Elektronikpraktikum - SS 2014 H. Merkel, D. Becker, S. Bleser, M. Steinen Gebäude (Anfängerpraktikum) 1. Stock, Raum 430

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1 Elektronikpraktikum - SS 24 H. Merkel, D. Becker, S. Bleser, M. Steinen Gebäude 2-43 (Anfängerpraktikum). Stock, Raum 43 Serie 7: Digitale Schaltungen./.7.24 I. Ziel der Versuche Verständnis für Entwurf und Funktionsweise digitaler Schaltungen. II. Vorkenntnisse Kombinatorische Logik (Boolesche Algebra, Gatter und : AND, OR, NAND, NOR, XOR), sequentielle Logik (RS-Flip-Flop, D-Flip-Flop, Frequenzteiler, Schieberegister), übliche Logikpegel/Logikfamilien (TTL, CMOS). Zur Vorbereitung und Durchführung der Versuchsreihe sollten den Datenblättern die wichtigsten Eigenschaften der Bausteine entnommen werden (siehe Links im Anhang, es genügen jeweils die ersten vier Seiten). III. Aufbau Während die grundlegenden Logikfunktionen kombinatorischer und sequentieller Schaltungen als bekannt vorausgesetzt werden, sollen in der heutigen Praktikumsserie elektrische Kenngrößen ausgemessen sowie Schaltungen überprüft werden. Zum Aufbau der Schaltungen steht folgendes vorverdrahtetes Steckbrett zur Verfügung: Die Messungen sollen mit Hilfe von Pulsgenerator und Oszilloskop durchgeführt werden. Sie können mit den BNC-Buchsen auf dem Steckbrett verbunden werden. Die Versorgungsspannungen der Logikbausteine sind bereits verdrahtet. Beachten Sie, dass alle Steckplätze auf dem Board in zwei Reihen ausgeführt sind, bei denen die jeweils gegenüberliegenden Plätze äquivalent sind. Die vorverdrahteten Verbindungen sollen nicht verändert werden.

2 IV. Durchführung Stellen Sie sicher, dass bei der Versuchsdurchführung die maximal zulässigen Signalpegel nicht überschritten und Ausgänge nicht kurzgeschlossen werden. Konsultieren Sie im Zweifelsfall noch einmal die Datenblätter. Dokumentieren Sie alle Messergebnisse tabellarisch und nehmen Sie jeweils ein Bild mit Hilfe des Oszilloskops auf, achten Sie dabei auf einen für Messung und Darstellung sinnvollen Messbereich. Beim Anfertigen von n genügt es, ein Bild für einen Eintrag zu machen, alle übrigen Ergebnisse und Beobachtungen sollten anhand von Oszillographenbildern, welche das Eingangs- und die Ausgangssignale zeigen, belegt werden. Der Pulsgenerator kann auf eine Frequenz von 5 Hz und eine Amplitude von 5 V (Low Level V, High Level 5 V) eingestellt werden, als Signalform eignen sich je nach Kenngröße Rechtecksignal (Zeitmessungen) und/oder Dreiecksignal (Schwellenverhalten). Notieren Sie Ihre Einstellungen und alle Veränderungen. Hinweis: Sie können Ihre Einstellungen am Pulsgenerator auch abspeichern. Kombinatorische Logik. Bestimmen Sie das Schaltverhalten einer Inverterstufe des HCT4. A Y Berücksichtigen Sie beim Vergleich der Signale auch die verwendeten Kabellängen. Schließen Sie den Eingang des Oszilloskops mit dem Wellenwiderstand der Koaxialkabel ab, um Reflexionen zu vermeiden.. Ermitteln Sie die, Ausgangspegel und Schaltschwellen..2 Nehmen Sie des weiteren je ein Bild der Struktur der steigenden sowie der fallenden Signalflanke auf, anhand deren Sie Anstiegszeit, Abfallzeit und Einschwingzeit ermitteln können. Die Größen sind wie folgt definiert: Anstiegszeit tr: Abfallzeit tf: Einschwingzeit ts: Zeit, die das Signal benötigt um von % auf 9% der Amplitude zu steigen. Zeit, die das Signal benötigt um von 9% auf % der Amplitude zu fallen. Zeit, die das Signal benötigt bis es um weniger als 2% von der Signalamplitude abweicht..3 Bestimmen Sie die Zeitdifferenz der Zeitpunkte, zu der Eingangs- und Ausgangssignal 5% ihres Maximalwertes erreicht haben. Verwenden Sie hierzu die Tastköpfe, um die Signale mit dem Oszilloskop darzustellen. Führen Sie dies sowohl an der steigenden als auch an der fallenden Flanke durch. In der Literatur werden diese Zeiten als tplh beim Wechsel von Low nach High und als tphl beim Wechsel von High nach Low bezeichnet.

