) do 10 (1010).
Rys. 19. Licznik modulo 10: a) budowa, b) przebiegi czasowe na wyjściach [opracowanie własne]
Na wyjściu bramki NAND pojawia się poziom niski bezpośrednio po pojawieniu się na
wyjściach licznika stanu 10. Prowadzi to do natychmiastowego wyzerowania wszystkich
przerzutników oraz rozpoczęcia zliczania od początku.
W analogiczny sposób mo\
na zbudować liczniki asynchroniczne zliczające w tył, przy
czym łącząc przerzutniki szeregowo, na wejście zegarowe przerzutnika następnego nale\
y
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
29
podawać sygnał z wyjścia Q przerzutnika poprzedniego (jeśli przerzutniki są wyzwalane
zboczem opadającym). Jeśli przerzutniki są wyzwalane zboczem narastającym, to liczniki
dodające uzyskujemy poprzez połączenie Q C, natomiast odejmujące Q C.
Liczniki synchroniczne
Rysunek 20 przedstawia licznik synchroniczny modulo 16 zliczający w przód.
Podstawową cechą tego układu jest taktowanie wszystkich przerzutników tym samym
sygnałem, dzięki czemu podczas przechodzenia licznika z jednego stanu w kolejny zmiany na
wyjściach poszczególnych przerzutników zachodzą jednocześnie. Na wejścia J i K
poszczególnych przerzutników nale\
y podawać takie poziomy logiczne, aby stan na wyjściu
pierwszego przerzutnika zmieniał się na przeciwny po ka\
dym impulsie wejściowym,
natomiast stan na wyjściach kolejnych przerzutników powinien się zmieniać tylko wówczas,
gdy na wyjściach wszystkich poprzednich przerzutników występuje stan wysoki. W związku
z tym wejścia informacyjne pierwszego przerzutnika podłącza się do poziomu wysokiego,
natomiast na wejścia przerzutników kolejnych podaje się sygnał będący iloczynem logicznym
sygnałów wyjściowych wszystkich poprzednich przerzutników.
Rys. 20. Licznik synchroniczny modulo 16 zliczający w przód [opracowanie własne]
Liczniki scalone
W praktyce rzadko buduje się liczniki za pomocą pojedynczych przerzutników i bramek,
lecz wykorzystuje się gotowe liczniki scalone, charakteryzujące się większą uniwersalnością,
polegajÄ…cÄ… na mo\
liwości szybkiej konfiguracji takich parametrów jak pojemność licznika,
czy kierunek zliczania. Przykładowe liczniki scalone to:
- UCY7490  licznik asynchroniczny zawierający dwa odrębne układy (modulo 2
i modulo 5) zliczające w przód, posiadające odrębne wejścia zegarowe i wspólne wejścia
sterujÄ…ce, umo\
liwiające wyzerowanie liczników,
- UCY7492  licznik asynchroniczny, zawierający dwa odrębne układy (modulo 2
i modulo 6), zliczające w przód, posiadające odrębne wejścia zegarowe i wspólne wejścia
sterujÄ…ce,
- UCY74192  licznik synchroniczny, rewersyjny (mo\
liwość zliczania w przód lub w tył),
modulo 10 z mo\
liwością ustawienia dowolnego stanu początkowego,
- UCY74193  licznik ró\
niący się od układu UCY74192 jedynie pojemnością, która
wynosi modulo 16.
Przerzutniki monostabilne
Przerzutniki monostabilne wykorzystywane sÄ… w technice cyfrowej do generacji
pojedynczych impulsów prostokątnych o określonym czasie trwania. Przykładem
przerzutnika monostabilnego jest przedstawiony na rys. 21 układ scalony UCY74121.
W stanie równowagi na wyjściu Q utrzymywany jest poziom niski. Po wyzwoleniu stan
wyjścia zmienia się na wysoki na czas uzale\
niony od wartości elementów zewnętrznych RC
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
30
dołączonych do układu, równy 0,69RC. Po tym czasie stan wyjścia powraca samoczynnie do
poziomu niskiego. Czas trwanie impulsu wyjściowego mo\
na regulować w granicach od
30 ns do 28 s. Wyzwolenie układu polega na doprowadzeniu takich sygnałów do wejść
A1, A2 i B, aby sygnaÅ‚ W okreÅ›lony jako W = B·( A1+ A2 ) zmieniÅ‚ stan z L na H. Mo\
na to
zrealizować w jeden z następujących sposobów:
- podając zbocze opadające na dowolne wejście A, a jednocześnie poziom H na drugie
wejście A oraz wejście B,
- podając zbocze narastające na wejście B, a jednocześnie poziom L na co najmniej jedno
wejście A.
Układ nie reaguje na impulsy wyzwalające pojawiające się w trakcie generacji impulsu
wyjściowego.
Rys. 21. Przerzutnik monostabilny UCY74121: a) symbol graficzny, b) zasada działania [opracowanie własne]
Przerzutniki astabilne
Przerzutniki astabilne wykorzystuje się w układach cyfrowych jako generatory fali
prostokątnej, słu\
ącej np. do taktowania pracy układów sekwencyjnych. Rys. 22 przedstawia
układ astabilny zbudowany na bazie dwóch przerzutników monostabilnych UCY74121. Po
włączeniu zasilania następuje ładowanie kondensatora C ze stałą czasową RC. Gdy napięcie
Uc osiągnie wartość 1,55 V nastąpi wyzwolenie przerzutnika B i na wyjściu pojawi się
poziom wysoki. Po czasie T2 = 0,69·R2·C2 stan logiczny na wyjÅ›ciu zmienia siÄ™ na niski, co
prowadzi do pojawienia się zbocza narastającego na wejściu B przerzutnika A
i w konsekwencji jego wyzwolenia. Po czasie T1 = 0,69·R1·C1 przerzutnik A koÅ„czy
generację impulsu wyjściowego, a to z kolei prowadzi do ponownego wzbudzenie
przerzutnika B. Sygnał prostokątny uzyskiwany na wyjściu charakteryzuje się następującymi
parametrami:
- częstotliwość:
1 1 1
f = = =
T1 + T2 0,69 Å" R1Å" C1+ 0,69 Å" R2 Å" C2 0,69 Å" (R1Å" C1+ R2 Å" C2)
- współczynnik wypełnienia:
T2 0,69 Å" R2 Å" C2 R2 Å" C2
½ = = =
T1+ T2 0,69 Å" R1Å" C1+ 0,69 Å" R2 Å" C2 R1Å" C1+ R2 Å" C2
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
31
Rys. 22. Przerzutnik astabilny: a) schemat ideowy, b) zasada działania [opracowanie własne]
4.3.2. Pytania sprawdzajÄ…ce
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Jaka jest podstawowa funkcja przerzutnika?
2. Jakie znasz rodzaje przerzutników?
3. Jaka jest budowa, zasada działania i zastosowanie przerzutników bistabilnych
asynchronicznych?
4. Jakie są podstawowe rodzaje przerzutników bistabilnych synchronicznych?
5. Jaka jest zasada działanie poszczególnych przerzutników bistabilnych synchronicznych?
6. W jaki sposób mo\
na zastąpić jeden typ przerzutnika innym?
7. Jaka jest podstawowa funkcja rejestrów?
8. Jakie znasz rodzaje rejestrów?
9. Czy potrafisz narysować schematy ideowe poszczególnych rejestrów?
10. Czy potrafisz wyjaśnić zasadę działania poszczególnych rejestrów?
11. JakÄ… funkcjÄ™ realizujÄ… liczniki?
12. Czy potrafisz narysować schematy ideowe poszczególnych liczników?
13. Czy potrafisz wyjaśnić zasadę działania poszczególnych liczników?
14. Jaka jest zasada działania przerzutnika monostabilnego UCY74121?
15. Jaka jest zasada działania przerzutnika astabilnego, zbudowanego z przerzutników
UCY74121?
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
32
4.3.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Narysuj przebieg czasowy na wyjściu przerzutnika JK, jeśli dane są przebiegi czasowe
sygnałów na wejściach przerzutnika. Przebiegi na wyjściu Q narysuj dla przerzutnika JK
wyzwalanego: a) zboczem narastajÄ…cym, b) zboczem opadajÄ…cym. Przyjmij niski stan
początkowy na wyjściu przerzutnika.
Rys. do ćwiczenia 1 [opracowanie własne].
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) przypomnieć sobie tabelę przejść przerzutnika JK,
2) przerysować zadane przebiegi wejściowe na papierze milimetrowym,
3) narysować przebiegi czasowe na wyjściu Q przerzutnika dla poszczególnych sposobów
wyzwalania,
4) opracować wnioski oraz zaprezentować efekty pracy.
Wyposa\
enie stanowiska pracy:
- papier milimetrowy,
- długopis, ołówek, linijka,
- literatura zgodna z punktem 6.
