Moduli logici. Interfacciamento di dispositivi logici. Parametri statici e dinamici. Circuiti logici combinatori Circuiti logici sequenziali

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1 Moduli logici Moduli logici Interfacciamento di dispositivi logici Parametri statici e dinamici Circuiti logici combinatori Circuiti logici sequenziali Registri, contatori e circuiti sequenziali Esempi ed esercizi Politecnico di Torino 1

2 Obiettivi del laboratorio 2 Misurare alcuni dei parametri elettrici di porte logiche transcaratteristica effetti della variazione sulla tensione di alimentazione caratteristica V(I) di uscita 3 Obiettivi del laboratorio 2 Misurare alcuni dei parametri elettrici di porte logiche Verificare le differenze tra porte Open Drain e Totem Pole livello di tensione per stato alto tempi di salita e discesa Politecnico di Torino 2

3 Obiettivi del laboratorio 2 Misurare alcuni dei parametri elettrici di porte logiche Verificare le differenze tra porte Open Drain e Totem Pole Misurare il ritardo di una catena di inverter integrati da una catena di 5 inverter si misura la frequenza di oscillazione del circuito 5 Obiettivi del laboratorio 2 Misurare alcuni dei parametri elettrici di porte logiche Verificare le differenze tra porte Open Drain e Totem Pole Misurare il ritardo di una catena di inverter integrati Verificare gli effetti di ingressi logici aperti su due porte diverse si verificano i diversi comportamenti Politecnico di Torino 3

4 Indice laboratorio 2 Richiami sull alimentazione dei circuiti Misura dei parametri elettrici Verifica differenze tra famiglie logiche Misura del ritardo di inverter logici Verifica effetto ingresso logici aperti riferimenti: manuali di laboratorio Politecnico di Torino 4

5 Ricordare: uso dell alimentatore In queste esercitazioni useremo alimentatori da laboratorio Un alimentatore è un generatore di tensione, quindi ha due morsetti positivo (generalmente rosso) negativo (generalmente nero) può avere un morsetto di terra, da non usare in queste esperienze 9 Ricordare: collegamento dell alimentatore La tensione di alimentazione di un circuito elettronico si applica tra massa (morsetto di riferimento, 0V convenzionale) morsetto di alimentazione L alimentatore deve essere collegato tra massa e morsetto di alimentazione Politecnico di Torino 5

6 Ricordare: collegamento dell alimentatore La tensione di alimentazione di un circuito elettronico si applica tra massa (morsetto di riferimento, 0V convenzionale) morsetto di alimentazione L alimentatore deve essere collegato tra massa e morsetto di alimentazione Errore ricorrente usare il morsetto di terra dell alimentatore come massa del circuito 11 Ricordare: come alimentare un circuito Sequenza di connessione prima collegare la massa successivamente collegare l alimentazione per ultimo collegare il segnale Politecnico di Torino 6

7 Ricordare: come alimentare un circuito Sequenza di connessione prima collegare la massa successivamente collegare l alimentazione per ultimo collegare il segnale Sequenza di accensione accendere l alimentazione applicare il segnale 13 Ricordare: come alimentare un circuito Sequenza di connessione prima collegare la massa successivamente collegare l alimentazione per ultimo collegare il segnale Sequenza di accensione accendere l alimentazione applicare il segnale Non dare segnali a circuiti non alimentati Politecnico di Torino 7

8 Ricordare: come alimentare un circuito Sequenza di connessione prima collegare la massa successivamente collegare l alimentazione per ultimo collegare il segnale Sequenza di accensione accendere l alimentazione applicare il segnale Non dare segnali a circuiti non alimentati Sequenza inversa per lo spegnimento Politecnico di Torino 8

9 Indice laboratorio 2 Richiami sull alimentazione dei circuiti Misura dei parametri elettrici Verifica differenze tra famiglie logiche Misura del ritardo di inverter logici Verifica effetto ingresso logici aperti riferimenti: manuali di laboratorio 17 Misura dei parametri elettrici Usare il circuito premontato A6 Seguire le procedure indicate nel punto 2.1 del manuale Esercitazione di laboratorio 4 Schema del circuito oggetto della misura Misure da eseguire transcaratteristica variazione dell uscita a seguito di modifiche nella tensione di alimentazione caratteristica di uscita Politecnico di Torino 9

