1. oldal
BUDAPESTI MŰSZAKI FŐISKOLA Kandó Kálmán Villamosmérnöki Főiskolai Kar
Villamosmérnök-asszisztens
DIGITÁLIS TECHNIKA TANULÁS és KÖVETELMÉNYEK
Tantárgyfelelős: Zalotay Péter főiskolai docens
2. oldal
1.
A tantárgy célja
A digitális technika tantárgy oktatásának célja azoknak az elméleti és gyakorlati ismereteknek a megtanítása, amelyek alapján a villamosmérnök hallgatók elsajátíthatják a korszerű • irányítástechnikai, • hírközlési, • háztartási, stb.
2.
berendezések, és készülékek működését, az üzembe helyezés, hibakeresés módszereit.
Alapismereteket kíván adni a hardver, és szoftver tervezés módszereiről, eszközeiről, amelyre építve – továbbtanulás, illetve önképzés után – tervezési feladatokat is elláthat a hallgató.
A tantárgy témái • • •
3.
logikai alapismeretek, digitális integrált áramkörök, és használatuk, a kombinációs, és a sorrendi feladatokat megvalósító hálózatok tervezésének alapjai.
Követelmények A hallgatók ö n á l l ó t a n u l á s s a l kell, elsajátítsák a mellékelt CD-n rendelkezésükre bocsátott tananyagot. Az önálló munkát segítik • • • •
a kidolgozott mintapéldák elemzése, a példák önálló megoldása, a témakörökhöz kapcsolódó fogalmak megismerése, a kérdésekre adott válaszok.
A félév végén - az előírt tananyag teljes anyagát átfogó kérdésekből – s z ó b e l i v i z s g á t kell tenni. A kérdések két témacsoportot fognak át. • •
Alapismeretekből példa, a hardver ismeretek.
3. oldal Az alapismeretekből kapott feladat helyes megoldása feltétele az elégséges, vagy annál jobb vizsgaeredmény elérésének. ( A feladat helytelen megoldása ismétlő vizsgára küldést eredményez. )
4.
A tananyag. A Digitális technika tananyaga a − a digitális r e n d s z e r t e c h n i k a i alapismeretek, − a digitális logikai á r a m k ö r ö k működése, alkalmazásuk, − a k o m b i n á c i ó s feladatokat megvalósító logikai hálózatok, − a s o r r e n d i feladatokat megvalósító logikai hálózatok. A tananyagot a hallgatók digitális adathordozón ( CD – n ) kapják meg, ezért számítógép használat szükséges. A CD-n található írásos anyagok a Microsoft Word 7.0 verziójával írottak, s csak ezzel, vagy magasabb verzió-számú Word szövegszerkesztő használható.
A CD-n négy alkönyvtárban − Digit_HW − Dig_Mer − Dig_Rajz
találhatók az egyes témakörök anyagai.
A Digit_HW könyvtárban találhatók a digitális rendszertechnikai és áramköri ismeretek. Az alkönyvtárakban a - következő félélvben végzendő - hardvermérések útmutatói (Dig_Mer), valamint mérésekben használt mérő-panelek kapcsolási rajzai - *. pcx formátumban – találhatók (Dig_Rajz).
5.
Útmutató a tantárgy tanulásához A tananyag feldolgozását célszerű ütemezése szerint végezni. A folyamatos tanulás, megértés, begyakorlás részeit célszerű tovább bontani h e t i ü t e m e z é s r e . A tanulást segíti az, hogy a részletes útmutatásnál hhiippeerrhhiivvaattkkoozzááss --ok segítségével az írásos anyag megfelelő része jeleníthető meg. Az egyes témaköröket ismertető í r á s o s a n y a g elolvasása után szükséges p é l d á k megoldása, kapcsolási vázlatok értelmezése. Egy – egy rész végleges megismeréséhez segítséget nyújt az e l l e n ő r z ő k é r d é s e k megválaszolása. A tanulási program részletezésében kiemeljük azokat az a l a p f o g a l m a k a t , j e l ö l é s e k e t , amelyek i s m e r e t e feltétlen szükséges mind az anyag megértéséhez, mind pedig az eredményes vizsgázáshoz.
4. oldal
6.
RÉSZLETES TANULÁSIPROGRAM A konzultációkon elhangzottakról saját jegyzet készítése célszerű. Otthoni munkában odjon meg minél többet a példákból. (Az eredményeket ellenőrizze a mellékletként megadott megoldások alapján.) . 6.1.
