Automatica - Circuite Integrate Digitale

7/31/2019 Automatica - Circuite Integrate Digitale

1/6

CIRCUITE INTEGRATE DIGITALE ELECTRONIC

79

Lucrarea nr. 10

CIRCUITE INTEGRATE DIGITALE

1. Scopul lucrrii

- nelegerea conceptului de poart logic elementar i studiul comportrii unorcircuite combinaionale simple.

2. Consideraii teoretice

Algebra boolean ca i logic formal poate fi aplicat cu succes asupra sistemelorfizice (mecanice, electrice etc.) ale cror elemente prezint n funcionare dou stri

distincte. Algebra boolean opereaz pe o mulime B = {x | x=0,1} pentru care prindefiniie 0 este elementul nul, iar1 este elementul unitate. Cele dou cifre binare, pot fireprezentate in circuitele electronice prin dou nivele de tensiune sau curent diferite.Funcia logic ce poate fi realizat de un circuit poate avea, de asemenea, numai celedou valori, 0 sau 1.

Nivelele de tensiune au fost alese n circuitele digitale pentru a reprezenta cele douvalori logice. Astfel, nivelul de tensiune 0V este asociat cifrei binare 0 logic, iar un

nivel ridicat de tensiune (ex. 5V) este asociat cifrei binare 1. Aceast logic se mainumete i logic pozitiv. Unele circuite ns lucreaz pe o logic negativ la care 1logic este asociat unui nivel de tensiune cobort (0V) i 0 logic unui nivel de tensiune

ridicat (5V).Circuitul care realizeaz o operaie logic elementar (I, SAU, NU etc.) este denumitpoart logic elementar. Funcia logic a unui circuit elementar se poate reprezenta

printr-un tabel de adevr. Cteva funcii logice elementare cu 2 intrri, a i b, suntprezentate n tabelul de mai jos:

Funcii elementare cu 2 intrri

Mai multe pori elementare realizeaz un circuit logic combinaional dac funciacircuitului este determinat n orice moment doar de ctre variabilele de intrare dincircuit i nu i de starea anterioar n care s-a aflat circuitul. Un circuit a crei ieireeste determinat de intrri dari de starea anterioar a circuitului poart denumirea decircuit logic secvenial. In general aceste circuite sunt circuite combinaionale la careieirea este ntoars la intrare - similar unui circuit cu reacie.

a b AND=ab NAND=ab OR=a+b NOR=a+b XOR=a b NXOR=a b

0 0 0 1 0 1 0 10 1 0 1 1 0 1 0

1 0 0 1 1 0 1 01 1 1 0 1 0 0 1


2/6


80

Circuitele care implementez funcii logice binare s-au dovedit a fi potrivite realizriin tehnologie integrat, ajungndu-se tehnologic astzi la integrarea a peste 1 milion de

pori elementare pe cip.

Din punct de vedere tehnologic porile logice pot fi:

pori integrate unipolare care au n construcia lor tranzistoare unipolare(NMOS sau PMOS)

pori integrate bipolare care au n construcia lor tranzistoare bipolare (NPN sauPNP)

pori integrate mixte care au n construcia lor att tranzistoare bipolare ct iunipolare (BiCMOS Bipolar and Complementary Metal Oxid Semiconductor)

3. Pori elementare

O poart logic este un circuit ce implementeaz o operaie logic elementar.

Reprezentarea circuitelor asociate operatorilor logici este prezentata n figura 1

NOT

AND

OR

NAND

NOR

XOR NXOR

Figura 1 Reprezentarea porilor logice fundamentale

Operaia de negare (inversare sau complementare) NOT este cel mai simplu operatorlogic ce transform o propoziie adevarat ntr-o propoziie falsi invers.

O funcie logic se poate reprezenta folosind pori logice elementare. Se punentrebarea dac orice funcie logic este posibil a fi reprezentat printr-un numr finitde pori elementare.

Se poate observ c o conjuncie (I logic AND) este de fapt compunerea a doupropoziii care dac sunt adevrate atunci i numai atunci propoziia rezultat esteadevrat. Funcia logicAND este reprezentat prin operatorul logic ori .

O disjuncie a dou propoziii (SAU logic - OR) este compunerea a dou propoziiicare dac una este adevrat atunci propoziia rezultateste adevrat. Funcia logicOR este reprezentat prin operatorul logic + ori U.


3/6


81

Un operator aparte este un OR exclusiv notat XOR care exclude cazul in care doupropoziii sunt adevrate/false simultan. Funcia logic XOR este reprezentat prinoperatorul logic . Funcia XOR poate fi interpretat ca o operatie de suma modulo 2,ca o operatie de inversare (complementare) comandat sau ca o funcie deanticoinciden deoarece ieirea este adevarat cnd intrrile nu sunt identice.,

Dac operatorilor logici AND, OR, XOR se aplic i o operaie de negare NOT seobin operatorii negai NAND, NOR, NXOR.