10 Collegamenti Collegare, nell ordine alimentazioni (vedi indicazioni e manuale) tensione di alimentazione 5V generatore del segnale di ingresso onda triangolare ampiezza da 0 a 5 V, frequenza 1 khz caricare le porte logiche con la resistenza da 10kO collegata verso massa 19 Misura della transcaratteristica Collegare le sonde dell oscilloscopio Canale 1 all ingressodelle porte logiche Canale 2 sull uscita Politecnico di Torino 10

11 Misura della transcaratteristica Collegare le sonde dell oscilloscopio Canale 1 all ingresso delle porte logiche Canale 2 sull uscita Configurare l oscilloscopio in modalità standard (Y, t) e verificare la presenza del corretto segnale di ingresso e della presenza del segnale in uscita 21 Predisposizione oscilloscopio Per predisporre l oscilloscopio alla misura della transcaratteristica selezionare la modalità XY Politecnico di Torino 11

12 Predisposizione oscilloscopio Per predisporre l oscilloscopio alla misura della transcaratteristica selezionare la modalità XY abbassare la luminosità dello schermo per non rovinare i fosfori 23 Predisposizione oscilloscopio Per predisporre l oscilloscopio alla misura della transcaratteristica selezionare la modalità XY abbassare la luminosità dello schermo per non rovinare i fosfori visualizzare nell ordine le transcaratteristiche delle diverse porte logiche HCT04 HC04 LS Politecnico di Torino 12

13 Transcaratteristica porta HCT04 V OUT V OH Soglia V OL V IN 25 Transcaratteristica porta HC04 V OUT V OH Soglia V OL V IN Politecnico di Torino 13

14 Transcaratteristica porta LS04 V OUT V OH Soglia V OL V IN 27 Differenza transcaratteristiche HCT e LS Nel filmato possiamo vedere le differenze che si hanno tra una porta CMOS compatibile TTL (HCT) ed una TTL (LS) Le soglie sono uguali Le V OH e le V OL sono diverse Politecnico di Torino 14

15 Differenza transcaratteristiche HCT e HC Nel filmato possiamo vedere le differenze che si hanno tra una porta CMOS compatibile TTL (HCT) ed una CMOS con livelli standard (HC) Le soglie sono diverse Le V OH e le V OL sono uguali 29 Effetti della variazione di alimentazione Verifichiamo l effetto che ha una variazione della tensione di alimentazione sulle transcaratteristiche Politecnico di Torino 15

16 Effetti della variazione di alimentazione Verifichiamo l effetto che ha una variazione della tensione di alimentazione sulle transcaratteristiche Modifichiamo con cautela l alimentazione con variazioni massime di -40% e + 20% 31 Effetti sulla porta HC04 La variazione dell alimentazione su di una porta CMOS quale la 74HC04 ha alcuni effetti: sposta la soglia che rimane sempre posizionata alla metà dell alimentazione anche i livelli V OH e V OL variano proporzionalmente al valore della alimentazione Possiamo verificare questo attraverso un filmato Politecnico di Torino 16

17 Effetti sulla porta LS04 La variazione dell alimentazione su di una porta TTL quale la 74LS04 ha alcuni effetti: la soglia rimane costante i livelli V OH e V OL variano proporzionalmente al valore della alimentazione Possiamo verificare questo attraverso un filmato 33 Misura della caratteristica V(I) di uscita Per misurare la caratteristica V(I) di uscita occorre predisporre il circuito come segue: alimentare il circuito con 5V Politecnico di Torino 17

18 Misura della caratteristica V(I) di uscita Per misurare la caratteristica V(I) di uscita occorre predisporre il circuito come segue: alimentare il circuito con 5V configurare l oscilloscopio in modalità (Y, t) 35 Misura della caratteristica V(I) di uscita Per misurare la caratteristica V(I) di uscita occorre predisporre il circuito come segue: alimentare il circuito con 5V configurare l oscilloscopio in modalità (Y, t) applicare all ingresso un onda quadra con livelli esterni a V IH e V IL (tali da non rovinare i componenti) Politecnico di Torino 18

