1. No category

Elektronikk og IT
DIGITALTEKNIKK
Oppgavens navn: Klokkekrets
Lab. oppgave nr.: 2
Dato utført:
Protokoll skriver:
Klasse:
Øvrige gruppedeltagere:
Gruppe:
Dato godkjent:
Skolens 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. Hensikt
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
A
X1
X2
X3
X4
X5
Start/Stopp
B
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 X1, X2, X3, X4 og X5
vil alle bli periodiske signaler med fast periode.
Grunnen til at signalene vil bli klokkesignaler er at alle porter har en endelig portforsinkelse = propagasjonstid (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,
tpLH (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, tp = τ = 10 ns. Hva blir periodetiden for klokkekretsen i
figur 1?
Svar: T =
ns
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 (VCC 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
0
0
0
1
1
0
1
1
LYSDIODE
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
innstillinger 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:
Volt
Utsignal LAV:
Volt
VCC-pinne:
Volt
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 klokkekretsens dynamiske oppførsel ved hjelp av et oscilloskop. Kople
proben til oscilloskopets kanal 1 til en inverterer-utgang, og kople probens jordledning til
en bøssing som har forbindelse med jordpinnen til inverterer-kretsen.
Bruk SWEEP TIME/DIV = .5 mikrosek og ellers innstillinger som ovenfor.
c)
Du skal nå se et periodisk mønster på oscilloskopskjermen. Lag en skisse av
Lab. oppgave 2
Side 5
signalbildet på skjermen.
d) Mål følgende parametre:
Utsignal HØY:
Volt
Utsignal LAV:
Volt
Periodetid:
ns
Bruk den målte periodetiden samt formelen for beregning av periodetid (fra Oppgave 4b) til å beregne en gjennomsnittlig portforsinkelse.
Beregnet portforsinkelse: ________ ns
Hvordan stemmer den beregnede verdien med databladet til kretsen?
Portforsinkelse gitt i datablad: _______ ns
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:
Volt
Utsignal LAV:
Volt
Periodetid:
Beregnet portforsinkelse:
f)
Side 6
ns
ns
Ideelt skal spenningen på kretsenes VCC-pinner ligge på en konstant verdi (+5.0
Lab. oppgave 2
Volt). I virkeligheten lager omslaget på ut-signalene støy på V CC-spenningen. Kople en probe til VCC-pinnen til en av 74F04-pakkene og mål amplituden til den
rippelen du kan observere. Kople deretter en 100 nF kondensator mellom V CC- og
GND-pinnene til hver krets og mål deretter rippelen. Resultat?
Ripple uten kondensator:
Ripple med kondensator:
Lab. oppgave 2
Side 7