Digitale technieken Combinatorische en sequentiële logica

Transcriptie

1 Digitale technieken Combinatorische en sequentiële logica ir. Patrick Colleman

2 1 Inleiding Systemen Voordelen van digitale systemen Nadelen van digitale systemen 6 Hoofdstuk 1 : Logische uitdrukkingen Inleiding Voorbeeld Binaire voegwoorden Waarheidstabel Wetten van De Morgan Alle functies kunnen met NEN- of NOF-poorten gerealiseerd worden Logische symbolen Ontwerp theoretisch logicaschema Uitgewerkte oefening Oefeningen. 15 Hoofdstuk 2 : Algebra van Boole Inleiding Postulaten Dualiteit Enkele stellingen en lemma's Gebruik van NAND en NOR poorten Oefeningen. 21 Hoofdstuk 3 : Minimalisatie van Boolse functies Inleiding Standaardvorm van een Boolse functie Standaardvorm uit een waarheidstafel Karnaughkaart voor het vereenvoudigen van Boolse funkties Karnaughkaart voor 2 variabelen Karnaughkaart voor 3 variabelen Vereenvoudigingsregels Karnaughkaart voor 4 variabelen Functies met niet relevante toestanden Minimalisatie met meer dan 4 ingangen Karnaughkaart voor 5 variabelen Karnaughkaart voor 6 variabelen Quine - Mc Cluskey Meervoudige functies Hazards Oefeningen.

3 44 Hoofdstuk 4 : Digitale logische families Resistor Transistor Logica (RTL) en Diode Transistor Logica (DTL) Standaard TTL Begrippen Vertragingstijd td - rise en fall time Vermogenverbruik P Fan-in Fan-out Open collector - wired and en wired or Hoog impedante toestand Logische niveaus Transferkarakteristiek Hysteresis SSI, MSI, LSI, VLSI Andere types TTL componenten Low power en high speed TTL Schottky en low power Schottky TTL Advanced low power Schottky en advanced Schottky Vergelijking tussen de verschillende TTL types ECL - EECL HNIL IIL De MOS familie N-MOS CMOS SOS,VMOS,HMOS, LOCMOS, DMOS, HEXMOS, enz Berekening van het vermogenverbruik van CMOS schakelingen Tweelagenlogica met NAND en NOR poorten Gebruik van componenten op een print Oefeningen. 69 Hoofdstuk 5 : Praktische realisatie van logische schakelingen Bestaande poortschakelingen Hoog- en laagactieve signalen Poorten en hun waarheidstabel input AND poort input NAND poort input OR poort input NOR poort input EXOR poort Praktische realisatie van oefening Ingangsschakelingen Debouncing met condensator Debouncing met omschakelcontact Softwarematige debouncing Ingangsschakelingen met galvanische scheiding.

4 Uitgangsschakelingen Uitgangsschakelingen met galvanische scheiding Overdracht van een digitaal signaal over een langere afstand. 81 Hoofdstuk 6 : Combinatorische bouwblokken Multiplexers Bespreking van multiplexers Realisatie van een functie met behulp van een multiplexer Demultiplexers Analoge multi-/demultiplexers Decoders Encoders Code omzetters Optelschakelingen Half adder Full adder bit full adder Seriële optelschakeling Comparator Arithmetic and logical unit Pariteitsgenerator Programmeerbare bouwstenen Oefeningen. 96 Hoofdstuk 7 : Latches en Flip-Flops Inleiding De set-reset-latch Latches en flip-flops met een controle of klok ingang Pulse triggered SR latches Set reset FF s met flank getriggerde (edge triggered) controle ingang Master-Slave FF's Data lock out FF's De JK-FF De Data FF (D latch of D FF) De Toggle FF De SCAN-FF Golfvormen Opzet- en aanhoudtijd (setup en hold time) Registers.