Első téma:
Digit_HW \ LOG_ALG.DOC, KAPUK.DOC meerreetteekk, logikai (Boole) aallggeebbrraa, aaxxiióóm mááii, ttéétteelleeii. ♦ Logikai aallaappiissm I g a z s á g t á b l á z a t b a ♦ Kombinációs feladat felírása Igazságtáblázatba, diisszzjjuunnkktt (mintermek), ♦ Logikai feladat függvényeinek ffeellíírráássaa, teljes (d kkoonnjjuunnkktt (maxtermek)) alakjai, eeggyysszzeerrűűssíítteetttt felírású (helyettesített jjeellööllééss, iinnddeexxeelltt) alakok. ♦ Logikai függvények eeggyysszzeerrűűssííttééssee ( aallggeebbrraaii, illetve ggrraaffiikkuuss módszerrel ), ppééllddaa egyszerűsítésre. ♦ LLooggiikkaaii áramkörök fogalma, áramköri változatok, ♦ Logikai éérrttéékkeekk villamos jelhordozói, ♦ A digitális áramkörök ssttaattiikkuuss, és ddiinnaam miikkuuss jellemzői, ♦ Digitális iinntteeggrráálltt áramkörök fogalma, leggyakrabban használt változatai, ♦ TTTTLL rendszerű kapuk jellemzői, N NAAN ND D és N NO ORR , valamint nnyyiittootttt kollektoros kapuk áramköri felépítése, ♦ a kapuk aallkkaallm maazzáássaa, CM MO OSS rendszerű integrált áramkörök jellemzői, iinnvveerrtteerr, N NAAN ND D, és N NO ORR ♦ C b i l a t e r i á l i s kapuk, bilateriális kapcsoló alkalmazása. 6.1.1. Alapfogalmak, jelölések: A következőekben megadott fogalmakat, jelöléseket stb. keresse meg az írásos anyagokban, és értelmezze azokat. ♦ Logika, logikai érték, axióma, logikai műveletek, kommutatív, asszociatív, disztributív, de Morgan, AND, NAND, OR, NOR, EXKLUSIV OR. ♦ Igazságtáblázat, minterm, maxterm, Karnaugh, logikai egyszerűsítés. ♦ Logikai szintek, LOW, HIGH, komparálási szint, jelterjedési-, felfutási-, lefutási idő. ♦ TTL, logikai kapuk, bipoláris tranzisztor, pnp, npn, multiemitteres tranzisztor, open collector, egység-terhelés, fan-in, fan-out, térvezérelt tranzisztor, FET, MOSFET, komplementer, CMOS, bilateriális kapcsoló, GATE, SOURCE, SUBSTRAT, DRAIN, Ucc, GND, Uss, Udd.
5. oldal 6.1.2. Példák: 1. Egyszerűsítse és NAND kapukkal, valósítsa meg a 0,1,5,7,11,13,15 indexű MINTERM-ket tartalmazó 4 változós logikai függvényt! ( m meeggoollddááss ) 2. Határozza meg az ábra szerinti logikai hálózat kimenetének a függvényét!
(m meeggoollddááss ) 3. Írja fel az alábbi ábra kimeneteinek a logikai függvényeit!
(m meeggoollddááss ) 4. Egyszerűsítse és két bemenetű NOR kapukkal, valósítsa meg azt a 4 változós függvényt, amely a 0,1,2,4,5,6,7,13,15 indexű MAXTERM - ket meeggoollddááss ) tartalmazza! ( m 5. Határozza meg a 0,2,3,4,6,8,10,11 indexű mintermek -et tartalmazó 4 változós függvény egyszerűsített konjunktív alakját! Rajzolja meg a megvalósítás NAND kapus logikai vázlatát! ( m meeggoollddááss )
6. oldal
6.1.3. Ellenőrző kérdések: Melyek a Boole algebra axiómái, alapműveletei, és alaptételei? Mi az igazságtáblázat, és mire használható? Mire vonatkoznak a de Morgan tételek? Hogyan írhatók fel a logikai függvények kanonikus alakjai az igazságtáblázatból? Melyek az algebrai egyszerűsítés feltételei? A függvény egyszerűsítésének milyen grafikus módszerét ismeri? Mi a hazárd, és milyen változatait ismeri? Hogyan szüntethető meg a hazárd? Milyen logikai rendszereket ismernek? Hogyan működik a TTL alapkapu? Mi a transzfer karakterisztika? Mit ért a következő katalógus paraméterek alatt: Vcc, Voh, Vol, Vih, Vil, Ioh, Iol, Iil, Iih, Tpd0, Tpd1, zaj tartalék stb.? Milyen tranzisztorokból épülnek fel a CMOS digitális áramkörök? Mi a bilateriális kapcsoló, és hogyan működik?