Ćwiczenie 2
Zaprojektuj licznik asynchroniczny modulo 6 zliczający w przód, u\
ywajÄ…c do jego
budowy przerzutników typu D. Zbadaj działanie zaprojektowanego układu. Następnie zmień
kierunek zliczania licznika i zbadaj działanie zaprojektowanego układu.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) zaprojektować licznik asynchroniczny, dodający, modulo 6, u\
ywając przerzutników
typu D oraz bramek dostępnych na stanowisku,
2) zmontować zaprojektowany układ licznika,
3) do wejścia układu doprowadzić z generatora sygnał prostokątny o częstotliwości 1kHz,
4) sygnał z generatora oraz sygnały z wyjść licznika doprowadzić do oscyloskopu poprzez
przystawkę wielokanałową,
5) poprosić nauczyciela o sprawdzenie poprawności połączeń oraz włączenie napięcia,
6) przerysować na papierze milimetrowym obserwowane na oscyloskopie przebiegi,
7) dokonać konfiguracji zaprojektowanego układu, tak aby uzyskać licznik odejmujący,
8) powtórzyć pomiar dla przeciwnego kierunku zliczania,
9) powtórzyć pomiary dla większych częstotliwości sygnału wejściowego,
10) opracować wnioski oraz zaprezentować efekty pracy.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
33
Wyposa\
enie stanowiska pracy:
- papier kancelaryjny formatu A4 oraz papier milimetrowy,
- długopis, ołówek, linijka,
- literatura zgodna z punktem 6,
- zasilacz stabilizowany 5 V,
- generator sygnału prostokątnego,
- oscyloskop,
- wielokanałowa przystawka do oscyloskopu,
- stanowisko laboratoryjne z układami scalonymi zawierającymi przerzutniki D oraz
podstawowe bramki,
- przewody monta\
owe,
- instrukcja do ćwiczenia.
Ćwiczenie 3
Zaprojektuj układ przerzutnika asynchronicznego z wykorzystaniem przerzutników
monostabilnych oraz innych dostępnych na stanowisku elementów, a następnie zbadaj
działanie zaprojektowanego układu, dla ró\
nych częstotliwości sygnału wyjściowego.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) zmontować układ generujący sygnał prostokątny z zastosowaniem układów UCY74121,
2) obliczyć wartości elementów zewnętrznych RC, tak aby otrzymać sygnał o częstotliwości
1kHZ i współczynniku wypełnienia 0,5,
3) dołączyć oscyloskop do wyjścia generatora,
4) poprosić nauczyciela o sprawdzenie poprawności połączeń oraz włączenie napięcia,
5) zaobserwować na oscyloskopie generowany sygnał i porównać jego parametry
z wartościami teoretycznymi,
6) odczytać z oscylogramu wartości czasów narastania i opadania sygnału wyjściowego,
7) pomiary powtórzyć dla ró\
nych częstotliwości generowanego przebiegu,
8) opracować wnioski oraz zaprezentować efekty pracy.
Wyposa\
enie stanowiska pracy:
- papier kancelaryjny formatu A4,
- długopis, ołówek, linijka,
- literatura zgodna z punktem 6,
- zasilacz stabilizowany 5 V,
- dwie dekady rezystancyjne,
- dwie dekady pojemnościowe,
- rezystor 2,2 k&!,
- kondensator 10 µF,
- oscyloskop,
- stanowisko laboratoryjne z dwoma układami scalonymi UCY74121,
- przewody monta\
owe,
- instrukcja do ćwiczenia.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
34
4.3.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak Nie
1) wyjaśnić zastosowanie przerzutników w technice cyfrowej?
Ç Ç
2) wymienić i scharakteryzować poszczególne rodzaje przerzutników?
Ç Ç
3) wyjaśnić zasadę działania przerzutników bipolarnych
asynchronicznych? Ç Ç
4) zapisać tabelę przejść i tabelę wzbudzeń przerzutników D, T, RS i
JK? Ç Ç
5) zastąpić przerzutniki D i T przerzutnikiem JK?
6) narysować schematy ideowe rejestrów ró\
nego typu?
Ç Ç
7) wyjaśnić zasadę działania poszczególnych rejestrów?
Ç Ç
8) narysować schematy ideowe poszczególnych rodzajów liczników?
Ç Ç
9) wyjaśnić zasadę działania poszczególnych liczników?
Ç Ç
10) podać przykład przerzutnika monostabilnego i wyjaśnić zasadę jego
dziaÅ‚ania? Ç Ç
11) podać przykład przerzutnika astabilnego i wyjaśnić zasadę jego
dziaÅ‚ania? Ç Ç
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
35
4.4. Układy arytmetyczne i komutacyjne
4.4.1. Materiał nauczania
Sumator i półsumator
Sumator i półsumator to układy arytmetyczne słu\
Ä…ce do wykonywania operacji
dodawania liczb w systemie binarnym. Rys. 23 przedstawia symbole graficzne obu układów
oraz ich tabele prawdy. Półsumator wykonuje operację dodawania dwóch liczb A i B, której
wynikiem jest bit sumy S oraz bit przeniesienia Co (bardziej znaczÄ…cy bit wyniku). Sumator
do sumy dwóch liczb A i B dodaje jeszcze bit podawany na wejście przeniesienia Ci,
wynikiem tego dodawania podobnie jak dla półsumatora są bity S i Co.
Rys. 23. Symbol graficzny i tabela prawdy: a) półsumatora, b) sumatora [opracowanie własne]
Przykładem sumatora jest układ scalony UCY7483, dodający dwie liczby 4-bitowe
(A = A3, A2, A1, A0 i B = B3, B2, B1, B0). Suma obu liczb pojawia się na wyjściach S3, S2, S1,
S0 oraz na wyjściu przeniesienia C0. Dodatkowo układ wyposa\
ony jest w wejście
przeniesienia Ci, umo\
liwiające łączenie ze sobą kilku układów w celu realizacji dodawania
liczb większych ni\
4-bitowe (Rys. 24). W sumatorze pracujÄ…cym samodzielnie lub
w sumatorze sumującym bity najmniej znaczące wejście Ci powinno być podłączone do
poziomu L. Działanie sumatora 7483 mo\
na zapisać w następujący sposób:
A3 A2 A1 A0
B3 B2 B1 B0
+ Ci
C0 S3 S2 S1 S0
Sumator bitów bardziej Sumator bitów mniej
znaczÄ…cych znaczÄ…cych
A7 A6 A5 A4 B7 B6 B5 B4 A3 A2 A1 A0 B3 B2 B1 B0
Co Ci Co Ci
UCY7483 UCY7483
S7 S6 S5 S4 S3 S2 S1 S0
Najmniej znaczÄ…cy
Najbardziej znaczÄ…cy
bit sumy
bit sumy
Rys. 24. Realizacja sumatora 8-bitowego za pomocą układów UCY7483 [opracowanie własne]
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
36
Komparator
Komparator jest układem słu\
ącym do porównywania wartości dwóch liczb binarnych.
Przykładem komparatora jest układ scalony UCY7485, umo\
liwiający porównywanie dwóch
liczb 4-bitowych. Układ ten ma 3 wyjścia (A = B, A > B, A < B), na których pojawia się
wynik porównania w postaci jedynki logicznej na jednym z wyjść, w zale\
ności od tego, jaka
jest relacja pomiędzy porównywanymi liczbami. Dodatkowo układ ma 3 wejścia (oznaczone
równie\
A = B, A > B, A < B), umo\
liwiające połączenie kilku układów UCY7485 w celu
porównywania liczb większych ni\
4-bitowe (Rys. 25). W komparatorze pracujÄ…cym
samodzielnie lub w komparatorze porównującym bity najmniej znaczące wejście A = B
powinno być podłączone do poziomu H, a pozostałe do poziomu L. Je\
eli poziom H podamy
na wejście A < B, to bez względu na wartości liczb A i B poziom H pojawi się na wyjściu
A < B. Analogicznie po podaniu poziomu H na wejście A > B, poziom H pojawi się na
wyjściu A > B, bez względu na wartości liczb A i B.
Rys. 25. Realizacja komparatora 8-bitowego za pomocą układów UCY7485 [opracowanie własne]
Jednostka arytmetyczno-logiczna
Jednostka arytmetyczno-logiczna ALU jest uniwersalnym układem, słu\
Ä…cym do
wykonywania wielu ró\
nych operacji arytmetycznych i logicznych na liczbach binarnych.