5 107 Hoofdstuk 8 : Tellers en schuifregisters Werking van een synchroon sequentieel systeem Transitie of exitatietabel Synchrone binaire opteller Synchrone decade teller Onderzoek naar niet geldige of illegale toestanden Synchrone binaire op- /afteller met parallelle laad ingangen Kaskadeschakeling van tellers Synchrone n-teller Modulo n-teller Tellers met gedecodeerde uitgangen Asynchrone tellers Schuifregisters Enkele speciale schakelingen Een impuls halen uit een signaal Storingsimpulsen tot een controlecyclus lang uitfilteren Synchronisatie van de ingangen Oefeningen. 128 Hoofdstuk 9 : Synthese van Finite State Machines Blokschema en toestandsdiagramma van sequentiële systemen Voorbeelden met Moore architectuur Een eenvoudig rekenvoorbeeld Een looplicht Codewoorddetectie Een flessenteller Een blokspanningsgenerator en frequentiedeler Een dobbelsteen Voorbeeld met de Mealy architectuur De dobbelsteen Vergelijking Moore - Mealy Minimalisatie van toestanden 157 Hoofdstuk 10 : VHDL Beschrijving van de ingangen en uitgangen van een schakeling Architectuurblok Block statement Gebruik van vectoren Concatenatieoperator Processen If - Then - Else Case When - Else With - select Beschrijving van geheugens ( flipflops)

6 Guarded blocks Andere IEEE std logic std logic arith std logic signed std logic unsigned Enkele voorbeelden Een 4 bit comparator Een flipflop Een latch Een resetbaar 8 bit register Een 4 bit shift register Een eenvoudig ALU Een eenvoudig FSM Een upcounter (met integers) Binnenverlichting van een wagen Een drankautomaat Sturing van de lichten van een kruispunt Voorbeeld van een Mealy architectuur ABEL 208 Hoofdstuk 11 : Asynchrone sequentiële systemen Inleiding Consequenties van de keuze voor asynchroon ontwerpen Het voorkomen van hazards in de toestandsbepaling ten gevolge van input-variaties Het voorkomen van hazards in de bepaling van de volgende toestand Inventarisatie van de extra eisen ten behoeve van asynchroon ontwerpen De draairichtingsdetector Een seriële pariteit generator Een bus arbiter De edge triggered D flipflop Toestandsminimalisatie (Moore) Toestandsminimalisatie (Mealy) 236 Hoofdstuk 12 : Analoog digitaal en digitaal analoog convertoren Begrippen Nyquist Digitaal analoog convertoren Inleiding Op basis van spanningen Op basis van stromen Met gewogen weerstanden R/2R netwerk Stroomspiegels

7 Op basis van switched capacitors Analoog digitaal convertoren ADC op basis van up counter Successive approximation ADC Flash ADC Pipeline ADC Dual slope ADC Sigma delta ADC

8 Voorwoord Deze basiscursus digitale elektronica gaat over de beginselen van combinatorische en sequentiële schakelingen. In het eerste deel, dat over combinatorische logica gaat, worden Boolse functies besproken en de verschillende manieren om ze te vereenvoudigen, met natuurlijk de Karnaughkaart voorop. De verschillende logische families, waaronder de TTL reeksen en CMOS, en hun kenmerken worden eveneens besproken. In hoofdstuk 5 gaat het over de meer praktische kant van het gebruik van logische poorten, waaronder de principes van dender. In hoofdstuk 6 tenslotte gat het over combinatorische bouwblokken die men als dusdanig kan kopen. We denken hierbij aan multiplexers, demultiplexers, decoders, adders en programmeerbare bouwstenen. In het tweede deel, dat over sequentiële logica gaat, bespreken we eerst de basisbouwsteen: de flipflop met al zijn varianten. Deze gaan we dan toepassen in de studie van de verschillende soorten tellers. Uiteindelijk gaat hoofdstuk 9 over de synthese van een FSM, waarbij een teller duidelijk een speciaal soort FSM is. In dit hoofdstuk worden de principes duidelijk gemaakt aan de hand van vele voorbeelden. Ook de (theoretische) verschillen tussen Moore en Mealy worden besproken. In het derde deel, dat over hardware description languages gaat (of programmeertalen om schakelingen te beschrijven), bespreken we VHDL Deze taal wordt zeer veel gebruikt in de industrie. Wanneer we dan de moderne technieken kennen om synchrone machines te ontwerpen, gaan we in het vierde deel de asynchrone sequentiële machines bestuderen. In het vijfde deel, dat over ADC en DAC gaat, bespreken we de principes van analoogdigitaal en digitaal-analoog omzetting. ir. Patrick Colleman. Boortmeerbeek, 5 juli 2001