sayısal devre laboratuvarı deney kitapçığı
Transkript
sayısal devre laboratuvarı deney kitapçığı
ATATÜRK ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ ELEKTRİK VE ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ SAYISAL DEVRE LABORATUVARI DENEY KİTAPÇIĞI Hazırlayanlar: Yrd. Doç. Dr. Tevhit KARACALI Yrd. Doç. Dr. Birol SOYSAL Yrd. Doç. Dr. Bülent ÇAVUŞOĞLU Arş. Gör. Dr. Emin Argun ORAL Erzurum-2006 HAFTA DENEY ADI 1 RTL,TTL ve CMOS Kapılarının Tanıtımı 2 Boolean Fonksiyonlarının Minimum Kapılarla Gerçeklenmesi 3 Schmitt Tetikleme Devresi 4 Kodlayıcı, Kod Çözücü, Veri Seçici, Veri Yayıcı Devreler 5 Flip-Flop Devreleri 6 Uygulamalı vize sınavı 7 Karşılaştırma, Toplayıcı ve Çıkarıcı Devreler 8 Sayıcılar 9 Kaydırmalı Kaydedici (Shift Register) Devreleri 10 Analog/ Digital Dönüştürücü 11 Digital/Analog Dönüştürücü 12 Telafi deneyi (meşru mazereti olanlar için) 13 Uygulamalı final sınavı LABORATUVARIN İŞLEYİŞİ: ii (AŞAĞIDA BELİRTİLEN HUSUSLARI LÜTFEN DİKKATLİCE OKUYUNUZ !!!) 1- Her deney öncesi klasik 15 dakikalık quiz sınavı yapılacak. Quiz sorusu ya da soruları o hafta yapılacak deneyle ilgili olacak ve deney konusuna çalışıp çalışmadığınız test edilmiş olacak. Deney föylerinizde bulunan hazırlık soruları deneye hazırlanmanız içindir. Çözümlerini teslim etmenize gerek yoktur. 2- Her deney öncesi kullanılacak elemanların sağlam olup olmadığını kontrol ediniz. 3- Deneyde elde ettiğiniz sonuçları deney föyüne (sonradan raporda kullanmak için) ve ayrıca sizlere dağıtılacak olan “sonuçlar” başlıklı boş sayfaya yazınız ve bu sayfayı deneyin bitiminde deneyi yaptıran hocanıza teslim ediniz. Bu sayfada sadece deneysel sonuçlar yer alacak, deney föyünde istenen diğer teorik hesaplamalar vs. bu sayfaya yazılmayacak; bunlar raporda yeralacak. 4- Daha önceki laboratuvarlarda olduğu gibi aynı formatta hazırlayacağınız deney raporlarınızı bir sonraki hafta deneye başlamadan önce teslim ediniz. 5- Notlandırma: Quiz Rapor Uygulamalı vize deneyi : % 30 : % 30 : % 40 Vize (%70) Uygulamalı Final Deneyi: % 30 6- Her hafta aynı masada deneyinizi gerçekleştireceksiniz ve deney masanızdan siz sorumlu olacaksınız. 7- Deney grupları: Çarşamba 09.00-12.00 8- Telafi deneyi, deneyler tamamlandıktan sonraki hafta yapılacak. 9- Vize ve final sınavları daha sonra belirlenecek tarihlerde yapılacak. iii Deney 1 RTL,TTL ve CMOS Kapılarının Tanıtımı I. Direnç ve Transistörle Yapılan (RTL) Kapı Deneyi Deneyin Amacı: 1. Transistörü kesim ve doyum bölgelerinde çalıştırarak anahtar olarak kullanımını öğrenmek 2. Direnç ve transistörlerle yapılan kapı devresini incelenmesi Teorik Bilgi Sayısal Elektronik dersi ders notlarına bakınız. Hazırlık Soruları: 1- Ebers-Moll transistör modellemesine göre bir BJT transistörün kaç tane çalışma bölgesi vardır? Kısaca açıklayınız 2- Hangi çalışma bölgelerinde anahtar olarak kullanılır? Deney için gerekli malzemeler: 1- C.A.D.E.T 2- 2 adet 3K3 ve 2 adet 390 Ω ¼ watt direnç 3- 2 adet yeşil, 1 adet kırmızı LED 4- 2 adet SPDT anahtar Deneyin yapılışı 1. Şekil 1A’daki devreyi kurun. Yeşil led’i transistörün girişine (D2), kırmızı led’i çıkışına (D1) bağlayınız. 2. Anahtarın konumunu değiştirerek yandaki tabloyu doldurunuz. Anahtar Konumu Yeşil LED Kırmızı LED Yanıyor Yanmıyor Yanıyor Yanmıyor Yanıyor Yanmıyor Yanıyor Yanmıyor 0 1 Deney 1 1 R1 R1: 390 Ohm R2: 3k3 390 SW1 SW-SPDT BC238 R2 3k3 R3 390 D2 D1 Şekil 1A +5V R1 390 SW1 BC238 R2 3k3 SW2 BC238 R4 3k3 R3 R5 390 390 D2 D3 D1 Şekil 1B Deney 1 2 3. Şekil 1B’deki devreyi kurunuz. (D2 ve D3 yeşil led, D1 kırmızı led) 4. Anahtarların konumunu değiştirerek aşağıdaki tabloyu doldurunuz. 1. Anahtar 2. Anahtar 1. Yeşil LED (D2) 2. Yeşil LED (D3) Kırmızı LED (D1) Yanıyor Yanmıyor Yanıyor Yanmıyor Yanıyor Yanmıyor 0 0 Yanıyor Yanmıyor Yanıyor Yanmıyor Yanıyor Yanmıyor 0 1 Yanıyor Yanmıyor Yanıyor Yanmıyor Yanıyor Yanmıyor 1 0 Yanıyor Yanmıyor Yanıyor Yanmıyor Yanıyor Yanmıyor 1 1 Değerlendirme soruları: 1- Aldığınız sonuçlara göre Şekil 1A’daki devre hangi mantıksal kapıyı temsil eder? Doğruluk tablosunu oluşturunuz. 2- Aldığınız sonuçlara göre Şekil 1B’daki devre hangi mantıksal kapıyı temsil eder? Doğruluk tablosunu oluşturunuz. 3- Bu deneyden öğrendiğiniz sonucu birkaç cümle ile açılayınız. Deney 1 3 II. TTL ve CMOS Kapılarının Tanıtımı ve Karakteristikleri Deneyin Amacı TTL ve CMOS mantıksal kapılarının çalışmasını, karakteristiklerini ve birbirine olan üstünlükleri öğrenmek Teorik Bilgi Sayısal Elektronik dersi ders notlarına bakınız. Deney Öncesi Hazırlık: 1- 74LS00 ve 4011 mantıksal kapılarına ait datasheet (katalog) bilgilerini araştırarak temin ediniz. 2- Bu katalog bilgilerini okuyup katalog dökümanları ile deneye geliniz. Hazırlık Soruları: 1- TTL ve CMOS kapılarının özellikleri nedir? Birbirine üstünlükleri nelerdir? 2- Çıkış yelpazesi (Fan-out), yayılma gecikmesi, gürültü marjı kavramlarını açıklayınız. Deney için gerekli malzemeler: 1- C.A.D.E.T 2- 1 adet 74LS00 3- 1 adet 4011 4- 2 adet DMM 5- 1 adet osiloskop Deneyin yapılışı 1. Şekil 2A’daki devreyi 74LS00 kullanarak kurunuz. 2. DMM leri mikroamper pozisyonuna ayarlayınız. 3. 10 K’lık Potansiyometreyi 0 V’dan başlayarak +5 V’a kadar 0.1 V aralıklarla artırırken giriş gerilimi, giriş akımı ve çıkış akımını kaydediniz. Bu arada gürültü bağışıklığı için VIL ve VIH gerilimlerini takip ederek kaydediniz. 4. Devreden DMM’leri kaldırıp girişe 1KHz’lik TTL sinyal uygulayınız (Şekil 2B). 5. Osiloskoptan çıkış ile giriş sinyallerini gözlemleyerek milimetrik kağıda çiziniz. 6. 1. adımdaki devreyi 4011 kullanarak tekrar kurunuz. 7. 2. - 5. adımları 4011’li devre için tekrarlayınız. Deney 1 4 +5V RV1 U1:A U1:C 1 12 3 10 2 10k U1:D 8 9 4011 11 13 4011 4011 U1:B 5 4 +88.8 A +88.8 6 µA µA 4011 B Şekil 2A U2:A U2:C 1 U2:D 8 12 3 10 2 9 4011 11 13 4011 4011 U2:B U2:A(B) 5 4 A 6 4011 B Şekil 2B Değerlendirme soruları: 1. Deneyden elde ettiğiniz sonuçları kullanarak hem 74LS00 hem de 4011 için çıkış yelpazesini, yayılım gecikmesini ve gürültü bağışıklığını hesaplayınız. Deney 1 5 Deney 2 Boolean Fonksiyonlarının Minimum Kapılarla Gerçeklenmesi Deneyin Amacı: Boolean kurallarıyla mantıksal denklemlerin gösterimini ve sadeleştirme yöntemlerini öğrenmek. Teorik Bilgi Sayısal Elektronik dersi ders notlarına bakınız. Hazırlık Soruları: 1- 2 girişli VE-DEĞİL kapıları kullanarak VEYA kapısı fonksiyonunu elde ediniz. 