Przykładem jednostki arytmetyczno-logicznej jest układ UCY74181, wykonujący operacje na
liczbach 4-bitowych (Rys. 26). Wyboru wykonywanej operacji dokonuje siÄ™ poprzez podanie
odpowiedniej kombinacji sygnałów na wejścia sterujące (M, S3, S2, S1, S0). Układ mo\
e
wykonywać jedną z 16 operacji logicznych (gdy M = 1) lub jedną z 16 operacji
arytmetycznych (gdy M = 0). Wyjścia dodatkowe P i G wykorzystuje się w przypadku, gdy
jednostka arytmetyczno-logiczna współpracuje z układem generatora przeniesień
jednostkowych UCY74182. Zastosowanie generatora przeniesień jednostkowych przyspiesza
działanie kilku jednostek arytmetyczno-logicznych, połączonych szeregowo w celu
wykonywania operacji na liczbach większych ni\
4-bitowe.
Rys. 26. Wyprowadzenia jednostki arytmetyczno-logicznej UCY74181 [opracowanie własne]
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
37
Multiplekser
Multiplekser, zwany te\
selektorem danych, słu\
y do wyboru jednego z kilku sygnałów
wejściowych i przekazania go na wyjście układu. Wyboru wejścia, z którego sygnał ma być
przekazywany na wyjście dokonuje się poprzez podanie odpowiedniej kombinacji sygnałów
(tzw. adresu) na wejścia adresowe. Liczba wejść adresowych zale\
y od liczby wejść danych
w następujący sposób:
n = log2 N lub N = 2n
gdzie: n  liczba wejść adresowych,
N  liczba wejść danych.
Przykładowym multiplekserem jest układ UCY74151 (Rys. 27), posiadający 8 wejść
danych, czyli 3 wejścia adresowe. Dodatkowo układ posiada wejście zezwalające E. Jeśli na
wejście to podamy poziom L, to układ pracuje jako multiplekser, natomiast po podaniu na
wejście E poziomu H, na wyjściu Q ustala się poziom L i układ nie reaguje na sygnały
podawane na wejścia danych i adresowe. Wejście E mo\
na wykorzystać do łączenia kilku
układów UCY74151 w celu realizacji multipleksera o liczbie wejść większej ni\
8.
Rys. 27. Multiplekser UCY74151: a) symbol graficzny, b) tablica prawdy [opracowanie własne]
Demultiplekser
Demultiplekser to układ umo\
liwiający doprowadzenie sygnału z wejścia do jednego
z kilku wyjść. Pozostałe wyjścia utrzymywane są wówczas w jednym ze stanów (H lub L),
w zale\
ności od konkretnego typu układu. Wyboru wyjścia, na które ma być przekazywany
sygnał dokonuje się poprzez podanie odpowiedniego adresu na wejścia adresowe. Liczba
wyjść demultipleksera wynosi 2n, gdzie n to liczba wejść adresowych. Układem scalonym,
który mo\
e być wykorzystany jako 8-wyjściowy demultiplekser jest układ UCY74138
(Rys. 28). Układ ten jest dekoderem, który przekazuje na zaadresowane wyjście poziom L,
a na pozostałe poziom H, pod warunkiem, \
e wejścia sterujące S0 i S1 dołączone są do
poziomu L, a wejście S2 do poziomu H. Je\
eli którekolwiek z wejść sterujących podłączymy
inaczej, to poziom H ustali się na wszystkich wyjściach. Je\
eli chcemy wykorzystywać układ
jako demultiplekser, to wejściem, z którego sygnał będzie przekazywany na zaadresowane
wyjście mo\
e być S0 lub S1.
Demultiplekser w połączeniu z multiplekserem mo\
e być wykorzystany do szeregowej
transmisji danych cyfrowych. Dzięki zastosowaniu tych układów mo\
liwe jest przesyłanie
wielobitowych słów jedną linią transmisyjną. Multiplekser wykorzystywany jest do zamiany
informacji z postaci równoległej na szeregową po stronie nadawczej, a demultiplekser pełni
funkcję odwrotną po stronie odbiorczej. Warunkiem poprawności działania takiego systemu
jest doprowadzanie w ka\
dej chwili takiego samego adresu do obu układów.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
38
Rys. 28. Układ UCY74138: a) zastosowanie w funkcji demultipleksera, b) tabela prawdy układu
[opracowanie własne]
Konwertery kodów
Konwertery kodów to układy cyfrowe przeznaczone do zamiany sposobu zapisu
informacji cyfrowej. Układy te dzielimy na następujące grupy:
- kodery  realizujÄ… zamianÄ™ zapisu informacji z kodu 1zN na inny, dowolny kod binarny,
- dekodery  realizujÄ… zamianÄ™ zapisu informacji z dowolnego kodu binarnego na kod 1zN,
- transkodery  realizujÄ… zamianÄ™ zapisu informacji z jednego kodu w drugi, przy czym
\
aden z tych kodów nie jest kodem 1zN.
Przykładem kodera jest układ scalony UCY74148 (Rys. 29), dla którego kodem
wejściowym jest kod 1z8, natomiast kodem wyjściowym naturalny kod binarny NKB, przy
czym wszystkie wyjścia są zanegowane (kod NKB przedstawiony w logice ujemnej). Na
wyjściach układu pojawia się numer wyró\
nionego wejścia, czyli wejścia na które podano
poziom L. Je\
eli poziom L zostanie podany na kilka wejść, to na wyjściach pojawi się
najwy\
szy numer spośród wyró\
nionych wejść. Inaczej mówiąc wejścia o wy\
szych
numerach mają większy priorytet, a koder taki nazywamy koderem priorytetowym. Układ
wyposa\
ony jest dodatkowo w wejście Ei oraz wyjścia Eo i GS, które umo\
liwiajÄ… Å‚Ä…czenie
kilku układów, aby otrzymać koder o większej liczbie wejść.
Rys. 29. Koder UCY74148: a) symbol graficzny, b) tabela prawdy [opracowanie własne]
Przykładem dekodera jest stosowany równie\
jako demultiplekser układ UCY74138
(Rys. 28), dla którego kodem wejściowym jest kod NKB, natomiast kodem wyjściowym kod
1z8 (na jednym z wyjść pojawia się 0 logiczne, a na pozostałych 1).
Najczęściej stosowanym transkoderem jest układ UCY7447 (Rys. 30) zamieniający kod
BCD na kod wyświetlacza 7-segmentowego. Układ ten przeznaczony jest do sterowania
wyświetlacza ze wspólną anodą. Je\
eli do wejść układu zostanie doprowadzona kombinacja
bitów odpowiadająca liczbom z zakresu 10-15, to na wyświetlaczu pojawi się symbol nie
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
39
odpowiadajÄ…cy \
adnej cyfrze dziesiętnej. Pomiędzy wyjście układu a sterowany segment
wskaz
nika nale\
y włączyć rezystor ograniczający prąd świecenia. Oprócz wejść i wyjść
danych układ ma następujące wyprowadzenia:
- wejście LT  pozwala wykonać test świecenie wszystkich segmentów po podaniu na nie
poziomu L. W czasie normalnej pracy transkodera na wejście to nale\
y podawać poziom
H,
- wejście RBI  słu\
y do wygaszenia wskaz
nika, jeśli ten wskazuje zero. Wykorzystywane
jest to do wygaszania nieznaczących zer w sytuacji gdy współpracuje ze sobą kilka
transkoderów sterujących kilkoma wskaz
nikami 7-segmentowymi. Transkoder wygasi
współpracujący z nim wskaz
nik, jeśli na wejściu RBI panuje poziom L oraz na wejścia
danych podawana jest wartość odpowiadająca cyfrze zero,
- końcówka BI/RBO  mo\
e pełnić funkcję wejścia lub wyjścia. Je\
eli końcówkę tą
wykorzystujemy jako wyjście, to pojawi się na niej poziom L, je\
eli zadziałał układ
wygaszania nieznaczÄ…cego zera. Je\
eli na końcówkę BI/RBO zostanie podany z zewnątrz
poziom L, to będzie to skutkowało natychmiastowym wygaszeniem wskaz
nika. Mo\
na
równie\
doprowadzić do tej końcówki sygnał prostokątny i regulując jego współczynnik
wypełnienia wpływać na jasność świecenia wskaz
nika.
Rys. 30. Transkoder UCY7447: a) symbol graficzny, b) oznaczenie segmentów, c) tablica prawdy
[opracowanie własne]
Wyświetlacze cyfrowe
Wyświetlacze cyfrowe to podzespoły, których zadaniem jest wizualizacja informacji
w postaci cyfr, liter oraz innych znaków. W praktyce największe zastosowanie mają
wyświetlacze diodowe LED oraz ciekłokrystaliczne LCD.
Rys. 31. Wyświetlacze LED: a) struktura wyświetlacza 7-segmentowego i mozaikowego, b) schemat
elektryczny wyświetlacza ze wspólną katodą i ze wspólną anodą [opracowanie własne]
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
40
Wyświetlacze diodowe (Rys. 31) to określona liczba diod elektroluminescencyjnych
LED, umieszczonych w jednej obudowie. Najczęściej spotykane wyświetlacze diodowe to
wskaz
niki 7-segmentowe lub mozaikowe (35 diod umieszczonych w 7 rzędach po 5 diod).
