Nr wiczenia: Temat: Data:
Badanie cyfrowych bramek
10. logicznych 21.03.1995
I.Wstp
Tematem wiczenia jest zapoznanie z wasnociami podstawowych bramek
logicznych bipolarnych serii: standardowej TTL.
Ukadami logicznymi (funktorami lub bramkami) nazywa si ukady realizujce
funkcje oparte na algebrze Boole'a. W ukadach logicznych wartoci wystpujcych
sygnaów przyjmuj pewne dozwolone poziomy dyskretne, co zewntrznie stanowi
najbardziej charakterystyczn cech tych ukadów.
W dowiadczeniu badamy bramk z ukadu serii standardowej TTL. Jest to
bramka typu NAND o dwóch wejciach i jednym wyjciu.
x1
x2 J
Realizuje ona funkcj logiczn: y=NOT (X1 AND X2). Ukady cyfrowe, do których
naley seria TTL opieraj si na logice binarnej.
HCT - CMOS i innych, s wyspecyfikowane poziomy napi wejciowych
i wyjciowych w obydwu stanach logicznych.
Celem wiczenia byo zbadanie parametrów czysto elektrycznych.
II. Obserwacje i pomiary.
1.Obserwacja charakterystyki przejciowej metod oscyloskopow.
max 5V +Ucc
1 log
50-100 Hz
Na podstawie zaobserwowanej charakterystyki (Rys.1) stwierdzamy, e
- obszar przejciowy charakterystyki zawiera si w przedziale napi wejciowych
okoo (0.5 - 1.55) V
-wznocnienie napiciowe (k) zmienia si od bliskiego 0 dla Uwe >1.6 V, (wyjcie
bramki jest w stanie 0)
poprzez okoo 1.5 - 7 V w obszarze przejciowym i dla mniejszych napi
wejciowych ronie, dc do +" dla Uwe=0.
Za wzmocnienie bowiem uznajemy stosunek k = Uwy / Uwe .
-marginesy bezpieczestwa: naley przyj okoo:
dla „1” na wejciu powinno by Uwe >= ok.1.6 - 2 V
dla „0” na wejciu powinno by Uwe<= ok. 0.5 V
(marginesy te zale od poziomu przewidywanego zakócenia).
2.Pomiar charakterystyki przejciowej metod punktow.
1 log
p1
Wyniki pomiarów:
Uwe [V] Uwy [V] Uwe[V] Uwy[V]
z obciazeniem
0.01 3.58
0.33 3.59 0.01 3.83
0.58 3.44 0.36 3.84
0.78 3.14 0.59 3.83
0.90 2.95 1.03 3.82
1.10 2.49 1.14 3.62
1.20 0.78 1.38 0.20
1.39 0.06 1.45 0.19
1.64 0.06 2.00 0.19
W obszarze przejciowym charakterystyki (0.5 V < Uwe< 1.6 V) wzmocnienie
wynosi okoo 8 do 0.06 razy.
Na podstawie pomiarów wykrelona zostaa charakterystyka Uwy = f (Uwe)
(Rys.2).
3.Pomiar charakterystyki wyjciowej dla stanu logicznego wysokiego.
Typowa bramka TTL, ma stopie kocowy podobny do poniszego:
+ucc
R
T Uwy
(Inaczej wyglda stopie kocowy np. bramek z otwartym kolektorem).
W wysokim stanie wyjcia bramki po obcieniu go np. wejciami innych
bramek, na wewntrznym rezystorze wystpuje spadek napicia.
Badamy wpyw obcienia na warto napicia wyjciowego.
Wyniki pomiarów:
Iwy [mA] Uwy [V]
0.26 3.17
0.40 3.14
0.71 3.08
1.00 3.03
1.53 2.95
2.32 2.85
4.50 2.55
9.66 1.47
12.09 0.87
13.25 0.54
14.5 0.20
Na podstawie pomiarów zostaa wykrelona charakterystyka Uwy = f ( Iwy), (Rys.3).
Zakadajc, e w stanie wysokim napicie na wyjciu bramki nie powinno
by nisze ni okoo 2.4 V (dane katalogowe) dopuszczalny prd obcienia bramki
w stanie wysokim wynosi okoo 7 mA.
4.Pomiar charakterystyki wejciowej.
Badamy zaleno prdu wejciowego od napicia wejciowego.