A második téma:
6.2.
6.2.1. Konzultációs kérdések a logikai algebra, kombinációs hálózatok logikai kapuk
• • •
témákból. (Digit_HW \ LOG_ALG.DOC, KAPUK.DOC) 6.2.2. •
Uj témák megbeszélése
Funkcionális kombinációs áramkörök Digit_Hw\ FUNKCIO.DOC ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦
D biinnáárriiss, BBC Deekkóóddoollááss, áramkörei (b CD D), aallkkaallm maazzáássaaiikk, K ó d o l á s Kódolás és áramköri megvalósítása, AAddaatteelloosszzttááss és áramkörei, AAddaattkkiivváállaasszzttááss és áramkörei, N Naaggyyssáággkkoom mppaarrááttoorr és használata Funkcionális áramkörök alkalmazása.
7. oldal •
Sorrendi áramkörök alapeleme a flip-flop Digit_Hw\ FLIP_FLOP.DOC ♦ A ttáárroollááss áramkörei, vveezzéérrllééssii, és billentési módok, ♦ Tároló alapáramkörök (flip-flop) típusai, működésük, használatuk ♦ RRSS tárolók, és változatai, ♦ D D típusú tárolók, ♦ Közbenső tárolós – m mss – flip-flopok, K ms típusú tároló, ♦ JJK a s ♦ aszziinnkkrroonn beírás ms tárolókba, ♦ D Diinnaam miikkuuss billentés, CM MO OSS tárolók. ♦ C
6.2.3. Alapfogalmak, jelölések: ♦ Kódolás, bináris és BCD kódok, ♦ dekódolás, dekóder, ♦ adat elosztás, kiválasztás, multiplexer, demultiplexer. ♦ összehasonlítás, komparátor, reláció, ♦ kodolt információ átviteli módjai, soros kód, párhuzamos kód, ♦ flip_flop, ♦ statikus, illetve dinamikus billentés, ♦ asszinkron, szinkron működés ♦ RS, JK, D, T előkészítő bemenetek funkciói, ♦ Billentés módjai egy,- és kétütemű megoldás. 6.2.4. Példák: 1. Rajzoljon NAND, illetve NOR kapukból statikus RS tárolót és adja meg állapottáblázatukat! 2. Rajzoljon fel egy kapuzott D, RS flip-flopot, adja meg állapot-táblázatukat! 3. Ismertesse a kettős komparálási szinttel megoldott MS flip-flop működési elvét! 4. Ismertesse az élvezérelt D flip-flop működését! 5. Ismertesse a kapuzott RS, D, T, JK flip-flopok állapot táblázatát! 6. Írja fel a T flip-flop -al felépülő szinkron bináris előre számláló T bemenetére vonatkozó vezérlési függvényt. 7. Rajzolja fel a három flip-flop kimeneteinek időfüggvényét az ábra szerinti vezérlésnél.
8. oldal
V1 t
V2
t F1
F2 VCC
V2
F3 VCC
D
V1
6.2.5. Ellenőrző kérdések Milyen logikai feladatot lát el a dekódoló? Mire használható a multiplexer áramkör? Hogyan valósítható meg kombinációs logikai feladat dekódolóval? Hogyan valósítható meg kombinációs logikai feladat multiplexerrel? Mire használhatók a statikus flip-flop-ok? Mit ért Tsetup, Thold time alatt? Hogyan működik a két komparálási szintű ms flip-flop? Milyen flip-flopokból lehet sorrendi áramköröket megolvalósítani? Mi a különbség az RS, JK információközlési megoldások között?
A harmadik téma:
6.3.