2- F= x.y’.z’+x.y’.z+x’.y.z+x.y.z fonksiyonunu Boolean kuralları veya harita yöntemi kullanarak sadeleştiriniz. 3- Şekil 1B’deki devreyi sadeleştiriniz. Deney için gerekli malzemeler: 1- C.A.D.E.T 2- 1 adet 74LS00 Deneyin yapılışı 1. Şekil 2A’daki devreyi kurunuz. 2. A girişini S1, B girişini S2 anahtarına ve F çıkışını logic prob’a bağlayınız. 3. Anahtarları sırayla 0 dan 1 konumuna geçirerek Tablo 1’i doldurunuz. Tablo 1: A(S1) B(S2) F 0 0 0 1 1 0 1 1 4. Şekil 2B’ deki devreyi sadeleştirme kurallarından yararlanarak elinizdeki malzeme ile kurunuz. 5. X girişini S1, Y girişini S2, Z girişini S3 anahtarına ve F çıkışını logic prob’a bağlayınız. 6. Anahtarları sırasıyla 0 dan 1 konumuna geçirerek Tablo 2’yi doldurunuz. Deney 2 1 U1:A 1 3 A 2 U1:C 10 74LS00 F 8 9 74LS00 U1:B 4 B 6 5 74LS00 Şekil 2A U1:A U2:A 1 X 3 1 2 13 2 12 74LS00 74LS10 U1:B Y U2:C 9 10 11 U2:B 4 6 3 4 5 5 8 F 74LS10 6 74LS00 74LS10 U1:C U1:D 10 Z 8 13 9 11 12 74LS00 74LS00 Şekil 2B Tablo 2: X(S1) Y(S2) Z(S3) F 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 1 Değerlendirme soruları: 1- Tablo1’dan yararlanarak devrenin fonksiyonunu çıkarınız. Bu fonksiyon hangi mantıksal kapıya aittir? 2- Tablo 2’den yararalanarak devrenin fonksiyonunu çıkarınız. Şekil 1B’deki devre ile aynı sonuçları verip vermediğini kontrol ediniz. Deney 2 2 DENEY 3 SCHMITT TETİKLEME DEVRESİ 1. Deneyin Amacı Transistörlü ve işlemsel yükselteçli Schmitt tetikleme devresinin çalışma prensiplerinin anlaşılmasını ve kullanılabilmesini sağlamak. 2. Teorik Bilgi 2.1. Giriş Schmitt tetikleme (ST) devresi, alçak seviye (AS) ve yüksek seviye (YS) olmak üzere, iki konumlu bir devredir. Girişine uygulanan yavaş değişen bir işaretten hızlı değişen işaret elde etmede kullanılır. Bir diğer uygulama alanı ise, seviye detektörü olarak kullanılabilmesidir. 2.2. Transistörlü Schmitt Tetikleme Devresi Şekil 1’de transistörlü ST devresi verilmektedir. Bu devre aynı zamanda emetör bağlamalı ikili (emitter-coupled binary) devre olarak da adlandırılır. Çünkü pozitif geri-besleme emetördeki R3 direnci tarafından sağlanmaktadır. VCC C R1 VG R5 VÇ R2 T1 R3 T2 T1, T2 :BC547 R1 = 4K7 R2 = 2K2 R3 = 3K3 R4 = 6K8 R5 = 4K7 C = 10 nF VCC = + 15 V R4 Şekil 1. Transistörlü Schmitt tetikleme devresi Şekil 2’de devrenin geçiş özeğrisi verilmektedir. Tetikleme gerilimleri arasında V H = V2 − V1 gibi bir histerezis gerilimi vardır. Böyle bir devrenin girişine sinüzoidal bir işaret uygulandığında elde edilecek çıkış dalga şekli Şekil 3’te verilmiştir. Giriş gerilimi V2 değerinden küçük olduğu sürece T1 kesimde, T2 doymada olacağından çıkış alçak seviye (AS) olacaktır. Giriş gerilimi V2’den büyük olmaya başlayınca T1 iletime geçecek ve hızlı bir şekilde T2’yi kesime sürecektir. Pozitif geri-beslemeden dolayı bu işlem çok hızlı bir şekilde gerçekleşecektir. Çıkış yüksek seviye (YS) olacaktır. Giriş gerilimi V1 değerinin altına Deney 3 1 düştüğünde çıkış tekrar AS olacaktır. Bu olay aşağıdaki tablo ile özetlenebilir: Transistörlerin Durumu T1 Doymada T2 Kesimde T1 Kesimde T2 Doymada VG ≥ V2 VG ≤ V1 Çıkış Seviyesi YS AS VG(t) V2 V1 VÇ YS VÇ(t) t YS AS V1 V2 VG AS Şekil 2. Transistörlü ST devresinin geçiş özeğrisi Şekil 3. ST’nin giriş ve çıkış işaretleri t V1 ve V2 gerilimleri ST’nin konum değiştirme, yani tetiklenme noktalarıdır. Çıkış T2’nin kollektöründen alınmaktadır. Dolayısıyla T2 kesimde ise VÇ = VCC (YS) olur. T2 iletimde ise VÇ = VCE2+VE (AS) olur. Devrenin çalışmasının daha iyi anlaşılabilmesi için VG = 0 olduğu varsayılsın. Bu durumda, T1’in bazı toprak potansiyelinde olduğundan ve T2’nin emetöründen akım aktığı için R3 üzerinde bir gerilim oluşacağından T1 kesimde olacaktır. T2 ise, VCC, R1, R2 ve R4’den dolayı iletimde olacaktır. Bu durumdaki devre ve Thevenin eşdeğeri Şekil 4’teki gibi olur. Thevenin eşdeğer devresinde VTH ve RTH değerleri aşağıdaki gibi hesaplanır: RTH = R4 ( R1 + R2 ) R4 + R1 + R2 (1) VTH = R4 VCC R4 + R1 + R2 (2) Deney 3 2 VCC VCC R1 R5 R5 VÇ VÇ R2 T2 RTH T2 VTH R4 R3 V`E R3 Şekil 4. T1 kesimde iken ST ve Thevenin eşdeğer devresi T2’nin aktif bölgede çalıştığı kabul edilirse, I C 2 = hFE 2 I B 2 VÇ' = VCC − I C 2 R5 (3) V E' = ( I B 2 + I C 2 ) R3 eşitlikleri yazılabilir. Tasarım esnasında VTH ve RTH değerleri T2 transistörü aktif bölgede olacak şekilde seçilir. T1’in iletime geçebilmesi için giriş geriliminin alması gereken en küçük değer V2’dir. V2 = VE' + VBE1 (4) VG’nin artmaya başladığı varsayılsın. T1’in iletime geçebilmesi için VG > V2 olmalıdır. T1 iletime geçer geçmez VC1 gerilimi düşer. Bu ise VB2 geriliminin düşmesi, T2’nin daha az iletimde olması ve IE2’nin azalması demektir. Bu arada IE1 akımı artmaktadır ama bu artış IE2’deki azalmadan daha az olduğundan R3’deki toplam akımda azalma olmaktadır. Dolayısıyla VE gerilimi azalmaktadır. VE’nin azalması T1’in daha fazla iletime girmesini sağlamakta ve bu işlem pozitif geri-beslemeli olarak çok hızlı bir şekilde gerçekleşmektedir. Böylece T1 çok hızlı olarak doymaya, T2 de çok hızlı olarak kesime gider ve ST konum değiştirmiş olur (YS). T2 kesimde iken ST ve kollektörden bakıldığında görülen Thevenin eşdeğer devresi Şekil 5’teki gibi olur. Bu eşdeğer devre için VTH ve RTH, RTH = Deney 3 R1 ( R2 + R4 ) R1 + R2 + R4 (5) 3 VTH = R2 + R4 VCC R1 + R2 + R4 (6) olarak hesaplanabilir. Bu durumda V``E gerilimi ise, VG VCC VTH R1 RTH T1 VG V``E R3 T1 V``E R2+ R4 R3 Şekil 5. T2 kesimde iken ST ve Thevenin eşdeğer devresi V E'' = VTH − I C1 RTH − VCE1d (7) olacaktır. Burada VCE1d T1 transistörünün doyma durumundaki kollektör-emetör gerilimini göstermektedir. T1’in doymada olması için gerekli olan minimum giriş gerilimi V1 = VE'' + V BE1d (8) olacaktır. VG >V1 olduğu müddetçe T1 doymada kalacaktır. VG < V1 olduğunda pozitif geribesleme olayı tekrar gerçekleşir ve T1 tıkamaya, T2 iletime girer. Böylece ST’nin çıkışı tekrar AS olur. C kapasitesi anahtarlama olayını hızlandırmak amacıyla kullanılmaktadır. 