Produkowane są wyświetlacze diodowe ze wspólną anodą (anody wszystkich diod są
połączone, natomiast katody mają wyprowadzenia oddzielne) lub ze wspólną katodą (wspólne
wyprowadzenie katod oraz oddzielne anod).
Zasada działanie wyświetlaczy LCD bazuje na specyficznych właściwościach materiałów
będących tzw. ciekłymi kryształami. Materiały te odbijają lub nie odbijają światła
zewnętrznego w zale\
ności od obecności lub braku zewnętrznego napięcia polaryzującego.
Wynika z tego, \
e informacja wyświetlana na wskaz
nikach LCD jest niewidoczna
w ciemności, a przy oświetleniu zewnętrznym wyświetlane znaki mają barwę czarną.
W porównaniu z wyświetlaczami diodowymi wyświetlacze LCD wymagają bardziej
skomplikowanych układów sterowania (zasilanie napięciem przemiennym), charakteryzują
się mniejszą trwałością i odpornością na uszkodzenia mechaniczne, jak równie\
większą
bezwładnością. Podstawowa zaleta wyświetlaczy LCD to bardzo mały pobór prądu ze z
ródła
zasilania.
4.4.2. Pytania sprawdzajÄ…ce
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Jaką funkcję realizują sumator i półsumator w technice cyfrowej?
2. Jaki znasz przykładowy układ scalony będący sumatorem i jaka jest zasada jego
działania?
3. JakÄ… funkcjÄ™ realizuje komparator w technice cyfrowej?
4. Jaki znasz przykładowy układ scalony będący komprartorem i jaka jest zasada jego
działania?
5. Co to jest jednostka arytmetyczno-logiczna?
6. Jaka jest zasada działania multipleksera?
7. Jaki przykładowy układ scalony jest multiplekserem?
8. Jaka jest zasada działania demultipleksera?
9. Jaki przykładowy układ scalony mo\
e pełnić funkcję demultipleksera?
10. Jakie zastosowanie praktyczne mogą mieć multiplekser i demultiplekser?
11. Jaka jest ró\
nica pomiędzy koderem, dekoderem, a transkoderem?
12. Co to jest koder priorytetowy?
13. Jaka jest zasada działania przykładowego kodera scalonego?
14. Jaka jest zasada działania przykładowego dekodera scalonego?
15. Jaka jest zasada działania przykładowego transkodera scalonego?
16. Jakie znasz rodzaje wyświetlaczy cyfrowych i czym się one charakteryzują?
4.4.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Zbadaj działanie układów scalonych UCY7483, pracujących jako sumator liczb
8-bitowych. Sprawdz
działanie sumatora jako układu odejmującego (dodającego liczby
zapisane w kodzie U2).
Sposób wykonania ćwiczenia:
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) połączyć dwa układy scalone UCY7483, tak aby uzyskać sumator liczb 8-bitowych,
2) dołączyć do poszczególnych wyjść sumatora testery stanów logicznych,
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
41
3) poprosić nauczyciela o sprawdzenie poprawności połączeń oraz włączenie napięcia,
4) zbadać poprawność realizacji dodawania dla kilku ró\
nych liczb podawanych na wejścia
sumatora,
5) zbadać poprawność realizacji odejmowania dla kilku ró\
nych liczb w kodzie U2
podawanych na wejście układu,
6) opracować wnioski oraz zaprezentować efekty pracy.
Wyposa\
enie stanowiska pracy:
- papier kancelaryjny formatu A4,
- długopis, ołówek, linijka,
- literatura zgodna z punktem 6,
- zasilacz stabilizowany 5 V,
- 9-bitowy tester stanów logicznych,
- stanowisko laboratoryjne z dwoma układami scalonymi UCY7483,
- przewody monta\
owe,
- instrukcja do ćwiczenia.
Ćwiczenie 2
Zbadaj działanie komparatorów scalonych UCY7485, pracujących jako komparator liczb
8-bitowych.
Sposób wykonania ćwiczenia:
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) połączyć dwa układy scalone UCY7485, tak aby uzyskać komparator liczb 8-bitowych,
2) dołączyć do poszczególnych wyjść komparatora testery stanów logicznych,
3) poprosić nauczyciela o sprawdzenie poprawności połączeń oraz włączenie napięcia,
4) zbadać poprawność działania układu dla kilku ró\
nych liczb podawanych na wejścia
komparatora,
5) opracować wnioski oraz zaprezentować efekty pracy.
Wyposa\
enie stanowiska pracy:
- papier kancelaryjny formatu A4,
- długopis, ołówek, linijka,
- literatura zgodna z punktem 6,
- zasilacz stabilizowany 5 V,
- 3-bitowy tester stanów logicznych,
- stanowisko laboratoryjne z dwoma układami scalonymi UCY7485,
- przewody monta\
owe,
- instrukcja do ćwiczenia.
Ćwiczenie 3
Zbadaj działanie multipleksera i demultipleksera jako układów realizujących szeregową
transmisjÄ™ danych.
Sposób wykonania ćwiczenia:
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) połączyć układy scalone UCY74151 i UCY74138, tak aby mo\
liwa była realizacja
szeregowej transmisji danych (z wyjścia multipleksera doprowadz
sygnał do wejścia
demultipleksera oraz połącz wejścia adresowe obu układów A0 z A0, A1 z A1, A2 z A2),
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
42
2) dołączyć do poszczególnych wyjść demultipleksera testery stanów logicznych,
3) poprosić nauczyciela o sprawdzenie poprawności połączeń oraz włączenie napięcia,
4) zbadać poprawność działania układu dla kilku ró\
nych słów 8-bitowych podawanych na
wejścia multipleksera,
5) opracować wnioski oraz zaprezentować efekty pracy.
Wyposa\
enie stanowiska pracy:
- papier kancelaryjny formatu A4,
- długopis, ołówek, linijka,
- literatura zgodna z punktem 6,
- zasilacz stabilizowany 5 V,
- 8-bitowy tester stanów logicznych,
- stanowisko laboratoryjne z układami scalonymi UCY74151 i UCY74138,
- przewody monta\
owe,
- instrukcja do ćwiczenia.
Ćwiczenie 4
Zbadaj działanie transkoderów UCY7447, sterujących trzema wskaz
nikami
7-segmentowymi. Sprawdz
działanie takich funkcji transkodera jak regulacja jasności
świecenia wyświetlacza, testowanie segmentów wyświetlacza oraz wygaszanie nieznaczących
zer.
Sposób wykonania ćwiczenia:
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) połączyć układy scalone UCY7447 z wskaz
nikami 7-segmentowymi, tak aby uzyskać
wyświetlacz 3-cyfrowy, z wyłączoną funkcją wygaszania nieznaczących zer,
2) poprosić nauczyciela o sprawdzenie poprawności połączeń oraz włączenie napięcia,
3) zbadać poprawność działania układu dla kilku ró\
nych wyświetlanych liczb,
4) zbadać działanie funkcji testującej wszystkie segmenty poszczególnych wskaz
ników,
5) zbadać działanie funkcji regulacji jasności świecenia poszczególnych wskaz
ników,
korzystając z generatora sygnału prostokątnego,
6) przerobić zmontowany układ, tak aby włączona była funkcja wygaszania nieznaczących
zer,
7) zbadać działanie układu dla kilku ró\
nych wyświetlanych liczb,
8) opracować wnioski oraz zaprezentować efekty pracy.
Wyposa\
enie stanowiska pracy:
- papier kancelaryjny formatu A4,
- długopis, ołówek, linijka,
- literatura zgodna z punktem 6,
- zasilacz stabilizowany 5 V,
- generator sygnału prostokątnego o regulowanej amplitudzie, częstotliwości
i współczynniku wypełnienia,
- stanowisko laboratoryjne zawierajÄ…ce trzy wskaz
niki 7-segnentowe ze wspólną anodą, 21
rezystorów 180&! oraz trzy układy scalone UCY7447,
- przewody monta\
owe,
- instrukcja do ćwiczenia.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
43
4.4.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak Nie
1) zastosować sumator do realizacji dodawania liczb binarnych?
Ç Ç
2) omówić zasadę działania układu UCY7483?
Ç Ç
3) zastosować komparatorów do porównywania liczb binarnych?
Ç Ç
4) omówić zasadę działania układu UCY7488?
Ç Ç
5) wyjaśnić zasadę działanie multipleksera?
Ç Ç
6) omówić zasadę działania układu UCY74151?
Ç Ç
7) wyjaśnić zasadę działania demultipleksera?
Ç Ç
8) przeprowadzić transmisję danych za pomocą multipleksera i
demultipleksera? Ç Ç
9) wyjaśnić funkcję realizowaną przez koder, dekoder i transkoder?
Ç Ç
10) omówić zasadę działania układu UCY74148?
