Schaltungsentwurf mit Standardschaltkreisen

1. Übung EDS: Schaltungsentwurf mit
Standardschaltkreisen
Prof. G. Kemnitz, Dr. C. Giesemann, TU Clausthal, Institut für Informatik
23. April 2014
Abb. 1 zeigt eine Schaltung aus den jeweils vier Gattern eines 74HC08 (4×AND2) und eines
74HC86 (4×EXOR) angeschlossen an den digitalen Ein-/Ausgängen (DIO's) des Electronics
Explorers und einen Vorschlag für den Aufbau auf dem Steckbrett (ohne Verbindungen zu den
DIOs).
x0
y0 x 1
=1
&
c0
y1
x2
=1
c1
&
y2
x3
=1
c2
&
y3
=1
c3
&
c4
DIO
0 1 2 3 4 8 9 10 11 12
Anschluss c0 x0 x1 x2 x3 y0 y1 y2 y3 c4
x2
74HC08
14
13
12
x3 c4
11
10
9
14
UV
&
&
UV
13
12
11
y3
10
9
8
UV
&
1
y2
74HC86
8
a)
2
c0 x0
=1
&
3
4
5
=1
=1
6
7
1
x1
2
=1
3
y0
4
5
6
y1
7
b)
Abbildung 1: Testschaltung für den Logiktest a) Schaltplan b) Steckbrettaufbau
Schaltungsaufbau
Electronics Explorer an Spannung und über USB an den PC anschlieÿen. Programm Waveforms
starten (all Programms > Digilent >Waveforms). Device auswählen. Schaltung auf dem Steckbrett des Electronics Explore aufbauen, Ein- und Ausgänge mit den DIOs verbinden (nummerierte
Anschlüsse der Digital-x-Blöcke), Masse und Versorgungsspannung mit ↓ und Vcc verbinden.
1
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Prof. G. Kemnitz: Übungsaufgaben zur Einführung in die Elektronik
Kontrolle aller Verbindungen mit Multimeter als Durchgangsprüfer. Sichtkontrolle durch den
Übungsleiter. Erst dann Spannung einschalten.
Statischer Test
Ein statischer Test kontrolliert die logische Funktion ohne Berücksichtigung potentieller Probleme durch Signalverzögerungen. In jedem Testschritt werden Eingabewerte eingestellt (z.B. mit
Schaltern) und die Ausgaben überprüft (z.B. mit Leuchtdioden). Hier soll der Test mit SoftwareSchaltern und Leuchtdioden erfolgen. Im Startfenster von WaveForms Static I/O önen. Für
die Beispielschaltung sind DIO 0 bis DIO 4, wie in Abb. 1 als Schalter zu kongurieren (rechte
Maustaste > Push/Pull Switch). DIO 8 bis DIO 12 sind als Leuchtdioden zu belassen. Der Test
besteht darin, Schalterwerte einzustellen und Ausgabewerte zu protokollieren bzw. mit Sollwerten
zu vergleichen.
c4
y3
y2
y1
y0
x3
x2
x1
x0
c0
Abbildung 2: Konguration des Static-I/O-Fensters für die Testschaltung in Abb. 1
Aufgabe 1.1
Aktivieren Sie im Fenster Power Supplies and Voltmeter die Quelle Vcc. Führen Sie die Tests
durch und füllen Sie Tabelle 1 aus:
Test mit Logikgenerator und Logikanalysator
Ein Logikgenerator stellt Folgen digitale Eingabesignale bereit und ein Logikanalysator zeichnet
digitale Signalfolgen auf. Der Electronics Explorer hat 32 digitale Anschlüsse, die alle auÿer
als static I/O's, auch als Logikgeneratorausgänge und Logikanalysatoreingänge genutzt werden
können. Vor Nutzung als Generatorausgänge Static I/O-Fenster schlieÿen.
Das Logikgeneratorfenster wird über die Schaltäche Patterns in der Spalte Digital geönet.