2.3. İşlemsel Yükselteçli Schmitt Tetikleme Devresi İşlemsel yükselteçli ST devresi Şekil 6’da verilmektedir. Burada pozitif geri-besleme R1 ve R2 dirençleri yardımıyla uygulanmaktadır. Geri-beslemeli bir sistemde çevrim kazancı GK = -1 olursa, geri-besleme kazancı ( K Vf = K ) sonsuz olur. Bu durumda çıkışın bir konumdan 1 + GK diğer konuma geçişi keskin olur. Bu devrede işlemsel yükselteç karşılaştırma görevi yapmaktadır. Giriş geriliminin 0 volttan itibaren arttığı düşünülsün. VG < V2 olduğu sürece VÇ = +VCC olacaktır (YS). Süperpozisyon teoremi kullanılarak Vf aşağıdaki gibi hesaplanabilir: Deney 3 4 V f = (V R − R2 R2 VR ) + VÇ R1 + R2 R1 + R2 (9) R1 R2 VR + VCC = R1 + R2 R1 + R2 Bu değer aynı zamanda ST’nin konum değiştireceği giriş gerilimi V2’dir. VG > V2 olunca ST konum değiştirecek, VÇ = -VCC (AS) olacak ve bu seviyede kalacaktır. VG - VÇ + R1 Vf R1 = 47K R2 = 4K7 VCC = 15 V VR = 5 V VÇ YS R2 V1 V2 VG AS VR Şekil 6. İşlemsel yükselteçli Schmitt tetikleme devresi Şekil 7. Transistörlü ST devresinin geçiş özeğrisi Çıkış gerilimi VÇ = - VCC iken geri-besleme gerilimi Vf = R1 R2 VR − VCC R1 + R2 R1 + R2 (10) olacaktır. Bu değer de ST’nin diğer konum değiştirme gerilimi olan V1’dir. Histerezis gerilimi V H = V2 − V1 = 2 R2 VCC R1 + R2 (11) olarak hesaplanabilir. Giriş geriliminin azaldığı düşünülsün. VG < V1 olunca ST’nin çıkışı tekrar VÇ = + VCC (YS) olur ve bu seviyede kalır. Anlatılanlar ışığında işlemsel yükselteçli ST devresinin geçiş özeğrisi ise Şekil 7’de verilmiştir. 3. Hazırlık Soruları Aşağıdaki soruları çizgisiz A4 kâğıda cevaplamış olarak deneye geliniz. a) Transistörlü ST devresinin nasıl tasarlanabileceğini araştırınız. b) Transistörlü ST devresi ile işlemsel yükselteçli ST devresini karşılaştırınız. c) İşlemsel yükselteçli ST devresinde VR geriliminin geçiş özeğrisine etkisini araştırınız. (VR = +5 V ve VR = - 5 V alarak V1 ve V2 gerilimlerini hesaplayıp, özeğrileri çiziniz.) Deney 3 5 4. Deney İçin Gerekli Malzemeler 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. C.A.D.E.T. deney seti 2 adet voltmetre Ayarlanabilir DC gerilim kaynağı 2 x BC547 transistör LM741 1N4007 diyot 2 x 4.7 kΩ, 2.2 kΩ, 3.3 kΩ, 6.8 kΩ, 47 kΩ direnç 10 nF kondansatör Yeterli miktarda bağlantı teli 5. Deneyin Yapılışı 1- Şekil 1’de verilen devreyi kurunuz. Devrenin girişine ayarlanabilir DC gerilim kaynağı bağlayınız. Giriş ve çıkış gerilimlerini birer voltmetre ile ölçerek devrenin geçiş özeğrisini çıkarınız. AS ve YS durumlarında T1 Ve T2 transistörlerinin VBE, VCB ve VCE gerilimlerini ölçünüz. 2- T1’in bazına 1N4007 diyotu (katodu baza gelecek şekilde) bağlayınız. Diyotun anoduna 5Sin 2π 1000t voltluk bir işaret uygulayınız. T1’in bazındaki ve çıkıştaki işareti osiloskopta gözleyiniz. Giriş işaretinin frekansını 10 kHz ve 100 kHz yaptığınızda ne gibi değişiklikler gözlüyorsunuz? C kondansatörünü devreden çıkarıp tekrar takarak etkisini inceleyiniz. 3- Şekil 6’da verilen devreyi kurunuz. VR = 5 V yaparak devrenin geçiş özeğrisini çıkarınız. Devrenin girişine 5Sin 2π 1000t voltluk bir işaret uygulayarak giriş ve çıkış işaretlerini osiloskopta inceleyiniz. 4- VR = 0 V ve VR = -5 V yaparak çıkış işaretinin nasıl değiştiğini inceleyiniz. 5- Transistörlü ve işlemsel yükselteçli ST devrelerinin geçiş özeğrilerini karşılaştırınız. Deney 3 6 Deney 4 Kodlayıcı, Kod Çözücü, Veri Seçici, Veri Yayıcı Devreler (Encoder, Decoder, Multiplexer, Demultiplexer) I. Kodlayıcı (Encoder) Devresi Deneyin Amacı: Kodlayıcıların çalışma prensiplerinin anlaşılması Teorik Bilgi Kombinezonsal bir lojik devre olan kodlayıcı, bir veya daha fazla girişten belirli bir çıkış kodu üretir. Bir anda sadece bir tane giriş tetiklenebilir. Şekil 4-1’de n-bit girişli ve n-bit çıkışlı bir kodlayıcı gösterilmiştir. Girişlerden birisi tetiklendiği zaman çıkışta n-bitlik bir çıkış kodu üretilecektir. Şekil 4.1 8:3 Kodlayıcı Şekil 4-2’de 8:3 kodlayıcı gösterilmiştir. Devrenin Sekiz tane girişi (A1~A7) (0~7) ve üç tane çıkışı (Q0, Q1) (000~111) vardır. A0 girişi “1” olursa buna karşılık gelen Q2Q1Q0 çıkışı “000” değerine eşit olacaktır. Aslında A0 girişi Şekil 4.2 kapının girişine bağlanmamıştır. A1 girişi “1” olursa Q2Q1Q0=001, A2 girişi “1” olursa Q2Q1Q0=010 olacaktır. Girişler arasında Deney 4 1 birden fazla “1” değeri bulunamaz; örneğin A2 ve A3 girişleri aynı anda “1” ise Q2Q1Q0=011, A3 ve A4 girişleri aynı anda “1” ise Q2Q1Q0=111 olacaktır ve çıkışların ikisi de yanlıştır. Matris Kodlayıcı Eğer piyasadaki kodlayıcılar istenilen özellikleri karşılayamıyorsa, diyotlar kullanılarak istenilen özelliklerde bir kodlayıcı yapılabilir. Şekil 4-3’te diyotlarla yapılmış basit bir matris kodlayıcı gösterilmiştir. Şekil 4.3 Bazı dijital uygulamalarda çeşitli giriş işaretlerini belirli bir önceliğe göre işleme tabi tutmak gerekebilir. Öncelikli kodlayıcı olarak adlandırılan özel bir kodlayıcı türü bu işlevi yerine getirir. Öncelik sırası yüksek olan bir giriş tetiklendiğinde çıkış daha düşük öncelik sırasına sahip girişleri dikkate almaksızın bu girişe karşılık gelen değeri alır. 74148 tümdevresi Binary çıkışlı 8:1 öncelikli kodlayıcıdır. Giriş önceliği artan sıradadır, yani 1. girişin önceliği en düşük ve 8. girişin önceliği en yüksektir. Çıkışlar Binary kodundadır. Deney Öncesi Hazırlık: 1- 74LS148 encoder’ına ait datasheet (katalog) bilgilerini araştırarak temin ediniz. 2- Bu katalog bilgilerini okuyup katalog dökümanları ile deneye geliniz. Hazırlık Soruları: 1- BCD’den 3 fazlalık koduna kodlama yapan devreyi mantıksal kapılar kullanarak gerçekleyiniz. Deney için gerekli malzemeler: 1- C.A.D.E.T 2- 1 adet 74LS148 Deney 4 2 Deneyin yapılışı 1. Şekil 4.4’deki devreyi kurunuz. 2. Girişleri S1-S8, çıkışları “logic indicators”LED’lerine sırası ile bağlayınız +5V 3. Anahtarları sırayla 0 dan 1 konumuna geçirerek Tablo 1’i doldurunuz. U1 10 11 12 13 1 2 3 4 5 0 1 2 3 4 5 6 7 A0 A1 A2 GS EI EO 9 7 6 14 15 74LS148 Şekil 4.4 Tablo 1: S8 S7 S6 S5 S4 S3 S2 S1 A0 A1 A2 GS Eo Deney 4 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 3 II. Kod Çözücü (Decoder) Devresi Deneyin Amacı: Kod çözücülerin çalışma prensiplerinin anlaşılması Teorik Bilgi Kod çözücü, girişte belirli bir ikili sayının veya kelimenin bulunup bulunmadığını ortaya çıkaran bir lojik devredir. Kod çözücünün girişi bir ikili sayıdır, çıkışı ise belirli bir sayının bulunup bulunmadığını belirten ikili işarettir. Temel bir kod çözücü olarak VE kapısı kullanılabilir, çünkü kapının çıkışı girişlerin tümü “1” olduğunda “1” olacaktır. VE kapısının girişlerini veriye uygun şekillerde bağlayarak bütün ikili sayılar için sayıların varlığı belirlenebilir. 