19 Misura della caratteristica V(I) di uscita Per misurare la caratteristica V(I) di uscita occorre predisporre il circuito come segue: alimentare il circuito con 5V configurare l oscilloscopio in modalità (Y, t) applicare all ingresso un onda quadra con livelli esterni a V IH e V IL (tali da non rovinare i componenti) eseguire diverse misure con differenti resistenze di carico (nel nostro caso faremo 4 misure) 37 Misura della caratteristica V(I) di uscita La singola misura va fatta sia per lo stato H che per lo stato L Politecnico di Torino 19

20 Misura della caratteristica V(I) di uscita La singola misura va fatta sia per lo stato H che per lo stato L Per i due casi la configurazione è diversa connettere l uscita della porta alla massa tramite una resistenza di Pull-Down per la misura dello stato H 39 Misure su diversi carichi Si eseguono 4 misure diverse, selezionando i 4 carichi predisposti sulle uscite (posizionando opportunamente gli interruttori di selezione) Politecnico di Torino 20

21 Misure su diversi carichi Si eseguono 4 misure diverse, selezionando i 4 carichi predisposti sulle uscite (posizionando opportunamente gli interruttori di selezione) Si eseguono misure per carichi da: 10 ko 1 ko 330 O 100 O 41 Esempio di due misure Misura con carico da 10 ko nel caso H Politecnico di Torino 21

22 Esempio di due misure Misura con carico da 100 O nel caso H 43 Caratteristica porta HC04 ( H ) Eseguite le misure si ottengono i risultati della tabella che danno origine (estrapolati) al grafico della caratteristica V(I) per pilotaggio H Politecnico di Torino 22

23 Caratteristica porta HC04 ( H ) Eseguite le misure si ottengono i risultati della tabella che danno origine (estrapolati) al grafico della caratteristica V(I) per pilotaggio H R pd (O) 10k V OUT (V) 5 I OUT (ma) 0,5 La corrente I OUT è calcolata facendo il rapporto tra la tensione misurata e il valore nominale della resistenza 1k 4,84 4, ,46 13, ,38 33,8 45 Caratteristica porta HC04 ( H ) Eseguite le misure si ottengono i risultati della tabella che danno origine (estrapolati) al grafico della caratteristica V(I) per pilotaggio H 6 R pd (O) V OUT (V) I OUT (ma) V OH ,84 4,46 10k 5 0,5 Vo [V] 3 3,38 1k 4,84 4, ,46 13, ,38 33,8 0 0,50 I OH 4,84 13,52 33,80 Io [ma] Politecnico di Torino 23

24 Misura della caratteristica V(I) di uscita La singola misura va fatta sia per lo stato H che per lo stato L Per i due casi la configurazione è diversa connettere l uscita della porta all alimentazione tramite una resistenza di Pull-Up per la misura dello stato L 47 Caratteristica porta HC04 ( L ) Eseguite le misure si ottengono i risultati anche della caratteristica V(I) per pilotaggio L R pu (O) 10k V OUT (V) 0,012 I OUT (ma) 0,001 La corrente I OUT è calcolata facendo il rapporto tra la tensione misurata e il valore nominale della resistenza 1k 0,145 0, ,43 1, ,24 12, Politecnico di Torino 24

25 Caratteristica porta HC04 ( L ) Eseguite le misure si ottengono i risultati anche della caratteristica V(I) per pilotaggio L 1,4 1,2 1,24 R pu (O) 10k 1k V OUT (V) 0,012 0,145 0,43 1,24 I OUT (ma) 0,001 0,145 1,303 12,4 1 0,8 Vo [V] 0,6 0,4 V OL 0,2 0 0,43 0,145 0,012 0,001 0,145 1,303 12,400 I OL Io [ma] Politecnico di Torino 25