Ç Ç
11) omówić zasadę działania układu UCY74138?
Ç Ç
12) omówić zasadę działania układu UCY7447?
Ç Ç
13) zaprojektować układ elektroniczny sterujący wyświetlaczem
cyfrowym? Ç Ç
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
44
4.5. Układy mikroprocesorowe
4.5.1. Materiał nauczania
Pamięci półprzewodnikowe
Pamięci są układami słu\
ącymi do przechowywania informacji w postaci słów binarnych.
Podstawowym parametrem pamięci jest jej pojemność, czyli ilość informacji, jaka mo\
e być
przechowywana w pamięci. Jednostką pojemności pamięci jest bit [b] lub bajt [B] (1 bajt to
8 bitów, 1B = 8b), oraz wielokrotności tych jednostek (np. kilobajty kB, megabajty MB itd.),
przy czym 1kB = 1024B, 1MB = 1024kB = 1024·1024B itd.
Istotną cechą pamięci jest jej organizacja, rozumiana jako sposób przechowywania
informacji w pamięci. Informacja ta przechowywana jest w postaci słów o określonej
długości. Przykładowo pamięć o pojemności 1KB mo\
e zawierać 1024 słów o długości 1B
lub 512 słów o długości 2B itd.
Od pojemności pamięci oraz jej organizacji zale\
y liczba wejść adresowych oraz liczba
wejść danych. Wejścia danych słu\
ą do przesyłania z i do pamięci zawartości poszczególnych
komórek i ich liczba jest równa liczbie bitów w słowie. Wejścia adresowe słu\
Ä… do
adresowania pamięci, czyli umo\
liwiają jednoznaczne określenie komórki, której zawartość
chcemy przesłać liniami danych. Liczba wejść adresowych wynosi log2 N, gdzie N  to liczba
słów pamięci. Moduły pamięci wyposa\
one są w linie danych 3-stanowe, dzięki czemu
mo\
liwe jest dołączenie kilku układów do wspólnej magistrali.
Oprócz wejść danych i adresowych ka\
da pamięć posiada szereg wejść sterujących, które
słu\
ą między innymi do uaktywnienia pamięci (przełączenia linii danych ze stanu wysokiej
impedancji) lub określenia rodzaju wykonywanej operacji (odczyt lub zapis informacji).
Podstawowymi parametrami dynamicznymi pamięci są czas dostępu td oraz czas cyklu tc.
Czas dostępu jest określany jako czas liczony od momentu zaadresowania pamięci do
momentu pojawienia się na liniach danych zawartości zaadresowanej komórki. Czas cyklu to
minimalny odstęp czasu między dwoma kolejnymi operacjami zapisu lub odczytu. Czasy te
określają szybkość działania pamięci i wymaga się, aby były one jak najkrótsze.
Pamięci RAM
Pamięć typu RAM jest nazywana pamięcią o dostępie swobodnym. Podstawowe cechy
tej pamięci to mo\
liwość wykonywania zarówno operacji odczytu, jak i zapisu informacji
oraz utrata zawartości (wykasowanie) w momencie wyłączenia zasilania. Pamięci RAM
mo\
na podzielić na statyczne SRAM i dynamiczne DRAM.
W pamięci SRAM elementem pamiętającym jest przerzutnik bistabilny, natomiast
w pamięci DRAM funkcję tą pełni kondensator (utworzony przez podło\
e i dren tranzystora
MOS). Kondensator ten po naładowaniu ulega samoczynnemu rozładowaniu, co prowadzi do
utraty zawartości pamięci. Aby tego uniknąć pamięci dynamiczne wymagają odświe\
ania
zawartości, polegającego na okresowym odczytywaniu i ponownym zapisywaniu zawartości
poszczególnych komórek. Pamięci statyczne nie wymagają takiego odświe\
ania, ich obsługa
jest więc prostsza, ponadto pamięci statyczne charakteryzują się większą szybkością działania
ni\
pamięci dynamiczne. Ze względu jednak na to, \
e pamięci statyczne są znacznie dro\
sze
od dynamicznych, w systemach wymagających pamięci o du\
ych pojemnościach stosuje się
głównie pamięci DRAM.
Pamięci ROM
Pamięć ROM jest nazywana pamięcią stałą. Zawartość tej pamięci (po zaprogramowaniu)
nie mo\
e być zmieniana podczas normalnej eksploatacji (pamięć tylko do odczytu), ponadto
nie jest konieczne podtrzymywanie zasilania pamięci w celu uniknięcia wykasowania
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
45
zawartości. Pod względem sposobu programowania pamięci ROM mo\
na podzielić na
następujące rodzaje:
- Mask ROM  pamięci programowane przez producenta podczas procesu produkcji,
- PROM  pamięci programowane przez u\
ytkownika za pomocÄ… odpowiedniego
programatora, bez mo\
liwości póz
niejszej zmiany raz zapisanej zawartości,
- EPROM  pamięci programowane przez u\
ytkownika za pomocÄ… odpowiedniego
programatora, z mo\
liwością póz
niejszej zmiany zapisanej zawartości. Kasowanie
zawartości pamięci odbywa się poprzez naświetlanie promieniami X lub UV,
- EEPROM  pamięci programowane przez u\
ytkownika za pomocÄ… odpowiedniego
programatora, z mo\
liwością póz
niejszej zmiany zapisanej zawartości. W odró\
nieniu od
pamięci EPROM kasowanie zawartości odbywa się metodą elektryczną, czyli polega na
podaniu odpowiedniego napięcia na odpowiednią końcówkę pamięci.
A
ączenie modułów pamięci
Moduły pamięci mo\
na ze sobą łączyć w celu uzyskania bloku pamięci o większej
pojemności. Zwiększenie pojemności pamięci mo\
e polegać na:
- zwiększeniu długości pojedynczego słowa przy pozostawieniu niezmienionej ilości słów
(Rys. 32 a),
- zwiększeniu ilości słów przy pozostawieniu niezmienionej długości słowa (Rys. 32 b).
Linie danych
a)
D0 D1 D7 D0 D1 D7
1KB (1024x1B) 1KB (1024x1B)
E WR RD A0...A9 E WR RD A0...A9
Uaktywnienie pamięci
Uaktywnienie zapisu
Uaktywnienie odczytu
Linie adresowe
b)
Linie danych
D0...D7 D0...D7
1KB (1024x1B) 1KB (1024x1B)
E WR RD A0...A9 E WR RD A0...A9
Uaktywnienie zapisu
Uaktywnienie odczytu
Linie adresowe
Dekoder
Rys. 32. A
ączenie pamięci o pojemności 1kB: a) zwiększenie długości słowa, b) zwiększenie ilości słów
[opracowanie własne]
W pierwszym przypadku wystarczy połączyć ze sobą odpowiednie wejścia adresowe
i sterujące poszczególnych układów, natomiast, aby zwiększyć ilość słów pamięci nale\
y
zastosować rozwiązanie, które doprowadzi do zwiększenia liczby wejść adresowych. Sygnały
logiczne podawane na dodatkowe wejścia adresowe doprowadzane są poprzez odpowiedni
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
46
układ kombinacyjny (dekoder) do wejść uaktywniających pamięci w taki sposób, aby włączyć
tylko jeden z modułów pamięci, a wyłączyć pozostałe.
Programowalne układy logiczne
Programowalne moduły logiczne PLD to układy o standardowej strukturze, które mo\
na
dostosować do indywidualnych potrzeb u\
ytkownika poprzez zaprogramowanie. Układy takie
zawierajÄ… matrycÄ™ bramek NOT, AND oraz OR z mo\
liwością programowania połączeń
pomiędzy poszczególnymi bramkami (Rys. 33). Struktura taka pozwala zrealizować dowolną
funkcję kombinacyjną zapisaną w postaci kanonicznej sumy. Dodatkowo układy PLD mogą
być wyposa\
one w przerzutniki, dzięki czemu mo\
liwa jest realizacja za ich pomocÄ… tak\
e
układów sekwencyjnych. Programowanie układów PLD odbywa się podobnie jak
programowanie pamięci, EPROM lub EEPROM za pomocą odpowiednich programatorów
współpracujących z komputerem PC. Kasowanie zaprogramowanego modułu mo\
e odbywać
się poprzez naświetlanie promieniami UV lub elektrycznie.
Rys. 33. Struktura układu PLD [opracowanie własne]
System mikroprocesorowy
System mikroprocesorowy to urzÄ…dzenie elektroniczne, przeznaczone do przetwarzania
danych zapisanych w postaci słów binarnych, którego głównym elementem,
odpowiedzialnym za realizację określonego zadania jest mikroprocesor. Oprócz
mikroprocesora w skład systemu wchodzą pamięci oraz układy wejścia wyjścia I/O (Rys. 34).