3:8 Kod çözücü Şekil 4.5’de 3:8 kod çözücü gösterilmiştir. A, B ve C olmak üzere üç giriş ve Q0~Q7 olmak üzere sekiz çıkış bulunmaktadır. CBA=”010” ise Q2 çıkışı ”1” olacaktır. CBA=”111” ise Q7 çıkışı ”1” olacaktır. Şekil 4.5 Deney Öncesi Hazırlık: 1- 74LS138 decoder’ına ait datasheet (katalog) bilgilerini araştırarak temin ediniz. 2- Bu katalog bilgilerini okuyup katalog dökümanları ile deneye geliniz. Deney 4 4 Hazırlık Soruları: 1- 2’den 4’e (2:4) kod çözen devreyi mantıksal kapılar kullanarak gerçekleyiniz. Deney için gerekli malzemeler: 1- C.A.D.E.T 2- 1 adet 74LS155 Deneyin yapılışı 1. Şekil 4.6 daki devreyi kurunuzn devreyi kurunuz. 2. Girişleri S1-S3, çıkışları “logic indicators”LED’lerine sırası ile bağlayınız +5V 3. Anahtarları sırayla 0 dan 1 konumuna geçirerek Tablo 2’i doldurunuz. U2 1 2 3 6 4 5 A B C Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 E1 E2 E3 15 14 13 12 11 10 9 7 74LS138 Şekil 4.6 Tablo 2: A(S1) B(S2) C(S3) Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 Deney 4 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 5 III. Veri Seçici (Multiplexer) ve Veri Yayıcı (Demultiplexer) Deneyin Amacı: Veri seçicilerin ve veri yayıcılarınçalışma prensiplerinin anlaşılması. Teorik Bilgi Veri seçici (MUX), girişlerinden birini seçip çıkışa gönderen bir lojik devredir. Girişlerinden bir tanesi seçme girişleri tarafından seçilir ve bu giriş çıkışa gönderilir. Çıkış tektir. Seçme girişlerinin sayısı veri seçicinin kapasitesini belirler. Örneğin veri seçicinin tek bir seçme girişi varsa, devre 2:1 (ikiye bir) veri seçici olarak adlandırılır, çünkü tek bir seçme girişi iki giriş arasından seçme yapabilir. Üç girişli bir veri seçici sekiz giriş arasından seçim yapabileceği için 8:3 (sekize üç) veri seçici olarak adlandırılır (2^3=8). Veri seçici kullanarak F(CBA)= Ç (0, 1, 2, 6, 7) gibi lojik fonksiyonlar kolaylıkla gerçeklenebilir. F fonksiyonu 0, 1, 2, 6, 7 durumlarındaki çarpımların toplamıdır.Aşağıdaki 4:1 veri seçiciye bakarsak çıkışın A, B, C girişleri tarafından belirlendiğini görebiliriz. CBA=000, 001, 010, 110, 111 iken F çıkışı “1” olmaktadır. Diğer bütün durumlarda F=0’dır. Şekil 4.7 Veri yayıcılar, veri seçicilerin tam tersi işlem yapmaktadırlar. En yaygın olarak 4051 demultiplexer kullanılmaktadır. Hazırlık Soruları: 1- 4051 demultiplex’e ait katalog bilgilerini temin ederek çalışınız. Deney Öncesi Hazırlık: 1- 74LS151 ’ına ait datasheet (katalog) bilgilerini araştırarak temin ediniz. 2- Bu katalog bilgilerini okuyup katalog dökümanları ile deneye geliniz. Deney 4 6 Deney için gerekli malzemeler: 1- C.A.D.E.T 2- 1 adet 74LS151 Deneyin yapılışı 1. Şekil4.8’deki devreyi kurunuzn devreyi kurunuz. 2. A girişini S1, B girişini S2, C girişini anahtarına S3, Y çıkışlarını “logic indicators”LED’ine sırası ile bağlayınız. 3. Anahtarları sırayla 0 dan 1 konumuna geçirerek Tablo 3’i doldurunuz. Şekil 4.8 Tablo 3: A(S1) B(S2) C(S3) Y Deney 4 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 7 Deney 5 Flip-Flop Devreleri Deneyin Amacı: Flip-flopların çalışmasını ve türlerini anlamak. Teorik Bilgi Sayısal Elektronik dersi ders notlarından ardışıl (Sequential) devreler bölümüne bakınız. 1: Temel Mantıksal Kapılar ile R – S Flip Flop Hazırlık Soruları: 1- Şekil 5.1 devrede NAND kapıları yerine NOR kapıları kullanarak R-S flip flop devresini oluşturarak doğruluk tablosunu elde ediniz. Şekil 5.1 deki devreden farkı nedir? Açıklayınız. Deney için gerekli malzemeler: 1- C.A.D.E.T 2- 1 adet 74LS00 Deneyin yapılışı 1. Şekil 5.1 deki devreyi kurunuz. 2. girişler S1, S2 anahtarı, çıkışlar “logic indicators”LED’leridir. Bağlantıyı yapınız. 3. Anahtarları sırayla 0 dan 1 konumuna geçirerek Tablo 1’i doldurunuz. Tablo 1: S1 S2 A Deney 5 0 0 0 1 1 0 1 1 B 1 +5V S1 U1:A 1 3 SW-SPDT 2 74LS00 U1:B 4 S2 6 5 74LS00 SW-SPDT A B Şekil 5.1 2: J – K Flip Flop Deney Öncesi Hazırlık: 74LS76 entegresine ait datasheet’i elde ediniz. İnceleyerek birlikte deneye geliniz. Hazırlık Soruları: 1- R-S ile J-K flip-flop arasında ne fark vardır? Açıklayınız. Deney için gerekli malzemeler: 1- C.A.D.E.T 2- 1 adet 74LS76 Deneyin yapılışı 1. Şekil 5.2 deki devreyi kurunuz. 2. girişler S1, S2 anahtarı, çıkışlar “logic indicators”LED’leridir. Bağlantıyı yapınız. 3. S1 ve S2 anahtarlarını sırayla 0 dan 1 konumuna geçirerek S3 anahtarına basılı değilken Qn, basılı iken Qn+1 değerlerini Tablo 2’ye doldurunuz. (Qn önceki değer, Qn+1 ise sonraki değer anlamındadır.) Tablo 2: Deney 5 S1(J) S2(K) S3(clock) 0 0 ↑↓ 0 1 ↑↓ 1 0 ↑↓ 1 1 ↑↓ Qn 2 Qn+1 4. Şekil 5.2 deki devrede S1 ve S2 anahtarlarını sırası ile entegrenin S (2 nolu bacak) ve R (3 nolu bacak) bacaklarına bağlayınız. 5. 3. maddedeki işlemleri yenileyerek Tablo 3’ü doldurunuz. +5V S1 SW-SPDT 2k2 1 16 S2 Q Q 15 CLK K 3 S3 J S 2 U1:A R R1 4 14 74LS76 Q SW-SPDT Şekil 5.2 Tablo 3: S1(S) S2(R) S3(clock) 0 0 ↑↓ 0 1 ↑↓ 1 0 ↑↓ 1 1 ↑↓ Qn Qn+1 2: D Flip Flop Deney Öncesi Hazırlık: 74LS74 entegresine ait datasheet’i elde ediniz. İnceleyerek birlikte deneye geliniz. Deney için gerekli malzemeler: 1- C.A.D.E.T 2- 1 adet 74LS74 Deneyin yapılışı 1. Şekil 5.3 deki devreyi kurunuz. 2. giriş S1, çıkış “logic indicators”LED’dir. Bağlantıyı yapınız. 3. S1 anahtarını sırayla 0 dan 1 konumuna geçirerek S3 anahtarına basılı değilken Qn, basılı iken Qn+1 değerlerini Tablo 4’ye doldurunuz. (Qn önceki değer, Qn+1 ise sonraki değer anlamındadır.) Deney 5 3 +5V S1 D Q Q 5 CLK 6 74LS74 S3 Şekil 5.3 Tablo 4: S1(S) S3(clock) Deney 5 0 ↑↓ 0 ↑↓ 1 ↑↓ 1 ↑↓ Qn D1 LED-RED 1 3 S 2 2k2 U2:A 4 SW-SPDT R R2 Qn+1 4 Deney 6 Karşılaştırma, Toplayıcı ve Çıkarıcı Devreler I. Karşılaştırma Devresi Deneyin Amacı: Sayısal karşılaştırıcıların tasarımının ve çalışmalarının anlaşılması Teorik Bilgi Bir karşılaştırma işlemi yapmak için en az iki sayı gerekir. En basit karşılaştırıcının iki girişi vardır. Girişler X ve B olarak adlandırılırsa üç olası çıkış söz konusudur: X>Y; X=Y; X<Y. Şekil 3.1‘de basit bir karşılaştırıcı gösterilmiştir. X X<Y Karşılaştırıcı X=Y Y X>Y Şekil 6.1 Gerçek uygulamalarda 4 bitlik karşılaştırıcılar kullanılır (TTL-7485,CMOS-4063). 