Uwe [V] Iwe [mA]
0.02 0.98
0.60 0.84
0.92 0.75
1.18 0.68
1.45 0.26
1.50 0.17
1.55 0.11
1.57 0.07
1.70 0.03
Na podstawie pomiarów zostaa wykrelona charakterystyka Iwe= f ( Uwe), (Rys.4.).
Ujemny znak oznacza, e prd wypywa z wejcia bramki do wyjcia stopnia
poprzedniego.
Prd wejciowy w stanie logicznym wejcia: „1” jest bliski zeru. W obszarze
przejciowym wynosi okoo 0.2 - 0.8 mA. W stanie logicznym „0” prd jest
maksymalny, wynosi okoo 1 mA.
Majc te dane moemy obliczy maksymaln ilo (n) bramek obciajcych
wyjcie jednej bramki TTL. Z katalogu znajdujemy maksymalny prd wyjciowy
bramki w stanie niskim -”0” i wynosi on okoo 15 mA.
zatem n= 15 mA / 1 mA = 15
W stanie logicznym wysokim ze wzgldu na znikomy prd wejciowy bramki,
w tym stanie nie obliczamy dopuszczalnej iloci bramek obciajcych, która
byaby znacznie wiksza. Poniewa w ukadach wystpuj na przemian stany
„1” i „0”, przyjmujemy n = 15.
5.Pomiar czasu propagacji bramki logicznej.
Rysunek pogldowy:
1log
podstawa czasu
oscyloskop dwukanaowy
Zmierzone czasy propagacji:
czas narastania sygnau wyjciowego 1* 0.02 s = 20 ns
czas opadania 0.8* 0.02 s = 16 ns
III.Wnioski kocowe.
Ad. 1. i 2.
Charakterystyki przejciowe wyznaczone obydwiema metodami maj podobny
ksztat. Charakterystyka bramki jest nieliniowa. Przy wzrocie napicia wejciowego
od zera do pewnej wartoci bramka utrzymuje na wyjciu stay poziom (w tym
wypadku wysoki). Przy dalszym wzrocie napicia wejciowego o okoo 1 V
nastpuje dosy szybkie przejcie wyjcia bramki w przeciwny stan logiczny
(w tym wypadku „0”).
Wyznaczone dopuszczalne wartoci napicia wejciowego bramki
w stanie 0 i 1 okazay si zblione do danych katologowych ukadów TTL.
Bramki TTL gwarantuj na wyjciu napicie Uwy >= 2.4 V (stan 1) i
Uwy <= 0.4 V (stan 2). Takie poziomy napicia doprowadzone na wejcie
bramki wprowadzaj j w stan 0 lub 1, z duym marginesem na zakócenia.
Taka charakterystyka w odrónieniu od liniowej zapewnia lepsz
odporno na zakócenia (jeszcze lepsz charakterystyk maj bramki z
przerzutnikiem Schmit'a.
Ad.3.4.
Po zbadaniu wpywu obcienia na napicie wyjciowe bramki w stanie
wysokim ustalilimy dopuszczalny prd obcienia, przy którym zachowany
zostaje poziom napicia wymagany dla stanu wysokiego.
Wyznaczamy maksymalny prd okoo 7 mA, który nie stanowi
ograniczenia przy doczaniu do wyjcia bramki nastpnych bramek.
W stanie wysokim bowien wejcia bramek, co zaobserwowalimy w puncie 4,
sabo obciaj stopie poprzedni.
Ograniczenien jest maksymalny prd wyjciowy bramki w stanie niskim.
Prd wyjciowy bramki przepywa wówczas przez wewntrzny tranzystor
do masy. Maksymalnego prdu nie moglimy wyznaczy bez uszkadzania
tranzystora. Przyjlimy katalogow warto tego prdu.
Uwzgldniajc, e dla stanu niskiego wejcie kadej kolejnej bramki obciy
wyjcie naszej bramki prdu rzdu 1 mA (zmierzylimy to po punkcie czwartym),
obliczylimy maksymaln ilo bramek obciajcych n = 15. W praktyce stosuje
si n= 10.
Ad.5.
Zmierzony czas propagacji bramki wynosi okoo 20 ns, przy czym dla narastania
napicia wyjciowego jest on nieco duszy. Wynika to z kostrukcji wyjcia
bramki TTL. Przy zmianie stanu wyjcia z „1” na „0” pojemnoci wyjciowe
(pasoytnicze) rozadowuj si przez zamknity tranzystor.
Przy zmianie stanu z „0” na „1” pojemnoci s adowane przez opornik
mniejszym prdem, a wic duej.
Czas propagacji ogranicza maksymaln czstotliwo pracy bramek.