Orice funcie logic poate fi implementat ca o sum (OR) de produse (AND) formatedin variabile de intrare negate (NOT) sau nenegate. Deci orice funcie logic poate fiimplementat cu 3 operatori AND,OR ,NOT.

4. Desfurarea lucrrii

Verificarea conceptului de poart logic poate fi facut simplu cu circuitul din figura 2:

1. Se va conecta o intrare a porii la generatorul de semnal TTL i cea de-a douaintrare la VCC (1 logic) (poart deschis). Semnalul de intrare va fi ales defrecvena joas100Hz. Se vizualizeaz pe osciloscop n mod dual att intrarea(ieirea generatorului de semnal pe canalul X) ct si ieirea porii folosite(canalul Y). Se deseneaz formele de und de pe osciloscop i se interpreteazrezultatele.

a. Se conecteaz intrarea liber a porii la GND (0 logic) i se urmreteefectul (poart nchis).

b. Se repet punctul 1(a) pentru diferite tipuri de pori logice OR, XOR,NAND, NOR, NXOR. Se observ faptul c o poart XOR cu o intrare

legat la 1 logic este un inversor comandat.Se masoar nivelul de tensiune al ieirii asociate celor dou valori logice.

1

Canal X Canal Y

Osciloscop

Generator de

semnal TTL

Fig. 2. Schema de principiu a machetei de laborator

Orice funcie logic poate fi implementat cu operatorii AND, OR, NOT.

2. Se implementeaz urmtoarele pori logice AND, OR, NOT numai cu pori detip NAND.


4/6


82

3. Se implementeaz AND, OR, NOT numai cu pori NOR.

4. Se realizeaz schema de conversie i se verific tabelul de adevr pentruconversia NAND-NOR

Schemele de conversie sunt prezentate n continuare.

Poarta NAND este reprezentat prin simbolul

Poarta NOReste simbolizata prin semnul


5/6


83

Se poate observa c pentru realizarea funciei NOT este suficient a se lega mpreunintrrile unei pori inversoare (NAND sau NOR), iar pentru implementarea cu pori

NAND/NOR exist o simetrie sau echivalen ntre funciile OR i AND (circuitulpentru OR cu pori NAND este similar cu circuitul AND pentru pori NOR). Dualismuleste exemplificat de teorema lui De Morgan: (AB) = A+B i(A+B) = AB unde A

este variabila A negat5. S se deseneze i s se realizeze practic circuitul care realizeaz funcia logic

f=A*B+D+A*C utiliznd porile disponibile pe macheta. Intrrile A, B, C i Dse vor lega la circuitul 8-SW la alegere.

a. Se deconecteaz intrarea D de la switch i se leag la generatorul desemnal. Intrarea A este setat pe 0 logic. Se urmrete pe osciloscopintrarea D i ieirea funciei implementate. Ce se observ?

6. Un circuit sumator este un circuit ce implemenetaz o operaie aritmetic desumare a dou cuvinte pe mai multi bii. Acesta este realizat prin cascadareamai multor celule de sumare elementare de 1 bit. Structura unui sumatorcomplet (ce realizeazi transport) de 1 bit este prezentat in figura 3. Ieireanotat SUM realizeaz suma binar a intrrilor A, B i transportului anterior.Ieirea Ci+1 reprezint transportul generat pentru celula urmtoare.

Ci+1

SUMA

B

Ci

Fig. 3. Sumator complet de 1 bit

a. Se scrie tabelul de adevr pentru suma i transport

b. Structura generic a unui sumator pe 3 bii este prezentat n figura 4.

Sumatorul existent pe machet este realizat cu circuitul integratMMC40181 in tehnologie CMOS. Se vor consulta datele de catalogpentru circuitul integrat pentru a se cunoate poziia pinilor deintrare/ieire.


6/6


84

A2 B2C3 C2

SUM2

A1 B1C2 C1

SUM1

S2 S1

CoutCin

A2 B2 A1 B1

A0 B0C1 C0

SUM0

S0

A0 B0

Ai BiCi+1 Ci

SUMi

Si

Ai Bi

a) b)

Fig. 4. a) schema bloc a unui sumator complet de 1 bit. b) sumator complet pe 3 bii cutransport succesiv

Se vor seta diferitele ntreruptoare (switch) pe poziia on sau off reprezentndvaloarea exprimat n binar a celor 2 numere (A2A1A0 si B2B1B0) ce se doresc adunate.Rezulatul poate fi citit pe cele 3 LED-uri de culoare verde. Depirea reprezentrii este

evideniat prin LED-ul de culoare roie.Se studiaz cazul n care pe intrarea Cin se aplic 1 logic (VCC) i 0 logic (GND)

pentru cazul 3+4.

Exemplu:

Cin=0, SUM=3+4=7 transport Cout=0

Cin=1, SUM=3+4=0 transport Cout=1

Documents

Automatica - Circuite Integrate Digitale