3 .4 Führen Sie die Versuche.2 und.3 auch für den Inverterchip 74AC4 durch, der das gleiche logische Verhalten hat, aber aus einer anderen Logikfamilie stammt..5 Hausaufgabe Bestimmen Sie für beide Invertertypen die Anstiegszeit, Abfallzeit und Einschwingzeit mit Hilfe der aufgenommenen Bilder. Bilden Sie jeweils die Gatterlaufzeit tpd als Mittelwert von tplh und tphl..6 Hausaufgabe Vergleichen Sie Ihre Ergebnisse mit den Angaben im Datenblatt. Gibt es Abweichungen, wenn ja, wodurch können sie verursacht werden? 2. Messen Sie die Laufzeit von sechs Gattern. Die Hintereinanderschaltung der Gatter ist auf der Platine bereits durch Drahtbrücken gesteckt. 3. Verschalten Sie die Gatter des HCT4 zu einem Ringoszillator mit n Stufen. Dazu genügt es den n-ten Ausgang auf den ersten Eingang zurückführen. Der Ringoszillator benötigt kein Eingangssignal. 3. Ermitteln Sie für drei verschiedene, sinnvolle Stufen n Frequenz/Periode der Oszillation. 3.2 Hausaufgabe Erläutern Sie die Funktionsweise des Ringoszillators. Bei welchen n lassen sich keine Oszillation beobachten? 4. Bestimmen Sie das Schaltverhalten einer NAND-Stufe des HC32. A B Y Verwenden Sie einen Schalter (Kippschalter Sch_High-Low ) um einen der Eingänge auf festen Logikpegel setzen zu können, während der andere mit dem Pulsgenerator verbunden ist. Ermitteln Sie, Ausgangspegel und Schaltschwellen.

4 5. Erstellen Sie eine Koinzidenzschaltung nach folgendem Schaltbild: Dazu werden zwei Pulsgeneratoren verwendet. Führen Sie diesen Aufgabenteil gegebenenfalls mit der Nachbargruppe aus. Stellen Sie jeweils eine Amplitude von 5 V (Low Level V, High Level 5 V) ein. Die Frequenz des ersten Pulsgenerators sollte 4 khz betragen bei einer Impulsbreite von 3 ns und der zweite Pulsgenerator sollte mit einer Frequenz von MHz bei einer Pulsbreite von ns betrieben werden. Hinweis: Da das Steckbrett nur über einen Eingang und zwei Ausgänge verfügt, müssen Sie die Schaltung hier umgekehrt aufbauen. 5. Schauen Sie sich die beiden Eingangssignale und das Ausgangssignal auf dem Oszilloskop an und triggern Sie auf die Koinzidenz. Halten Sie das Bild über den Stop/Run-Knopf an, wenn es zu einer Koinzidenz kommt und nehmen Sie das Bild auf. 6. Freiwillige Aufgaben, wenn noch Zeit bleibt: Beschalten Sie den HCT32 nach folgendem Schaltbild: Anstelle der Kippschalter können Sie auch die Druckschalter SW/2_High-Low verwenden. 6. Ermitteln Sie die, testen Sie die Zustände auch auf Eindeutigkeit.

5 R S P Q 6.2 Beschreiben Sie die Funktionsweise der Schaltung. Unter welcher Bezeichnung ist diese aus der Literatur bekannt? 7. Beobachten Sie das Schaltverhalten eines Tasters mit dem Oszilloskop. 7. Nehmen Sie das Prellen mit dem Oszilloskop auf. 7.2 Wie kommt das Prellen zustande? 7.3 Wie kann man das Signal entprellen? Skizzieren Sie eine mögliche Schaltung. Sequentielle Logik 8. Bestimmen Sie das Schaltverhalten eines D-Flip-Flops des HCT74. Verbinden Sie den Pulsgenerator mit dem Eingang CLK (= Clock, Taktgeber) und einen Schalter mit D. Die Setz- und Rücksetzeingänge (PRE, CLR) sind active low und müssen auf den inaktiven Zustand festgelegt werden, damit die Schaltung korrekt funktioniert. Beachten Sie dabei, dass diese beiden Eingänge negiert sind. Betrachten Sie CLK, D und Q mit dem Oszilloskop. Überlegen Sie sich vorab, auf welchen Kanal getriggert werden muss, damit ein aussagefähiges Bild entsteht. 8. Ermitteln Sie die ( steht für die steigende Flanke), Ausgangspegel und Schaltschwellen. CLR PRE CLK D Q Q

6 8.2 Nehmen Sie des weiteren je ein Bild der Struktur der steigenden sowie der fallenden Signalflanke auf, anhand deren Sie Anstiegszeit, Abfallzeit und Einschwingzeit ermitteln können 8.3 Bestimmen Sie tplh und tphl. 9. Verschalten Sie den HCT74 zum Frequenzteiler :2 indem Sie Q mit D verbinden. Erweitern Sie diesen zu einem Frequenzteiler :4. Dazu muss der Ausgang Q mit dem Eingang 2CLK verbunden werden und 2Q mit 2D. 9. Bestimmen Sie jeweils tplh und tphl.. Bauen Sie ein 2-bit Schieberegister (Frequenz,5 Hz). Verwenden Sie Taster oder Schalter zur Takt- und Dateneingabe. Eine parallele Datenausgabe können Sie mit den Leuchtdioden realisieren. Datenblätter:

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