Elektronikk og IT DIGITALTEKNIKK Oppgave navn: Klokkekrets Lab. oppgave nr.: 2 Dato utført: Protokoll skriver: Klasse: Øvrige gruppedeltagere: Gruppe: Dato godkjent: Skole stempel: Protokollretter: Ved utsettelse Må leveres senest: Signatur: Lab. oppgave 2 Side 1
Digitalteknikk Laboratorieoppgave nr. 2 KLOKKEKRETS 1. Forberedelser før du kommer til laboratoriet Før du kommer på laboratoriet, skal du ha lest gjennom og besvart spørsmålene i punktene 2-4 nedenfor. 2. Heikt Du skal i denne oppgaven lære å bruke et oscilloskop, undersøke forsinkelse av signaler gjennom portkretser og lage en klokkekrets. 3. Teori Et klokkesignal er et periodisk signal med en fast periodetid, T. Et slikt signal kan lages ved å kople et odde antall inverterere i en ring. En av invertererne kan erstattes med en NANDport med en bryterinngang for start/stopp av klokken. Et eksempel på en slik klokkekrets er vist i figuren under. H Start/Stopp A B X 1 X 2 X 3 X 4 X 5 Figur 1. Klokkekrets, 5 porter. Denne kretsen har 5 porter: 1 NAND-port og 4 inverterere. At dette blir en klokkekrets, kan du se ved å studere tidsdiagrammet i figur 2 på neste side. Signalene X 1, X 2, X 3, X 4 og X 5 vil alle bli periodiske signaler med fast periode. Grunnen til at signalene vil bli klokkesignaler er at alle porter har en endelig portforsinkelse = propagasjotid (propagation time). I figur 2 er portforsinkelsen angitt med τ. Portforsinkelsen kan leses ut av datablader for IC-brikken. Der er den angitt som t p. Som regel er det forskjell i portforsinkelse ved skifte fra høy til lav, t phl, og ved skifte fra lav til høy, t plh (på utgangen). Side 2 Lab. oppgave 2
4. Forberedelse før du kommer til laboratoriet Tidsdiagram for klokkekretsen er vist i figur 2 nedenfor. Figur 2. Tidsdiagram for klokkekretsen i figur 1. a) Anta en portforsinkelse, t p = τ = 10. Hva blir periodetiden for klokkekretsen i figur 1? Svar: T = b) Anta en klokkekrets med n porter (n er et oddetall). Portforsinkelsen er t p = τ. Hva blir periodetiden T uttrykt ved n og τ? Formel for beregning av T: T = c) Får vi et klokkesignal dersom antall porter i sløyfen er et partall? Svar: d) Lag et koplingsskjema for en klokkekrets med n = 13 porter. Bruk figuren nedenfor. Lab. oppgave 2 Side 3
Side 4 Lab. oppgave 2
5. Oppgaver på laboratoriet Pass på at spenningsforsyningen er koplet til de enkelte kretsene (V CC og GND). a) Kople inngangene til en NAND-port på 7400-kretsen til to brytere og kople utgangen til en lysdiode. Verifiser deretter at porten virkelig har NAND-funksjon. BRYTER 1 BRYTER 2 LYSDIODE 0 0 0 1 1 0 1 1 Dersom den ene inngangen på en NAND legges høy (5V), hvordan vil ut-signalet være i forhold til det andre inn-signalet? Svar: b) Bruk et oscilloskop til å måle spenningsnivåene på ut-signalet når det ligger høyt respektive lavt. Mål i tillegg spenningsnivået på V CC -pinnen. Juster oscilloskopets intillinger på følgende måte: VOLTS/DIV = 0.1 (Proben demper inn-signalet en faktor 10) AC GND DC = DC TRIGGER: Mode = Auto, Coupling = AC, Source = CH1 X10 MAG aktivert Utsignal HØY: Utsignal LAV: V CC -pinne: Koble opp hele klokkekretsen med 13 porter (1 NAND-port og 12 inverterere av type 74LS04) etter skjemaet fra 4 d) og kontroller at du har koplet alle forbindelser korrekt. Du skal nå studere klokkekretse dynamiske oppførsel ved hjelp av et oscilloskop. Kople proben til oscilloskopets kanal 1 til en inverterer-utgang, og kople probe jordledning til en bøssing som har forbindelse med jordpinnen til inverterer-kretsen. Bruk SWEEP TIME/DIV =.5 mikrosek og ellers intillinger som ovenfor. c) Du skal nå se et periodisk møter på oscilloskopskjermen. Lag en skisse av Lab. oppgave 2 Side 5
signalbildet på skjermen. d) Mål følgende parametre: Utsignal HØY: Utsignal LAV: Periodetid: Bruk den målte periodetiden samt formelen for beregning av periodetid (fra Oppgave 4b) til å beregne en gjennomsnittlig portforsinkelse. Beregnet portforsinkelse: Hvordan stemmer den beregnede verdien med databladet til kretsen? Portforsinkelse gitt i datablad: e) Du skal nå bytte ut kretsene av LS-type (74LS04) med to kretser av type FAST (74F04) og gjenta målingene fra oppgave d. NB: Kople fra spenningsforsyningen før du bytter kretsene. Sjekk at kretsene står riktig i før du kopler til spenningsforsyningen igjen. Utsignal HØY: Utsignal LAV: Periodetid: Beregnet portforsinkelse: f) Ideelt skal spenningen på kretsenes V CC -pinner ligge på en kotant verdi (+5.0 Side 6 Lab. oppgave 2
). I virkeligheten lager omslaget på ut-signalene støy på V CC -spenningen. Kople en probe til V CC -pinnen til en av 74F04-pakkene og mål amplituden til den rippelen du kan observere. Kople deretter en 100 nf kondeator mellom V CC - og GND-pinnene til hver krets og mål deretter rippelen. Resultat? Ripple uten kondeator: Ripple med kondeator: Lab. oppgave 2 Side 7