TECHNISCHE NIVESITÄT CHEMNITZ FAKLTÄT FÜ INFOMATIK Hardwarepraktkum m WS 00/03 Versuch 6 TTL-Schaltkrese Gruppe 08: Janna Bär Chrstan Hörr obert ex Chemntz,. Januar 003
Hardwarepraktkum TTL-Schaltkrese Aufgabe. Leten Se de Formeln (9) und (0) her! De n Bld 7 der Versuchsanletung dargestellte Schaltung muss laut dem. KICHHOFFschen Satz am nneren Knoten, also an dem Knoten, welcher de Zwege der Ausgänge, de Zwege der Engänge und den Zweg mt dem Kollektorwderstand verbndet, de Bedngung erfüllen, dass de Summe der Engangsströme glech der Summe der Ausgangsströme st. Wr unterscheden nun de beden Fälle Hgh- und Low-Pegel: Fall A: Hgh-Pegel Jeder der m Engänge nmmt be enem H-Pegel enen Strom von 40 µa auf. De Ausgänge nehmen enen gerngen Sperrstrom auf (über den Transstor T3; dargestellt n Bld 5 der Versuchsanletung). Das Potental oberhalb des Wderstandes (Betrebsspannung st größer, als jenes unterhalb des Wderstandes ( chtung des nneren Knoten. Daraus folgt: I = I + I IH CC ; 5V) ;,4 V). Somt fleßt en Strom n I muss also mndestens de Summe der Ströme n I und I IH m lefern. Weterhn glt zwngend, dass der Spannungsabfall am Wderstand ncht größer werden darf als 5 V,4 V =, 6 V, da sonst de Engänge den H-Pegel ncht mehr scher erkennen können. Zur Berechnung des Wderstandes glt das Ohmsche Gesetz: = I = I Damt glt: CC C (entsprcht Glechung (9)) n I + m I IH Fall B: Low-Pegel Im Falle enes L-Pegels glt für den Spannungsabfall am Wderstand: = = 4, CC OL 6 V De Gatter, welche am Ausgang auf L-Pegel legen, lefern enen Strom der Größe: I = k F I = k 0, ma ; F K Ausgangslastfaktor OL IL 6
Hardwarepraktkum TTL-Schaltkrese 3 De Gatter, welche enen H-Pegel lefern, nehmen enen m Verhältns zu I OL sehr klenen Strom auf, so dass des vernachlässgt werden kann. Somt ergbt sch m nneren Knoten laut KICHHOFFschem Satz: I + ( I ) + I OL = I IL ; Für den Wderstand glt damt: I vernachlässgbar CC OL C (entsprcht Formel (0)) I OL m I IL Im ungünstgsten Fall lefert nur en Gatter am Ausgang den Strom I OL, es glt also für den Wderstand: CC OL 4,6 V C = 6 ma m,6 ma ( 6,6 m)ma Aufgabe. Entwerfen und realseren Se unter ausschleßlcher Verwendung von Open-collector- Negatoren de BOOLEsche Funkton ( a b, c d ) = ( a b)( c d ) y = f,,. De Schaltung soll den Ausgangslastfaktor F 4 haben. Berechnen Se alle erforderlchen Kollektorwderstände. Zu allererst muss de Funktonsglechung so umgeformt werden, dass nur Negatonen und Konjunktonen übrg bleben: y = y = y = ( a b) ( c d ) ( a b) ( c d ) ( a b) ( c d ) Daraus ergbt sch das umsetge Schaltbld:
Hardwarepraktkum TTL-Schaltkrese 4 a b c Y d 3 CC ( + 5V ) Abbldung : De Funkton f realsert durch Wred ANDs An jedem Knoten mt Kollektorwderstand befnden sch also jewels zwe Ausgänge und en Engang. Des glt auch für den Kollektorwderstand am Ausgang unter der Annahme, dass das Ergebns der Glechung wederum nur an en enzges Gatter wetergerecht wrd. Daraus ergbt sch für de Wderstände:,,,6 V ( 0,40 + 0,04) 4,6 V ( 0,6,6) Wegen F 4 glt für 3 : = 3, kω ma = 0,3 kω ma 3 3,6 V ( 0,40 + 0,04 4) 4,6 V ( 0,6 4,6 ) =,74 kω ma = 0,48 kω ma Für,, 3 können also bedenkenlos Wderstände von,8 kω engesetzt werden. Im Versuchsaufbau kommen Kollektorwderstände von,8 kω zum Ensatz. Welcher Ausgangslastfaktor wrd damt errecht? Aus Formel (0) ergbt sch:
Hardwarepraktkum TTL-Schaltkrese 5 4,6 V,8 kω ( F,6, )ma 6... unter der Annahme, dass wederum nur en enzger Engang mt Strom versorgt werden muss. F =,6 F = Durchführung: De Schaltung funktonerte n der ealserung so, we vorhergesagt. Der Versuch verlef erfolgrech. Für de Bestätgung der Korrekthet der Ergebnsse lag folgende Wertetabelle zugrunde: a b c d y = f ( a, b, c, d ) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Abbldung : Wahrhetstabelle für de Funkton f