4 bitlik karşılaştırmada karşılaştırmaya enanlamlı bitten başlanır (23). Eğer X girişinin enanlamlı biti Y girişinden büyükse X>Y çıkışı, küçükse X<Y çıkışı yüksek seviye durumuna geçer. Eğer X ve Y girişlerinin enanlamlı bitleri eşitse karşılaştırmaya bir sonraki yüksek anlamlı bitten devam edilir. Girişler enanlamsız bitte de eşitse X=Y çıkışı yüksek seviye durumuna geçer. Hazırlık Soruları: 1- 2 girişli VE-DEĞİL ile 2 girişli XOR kapısı kullanarak en basit karşılaştırıcı tasarlayınız. 2- 4 bitlik bir karşılaştırıcıyı her bir bit için şekil 6.1 deki blok ifadeleri ve mantıksal kapıları kullanarak tasarlayınız. 3- 74LS85 4-bit karşılaştırma entegresinin datasheet’ini edinerek 2 adet 24 bitlik WORD karşılaştırmasını inceleyiniz. Deney için gerekli malzemeler: 1- C.A.D.E.T 2- 1 adet 74LS00 3- 1 adet 74LS04 4- 1 adet 74LS86 5- 1 adet 74LS85 Deney 6 1 Deneyin yapılışı 1. Hazırlık soruları 1. de istenen devreyi kurunuz. 2. X girişini S1, Y girişini S2 anahtarına, X>Y, X=Y ve X<Y çıkışlarını “logic indicators”LED’lerine sırası ile bağlayınız 3. Anahtarları sırayla 0 dan 1 konumuna geçirerek Tablo 1’i doldurunuz. Tablo 1: X(S1) Y(S2) X<Y X=Y X>Y 0 0 0 1 1 0 1 1 4. Şekil 6.2’ deki devreyi kurunuz. 5. X girişini S1-S4, Y girişini S5-S6, X>Y, X=Y ve X<Y çıkışlarını “logic indicators”LED’lerine sırası ile bağlayınız 6. Anahtarları sırasıyla 0 dan 1 konumuna geçirerek Tablo 2’yi doldurunuz. X U1 10 12 13 15 9 11 14 1 2 3 4 A0 A1 A2 A3 B0 B1 B2 B3 A<B A=B A>B 74LS85 Y +5V Şekil 6.2 Deney 6 2 QA<B QA=B QA>B 7 6 5 Tablo 2: (S4) X(S3) X(S2) X(S1) Y(S4) Y(S3) Y(S2) Y(S1) X<Y 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 X=Y X>Y Değerlendirme soruları: 1- Tablo 2’de tüm anahtarlar aynı pozisyonunda iken X=Y çıkışının yüksek seviyede olması beklenir. X>Y çıkışının yüksek seviyede olması için devre bağlantılarında ne gibi ilave değişiklik yapmak gerekir? 74LS85 datasheet’inden yararlanarak açıklayınız. Deney 6 3 II. Yarım Toplayıcı ve Tam Toplayıcı Devreleri Deneyin Amacı: ALU’daki yarım ve tam toplayıcı birimlerinin karakteristiklerinin anlaşılması Teorik Bilgi Toplayıcı devreler “Yarım-Toplayıcı” ve “Tam-Toplayıcı” olarak ikiye ayrılır. Yarım-toplayıcılar 2 tabanında toplama kuralına göre çalışır ve sadece 1 bitin toplanmasını dikkate alır. Toplamanın sonucu “elde” ve “toplam”dır. 2 tabanında toplama işleminde “elde”, iki sayının toplamı 1’den büyükse meydana gelir. Aşağıdaki yarım-toplayıcı ile yapılan toplama işlemlerini inceleyiniz. 1 → önceki elde 1 1 0 → toplanan +1 + 1 0 → toplanan elde ← 1 0 →Toplam elde ← 1 0 1 → Toplam “1” ile “1” toplandığında toplam “0” ve elde “1”dir. Yarım-toplayıcının toplama işlemi 1-bitlik sayılarla sınırlıdır. Tam toplayıcı 2-bitten daha büyük sayılar için toplama işlemini gerçekleştirir. Aşağıdaki tam-toplayıcı ile yapılan toplama işlemlerini inceleyiniz. Tam-toplayıcı iki adet yarımtoplayıcı kullanılarak gerçeklenebilir. Şekil 6.3 (a) ve (b)’de yarım-toplayıcı ve tam-toplayıcının devreleri ve simgeleri gösterilmiştir. X U1:A 1 3 T 2 Y 74LS86 X Yarim T (a) Toplayici Y U2:A 1 3 E E 2 74LS00 Tam Toplayici X Yarim Toplayici T E X Y Yarim T T Toplayici Y Eo Ei E Şekil 6.3 Deney 6 4 (b) Deney için gerekli malzemeler: 1- C.A.D.E.T 2- 1 adet 74LS00 3- 1 adet 74LS32 4- 1 adet 74LS86 Deneyin yapılışı 1. Şekil 6.3 (a)’deki devreyi kurunuzn devreyi kurunuz. 2. X girişini S1, Y girişini S2 anahtarına, T ve E çıkışlarını “logic indicators”LED’lerine sırası ile bağlayınız. 3. Anahtarları sırayla 0 dan 1 konumuna geçirerek Tablo 1’i doldurunuz. Tablo 1: X(S1) Y(S2) T E 0 0 0 1 1 0 1 1 4. Şekil 6.3 (b)’deki devreyi kurunuz devreyi kurunuz. 5. X girişini S1, Y girişini S2 ve Ei girişini S3 anahtarına, T indicators”LED’lerine sırası ile bağlayınız. 6. Anahtarları sırayla 0 dan 1 konumuna geçirerek Tablo 2’i doldurunuz. Tablo 2: X(S1) Y(S2) Ei(S3) T Eo Deney 6 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 5 ve Eo çıkışlarını “logic II. Yarım Çıkarıcı ve Tam Çıkarıcı Devreleri Deneyin Amacı: Tümleme teorisinin ve yarım ve tam çıkarma devrelerinin gerçeklenmesi Teorik Bilgi Mantıksal devrelerde yapılan ikinci temel işlem çıkarmadır. İki bitin çıkarmasını yapan devreye yarım çıkarıcı, üç bitin çıkarmasını yapan devreye ise tam çıkarıcı devresi denir. A Fark (F) = A`B+AB` Yarım Çıkarıcı B A Borç (B) = A`B U1:A 1 3 0–0=0 0 – 1 = 1 (Borç =1) 1–0=1 1–1=0 Fark 2 74LS86 B (a) U4:A 1 U5:A 1 74LS04 A B 3 2 Borç 2 74LS08 A Yarım Çıkarıcı Yarım Çıkarıcı B Fark (b) C Tam Çıkarıcı Borç Şekil 6.4 Deney için gerekli malzemeler: 1- C.A.D.E.T 2- 1 adet 74LS04 3- 1 adet 74LS08 4- 1 adet 74LS32 5- 1 adet 74LS86 Deney 6 6 Deneyin yapılışı 1. Şekil 6.4 (a)’deki devreyi kurunuzn devreyi kurunuz. 2. A girişini S1, B girişini S2 anahtarına, F ve B çıkışlarını “logic indicators”LED’lerine sırası ile bağlayınız. 3. Anahtarları sırayla 0 dan 1 konumuna geçirerek Tablo 1’i doldurunuz. Tablo 1: A(S1) B(S2) F B 0 0 0 1 1 0 1 1 4. Şekil 6.4 (b)’deki devreyi kurunuz devreyi kurunuz. 5. A girişini S1, B girişini S2 ve C girişini S3 anahtarına, F ve B çıkışlarını “logic indicators”LED’lerine sırası ile bağlayınız. 6. Anahtarları sırayla 0 dan 1 konumuna geçirerek Tablo 2’i doldurunuz. Tablo 2: A(S1) A(S2) B(S3) F B 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 Değerlendirme soruları: 1- 74LS83 datasheet’ini kataloglardan (internet vasıtasıyla pdf dosyasını bulabilirsiniz.) edininiz. Bu datatshetten yararlanarak 4 bitlik toplayıcı entegrenin çalışmasını öğreniniz. 2- Yukarıdaki bilgiler ışığında 74LS83, ve gerekli mantık kapıları kullanarak seçime göre hem toplayıcı hem de çıkarıcı olarak çalışan bir devre tasalayınız. Deney 6 7 Deney 7 Sayıcılar Deneyin Amacı: Sayıcıların çalışma prensiplerinin anlaşılması ve J-K flip-floplarıyla nasıl gerçeklendiklerinin incelenmesi. Teorik Bilgi Sayıcılarla ilgili ders notlarına bakınız. Deney Öncesi Hazırlık: 1- 74LS161 sayıcısına ait datasheet (katalog) bilgilerini araştırarak temin ediniz. 2- Bu katalog bilgilerini okuyup katalog dökümanları ile deneye geliniz. Hazırlık Soruları: 1- 74161 ve gerekli lojik kapıları kullanarak 6 ile 15 arasında sayan bir sayıcı tasarlayınız. Deney için gerekli malzemeler: 1- C.A.D.E.T 2- 2 adet 74LS76 3- 1 adet 74LS04 4- 1 adet 74LS00 5- 1 adet 74LS161 I. Asenkron 2 Tabanında Yukarı Sayıcı Deneyin yapılışı 1. Şekil 7.1 deki devreyi kurunuz. 2. B1(clock) girişini CADET üzerindeki darbe üretecine A2 girişini ise CADET üzerindeki anahtarlardan birine bağlayınız. L1~L4 girişlerini CADET üzerindeki lojik göstergelere bağlayınız. 