26 Indice laboratorio 2 Richiami sull alimentazione dei circuiti Misura dei parametri elettrici Verifica differenze tra famiglie logiche Misura del ritardo di inverter logici Verifica effetto ingresso logici aperti riferimenti: manuali di laboratorio 51 Verifica differenze tra famiglie logiche Usare il circuito premontato A6 Seguire le procedure indicate nel punto 2.2 del manuale Esercitazione di laboratorio 4 Schema del circuito oggetto della misura Misure da eseguire andamento uscite di 2 porte logiche Totem Pole: 74HC04 Open Drain: 74HC05 tempi di discesa e salita delle 2 porte logiche Politecnico di Torino 26

27 Caratteristiche di porte TP e OD Onda quadra di ingresso generata dall inverter 74HC14 controreazionato e che carica/scarica il gruppo RC 53 Caratteristiche di porte TP e OD Onda quadra di ingresso generata dall inverter 74HC14 controreazionato e che carica/scarica il gruppo RC Occorre visualizzare sull oscilloscopio le 2 diverse uscite e confrontare i loro andamenti Politecnico di Torino 27

28 Caratteristiche di porte TP e OD Onda quadra di ingresso generata dall inverter 74HC14 controreazionato e che carica/scarica il gruppo RC Occorre visualizzare sull oscilloscopio le 2 diverse uscite e confrontare i loro andamenti Sulla porta OD evidenzieremo l importanza della presenza della resistenza di Pull-Up 55 Caratteristiche di porte TP e OD Le uscite delle porte, con la resistenza di Pull-Up presente, risultano essere entrambe corrette: 74HC04 74HC Politecnico di Torino 28

29 Resistenza di Pull-Up per OD Se proviamo a rimuovere la resistenza di Pull-Up, otteniamo il comportamento evidenziato nel filmato scollegare la resistenza di Pull-Up non permette il mantenimento del livello alto introducendo un disturbo, questo si ripercuote sul segnale di uscita perchè il nodo è rimasto aperto (ad alta impedenza) 57 Tempo di salita di TP Dal grafico della forma d onda di salita si ricava per la porta 74HC04: tempo di salita 4,72 ns 90% escursione 10% escursione Politecnico di Torino 29

30 Tempi di salita e discesa di OD Dal grafico della forma d onda di salita si ricava per la porta 74HC05: tempo di salita 520 ns 90% escursione 10% escursione 59 Fronti di discesa I fronti di discesa hanno invece andamento simile Come in precedenza, sarebbe possibile ricavare il tempo di discesa per le due porte Politecnico di Torino 30

31 Indice laboratorio 2 Richiami sull alimentazione dei circuiti Misura dei parametri elettrici Verifica differenze tra famiglie logiche Misura del ritardo di inverter logici Verifica effetto ingresso logici aperti riferimenti: manuali di laboratorio Politecnico di Torino 31

32 Misura su catena di inverter Usare il circuito premontato A6 Seguire le procedure indicate nel punto 2.3 del manuale Esercitazione di laboratorio 4 Schema del circuito oggetto della misura Misure da eseguire verificare oscillazione e misurarne la frequenza calcolare il tempo di propagazione di un inverter inserire una capacità sulla linea e verificare la variazione della frequenza di oscillazione 63 Frequenza di oscillazione Dalla forma d onda riportata dall oscilloscopio si misura la frequenza che è di circa 18 MHz (periodo di 55 ns) 55 ns Politecnico di Torino 32

33 Tempo di propagazione di un inverter Dalla forma d onda riportata dall oscilloscopio si misura la frequenza che èdi circa 18 MHz (periodo di 55 ns) Sapendo che la catena ècostituita da 5 inverter possiamo ricavare che ognuno di essi ha un tempo di propagazione di 55ns/5 = 11 ns 65 Misura con capacità sulla linea Come si può vedere nel filmato, introducendo una capacità sulla linea si varia la frequenza di oscillazione L inserimento della capacità aumenta la capacità complessiva per cui aumenta il periodo e diminuisce la frequenza di oscillazione Politecnico di Torino 33

34 Indice laboratorio 2 Richiami sull alimentazione dei circuiti Misura dei parametri elettrici Verifica differenze tra famiglie logiche Misura del ritardo di inverter logici Verifica effetto ingresso logici aperti riferimenti: manuali di laboratorio Politecnico di Torino 34