Rys. 34. Budowa systemu mikroprocesorowego [opracowanie własne]
Mikroprocesor to układ cyfrowy składający się z jednostki arytmetyczno-logicznej,
układu sterowania oraz zespołu niezbędnych rejestrów. Działanie mikroprocesora polega na
wykonywaniu kolejnych rozkazów programu. Program wykonywany przez mikroprocesor
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
47
Połączenia programowalne
Połączenia programowalne
zapisany jest w pamięci ROM nazywanej pamięcią programu. Ponadto system
mikroprocesorowy wyposa\
ony jest w pamięć RAM, nazywaną pamięcią operacyjną,
w której przechowywane są dane niezbędne do wykonania poszczególnych rozkazów oraz
wyniki wykonania tych rozkazów. Ze względu na to, \
e pamięć RAM jest pamięcią ulotną,
przechowywane w niej wyniki powinny zostać przed wyłączeniem zasilania zapisane
w pamięci innego rodzaju (np. na dysku twardym dołączonym do systemu poprzez układy
we/wy).
W bardziej rozbudowanych systemach, np. w komputerze PC w pamięci ROM zapisane
są tylko programy obsługujące układy we/wy BIOS oraz programy testowe wykonywane po
włączeniu zasilania POST. Pozostałe oprogramowanie jest zapisane na dysku twardym,
a w momencie uruchamiania któregoś z programów jest on przepisywany do pamięci
operacyjnej. Następnie mikroprocesor wykonuje uruchomiony program, pobierając jego
kolejne rozkazy z pamięci RAM.
Układy wejścia/wyjścia I/O to urządzenia umo\
liwiajÄ…ce komunikacjÄ™ systemu
mikroprocesorowego z u\
ytkownikiem. Są to ró\
nego rodzaju porty szeregowe lub
równoległe, umo\
liwiające dołączenie do systemu urządzeń zewnętrznych, odpowiedzialnych
za przesyłanie danych do systemu lub odbiór wyników operacji wykonywanych przez
mikroprocesor. Urządzenia peryferyjne dołączane do systemu to między innymi klawiatury,
wyświetlacze, monitory, drukarki, pamięci masowe itp.
Wszystkie elementy systemu mikroprocesorowego współpracują ze sobą za
pośrednictwem magistrali. Magistrala jest to wiązka przewodów, którymi przesyłane są dane
(zawartości komórek pamięci oraz informacja odbierana lub wysyłane do urządzeń
zewnętrznych), adresy (komórek pamięci i urządzeń peryferyjnych) oraz sygnały sterujące
(uaktywniające określone urządzenia i definiujące rodzaj wykonywanej operacji). W danej
chwili za pośrednictwem magistrali mogą komunikować się tylko dwa urządzenia, a pozostałe
powinny być od niej odłączone, co realizuje się poprzez zastosowanie układów z wyjściami
trójstanowymi.
Podstawową zaletą systemu mikroprocesorowego jest jego uniwersalność, czyli
mo\
liwość wykonywania zadań ró\
nego rodzaju przez ten sam zespół urządzeń. Zmiana
zadania wykonywanego przez system wymaga jedynie zmiany programu zapisanego
w pamięci oraz ewentualnie wymiany urządzeń zewnętrznych współpracujących z systemem.
Współpraca mikroprocesora z układami analogowymi  przetworniki A/C i C/A
Współpraca systemu mikroprocesorowego lub innego układu cyfrowego z analogowym
układem elektronicznym jest mo\
liwa po zastosowaniu przetwornika analogowo-cyfrowego
A/C lub cyfrowo-analogowego C/A.
Przetwornik C/A to układ przetwarzający sygnał cyfrowy (słowo binarne) na
odpowiadający mu sygnał analogowy (napięcie). Wartość napięcia, odpowiadającą
określonemu słowu binarnemu mo\
na zapisać w sposób następujący:
a1 a a
öÅ‚
2 n
Uwy = Ä…Uodn ëÅ‚ + + ... +
ìÅ‚ ÷Å‚
21 22 2n Å‚Å‚
íÅ‚
gdzie: Uodn  napięcie odniesienia,
a1& an  bity przetwarzanego słowa cyfrowego (a1  MSB, an  LSB).
Przykładowy 3-bitowy przetwornik C/A został przedstawiony na rys. 35. Układ ten
zbudowany jest z trzech wzmacniaczy operacyjnych pracujących jako wtórniki (W1, W2,
W3), których napięcia wyjściowe, równe odpowiednio 1/2,1/4 i 1/8 napięcia odniesienia, są
sumowane przez wzmacniacz W4. Przełączniki P1, P2 i P3 to klucze elektroniczne sterowane
poszczególnymi bitami przetwarzanego słowa. Bitowi o wartości 1 odpowiada poło\
enie  a
danego klucza, natomiast bitowi o wartości 0 poło\
enie  b .
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
48
Rys. 35. Przetwornik C/A zbudowany z wtórników [opracowanie własne]
Przetwornik A/C przetwarza sygnał analogowy na odpowiadający mu sygnał cyfrowy
w postaci słowa binarnego. Przetwarzanie nieskończonego zbioru wartości napięcia sygnału
analogowego na skończoną liczbę słów binarnych jest obarczone tzw. błędem kwantyzacji.
Błąd ten jest tym mniejszy im więcej bitów przeznacza się na zapis przetworzonej wartości
analogowej, czyli im wÄ™\
sze są przedziały kwantyzacji (większa rozdzielczość
przetwarzania). Przedział kwantyzacji to zakres napięć sygnału analogowego, którym
przyporządkowane zostanie takie samo słowo binarne. Błąd kwantyzacji przetwornika A/C
wynosi:
1
´k = "U
2
gdzie "U to szerokość przedziału kwantyzacji równa:
UMAX
"U =
2n
gdzie: UMAX  maksymalna wartość przetwarzanego napięcia analogowego (zakres),
n  ilość bitów słowa cyfrowego na wyjściu przetwornika.
Rys. 36 przedstawia przykładowy 3-bitowy przetwornik A/C. Wejściowe napięcie
analogowe jest porównywane z kolejnymi napięciami wzorcowymi o wartościach równych
1/8, 2/8,& ,7/8 napięcia odniesienia, odpowiednio dla komparatorów K1, K2,& ,K7. Na
wyjściu danego komparatora pojawia się napięcie odpowiadające poziomowi logicznemu 0,
gdy napięcie wejściowe jest mniejsze od napięcia wzorcowego oraz napięcie odpowiadające
poziomowi 1, gdy napięcie wejściowe jest większe od napięcia wzorcowego. Uzyskane na
wyjściach poszczególnych komparatorów słowo binarne jest więc słowem kodu
pseudopierścieniowego, które nale\
y podać na wejścia kodera priorytetowego w celu
uzyskania słowa w naturalnym kodzie binarnym.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
49
Uodn/2
Uodn/4
Uodn/8
Rys. 36. Przetwornik A/C [opracowanie własne]
4.5.2. Pytania sprawdzajÄ…ce
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Jakich jednostek oraz ich wielokrotności u\
ywa się do określania pojemności pamięci
półprzewodnikowych?
2. W jaki sposób pojemność i organizacja pamięci wpływa na ilość wejść adresowych oraz
wejść/wyjść danych?
3. Jakie są podstawowe cechy pamięci RAM?
4. Jakie znasz rodzaje pamięci RAM i czym się ró\
niÄ…?
5. Jakie są podstawowe cechy pamięci ROM?
6. Jakie znasz rodzaje pamięci ROM i czym się one ró\
niÄ…?
7. Jakie są zasady łączenia modułów pamięci?
8. Co to są układy PLD?
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
50
Sygnał cyfrowy
Koder priorytetowy
9. Jakie elementy wchodzą w skład systemu mikroprocesorowego?
10. Jaka jest zasada działania systemu mikroprocesorowego?
11. JakÄ… funkcjÄ™ realizujÄ… przetworniki A/C i C/A?
12. Co to jest błąd kwantyzacji przetwornika A/C i od czego zale\
y jego wielkość?
13. Jaka jest zasada działania przykładowego przetwornika A/C?
14. Jaka jest zasada działania przykładowego przetwornika C/A?
4.5.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Dokonaj pomiaru czasu dostępu do pamięci półprzewodnikowej typu SRAM
o pojemności 2 kB (6116). Pomiar wykonaj adresując naprzemiennie dwie komórki,
w których zapisane zostały wcześniej ró\
ne dane oraz odczytując z oscyloskopu opóz
nienie
pomiędzy zaadresowaniem pamięci, a uzyskaniem danych.