6.3.1. Konzultációs kérdések • •
a funkcionális kombinációs áramkörök, a flip-flopok
témákból. ( Digit_Hw\ FUNKCIO.DOC, FLIP_FLOP.DOC 6.3.2. Uj témák megbeszélése •
Sorrendi feladatok tervezése Digit_Hw\ SORRENDI.DOC ♦ SSoorrrreennddii feladatok fogalma, helyettesítő modellek, ♦ Sorrendi feladatok lleeíírráássáánnaakk módozatai, áállllaappoottggrrááff, áállllaappoottttáábblláázzaatt,
9. oldal ♦ Sorrendi hálózatok tteerrvveezzéésséénneekk lépései. •
Számlálók és alkalmazásuk mlláállááss művelete, és megvalósításuk vváállttoozzaattaaii, ♦ SSzzáám szziinnkkrroonn, aasszziinnkkrroonn), valamint BBC CD D ♦ Számlálók felépítése, – bbiinnáárriiss (s szziinnkkrroonn, aasszziinnkkrroonn)- működése és tervezése, (s ♦ IInntteeggrráálltt áramköri számlálók, ♦ Számlálók kkaappaaccííttáássáánnaakk bővítése, moodduulluussúú számlálók, ♦ Csökkentett-, és vváállttoozzttaatthhaattóó m
6.3.3. Alapfogalmak, jelölések: ♦ Sorrendi feladat, szekvencia, szekvenciális, Mealy, Moore, állapot-táblázat, vezérlési táblázat, állapot-gráf, állapot-változó, bemeneti kombináció. ♦ Számlálás, számlálók, preset, clear, modulus, kapacitás, szinkron, aszinkron, csökkentett modulus, változtatható modulus, végszám, kezdőszám. 6.3.4. Példák: 8. Ismertesse a számlálók tervezési lépéseit. 9. Rajzoljon fel egy bináris 3-as osztót! 10. Rajzolja fel az ábra szerinti számláló kimeneteinek jelalakjait D C B A
Imp
11. Tervezzen szinkronműködésű számlálót a 3.1. feladatban adott áramkörök felhasználásával, mely a 0 - 3 - 2 - 5 - 4 - 0... ciklikusan ismétlődő állapotokat valósítja meg. 6.3.5. Ellenőrző kérdések Milyen kódolású számlálókat ismer? Mi a számláló tervezésének menete? Mi a különbség az aszinkron és a szinkron-működés között? Hogyan lehet osztályozni a számlálókat?
10. oldal Mit jelent a szinkron, aszinkron működési mód? Rajzoljon fel egy szinkron, és egy aszinkron működésű 3 bites bináris számlálót! Hogyan lehet változtatni egy számláló modulusát? 6.4.
A negyedik téma: 6.4.1. Konzultációs kérdések • •
a sorrendi hálózuatok tervezése, a számlálók, és alkalmazásuk
témákból. ( Digit_Hw\ SORRENDI.DOC ) 6.4.2. Uj témák megbeszélése •
Léptetőregiszeterek Digit_Hw\ SORRENDI.DOC ♦ ♦ ♦ ♦ ♦
LLéépptteettőő--rreeggiisszztteerreekk működése, funkciója, Léptetőregiszterek ffaajjttááii, IInntteeggrráálltt áramköri megoldások, G Gyyűűrrűűss számlálók, K Kóóddááttaallaakkííttááss léptetőregiszterekkel.
6.4.3. Alapfogalmak, jelölések: ♦ Léptetés, forgatás, ♦ regiszter, léptető regiszter, ♦ gyűrűs számláló, Jhonsson kód, ♦ teljes ciklus, csonka ciklus, ♦ soros-párhuzamos kódátalakítás, ♦ párhuzamos-soros kódátalakítás 6.4.4. Példák: ♦ Rajzolja fel egy négy bites, szinkron-párhuzamos beírással rendelkező jobbra léptető regiszter logikai vázlatát! ♦ Rajzolja meg egy 4 bites 2n modulusú gyűrüs számláló kimenetein mérhető jel időbeli változását, ha a léptető jel állandó frekvenciájú, és kitöltési tényezőjű négyszög jelsorozat! ♦ Tervezzen szimmetrikus háromfázisú jelsorozatot előállítő áramkört! 6.4.5. Ellenőrző kérdések Milyen feladatot lát el a léptetőregiszter?
11. oldal Mi a gyűrűs számláló? Mire használhatók a gyűrűs számlálók? Milyen léptetőregiszterr alkalmazható háromfázisú szimmetrikus jelsorozat előállítására?