35 Misure su ingressi aperti Usare il circuito premontato A6 Seguire le procedure indicate nel punto 2.4 del manuale Esercitazione di laboratorio 4 Schema del circuito oggetto della misura Misure da eseguire verificare il funzionamento delle porte scollegare gli ingressi e valutare le uscite inserire segnale di disturbo sugli ingressi aperti 69 Verifica funzionamento delle porte Come prima cosa colleghiamo gli ingressi delle porte logiche 74HC04 e 74LS04 ad un ingresso di segnale Politecnico di Torino 35

36 Verifica funzionamento delle porte Come prima cosa colleghiamo gli ingressi delle porte logiche 74HC04 e 74LS04 ad un ingresso di segnale Otteniamo le uscite corrette 74HC04 74LS04 71 Misure con gli ingressi aperti Disconnettiamo gli ingressi e introduciamo sugli ingressi un disturbo Politecnico di Torino 36

37 Introduzione di disturbi sugli ingressi Disconnettiamo gli ingressi e introduciamo sugli ingressi un disturbo Per simulare l iniezione di un disturbo sugli ingressi passiamo un corpo carico (ad esempio una penna di plastica strofinata su di un panno) in prossimità degli ingressi 73 Introduzione di disturbi sugli ingressi Disconnettiamo gli ingressi e introduciamo sugli ingressi un disturbo Verifichiamo il comportamento delle uscite Politecnico di Torino 37

38 Introduzione di disturbi sugli ingressi Disconnettiamo gli ingressi e introduciamo sugli ingressi un disturbo Verifichiamo il comportamento delle uscite In questa misura occorre fare attenzione a non toccare direttamente gli ingressi per evitare di danneggiare i componenti 75 Introduzione di disturbi sugli ingressi Ed ecco riportato in un filmato ciò che accade... La CMOS (linea superiore) è sensibile al disturbo mentre la TTL è più stabile Politecnico di Torino 38

39 Considerazioni sui componenti CMOS I componenti CMOS (HC) sono molto sensibili ai disturbi se si lasciano gli ingressi aperti 77 Considerazioni sui componenti CMOS I componenti CMOS (HC) sono molto sensibili ai disturbi se si lasciano gli ingressi aperti Questo perché hanno ingressi ad altissima impedenza sono pilotabili in tensione Politecnico di Torino 39

40 Considerazioni sui componenti CMOS I componenti CMOS (HC) sono molto sensibili ai disturbi se si lasciano gli ingressi aperti Questo perché hanno ingressi ad altissima impedenza sono pilotabili in tensione Se la tensione di ingresso ha un valore intermedio (tra V IH e V IL ) anche l uscita può portarsi ad un valore intermedio (tra V OH e V OL ) 79 Considerazioni sui componenti CMOS I componenti CMOS (HC) sono molto sensibili ai disturbi se si lasciano gli ingressi aperti Questo perché hanno ingressi ad altissima impedenza sono pilotabili in tensione Se la tensione di ingresso ha un valore intermedio (tra V IH e V IL ) anche l uscita può portarsi ad un valore intermedio (tra V OH e V OL ) In queste condizioni il circuito può assorbire una corrente anche molto elevata e danneggiarsi! Politecnico di Torino 40

41 Attenzione per i CMOS Da quanto detto... MAI LASCIARE COMPONENTI CMOS CON INGRESSI SCOLLEGATI!! 81 Considerazioni per porte bipolari Le porte bipolari (LS) se lasciate aperte si portano in uscita allo stato H Politecnico di Torino 41

42 Considerazioni per porte bipolari Le porte bipolari (LS) se lasciate aperte si portano in uscita allo stato H Non ci sono rischi di danneggiamenti 83 Considerazioni per porte bipolari Le porte bipolari (LS) se lasciate aperte si portano in uscita allo stato H Non ci sono rischi di danneggiamenti E comunque consigliabile collegare gli ingressi ad un valore opportuno per garantire il corretto funzionamento del sistema Politecnico di Torino 42

43 Sommario laboratorio 2 Richiami sull alimentazione dei circuiti Misura dei parametri elettrici Verifica differenze tra famiglie logiche Misura del ritardo di inverter logici Verifica effetto ingresso logici aperti riferimenti: manuali di laboratorio Politecnico di Torino 43