A9 D7
A8 D6
Pamięć
SRAM
A1 D0
6116
X1
Oscyloskop
Generator sygnału
A0
2-kanałowy
prostokÄ…tnego
X2
Rys. do ćwiczenia 1 [opracowanie własne]
Sposób wykonania ćwiczenia:
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) dołączyć do linii danych (D7, D6,& ,D0) słowo 00000000, a do linii adresowych
(A9, A8,& ,A0) słowo 0000000000,
2) doprowadzić do pamięci takie sygnały sterujące, aby realizowana była operacja zapisu,
3) odblokować pamięć, wpisując tym samym dane 00000000 pod adres 0000000000,
4) zablokować pamięć poprzez doprowadzenie odpowiedniego poziomu logicznego do
wejścia uaktywniającego moduł pamięci,
5) powtórzyć operacje z punktów 1), 2) i 3), wpisując tym razem dane 11111111 pod adres
0000000001,
6) zablokować pamięć,
7) doprowadzić do pamięci takie sygnały sterujące, aby realizowana była operacja odczytu,
8) linie adresowe A9, A8,& ,A1 dołączyć do poziomu L, a do linii A0 doprowadzić
z generatora sygnał prostokątny o częstotliwości 1kHz oraz parametrach zgodnych ze
standardem TTL,
9) dołączyć oscyloskop do wejścia A0 i wyjścia D0 pamięci zgodnie z rysunkiem,
10) poprosić nauczyciela o sprawdzenie poprawności połączeń oraz włączenie napięcia,
11) odblokować pamięć,
12) przerysować obserwowane na oscyloskopie przebiegi elektryczne oraz odczytać z nich
wartość czasu dostępu do pamięci,
13) porównać uzyskane wyniki z danymi katalogowymi pamięci,
14) opracować wnioski oraz zaprezentować efekty pracy.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
51
Wyposa\
enie stanowiska pracy:
- papier milimetrowy oraz papier kancelaryjny formatu A4,
- długopis, ołówek, linijka,
- literatura zgodna z punktem 6,
- zasilacz stabilizowany 5 V,
- generator sygnału prostokątnego o regulowanej amplitudzie, częstotliwości
i współczynniku wypełnienia,
- oscyloskop 2-kanałowy,
- stanowisko laboratoryjne zawierające pamięć SRAM 6116,
- dane katalogowe dostępnej na stanowisku pamięci SRAM 6116,
- przewody monta\
owe,
- instrukcja do ćwiczenia.
Ćwiczenie 2
Zbadaj działanie dostępnego na stanowisku pomiarowym przetwornika A/C, poprzez
wyznaczenie jego charakterystyki przejściowej (zale\
ność sygnału wyjściowego od
wejściowego).
Sposób wykonania ćwiczenia:
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) dołączyć do wejścia przetwornika A/C sygnał z wyjścia regulowanego zasilacza
stabilizowanego,
2) wyjść do przetwornika A/C dołączyć testery poziomów logicznych,
3) poprosić nauczyciela o sprawdzenie poprawności połączeń oraz włączenie napięcia,
4) zmieniać w całym zakresie przetwarzania napięcie podawane na wejście przetwornika
analizować stany logiczne na wyjściach przetwornika oraz notować zakresy napięcia
wejściowego, którym odpowiadają takie same kombinacje bitów na wyjściach,
5) narysować na papierze milimetrowym charakterystykę przetwarzania przetwornika
(zale\
ność cyfrowego sygnału wyjściowego od analogowego sygnału wejściowego),
6) odczytać z uzyskanej charakterystyki szerokość przedziału kwantyzacji oraz wartość
błędu kwantyzacji,
7) opracować wnioski oraz zaprezentować efekty pracy.
Wyposa\
enie stanowiska pracy:
- papier milimetrowy oraz papier kancelaryjny formatu A4,
- długopis, ołówek, linijka,
- literatura zgodna z punktem 6,
- zasilacz stabilizowany z mo\
liwością regulacji napięcia wyjściowego,
- testery poziomów logicznych w liczbie uzale\
nionej od ilości bitów przetwornika
dostępnego na stanowisku,
- stanowisko laboratoryjne zawierajÄ…ce badany przetwornik A/C,
- dane techniczne dostępnego na stanowisku przetwornika A/C,
- przewody monta\
owe,
- instrukcja do ćwiczenia.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
52
Ćwiczenie 3
KorzystajÄ…c z zestawu dydaktycznego DSM-51 sprawdz
działanie mikroprocesora 8051
poprzez uruchomienie oraz przetestowanie programu sterującego urządzeniami dołączonymi
do końcówek P1.5 (dioda LED) oraz P1.7 (sygnalizator akustyczny). Dokonaj zmian
w testowanym programie, tak aby a) zmienić czas włączenia i wyłączenia urządzeń, b) dioda
LED oraz sygnał akustyczny włączane były naprzemiennie. Kod z
ródłowy programu
przedstawiono poni\
ej. Program ten włącza urządzenia dołączone do końcówek P1.5 i P1.7
mikroprocesora na czas 1 s, następnie wyłącza je na czas 2 s. Działanie to jest powtarzane
w pętli wykonywanej do momentu wyłączenia zasilania lub zresetowania mikroprocesora.
LJMP START ;skok do poczÄ…tku programu
ORG 100H ;ustawienie adresu poczÄ…tku programu
START: ;poczÄ…tek programu
CLR P1.5 ;włączenie diody LED
CLR PI.7 ;włączenie sygnału dz
więkowego
MOV A,#10 ;ustawienie czasu włączenia urządzeń na 1s
LCALL DELAY_100MS ;odczekanie czasu 1s
SETB P1.5 ;wyłączenie diody LED
SETB P1.7 ;wyłączenie sygnału dz
więkowego
MOV A,#20 ;ustawienie czasu wyłączenia urządzeń na 2s
LCALL DELAY_100MS ;odczekanie czasu 2s
LJMP START ;powrót do początku programu
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) włączyć znajdujący się na stanowisku komputer,
2) uruchomić program Notatnik, wpisać poszczególne rozkazy testowanego programu oraz
zapisać plik, nadając mu nazwę z rozszerzeniem .asm,
3) uruchomić program Total Commander i skompilować zapisany program wpisując
polecenie:
dsm51ass xyz.asm
gdzie xyz to nazwa pliku zawierajÄ…cego kod z
ródłowy programu,
4) jeśli proces kompilacji wykazał błędy w kodzie z
ródłowym, otworzyć za pomocą
Notatnika plik xyz.asm, poprawić błędy i powtórzyć kompilację,
5) włączyć zasilanie dydaktycznego systemu mikroprocesorowego DSM-51,
6) uruchomić skompilowany program, wpisując w wierszu poleceń programu Total
Commander polecenie:
dsm51run xyz.hex
gdzie xyz.hex to plik powstały po kompilacji kodu z
ródłowego zapisanego pod nazwą
xyz.asm,
7) sprawdzić, czy program działa zgodnie z zało\
eniami,
8) zmodyfikować program, tak aby zmienić czas włączenia i wyłączenia diody LED
i sygnału dz
więkowego oraz przetestować program postępując wcześniej w sposób
opisany w punktach 2)  6),
9) zmodyfikować program, tak aby dioda LED i sygnał dz
więkowy włączane były
naprzemiennie oraz przetestować program postępując wcześniej w sposób opisany
w punktach 2)  6),
10) opracować wnioski oraz zaprezentować efekty pracy.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
53
Wyposa\
enie stanowiska pracy:
- papier kancelaryjny formatu A4,
- długopis, ołówek, linijka,
- literatura zgodna z punktem 6,
- komputer PC z zainstalowanym systemem operacyjnym Windows, programem Total
Commander oraz oprogramowaniem systemu DSM-51,
- dydaktyczny system mikroprocesorowy DSM-51 firmy MicroMade, połączony
z komputerem,
- instrukcja do ćwiczenia.
4.5.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak Nie
1) opisać zastosowanie oraz parametry pamięci półprzewodnikowych?
Ç Ç
2) scharakteryzować ró\
ne rodzaje pamięci półprzewodnikowych?
Ç Ç
3) połączyć moduły pamięci półprzewodnikowych w celu uzyskania
wiÄ™kszej pojemnoÅ›ci pamiÄ™ci? Ç Ç
4) scharakteryzować budowę i zastosowanie układów PLD?
Ç Ç
5) omówić działanie systemu mikroprocesorowego?
Ç Ç
6) zaprogramować mikroprocesor oraz sprawdzić działanie napisanego
programu? Ç Ç
7) omówić zasadę działania przykładowego przetwornika A/C?
Ç Ç
8) omówić zasadę działania przykładowego przetwornika C/A?
Ç Ç
9) sprawdzić działanie przetwornika A/C lub C/A?
Ç Ç
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
54
5. SPRAWDZIAN OSI
GNI
Ć
INSTRUKCJA DLA UCZNIA
1. Przeczytaj uwa\
nie instrukcjÄ™.
2. Podpisz imieniem i nazwiskiem kartÄ™ odpowiedzi.
3. Zapoznaj się z zestawem zadań testowych.
4. Test zawiera 20 zadań. Do ka\
dego zadania dołączone są 4 mo\
liwości odpowiedzi.