3. Başlangıçta A2 anahtarını 1 konumuna getirerek flip flopların çıkışını sıfırlayınız. Daha sonra saymaya başlamak için anahtarı 0 konumuna getiriniz. Saat işaretini ve çıkışları osiloskopla ölçüp şekil 7.2’ye kaydediniz. Deney 7 1 Şekil 7.1 L1 L2 L3 L4 Şekil 7.2 4. Sayma sürecinde A2 anahtarı 1 konumuna getirilirse ne olur? Deney 7 2 II. 74161 İle Senkron 2 Tabanında Yukarı Sayıcı Bir senkron sayıcı tümdevresi olan 74161, ENableP, ENableT, load ve clear olmak üzere dört adet kontrol girişi, CLK saat girişi, dört bitlik paralel girişi, dört bitlik paralel çıkışı ve bir bitlik elde çıkışına sahiptir. Giriş verilerinin çıkışa yüklenmesi için clear girişini lojik 1’e, load girişini lojik 0’a getirmek gerekir. Tümdevrenin içindeki bellek elemanları yükselen kenarda tetiklenirler. Eğer load ve clear girişi ve her iki sayma kontrol girişi (ENP ve ENT) lojik 1’e getirilirse, devre sayıcı olarak çalışır. ENP ve ENT girişlerinden herhangi biri yada ikisi lojik 0 olursa çıkış korunur. Elde çıkışı, tüm paralel çıkışlar lojik 1 değerine eşit olunca, lojik 1 değerini alır. Deneyin yapılışı 1. Şekil 7.3a daki devreyi kurunuz. 2. Sayıcının ENP girişini şekilde görüldüğü gibi CADET üzerindeki anahtarlardan birine bağlayınız ve sayıcıyı anahtarı kapalı konuma getirerek çalıştırınız. 3. Şekil 7.3b deki devreyi kurarak devrenin 3ile 12 arasında saydığını gözlemleyiniz. 4. 74161 ve gerekli lojik kapıları kullanarak 6 ile 15 arasında sayan bir sayıcı tasarlayınız. a) b) Şekil 7.3 Değerlendirme soruları: 1- Şekil 7.1 deki devrenin geri sayıcı olarak davranması için ne gibi değişiklikler yapılması gerekir? 2- Şekil 7.1 deki devrenin BCD sayıcı olarak davranması için ne gibi değişiklikler yapılması gerekir? Deney 7 3 Deney 8 Kaydırmalı Kaydedici (Shift Register) Devreleri (Ötelemeli Saklayıcı Devreleri) Deneyin Amacı: Kaydedicilerin çalışma prensiplerini kavramak Teorik Bilgi Sayısal Elektronik dersi ders notlarına bakınız. 1: D Türü Flip Flop’lar ile Kaydırmalı Kaydedici Gerçekleştirme: Deney Öncesi Hazırlık 74LS74 entegresine ait datasheet’i elde ediniz ve bu datasheet’le birlikte deneye geliniz. Deney için gerekli malzemeler: 1- C.A.D.E.T 2- 1 adet 74LS74 3- 3 adet 2k2, 4 adet 330 Ω direnç Deneyin yapılışı 1. Şekil 8.1 deki devreyi kurup, tüm bağlantıları gerçekleştirin. 2. Bu devrede giriş olarak S1 anahtarı, çıkışlar için LED’ler (veya logic indicator) kullanılmıştır. S2 anahtarı saat darbelerini üretmek, S3 anahtarı ise tüm çıkışları sıfırlamak amacıyla tasarlanmışlardır. 3. S3 anahtarına basıp bırakın ve LED lerin hangilerinin yandıklarını belirtin. 4. S1 anahtarı 0 konumunda iken S2 anahtarına basıp bırakınız ve Tablo1’de ilgili satırı doldurun. 5. S1 anahtarı 1 konumunda iken S2 anahtarına basıp bırakınız ve Tablo1’de ilgili satırı doldurun. 6. S1 anahtarı 0 konumunda iken S2 anahtarına basıp bırakınız ve Tablo1’de ilgili satırı doldurun. 7. S1 anahtarı 1 konumunda iken S2 anahtarına basıp bırakınız ve Tablo1’de ilgili satırı doldurun. 8. Yukarıdaki gözlemlerinize göre her bir saat darbesi eşliğinde S1 anahtarı ile girişte uygulanan verinin LEDler yardımıyla çıkışta ne şekilde sıralandıklarını açıklayın. Not: LED yerine kullanabileceğiniz logic indicator’lerin kullanımını laboratuvar sorumlunuzdan öğreniniz. Tablo 1: Deney 8 S1(D1) S2(saat) 0 1 1 1 0 1 1 1 D1 D2 1 D3 D4 +5V R2 2k2 S1 74LS74 S3 A 74LS74 10 CLK Q U2:B D S 12 Q R 8 Q 5 11 R Q U2:A 4 CLK D S Q 2 3 R 6 D 9 Q 74LS74 9 CLK 6 13 2k2 10 CLK Q U1:B 1 2k2 12 11 1 R1 Q 5 S D R 3 S 2 R3 U1:A 4 SW-SPDT 13 S2 8 74LS74 R4 R5 R6 R7 330 330 330 330 A D1 K D2 K A D3 K A K Şekil 8.1 Değerlendirme soruları: 1- Bu devrede kullanılan LEDler D-tipi FF çıkışlarının hangi durumnda (H veya L) yanmaktadırlar, niçin? 2- Elde ettiğiniz sonuçlara göre Şekil 8.1’deki devre hangi yöne (sağ veya sol) kaydırma fonksiyonu gerçekleyen bir kaydedici devresidir. 3- Bu çalışmadan öğrendiğiniz bilgiler ışığında seri/paralel dönüştürücü bir devreyi nasıl tasarlarsınız, açıklayınız. 4- Bu devrenin kaydırma yönünü değiştirmek için tasarımda ne gibi bir değişiklik gerekir. 2: Kaydırmalı Kaydedici İle 4-bit Seri/Paralel Dönüştürücü Gerçekleştirme: Deney Öncesi Hazırlık 74LS194 entegresine ait datasheet’i bölüm sonunda verilmiştir. Bu datasheet’ten faydalanarak bu kaydırmalı kaydedicinin çalışmasını ve özelliklerini öğreniniz. Deney için gerekli malzemeler: 1- C.A.D.E.T 2- 1 adet 74LS194 3- 2 adet 2k2, 4 adet 330 Ω direnç Deney 8 2 D4 Deneyin yapılışı 1- Şekil 8.2 deki devreyi kurup, tüm bağlantıları gerçekleştirin. 2- 74LS194 kaydedici entegre fonksiyon tablosundan (function table) faydalanarak entegre bacaklarının hangilerinin ne şekilde kullanıldığını da göz önünde bulundurarak bu devrenin ne maksatla tasarlandığını belirlemeye çalışın ve açıklayın. 3- S3 anahtarına basıp bırakın ve yine LED lerin hangilerinin yandıklarını belirtin. 4- S1 anahtarı 0 konumunda iken S2 anahtarına basıp bırakınız ve Tablo2’de ilgili satırı doldurun. 5- S1 anahtarı 1 konumunda iken S2 anahtarına basıp bırakınız ve Tablo2’de ilgili satırı doldurun. 6- S1 anahtarı 0 konumunda iken S2 anahtarına basıp bırakınız ve Tablo2’de ilgili satırı doldurun. 7- S1 anahtarı 1 konumunda iken S2 anahtarına basıp bırakınız ve Tablo2’de ilgili satırı doldurun. 8- Yukarıdaki gözlemlerinize göre her bir saat darbesi eşliğinde S1 anahtarı ile girişte uygulanan verinin LEDler yardımıyla çıkışta ne şekilde belirdiklerini açıklayın. Vcc=5V S2 R3 330 R4 330 D1 R5 330 D2 R6 330 D3 D4 R2 2k2 R1 2k2 16 15 Vcc 14 QA 13 QB 12 QC 11 QD 10 CLOCK 9 S1 S0 74LS194 CLEAR Inp serial R 1 2 A 3 B C 4 5 D 6 Inp serial L GND 7 S1 S3 Deney 8 3 8 Tablo 2: S1(D1) S2(saat) 0 ↑ 1 ↑ 0 ↑ 1 ↑ D1 D2 D3 D4 Değerlendirme soruları: 1- Bu devrede kullanılan LEDler 74LS194 çıkışlarının hangi durumnda (H veya L) yanmaktadırlar, niçin? 2- Elde ettiğiniz sonuçlara göre Şekil 8.2’deki devre hangi yöne (sağ veya sol) kaydırma fonksiyonu gerçekleyen bir kaydedici devresidir. 3- Bu çalışmadan öğrendiğiniz bilgiler ışığında seri/paralel dönüştürücü bir devreyi nasıl tasarlarsınız, açıklayınız. 4- Bu devrenin kaydırma yönünü değiştirmek için tasarımda ne gibi bir değişiklik gerekir, açıklayın. 