Hardwarepraktkum TTL-Schaltkrese 6 Auch de Vorhersage der Smulaton wurde bestätgt: a b c d 5V 0s.0us 4.0us 6.0us 8.0us V(y) Tme Abbldung 3: PSpce-Smulaton der Funkton f Aufgabe.3 Be der nachstehenden Schaltung (Bld 9) handelt es sch um enen nvbrator (auch: monostablen Multvbrator, Monoflop). () Analyseren Se de Funktonswese der Schaltung. Fall : E legt auf Low-Pegel In desem Fall legt am rechten NAND drekt en L-Pegel am Engang an, so dass der Ausgang garantert enen H-Pegel lefert. Der Kondensator hat sch nahezu entladen (über de Dode). Fall : E hat ene stegende Flanke De Dode sperrt jetzt den über den Wderstand heran fleßenden Strom. Dadurch fängt der Kondensator an sch aufzuladen. Solange de Spannung am Kondensator noch ncht de Spannung überschretet, de das untere NAND-Gatter als H-Pegel erkennt, lefert selbges Gatter enen H-Pegel an das rechte NAND. Dadurch wrd am Ausgang für ene gewsse Zet en L-Pegel gelefert (da der zwete Engang des rechten NANDs enen H-Pegel von E erhält). Fall 3: E legt auf Hgh-Pegel Nachdem sch der Kondensator so stark aufgeladen hat, dass das untere NAND zwe H-Pegel erkennt (E lefert ja ebenfalls ene solche Spannung), wrd en L-Pegel am Ausgang ausgegeben. Das zwete NAND erkennt desen Pegel, und lefert folgerchtg an senem Ausgang jetzt weder enen H-Pegel. Somt lefert der stable Zustand deser Schaltung enen Hgh-Pegel am Ausgang, während m nstablen Zustand en Low-Pegel erzeugt wrd.
Hardwarepraktkum TTL-Schaltkrese 7 () Nehmen se be = 0 kω und C = 0nF de Sgnalverläufe an den Messpunkten MP bs MP4 oszllographsch auf und übertragen se ns Versuchsprotokoll. De Smulaton der Sgnalverläufe mt PSpce an den Messpunkten MP, MP, MP3, MP4 ergab folgende Kurven: 5V 0s 0us 0us 30us 40us 50us V(MP) Tme.. 0s 0us 0us 30us 40us 50us V(MP) Tme - 0s 0us 0us 30us 40us 50us V(MP3) Tme - 0s 0us 0us 30us 40us 50us V(MP4) Tme
Hardwarepraktkum TTL-Schaltkrese 8 Be geegneten Enstellungen für Frequenz, Spannungs- und Zetberech entsprachen de Sgnalverläufe be der Versuchsdurchführung sehr genau denen aus der Smulaton. Man seht, dass de Schaltung unter geegneten Voraussetzungen sogar als Frequenzteler fungeren kann! (3) Nehmen se de Abhänggket t H = f () mt C als Parameter auf und stellen Se se grafsch dar. t n µs n kω C n nf 0,3, 3,3 5, 0 33 0, 0,5 0,5 0,6 0,75,,4 0 0,5,75 3,9 5, 7,,4 4,9 00 5,5 6 36 58 74 0 30 Abbldung 4: Messwerttabelle -t-dagramm 000 00 t n µs 0 nf 0 nf 00 nf 0, 0 5 0 5 0 5 30 n kω Abbldung 5: Abhänggket der Zet t H vom Wderstand
Hardwarepraktkum TTL-Schaltkrese 9 (4) Leten Se aus den Messwerten ene Näherungsformel für t H = f (, C) ab. Obwohl der Wderstand unendlch wrd, wurde für de Zet en endlcher Wert gemessen. Das deutet auf enen latenten parallelen Wderstand der Elektrotechnk st de Formel t = k C bekannt, wobe k enen konstanten Proportonaltätsfaktor darstellt. Wegen = glt: ges t = k C + hn: den Innenwderstand der Gatter. Aus ( + ) t k = C Wegen konstantem k glt für zwe Messwerte aus der glechen Messrehe: t ( + ) t ( + ) C t mgestellt nach = ( + ) = t ( + ) : = t C ( t t ) t Es werden nun de Messwerte engesetzt: Messrehe = 330 Ω und = 33 kω für alle dre Messrehen C = nf : = 3, 7 kω k = 0, 33 Messrehe Messrehe C = 0 nf : = 9, 3 kω k = 0, 6 C = 00 nf : = 7, 84 kω k = 0, 7 Aufgrund der telwese enormen Messfehler werden de arthmetschen Mttel herangezogen: = 6, 96 kω k = 0, Als sehr grobe Näherungsformel für t H wurde damt ermttelt: ( 6, kω) t H 0. C 96