Tylko jedna jest prawidłowa.
5. Udzielaj odpowiedzi na załączonej karcie odpowiedzi, stawiając w odpowiedniej rubryce
znak X. W przypadku pomyłki nale\
y błędną odpowiedz
zaznaczyć kółkiem, a następnie
ponownie zakreślić odpowiedz
prawidłową.
6. Zadania wymagają stosunkowo prostych obliczeń, które powinieneś wykonać przed
wskazaniem poprawnego wyniku.
7. Pracuj samodzielnie, bo tylko wtedy będziesz miał satysfakcję z wykonanego zadania.
8. Jeśli udzielenie odpowiedzi będzie Ci sprawiało trudność, wtedy odłó\
jego rozwiÄ…zanie
na póz
niej i wróć do niego, gdy zostanie Ci wolny czas.
9. Na rozwiÄ…zanie testu masz 60 min.
Powodzenia!
ZESTAW ZADAC
TESTOWYCH
1. Znane z algebry logiki prawo de Margana zapisujemy w postaci
a) a + b = b + a.
b) a · b = b · a.
c) a Å" b = a + b .
d) a · (b + c) = a · b + a · c.
2. Liczbie dziesiętnej 25 odpowiada liczba binarna
a) 11001.
b) 10110.
c) 10011.
d) 11100.
3. Maksymalnie uproszczona postać funkcji y = f(d,c,b,a) =
"[1,3,5,7,8,9,11,12,13,15]
to:
a) y = a + db
b) y = a + abd
c) y = a + bd
d) y = a + bd
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
55
4. Przedstawiony na rysunku układ kombinacyjny realizuje funkcję
a) y = abc.
b) y = ac + bc.
c) y = ab + c.
d) y = (a + b)c.
5. Niewykorzystane wejście 4-wejściowej bramki AND nale\
y
a) pozostawić niepodłączone.
b) podłączyć do napięcia odpowiadającego poziomowi H.
c) podłączyć do napięcia odpowiadającego poziomowi L.
d) zewrzeć z wyjściem bramki.
6. Czas propagacji bramki logicznej to
a) maksymalny dopuszczalny czas narastania lub opadania sygnału wejściowego.
b) czas narastania lub opadania sygnału wyjściowego.
c) czas pomiędzy wystąpieniem na wejściu i wyjściu napięcia (UL + UH)/2 przy zmianie
stanu logicznego na wyjściu.
d) maksymalny mo\
liwy czas utrzymywania wyjścia w stanie H.
.
7. Stan logiczny na wyjściu Q przerzutnika JK zmieni się w momencie wyzwolenia na
przeciwny jeśli
a) przed wyzwoleniem Q = 1, a w momencie wyzwolenia J = 0 i K = 0.
b) przed wyzwoleniem Q = 1, a w momencie wyzwolenia J = 1 i K = 0.
c) przed wyzwoleniem Q = 0, a w momencie wyzwolenia J = 0 i K = 1.
d) przed wyzwoleniem Q = 1, a w momencie wyzwolenia J = 0 i K = 1.
8. Do budowy 8-bitowego rejestru szeregowo-szeregowego nale\
y u\
yć
a) 4 przerzutników typu D.
b) 8 przerzutników typu D.
c) 8 przerzutników typu D i 8 bramek NOT.
d) 4 przerzutników typu JK.
9. Licznik asynchroniczny charakteryzuje siÄ™
a) taktowaniem ka\
dego przerzutnika innym sygnałem zegarowym.
b) u\
yciem do jego budowy przerzutników asynchronicznych.
c) bardziej skomplikowaną konstrukcją w porównaniu z licznikiem synchronicznym.
d) brakiem niepo\
ądanych stanów przejściowych pomiędzy stanami po\
Ä…danymi.
10. Przerzutnik monostabilny mo\
na wykorzystać do
a) generacji pojedynczych impulsów prostokątnych.
b) realizacji dowolnej funkcji logicznej.
c) budowy licznika.
d) budowy rejestru.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
56
11. Rysunek poni\
ej przedstawia
Q1 Q2 Q3
SET SET SET
s s s
D Q D Q D Q
C C C
WE
CLR Q CLR Q CLR Q
r r r
a) licznik synchroniczny, modulo 5, odejmujÄ…cy.
b) licznik asynchroniczny, modulo 6, odejmujÄ…cy.
c) licznik asynchroniczny, modulo 5 dodajÄ…cy.
d) licznik asynchroniczny, modulo 5, odejmujÄ…cy.
12. Minimalna liczba przerzutników niezbędna do budowy licznika synchronicznego modulo
20 wynosi
a) 4.
b) 5.
c) 6.
d) 20.
13. Zamiana informacji cyfrowej z postaci szeregowej na równoległą jest realizowana za
pomocÄ…
a) komparatora.
b) transkodera.
c) multipleksera.
d) demultipleksera.
14. Dla podanych wartości sygnałów wejściowych układu UCY7483 na wyjściach pojawią
się wartości
a) Co = 1, S3 = 1, S2 = 1, S1 = 1, S0 = 0.
b) Co = 0, S3 = 0, S2 = 1, S1 = 1, S0 = 0.
c) Co = 0, S3 = 1, S2 = 1, S1 = 1, S0 = 0.
d) Co = 1, S3 = 0, S2 = 1, S1 = 1, S0 = 0.
15. Układ scalony UCY74138 jest
a) transkoderem.
b) dekoderem, który mo\
na wykorzystać jako multiplekser.
c) dekoderem, który mo\
na wykorzystać jako demultiplekser.
d) komparatorem.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
57
16. W komparatorze scalonym UCY7485 w celu zapewnienia jego prawidłowego działania
wejścia oznaczone jako A>B, A=B i Aa) A=B do poziomu H, a pozostałe do poziomu L.
b) A=B do poziomu L, a pozostałe do poziomu H.
c) wszystkie do poziomu L.
d) wszystkie do poziomu H.
17. Dekoder jest układem realizującym
a) konwersjÄ™ kodu 1zN na kod dowolny.
b) konwersję kodu BCD na kod wyświetlacza 7-segmentowego.
c) konwersjÄ™ kodu naturalnego binarnego na kod BCD.
d) konwersjÄ™ kodu dowolnego na kod 1zN.
18. Je\
eli połączymy 8 modułów pamięci RAM, w taki sposób, \
e 2-krotnie wzrośnie liczba
bitów w pamiętanym słowie, a jednocześnie 4-krotnie wzrośnie liczba pamiętanych słów,
to liczba linii adresowych wzrośnie o
a) 1.
b) 2.
c) 3.
d) 4.
19. Pamięć ROM o pojemności 2KB zorganizowanej w słowa o długości 2 bajtów posiada
a) 8 linii danych i 10 linii adresowych.
b) 8 linii danych i 16 linii adresowych.
c) 16 linii danych i 10 linii adresowych.
d) 16 linii danych i 16 linii adresowych.
20. Błąd kwantyzacji 8-bitowego przetwornika A/C, którego zakres przetwarzania jest równy
10 V wynosi w przybli\
eniu
a) 19,5 mV.
b) 39 mV.
c) 1,25 V.
d) 1,95 V.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
58
KARTA ODPOWIEDZI
ImiÄ™ i nazwisko:...............................................................................
Wykonywanie pomiarów w układach cyfrowych
Zakreśl poprawną odpowiedz
.
Nr
Odpowiedz
Punkty
zadania
1 a b c d
2 a b c d
3 a b c d
4 a b c d
5 a b c d
6 a b c d
7 a b c d
8 a b c d
9 a b c d
10 a b c d
11 a b c d
12 a b c d
13 a b c d
14 a b c d
15 a b c d
16 a b c d
17 a b c d
18 a b c d
19 a b c d
20 a b c d
Razem:
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
59
6. LITERATURA
1. Chwaleba A., Moeschke B., PÅ‚oszajski G.: Elektronika 5. WSiP, Warszawa 1996
2. Gałka P., Gałka P.: Podstawy programowania mikrokontrolera 8051. PWN, Warszawa
2006
3. GÅ‚ocki W., Grabowski L.: Pracownia podstaw techniki cyfrowej. WSiP, Warszawa 1998
4. Głocki W.: Układy cyfrowe. WSiP, Warszawa 2003
5. Górecki P.: Układy cyfrowe  pierwsze kroki. BTC, Warszawa 2004
6. Horowitz P, Hill W.: Sztuka elektroniki 2. WKA
, Warszawa 2001
7. Kolan Z.: Urządzenia techniki komputerowej. CWK Screen, Wrocław 2002
8. Pióro B., Pióro M.: Podstawy elektroniki 2. WSiP, Warszawa 1999
9. Wilkinson B.: Układy cyfrowe. WKA
, Warszawa 2000
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
60