3: Kaydırmalı Kaydedici İle 3-bit Paralel/Seri Dönüştürücü Tasarımı: Deneyin yapılışı 1- Bu çalışmada öğrendikleriniz ışığında bir 3-bit paralel/seri dönüştürücü devresini 74LS194 kaydedicisi kullanarak ne şekilde gerçeklersiniz? Tasarımınızı laboratuvar sorumlunuz ile tartışıp, çalışacağına karar verdikten sonra devrenizi gerçekleyiniz. 2- Bu tasarımınızı 4-bit olarak geliştirmek isterseniz devrede ne tür bir değişiklik (eklenti) yapmak gerekir, açıklayınız. Deney 8 4 DENEY 9 ANALOG/ DİGİTAL DÖNÜŞTÜRÜCÜ 1. Deneyin Amacı Analog dünya ile digital dünya arasındaki bilgi alış-verişini, digital bir işaretin analog işarete ve analog bir işaretin digital işarete nasıl dönüştürülebileceğini öğrenciye kavratmak, ihtiyaç duyduğunda bu devreleri gerçekleştirip, çalıştırabilme becerisini kazandırmak. 2. Teorik Bilgi 2.1. Giriş Herhangi bir alanda çalışırken verinin hem digital hem de analog biçimiyle karşılaşmak mümkündür. Verinin bazen analog biçimiyle bazen de digital biçimiyle işlenmesi gerekir. Eğer verinin biçimi istendiği gibi değilse, istenen biçime dönüştürülmesi gerekir. Bunun için de çeşitli devreler kullanılır. Digital biçimdeki veriyi analog biçime dönüştürmek için “Digital/Analog Dönüştürücü (Digital to Analog Converter, DAC)” kullanılırken, analog biçimdeki veriyi digital biçime dönüştürmek için ise “Analog/Digital Dönüştürücü (Analog to Digital Converter, ADC) kullanılır. 2.2. Analog/Digital Dönüştürücü (ADC) Fiziksel bir sistemden alınan bilgilerin digital olarak saklanması veya işlenmesi gerekli olduğunda ADC kullanılması gerekir. ADC aslında bir kodlayıcı devredir. Girişindeki analog işaretin seviyesine göre çıkışında digital bir kelime üretir. Analog işaretler sonsuz seviyeye sahip olabilmelerine karşın, bu seviyelere karşı düşürülen digital kelimeler sonlu olmak zorundadır. Aksi durumda, sonsuz seviyeyi kodlamak için sonsuz sayıda bit kullanılması gerekirdi. Bir ADC’nin çıkış işareti D≡ A R (8) bağıntısıyla verilir. Burada A analog giriş işaretini, R analog referans işaretini ve D digital çıkış işaretini göstermektedir. Bu ifade bir özdeşliktir ve D’nin A oranına belli bir R çözünürlük içerisindeki en yakın yaklaşımı olduğunu göstermektedir. Bu bağıntı daha açık olarak Deney 9 1 ( A ≅ R a1 2 −1 + a 2 2 −2 + ... + a n −1 2 − n +1 + a n 2 − n ) (9) biçiminde yazılabilir. Analog/Digital dönüşümü için farklı yöntem ve devreler mevcuttur. Her birinin kendine göre avantaj ve dezavantajları vardır. Şekil 1’de Paralel ADC (Flash ADC) olarak adlandırılan, oldukça hızlı çalışan fakat n bitlik dönüştürücü için 2 n − 1 adet karşılaştırıcı gerektiren ADC devresi verilmektedir. + Referans Gerilimi I7 R - I6 + - I5 + R + I4 R + I3 KODLAYICI R R + MSB A 2 A1 LSB Digital Çıkışlar A0 I2 R Analog Giriş + I1 + R Şekil 1. 3 bitlik paralel ADC Paralel ADC’nin çalışması oldukça basittir. Analog işaret, analog kaynaktan akım çekilmesini önlemek amacıyla, bir tampon devreden geçirildikten sonra karşılaştırıcıların (-) girişlerine uygulanır. Karşılaştırıcıların (+) girişlerine ise, referans gerilimine bağlı olarak, 1. karşılaştırıcının (+) girişindeki gerilimin tam katları uygulanmaktadır. Her bir karşılaştırıcı için, (-) girişindeki işaret (+) girişindeki işaretten büyükse çıkışı “lojik 0”, değilse “lojik 1” seviyesinde olacaktır. Böylece, analog giriş geriliminin o anki değerine bağlı olarak 8 farklı durum söz konusu olabilecektir. Bu 8 durumu kodlamak için ise 3 bit yeterli olacaktır. Kodlayıcı devre, girişlerindeki durumlara göre bu 3 bitin ne olacağına karar veren bir lojik devredir. Lojik kapılar kullanılarak tasarlanabileceği gibi, hazır bir kodlayıcı da kullanılabilir. Şekil 2’de National Semiconductor firması tarafından üretilen 74F148 kodlayıcı entegresinin Deney 9 2 bacak bağlantıları ve ilgili doğruluk tablosu verilmektedir. Şekil 2’de de görüldüğü gibi 74F148 16 bacaklı bir entegredir. 8 alçak aktif girişi ( I 0 − I 7 ) olan entegre 3 adet de alçak aktif çıkışa sahiptir. Devrenin giriş kabul edebilmesi için giriş Şekil 2. 74F148 entegresinin bacak bağlantıları ve doğruluk tablosu yetkilendirme girişinin (Enable Input, EI ) aktif, yani alçak olması gerekir. Bu yüzden sürekli olarak alçak konumda tutulmalıdır. Grup sinyal çıkışı (Group Signal Output, GS ), girişlerden herhangi birinin alçak olması halinde alçak aktif olur. Çıkış yetkilendirme (Enable Output, EO ) ise girişlerin hepsinin yüksek olduğu durumda alçak aktif olur. Bu deneyde GS ve EO çıkışları kullanılmayacaktır. VCC besleme gerilimi +5 volt olarak alınacaktır. 3. Hazırlık Soruları Aşağıdaki soruları çizgisiz A4 kâğıda cevaplamış olarak deneye geliniz. a) Yaptığınız bir devrede kullanmak üzere ADC seçerken nelere dikkat etmeniz gerektiğini nedenleri ile birlikte yazınız. b) ADC yöntemleri hakkında araştırma yaparak özet bilgi veriniz. c) Bir işaretin tepeden tepeye genliği en fazla 20 mV olabilmektedir. Bu işaretin 20 μV çözünürlükle digitale çevrilebilmesi için kullanılması gereken ADC en az kaç bitlik olmalıdır? 4. Deney İçin Gerekli Malzemeler 1. 2. 3. 4. 5. 6. C.A.D.E.T. deney seti Voltmetre 2 x LM324 74F148 kodlayıcı 7 x 1 kΩ direnç Yeterli miktarda bağlantı teli Deney 9 3 5. Deneyin Yapılışı 1- Şekil 1’de verilen devreyi 74F148 kullanarak ve R = 1 kΩ alarak kurunuz. Referans gerilimini VR = 5 volt alınız. Çıkışları (A0-A2) birer LED’e uygulayınız ki seviyeleri rahatlıkla gözleyebilesiniz. Analog giriş işaretini 0 volttan itibaren 0.25 volt adımlarla 5 volta kadar değiştirerek aşağıdaki tabloyu doldurunuz ve ADC’nin transfer fonksiyonunu elde ediniz. Vg [Volt] 0.00 0.25 Çıkışlar A2 A1 A0 Çıkışlar A2 A1 A0 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 2.25 2.50 2.75 3.00 3.25 3.50 3.75 4.00 4.25 4.50 4.75 0 0.5 1.0 5.00 Deney 9 4 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 Giriş [V] DENEY 10 DİGİTAL/ANALOG DÖNÜŞTÜRÜCÜ 1. Deneyin Amacı Analog dünya ile digital dünya arasındaki bilgi alış-verişini, digital bir işaretin analog işarete ve analog bir işaretin digital işarete nasıl dönüştürülebileceğini öğrenciye kavratmak, ihtiyaç duyduğunda bu devreleri gerçekleştirip, çalıştırabilme becerisini kazandırmak. 