Labo digitale technieken

Transcriptie

1 .. Het gebied "elektronica" is reeds geruime tijd onderverdeeld in twee specialiteiten, namelijk de analoge en de digitale technieken. Binnen analoge schakelingen gebeurt de signaalverwerking met lineaire en niet-lineaire componenten. Denk hierbij b.v. aan een spanningsversterker bestaande uit transistoren of OPAMP's. De kwaliteit van het uitgangssignaal wordt hoofdzakelijk bepaald door de eigenschappen van de gebruikte componenten (lineariteitsfouten, toleranties ) en de omstandigheden waarbinnen de schakeling functioneert (temperatuursvariaties, ruis en externe storingen ). Digitale schakelingen werken volgens een "logica". Alle in- en uitgangen van een schakeling kennen twee toestanden, "" en "". Fysisch komen deze respectievelijk overeen met Volt en voedingsspanning. Met behulp van logische bouwstenen, logische poorten, reageert de uitgang op een welbepaalde ingangscombinatie. Digitale systemen verwerken de aangebode informatie veel correcter en sneller dan eenzelfde systeem opgebouwd rond analoge componenten. De meeste digitale systemen werken volgens onderstaand blokschema. analoog ingang(en) digitaal signaal conditionering ADC digitale verwerking geheugen digitaal uitgang(en) digitale schakeling analoog signaal conditionering DAC Ingangssignalen kunnen onder verschillende vormen worden aangeboden. Analoog (sensoren, schermen, motoren, meetinstrumenten ) of digitaal (schakelaars, displays, printers, ). De conditioneringsschakeling zorgt voor de signaalomvorming (bv. temperatuur naar spanning). Vervolgens bereikt de informatie het digitaal verwerkingssysteem via een analoog naar digitaal omvormer (ADC). Het digitale verwerkingsblok wordt eventueel uitgebreid met geheugencellen. Het resultaat wordt digitaal of analoog naar buiten gebracht. Analoge signalen komen via een digitaal naar analoog omvormer (DAC) en een conditioneringsschakeling naar de verbruiker. De labozittingen handelen hoofdzakelijk over de digitale verwerking, zonder rekening te houden met de oorsprong en de bestemming van de signalen.

2 Talstelsels. Een digitaal in- en uitgangssignaal kent twee toestanden. +5V S gesloten "" open "" R inputs digitale verwerking outputs lamp uit "" aan "" Inplaats van aan en uit spreken we liever van: positieve logica: negatieve logica: aan uit aan uit H(oog) L(aag) H(oog) L(aag) Ucc GND GND Ucc Eén digitale signaallijn noemt men een BIT. Niet alle ingangscombinaties kunnen met één bit worden voorgesteld. Denk maar aan het toetsenbord van een computer. Het systeem heeft 8 bits (= byte) nodig om te weten welke toets men activeert. Een aantal bits die bij elkaar horen worden meestal voorgesteld door een letter, gevolgd door een nummer die de bitpositie weergeeft. toets "A" "7" A (LSB) A A2 A3 A4 A5 A6 A7 (MSB) Naargelang het aantal ingangen toeneemt, zal de binaire notatie onleesbaar worden en gaan we overstappen tot een verkorte weergave. De hexadecimale weergave (groeperen van 4 bits) is hiervoor uiterst geschikt. toets "A" = () 2 = (4) 6. toets "7" = () 2 = (37) 6. 2

3 binair hexadecimaal decimaal A B C 2 D 3 E 4 F FF 255 Voorstellingsmethoden van digitale systemen. Aan de basis van elke digitale schakeling liggen een drietal poorten namelijk: AND (. ): de uitgang is "" indien alle ingangen "" zijn. OR ( + ): de uitgang is "" indien minstens één ingang "" is. NOT ( ): de uitgang is "" indien de ingang "" is. Een combinatie van deze basispoorten vormt een welbepaalde schakeling. Deze wordt beschreven aan de hand van vier voorstellingsmethoden. * De logische vergelijking. Ontwerp een meerkeuze schakelaar waarbij de schakelstand wordt bepaald door een ingang (M). M D D F Indien de ingang M = "", dan volgt de uitgang het signaal dat op D verschijnt (F = D). Voor M = "" volgt de uitgang de waarde op D (F = D). Met andere woorden: F = "" indien M = "" en D = "" of M = "" en D = "". F = M.D + M.D logische of Booleaanse vergelijking 3

4 * Het schema. D D AND-gate & OR-gate F NOT-gate & M Merk op dat de verschillende poorten (gates) in werkelijkheid van spanning worden voorzien. Om het schema niet overbodig te belasten worden deze niet getekend. * Het tijdsdiagram. M D D F Het tijdsdiagram geeft alle logische niveaus of spanningen weer in functie van de tijd. In principe is dit het beeld dat verschijnt op een meerkanaals osciloscoop of logic analiser. Tevens stelt men vast dat de uitgang niet dadelijk reageert op een ingangsverandering. Er treedt dus een kleine tijdsvertraging op tussen het aanleggen van een ingangssignaal en de verandering die dit op de uitgang teweeg brengt. De meeste componenten bezitten een tijdsvertraging van enkele tot tientallen nanoseconden. * De waarheidstabel. Een waarheidstabel geeft links alle mogelijke ingangscombinaties (2 aantal ingangen ) en rechts het bijhorende uitgangsniveau. M D D F 4

5 De schakeling die we hier als voorbeeld besproken hebben, wordt ook wel dataselector of multi-plexer genoemd en wordt vrij frequent gebruikt in digitale ontwerpen. Vandaar dat de fabrikanten deze poortcombinatie in IC-vorm op de markt brengen. Naast de drie basispoorten zijn er momenteel enkele honderden gecombineerde schakelingen voorradig, gaande van een flip-flop (bestaande uit enkele poorten) tot een microprocessor (bevat duizenden poorten). Het is nu aan de ontwerper om uit het ruime aanbod de geschikte componenten te vinden die zijn probleem op een zo efficiënt mogelijke manier oplost. De fabrikanten brengen informatie over hun produkten op de mark in de vorm van data-sheets. Deze bevatten naast het symbool en de pinaansluiting ook gegevens over het stroomverbruik, de vertragingstijden, eventueel voorbeeldschakelingen enz Component benaming. De logische functie die in de component is geïntegreerd, wordt met behulp van een cijfercode op de behuizing gedrukt. Bv: een 74LS8 bevat vier 2-input AND-gates. Een korte beschrijving: Door de toenemende miniaturisatie en complexiteit van de componenten, komen er steeds meer behuizingen op de markt. Wij maken enkel gebruik van de populaire DIL of DIP behuizing. DM 74 AS 6 N Behuizing (vorm & materiaal). Componentnummer, bestaande uit 2 tot 5 cijfers. Familie (S, LS, ALS, F, HC, HCT, ). 74 xxx xx : TTL 74 xct xx : CMOS, TTL compatibel. 54 xxx xx : TTL 54 xct xx : CMOS, TTL compatibel. 74 xc xx, 54 xc xx, 4 xxx : CMOS Initialen van de fabrikant. DIL_8 PLCC 5

6 Window Pin Grid Array (PGA) 6