LABORATORIUM ELEKTRONIKI SPRAWOZDANIE
Ćwiczenie nr 4 PODSTAWY TECHNIKI CYFROWEJ:FUNKTORY LOGICZNE I PRZERZUTNIKI
Zespół II	Grupa 201	Rok akademicki 2006/2007
	Data wykonania ćwiczenia: 19.04.2007	Prowadzący ćwiczenie:

1. Wprowadzenie

Istotą techniki cyfrowej jest wytwarzanie cyfrowych sygnałów wyjściowych jako odpowiedzi na cyfrowe sygnały wejściowe.

Typowymi zadaniami układów cyfrowych jest pobranie pewnych liczb binarnych, ich wyświetlenie, wydrukowanie lub wydziurkowanie jako znaków dziesiętnych. We wszystkich tych zadaniach sygnały (stany) wyjściowe są zdeterminowanymi funkcjami sygnałów (stanów) wejściowych. Wszystkie zadania mogą być wykonane za pomocą urządzeń zwanych bramkami, które realizują działania algebry Boole'a w dziedzinie układów dwustanowych (binarnych) i sieci złożonych z takich elementów, którymi są bramki. Każda ze zmiennych boolowskich może być równa tylko zeru lub równa tylko jedynce. To założenie można zapisać w postaci:

X = 0, jeśli X ≠ 1

X ≠ 1, jeśli X = 0

Bramkami nazywane są kombinacyjne układy cyfrowe, realizujące proste funkcje logiczne jednej lub wielu zmiennych logicznych. Zmienną logiczną jest sygnał elektryczny występujący na wejściach i wyjściach tych układów.

2. Funktory logiczne i przerzutniki

Bramka NAND

Bramka ta jest układem realizującym funkcję negacji iloczynu, a więc zgodnie z prawem de Morgana również funkcje sumy negacji zmiennych wejściowych (rys.1). Bramka NAND jest bramką podstawową w kilku klasach scalonych układów cyfrowych.

a) b)

A	B	F
0	0	1
0	1	1
1	0	1
1	1	0

Rys. 1 Bramka NAND: a) tablica prawdy, b) symbol graficzny.

Bramka NOR

Bramka ta jest układem realizującym funkcję negacji sumy, a więc zgodnie z prawem de Morgana również funkcję iloczynu negacji zmiennych wejściowych. Podobnie jak bramka NAND, również i ta bramka jest podstawową bramką w kilku klasach scalonych układów cyfrowych (rys. 2).

a) b)

A	B	F
0	0	1
0	1	0
1	0	0
1	1	0

Rys. 2 Bramka NOR: tablica prawdy, b) symbol graficzny.

Bramka AND

Bramka ta jest układem o dwu lub większej liczbie wejść, realizującym funkcję iloczynu logicznego zmiennych wejściowych.

1. b)

A	B	F
0	0	0
0	1	0
1	0	0
1	1	1

Rys. 6 Dwuwejściowa bramka AND:

a) tablica prawdy, b) symbol graficzny.

Bramka OR

Bramka ta jest układem o dwu lub większej liczbie wejść, realizującym funkcję sumy logicznej zmiennych wejściowych (rys.7).

a) b)

A	B	F
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	1

Rys. 7 Dwuwejściowa bramka OR:

a) tablica prawdy, b) symbol graficzny.

Bramka EX - OR

Exclusive - OR (czyli WYŁĄCZNIE LUB) - wyjście bramki EX-OR jest w stanie wysokim, jeżeli jedno albo drugie wejście jest w stanie wysokim - jest to zawsze funkcja dwóch zmiennych (rys. 11). Mówiąc inaczej, wyjście jest w stanie wysokim, jeżeli stany wejść są różne. Bramka EX-OR realizuje dodawanie bitów modulo - 2.

a) b)

A	B	F
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	0

Rys.11 Bramka EX - OR:

a) tablica prawdy, b) symbol graficzny.

Przerzutnik RS

Przerzutnik RS jest najprostszym wariantem przerzutnika bistabilnego, dla którego charakterystyczne są dwa wejścia programujące S (Set) - wejście sygnałów przeznaczonych do zapamiętania, R (Reset) - wejście kasujące, oraz dwa komplementarne wyjścia i , na których pojawiają się jednocześnie sygnały logicznie odwrócone. Ponieważ S i R są wejściami asynchronicznymi więc zmiana stanu wyjść i następuje natychmiast po pojawieniu się sygnałów wejściowych.

a) b)

H	H
L	H	H	L
H	L	L	H
L	L	X	X

Rys.6 Przerzutnik RS: a) tablica stanów, b) symbol graficzny

3. Budowa oraz przeznaczenie przerzutnika Schmitta

Bramka z przerzutnikiem Schmitta jest stosowana do przekształcania wolnozmiennych sygnałów wejściowych w sygnały wyjściowe z poziomami logicznymi i stosunkowo szybko narastającymi zboczami. Przerzutnik Schmitta jest umieszczony między wejściowym układem logicznym bramki a jej stopniem wyjściowym. Charakterystyka przejściowa takiej bramki odznacza się pętlą histerezy charakterystyczną dla przerzutnika Schmitta. Przerzutniki Schmitta wykorzystują histerezę w celu ochrony przed szumem, który w przeciwnym wypadku mógłby powodować ciągłe przełączanie między dwoma przeciwnymi stanami w sytuacji, gdy sygnał wejściowy oscyluje wokół poziomu progowego.

Przerzutnik Schmitta ma w obwodzie wejściowym dwa progi przełączania, przy których wyjście zmienia stan na przeciwny. Osiągnięcie przez napięcie wejściowe określonego progu zależy od kierunku zmiany tego napięcia. Dla napięcia narastającego obowiązuje próg górny, dla opadającego - dolny

Rys. 7 Symbol graficzny przerzutnika Schmitta

4. Wzmacniacz WE

Układ WE charakteryzuje się średnimi wartościami impedancji wejściowej i wyjściowej, dużymi współczynnikami wzmocnienia prądowego i napięciowego oraz odwraca fazę sygnału wejściowego.

Rys.8 Schemat wzmacniacza w konfiguracji WE

Wzmocnienie prądowe układu zależy od rezystancji obciążenia R_o zgodnie z zależnością:

K_i = - β₀ ( r_wy / ( r_wy + R_o ) ),

gdy R_o → 0, to K_i → - β₀. Minus świadczy, że układ odwraca fazę sygnału wejściowego.

r_wy = r_ce  R_C = r_ceR_C / ( r_ce + R_C )

Wzmocnienie napięciowe układu opisuje zależność:

K_u = U_wy / U_we = - β₀ ( R_C / r_be )

Kondensatory sprzęgające C₁ i C₂ pozwalają odseparować składowe zmienne od składowych stałych. Dla sygnałów zmiennych stanowią one zwarcie, gdyż ich reaktancje w paśmie przenoszenia są bardzo małe.

Poprzez dodanie do układu wzmacniacza rezystora R_E uzyskuje się mniejszą niestałość punktu pracy. Powoduje to jednak zmniejszenie wzmocnienia. Dla sygnałów zmiennych wadę tę można usunąć przez zablokowanie rezystora R_E kondensatorem C_E, którego reaktancja przy najmniejszej częstotliwości sygnału wzmacnianego jest co najmniej kilkakrotnie mniejsza niż wartość tego rezystora.

5. Próbkowanie sygnałów analogowych

A

F

B

A

F

B

A

B

F

A

F

B

A

F

B

---