2. Teorik Bilgi 2.1. Giriş Herhangi bir alanda çalışırken verinin hem digital hem de analog biçimiyle karşılaşmak mümkündür. Verinin bazen analog biçimiyle bazen de digital biçimiyle işlenmesi gerekir. Eğer verinin biçimi istendiği gibi değilse, istenen biçime dönüştürülmesi gerekir. Bunun için de çeşitli devreler kullanılır. Digital biçimdeki veriyi analog biçime dönüştürmek için “Digital/Analog Dönüştürücü (Digital to Analog Converter, DAC)” kullanılırken, analog biçimdeki veriyi digital biçime dönüştürmek için ise “Analog/Digital Dönüştürücü (Analog to Digital Converter, ADC) kullanılır. 2.2. Digital/Analog Dönüştürücü (DAC) Bir analog devrenin girişine uygulanacak işaretin ya analog olması yada devrenin girişinde DAC olması gerekir. Eğer devrenin girişinde DAC yoksa ve işaret digital ise, işaretin analog biçime çevrilmesi şarttır. Digital/Analog dönüştürücü aslında bir kod çözücü devreden başka bir şey değildir. DAC, girişlerine uygulana digital kelimeye karşılık çıkışında analog bir değer verir. DAC’ın girişi ile çıkışı arasındaki ilişki, A = RD (1) ile verilebilir. Burada D dönüştürücü girişine uygulanan digital işareti, R analog referans işaretini ve A ise analog çıkış işaretini göstermektedir. Eğer D digital işareti D = a1 2 −1 + a 2 2 −2 + a3 2 −3 + ... + a n −1 2 − n +1 + a n 2 − n (2) olarak alınırsa, DAC çıkışı A = R(a1 2 −1 + a 2 2 −2 + a3 2 −3 + ... + a n −1 2 − n +1 + a n 2 − n ) Deney 10 1 (3) olur. Elde edilen bu son denklem bir ikili digital/analog dönüştürücünün transfer fonksiyonunu göstermektedir. Şekil 1’de basit bir DAC devresi görülmektedir. R MSB R/2 2R LSB + - + e3 - + e2 e1 - + - 4R - 8R + Vo e0 Şekil 1. 4 bitlik basit bir DAC devresi Şekil 1’deki DAC devresinin çıkış gerilimi için e ⎞R e e ⎛e Vo = −⎜ 3 + 2 + 1 + 0 ⎟ ⎝ R 2 R 4 R 8R ⎠ 2 e e e ⎞ ⎛e = −⎜ 3 + 2 + 1 + 0 ⎟ ⎝ 2 4 8 16 ⎠ (4) yazılabilir. Burada e0 , e1 , e2 ve e3 gerilim kaynakları ikili 0 ve 1 işaretlerine karşı düşmek üzere 0 volt veya E volt değerlerini alabilirler. Örneğin, ikili sayı 1010 ise çıkış gerilimi − 10E 15E volt, ikili sayı 1111 ise çıkış gerilimi − volt olacaktır. Bu devrede en anlamsız 16 16 bit (Least Significant Bit, LSB) − Significant Bit, MSB) ise − 1 ⎛ − E ⎜1 − 4 ⎝ 2 15E ⎞ ⎟=− 16 ⎠ E volt değerine karşılık gelirken, en anlamlı bit (Most 16 E volt değerine karşılık gelmektedir. Toplam en büyük değer ise, 2 volt değerine karşılık gelir. Böyle bir devre ile çok bitlik bir dönüştürücü yapmak, R, 2R, 4R, 8R, 16R, 32R, 64R … şeklinde elde edilmesi zor direnç değerleri gerektirdiği için pratik değildir. Uygulanabilirliği daha yüksek olan ve merdiven tipi DAC olarak adlandırılan bir devre Şekil 2’de verilmiştir. Merdiven tipi devrenin en önemli özelliği, bütün düğüm noktalarından sola ve sağa doğru bakıldığında görülen eşdeğer direncin hep 2R olmasıdır. Dolayısıyla düğüm noktalarından sola ve sağa bölünen akımlar daima birbirine eşit olacaktır. Deney 10 2 3R 1 R R 2 R 4 3 2R - Id 2R 2R + - 2R e0 LSB + e1 - 2R + - e2 + 2R + - Vo e3 MSB Şekil 2. 4 bitlik merdiven tipi DAC devresi Burada e0 , e1 , e2 ve e3 kaynakları en anlamsızdan en anlamlıya doğru olmak üzere digital girişleri göstermektedirler. Şimdi digital girişler ile analog çıkış arasındaki ilişkiyi belirlemeye çalışalım. En anlamlı bite karşılık gelen e3 = E volt, e0 = e1 = e2 = 0 volt olsun. Bu durumda eşdeğer devre Şekil 3 (a) ile verilebilir. Çıkış gerilimi ise, I/2 3 4 4 R 2R I/2 + 2R 2R 2R I I/2 I/2 - e3 + - 2R 2R 2R I I/4 I/4 e2 (a) (b) Şekil 3. Eşdeğer devreler e3 e = 3 2 R + R 3R e I Id = = 3 2 6R e Vo = − I d 3R = − 3 volt 2 E Vo = − volt 2 I= Deney 10 (5) 3 olarak hesaplanır. İkinci en anlamlı bite karşılık gelen e2 = E volt, e0 = e1 = e3 = 0 volt olsun. Bu durumda eşdeğer devre Şekil 3 (b) ile verilebilir. Çıkış gerilimi ise, e2 e = 2 2 R + R 3R e I Id = = 2 4 12 R e Vo = − I d 3R = − 2 volt 4 E Vo = − volt 4 I= (6) olarak hesaplanır. Benzer şekilde diğer bitler için çıkış gerilimleri hesaplanacak olursa, üçüncü en anlamlı bit için çıkış gerilimi Vo = − Vo = − E volt ve en anlamsız bit için çıkış gerilimi 8 E volt elde edilecektir. Toplamsallık teoremi kullanılarak devrenin genel çıkış ifadesi 16 yazılacak olursa; e e e ⎞ ⎛e Vo = −⎜ 3 + 2 + 1 + 0 ⎟ ⎝ 2 4 8 16 ⎠ (7) elde edilecektir. Dikkat edilirse bu ifade, Şekil 1 ile verilen devrenin çıkış ifadesi ile aynıdır. Merdiven tipi DAC devresinde değişiklik yapılarak istenilen uzunlukta dönüştürücü yapılması mümkündür. İhtiyaç duyulacak malzeme sadece R ve 2R değerli dirençler olacaktır. 3. Hazırlık Soruları Aşağıdaki soruları çizgisiz A4 kâğıda cevaplamış olarak deneye geliniz. a) Bir DAC için çözünürlük, doğrusallık, kararlı hale geçme süresi terimlerinin ne anlama geldiğini araştırınız. b) DAC0808 entegresi hakkında bilgi toplayınız ve bir uygulama devresi elde ediniz. c) 5 bitlik bir DAC için en anlamlı ve en anlamsız bitin değeri nedir? d) 5 bitlik merdiven tipi DAC devresinde E = 10 volt olduğuna göre 11010 kelimesi neye karşılık gelir? 4. Deney İçin Gerekli Malzemeler 1. 2. 3. 4. 5. C.A.D.E.T. deney seti Voltmetre 741 entegresi Değişik değerli dirençler Yeterli miktarda bağlantı teli Deney 10 4 5. Deneyin Yapılışı 1k 500Ω 2k +5 V D3 D1 D2 4k - 8k + Vo D0 Şekil 5. 4 bitlik DAC devresi 1- Şekil 5’te verilen devreyi CADET seti üzerinde kurunuz. Lojik anahtarlar yardımıyla D3D2D1D0 digital kelimesinin alabileceği bütün durumlar için Vo çıkış gerilimini ölçerek aşağıdaki tabloya kaydediniz. Devrenin girişi ile çıkışı arasındaki ilişkiyi gösteren transfer fonksiyonunu elde ediniz. D3 D2 D1 D0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 Deney 10 Vo Çıkış [Volt] [Volt] Girişler D0 D1 D2 D3 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 5 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 3k 1k 2 1 2k +5 V 2k D3 1k 3 2k 1k 4 2k - Vo + 2k D1 D2 2k D0 Şekil 6. 4 bitlik merdiven tipi DAC devresi 2- Şekil 6’da verilen devreyi CADET seti üzerinde kurunuz. Lojik anahtarlar yardımıyla D3D2D1D0 digital kelimesinin alabileceği bütün durumlar için Vo çıkış gerilimini ölçerek aşağıdaki tabloya kaydediniz. Devrenin transfer fonksiyonunu elde ediniz. D3 D2 D1 D0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 Vo Çıkış [Volt] [Volt] Girişler D0 D1 D2 D3 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 3- 1. ve 2. maddede elde ettiğiniz ölçüm sonuçlarını ve transfer fonksiyonlarını karşılaştırınız. Hangi devre ile elde edilen sonuçlar istenilen sonuçlara daha yakındır? Nedenini açıklayınız. Deney 10 6