ćwiczenie 24 - Badanie UKŁADÓW CYFROWYCH

Należy przygotować się z zakresu wiedzy obejmującej takie zagadnienia jak: cyfrowe bramki i układy w technice TTL a w szczególności, należy przygotować odpowiedzi na poniższe pytania i polecenia:

1. Do czego służą liczniki i jakie znasz ich rodzaje? Omów podstawowe parametry licznika.

Liczniki służą do zliczania impulsów i pamiętania ich liczby.

Każdy licznik ma pojemność. Pojemność jest to liczba impulsów, którą (lub której całkowitą wielokrotność) można doprowadzić na wejście licznika, a jego stan nie ulegnie zmianie. Dzieje się tak dlatego, że licznik po przepeł­nieniu zeruje się i liczy od nowa.

Liczbę stanów licznika określa się mianem długości cyklu. Jeśli licznik ma m stanów, przez które przechodzi cyklicznie, to określa się go też mianem „modulo m". Najpopularniejszymi licznikami są te, które liczą do szesnastu (m = 16) i do dziesięciu (m = 10).

Liczniki dzieli się także na liczące w przód, tj. takie których zawartość wzrasta w trakcie liczenia kolejnych impulsów wejściowych, i na liczące wstecz, których zawartość maleje. Są również liczniki rewersyjne, to znaczy takie które liczą w wybranym kierunku w zależności od ustawionego trybu pracy.

Tradycyjnie przyjęło się dzielić liczniki na asynchroniczne i synchroniczne. Liczniki asynchronicze to takie, w których zmiany stanów przerzutnikow nie występują jednocześnie, lecz kolejno, gdyż wejście zegarowe każdego prze-rzutnika jest połączone z wyjściem przerzutnika poprzedzającego w układzie licznika tworząc strukturę szeregową. Liczniki synchroniczne charakteryzują się tym, że wejścia zegarowe wszystkich przerzutnikow składowych połączone są równolegle i zmiany ich stanów następują jednocześnie w takt odpowiedniego zbocza impulsu. Ponieważ wszystkie liczniki są zbudowane z synchronicznych przerzutników, a różni je tylko sposób wykorzystywania wejść informacyjnych i zegarowych, więc aby uniknąć niejednoznaczności, określane one dalej będą odpowiednio jako szeregowe i równoległe. Słowo „szeregowy" oddaje tu sens asynchroniczności zmian stanów liczników, a „równoległy" - zawiera sens synchroniczności.

Liczniki szeregowe mają zasadniczą wadę, która ogranicza zakres ich zastosowań. Stany przerzutników nie zmieniają się jednocześnie. Im dalej od wejścia zliczanych impulsów znajduje się przerzutnik, tym dłużej musi czekać na zbocze zmieniające jego stan. Opóźnienie propagacji zbocza impulsu we­jściowego spowodowane koniecznością przejścia przez kolejne przerzutniki licznika może spowodować sytuację, w której mimo kolejnej zmiany stanu pierwszego przerzutnika ostatni nie dostał jeszcze sygnału zegarowego do zmiany poprzedniej.

Liczniki szeregowe stosuje się do zliczania impulsów najczęściej wtedy, gdy po zliczeniu paczki impulsów można jeszcze poczekać na ustalenie się stanu wyjściowego licznika. Głównym obszarem zastosowań tych liczników jest użycie ich jako dzielników częstotliwości.

Gdy wymagana jest duża szybkość działania i niewielkie opóźnienie sygna­łu wejściowego względem wyjściowego, stosowane są liczniki równoległe (rys. 16.11).

2. Narysuj schemat blokowy dowolnego licznika asynchronicznego (podanego przez prowadzącego) i wyjaśnij na podstawie przebiegów czasowych ich działanie.

3. Co to są rejestry, do czego służą i jakie znasz ich rodzaje ?

Rejestry są to układy służące do chwilowego przechowywania informacji w urządzeniach cyfrowych. W tym względzie spełniają rolę pomocniczych układów pamięciowych, zwykle o niewielkiej pojemności. Często pełnią też funkcję układów pośredniczących między urządzeniami o różnej szybkości pracy lub różnym sposobie przekazywania informacji. 3 rodzaje:

Przesuwający - Stanowi on zespół przerzutników D połączonych kaskadowo w taki sposób, że synchronicznie z wejściowymi impulsami zegarowymi stan logiczny każdego przerzutnika jest przenoszony (przesuwany) w łańcuchu kolejno do sąsiednich pozycji, aż do wyprowadzenia na zewnątrz układu

Rewersyjny - Informacja w rejestrze przesuwającym może być przemieszczana w prawo lub w lewo w zależności od stanu wejść określających tryb pracy.

Buforowy - Z uwagi na sposób zapisu i poboru informacji wyróżniamy rejestry szeregowo-szeregowe, szeregowo-równoległe, równoległo-szeregowe i równoległo-równoległe.

4. Narysuj schemat blokowy wskazanego rejestru i opisz proces wpisywania i przetwarzania w nim informacji.

Informacja w tym rejestrze wpisywana jest szeregowo przez podanie na wejście kolejnych bitów słowa (od bitu najmniej znaczącego do najbardziej znaczącego) oraz podanie impulsów zegarowych. Bit po bicie wprowadzane jest słowo z jednoczesnym przesunięciem kolejnych bitów do kolejnych prze-rzutników. Aby całe słowo znalazło się w rejestrze, liczba impulsów zegaro­wych musi być równa liczbie bitów słowa.