Für das Beispiel sind im Logikgenerator-Fenster
ˆ Eingabebus denieren: Add > Bus > Name: Eing; DIO 4 bis DIO 0 nach Selected; Format
Hexadecimal; ok;
ˆ Korrektur: Bus Eing auswählen > Edit > Edit Properties of "Eing"
ˆ Eingabedaten festlegen: Bus Eing auswählen > Edit > Edit Parameters of "Eing" > Type
Random; Optput: PP; Idle: Low; Frequency: 1 kHz
ˆ Abspielfenster: Run: 10ms; Scale: Auto
ˆ Wiederholanzahl Repeat: 1 (Abb. 3).
3
Prof. G. Kemnitz: Übungsaufgaben zur Einführung in die Elektronik
DIO 4
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
DIO 3
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
DIO 2
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
DIO 1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
DIO 0
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
DIO 8
DIO 9
DIO 10
DIO 11
DIO 12
Tabelle 1: Wertetabelle
Abbildung 3: Kongurationsfenster des Logikgenerators
Das Logikanalysatorfenster wird über die Schaltäche Analyzer in der Spalte Digital geönet.
Prof. G. Kemnitz: Übungsaufgaben zur Einführung in die Elektronik
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Abbildung 4: Kongurations- und Aufzeichnungsfenster des Logikanalysators
Im Logikanalysatorfenster sind folgende Kongurationen vorzunehmen (Abb. 4):
ˆ Eingabebus denieren: Add > Bus > Name: Eing; DIO 4 bis DIO 0 nach Selected; Format
Hexadecimal; ok;
ˆ Ausgabebus denieren: Add > Bus > Name: Ausg; DIO 12 bis DIO 8 nach Selected; Format
Hexadecimal; ok;
ˆ Aufzeichnungsbeginn bei Start des Signalgenerators: Source: Patterns
ˆ Darstellungszeit 0 bis 10 ms ab Start: Base: 1 ms/div; Pos: 5 ms
ˆ Mode Normal (Abb. 4).
Aufzeichnung:
ˆ Vcc, falls noch nicht erfolgt, einschalten.
ˆ Im Logikanalysator-Fenster Button Single betätigen.
ˆ Warten bis der Trigger-Zustand von Ready auf Armed (scharf) wechselt.
ˆ Im Logikgeneratorfenster Button Run betätigen.
ˆ Warten bis der Trigger-Zustand über Trig'd auf Done wechselt.
Zur Untersuchung der Verzögerungszeiten ist der Test wesentlich schneller durchzuführen, z.B.
Mit einem Takt von 10 MHz statt 1 kHz. Dazu im Logikgeneratorfenster umstellen:
ˆ Generatortakt: Bus Eing auswählen > Edit > Edit Parameters of "Eing" > Frequency:
10 MHz
ˆ Anzeigefenster anpassen: Run 1 µs
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Abbildung 5: Schnelle Datenaufzeichnung
Im Logikanalysator ist auch das Zeitfenster umstellen: Base: 100 ns/div; Pos: 500 ns.
Abb. 5 zeigt den so aufgezeichneten Signalverlauf, in dem die Ausgabeänderungen sichtbar
gegenüber den Eingabeänderungen verzögert sind.
Aufgabe 1.2
Führen Sie für die aufgebaute Beispielschaltung die beschriebenen Tests mit dem Logikgenerator
und -analysator durch. Kontrollieren Sie, dass die logischen Ausgaben in jedem Testschritt mit
denen aus der vorherigen Aufgabe übereinstimmen.
Aufgabe 1.3
Erweitern Sie das bisherige Testobjekt, die Inkrement-Funktion, mit einem zusätzlichen Schaltkreis
74HC174 (6 Registerzellen) zu einem 4-Bit-Zähler. Führen Sie mit dieser Schaltung zuerst einen
statischen und dann einen dynamischen Test durch.
Aufgabe 1.4
Entwerfen Sie mit den verfügbaren Schaltkreisen eine weitere Schaltung ihrer Wahl und probieren
Sie diese in derselben Weise aus.