Pobranie informacji z rejestru przesuwającego może nastąpić szeregowo (bit po bicie z wyjścia rejestru) lub równolegle (poprzez jednoczesny odczyt z wyjść wszystkich przerzutników). Rejestr ten pełni funkcje przechowywania informacji oraz umożliwia zmianę sposobu transmisji informacji z szeregowej na równoległą.

5. Podaj przykłady zastosowań rejestrów szeregowych i równoległych.

6. Co to są sumatory i do czego służą? Narysuj realizację półsumatora, sprawdź jego tabelę prawdy i opisz wyjścia.

Sumatory są układami realizującymi operację arytmetycznego sumowania liczb binarnych.

Półsumator jest to układ, o dwóch wejściach wytwarzającym ich sumę i realizującym, gdy potrzeba, przeniesienie do sumowania następnej, bardziej znaczącej pozycji. Dla każdej następnej pozycji potrzebny będzie układ, który przyjmuje trzy bity: dwa które są dodawane i trzeci jako przeniesienie z poprzedniej pozycji. Wytwarza on sumę i bit przeniesienia do następnej, bardziej znaczącej pozy­cji. Taki układ nazywamy sumatorem.

7. Podaj na schematach przykład sumatorów : równoległego i szeregowego. Wyjaśnij zasadę ich działania i wymień podstawowe różnice pomiędzy tymi układami.

W celu dodawania liczb wielobitowych sumatory jednobitowe łączone są w większe zespoły. Na rys. 15.25 pokazano przykład sumatora równoległego z przeniesieniem szeregowym. Dodaje on dwie liczby czterobitowe A₃A₂A₁A₀ B₃B₂B₁B₀doprowadzone równolegle. Propagacja przeniesienia następuje szeregowo.

8. Jaką rolę pełni multiplexer? Do czego służy demultiplexer? Opisz ich działanie i podaj przykłady zastosowań obu układów.

Multiplekserem nazywamy układ, który umożliwia wybór jednego z n wejść informacyjnych i przesłanie sygnału z tego wejścia na wyjście układu. O tym, które wejście ma być w danej chwili wybrane, decyduje stan wejść adreso­wych. Multiplekser realizuje zatem funkcję wielopołożeniowego przełącznika z cyfrowym wyborem pozycji. Jako elementy wykonawcze multipleksera używane są bramki transmisyjne.

Demultiplekser spełnia funkcje odwrotne niż multiplekser. Wybiera on jedno z wyjść układu w celu przesłania doń informacji z wejścia. Wybór wy­jścia sterowany jest adresem doprowadzanym w postaci binarnej do wejść adresowych układu.

9. Jakiego typu układami cyfrowymi są sumatory i czym się charakteryzują.

Są 2 rodzaje układów cyfrowych. Układy kombinacyjne - stany wyjść są jednoznacznie określone przez stany wejść. Są to układy bez pamięci; Układy sekwencyjne - stany wyjść zależą od aktualnych stanów wejść oraz od tego co działo się z układem poprzednio. Są to układy z pamięcią. W ich działaniu oprócz wymuszeń aktualnych istotną rolę odgrywają stanu poprzednie. Sumatory są to układy kombinacyjne.

10. Co to są przetworniki C/A i A/C?

Zadaniem przetworników analogowo cyfrowych (A/C lub z angielskiego ADC - Analog to Digital Converter) jest przetwarzanie sygnału analogowego na równoważny mu sygnał cyfrowy, a przetworniki cyfrowo-analogowe (C/A, DAC - Digital to Analog Converter ) pełnią funkcję odwrotną, gdyż na podstawie informacji cyfrowej odtwarzają sygnał analogowy. Zainteresowanie tą klasą układów (w języku angielskim określanej wspólnie jako data converters) systematyczne wzrasta, ponieważ znajdują one szerokie zastosowanie w miernictwie elektronicznym, systemach transmisyjnych, układach czasu rzeczywistego, a ostatnio coraz częściej w sprzęcie powszechnego użytku (odtwarzacze kompaktowe, systemy TV cyfrowej, telefonii przenośnej).

11. Co to jest błąd dyskretyzacji?

12. Czym się różni przetwornik C/A ośmiobitowy od szesnastobitowego?

13. Narysuj drzewo klasyfikacji pamięci.

14. Czym różni się pamięć typu RAM od ROM?

15. Co to są pamięci statyczne i dynamiczne oraz czym różni się miedzy sobą.

Pamięci RAM dzieli się na dwie grupy, a mianowicie: pamięci statyczne S-RAM i pamięci dynamiczne D-RAM.

Pamięci D-RAM są wolniejsze od pamięci statycznych, ale koszt ich wytwo­rzenia (w przeliczeniu na jeden bit pojemności) jest niższy. Maksymalna pojem­ność pamięci dynamicznych (wytwarzanych przy tym samym poziomie techno­logicznym) jest kilkakrotnie wyższa w porównaniu do statycznych. Dlatego pamięci D-RAM są chętnie stosowane w typowych zastosowaniach kompute­rowych.

Główne ograniczenia szybkości działania układów D-RAM są następujące:

— odczyt stanu kondensatora w komórce D-RAM jest destrukcyjny, co wymaga czasu na powtórny zapis z odświeżeniem po odczycie;

— potrzebny jest czas na proces ładowania wstępnego linii bitu;

— adres w pamięciach D-RAM jest ustalany w czasie kolejno w dwu etapach (multipleksowanie adresu);

— niezbędne jest periodyczne odświeżanie zawartości całej matrycy pamięcio­wej, co wymaga pewnego czasu.

16. Podaj definicję pamięci ulotnej.

Pamięć której zawartość jest kasowana po wyłączeniu zasilania.

17. Podaj definicję pamięci nie ulotnej.

Pamięć której zawartość nie jest kasowana po wyłączeniu zasilania.

---