Laboratorio 02. Ambiente de Mediciones Digitales

Transcripción

1 Laboratorio 02. Ambiente de Mediciones Digitales Objetivos : - Conocer y utilizar con propiedad osciloscopio de señal mixta. - Manejar con propiedad los conceptos de sincronización, disparo, nivel de disparo, y base de tiempo de un osciloscopio. - Realizar diseño digital incorporando las herramientas aprendidas en la experiencia anterior. - Armar en protoboard, de acuerdo a esquemático, generado por herramientas computacionales de ayuda al diseño. - Realizar mediciones simples en circuito digital sencillo. - Desarrollar pruebas para verificar la funcionalidad del diseño. - Desarrollar técnicas para la generación automática de vectores de prueba en ABEL. - Conocer y comprender los conceptos de prueba estática y prueba dinámica - Efectuar pruebas estáticas y dinámicas mediante osciloscopio y contadores. - Medir tiempos de retardo en compuertas digitales. Preparación Previa. Recursos: 1.- Osciloscopio de Señal Mixta Agilent 54621D. Se dispone de un osciloscopio de señal mixta, es decir, 2 canales analógicos, y 16 canales digitales. En la página del ramo, en la sección de Aplicaciones, se dispone de un manual de operación, se recomienda su lectura, en especial el capítulo 2 Visión General del Panel Frontal y el capítulo 3 Cómo Dispara el Osciloscopio. Existen manuales en español disponibles en pañol para su consulta previa a la sesión de laboratorio. En general, el osciloscopio es un instrumento que, mediante la deflección de un haz de electrones, representa la evolución temporal de una señal de voltaje. En el caso de un osciloscopio de señal mixta, la señal de entrada se adquiere a través de un conversor análogo-digital. Para la correcta visualización de la señal es necesario sincronizar el barrido interno del osciloscopio con algún suceso externo, ya sea proveniente de una señal externa, o de la misma señal que se está midiendo. Así, una de las condiciones más comunes corresponde a un cierto nivel de voltaje de la señal de entrada. En el osciloscopio mixto existen más de una condición para poder realizar el disparo de una señal. A partir de dicho instante, la base de tiempo del osciloscopio genera una señal traingular (diente de sierra), que corresponde a la base de tiempo que se representará en la pantalla del mismo. Laboratorio de Sistemas Digitales. Prof. Leopoldo Silva Bijit. 14/03/a 1

2 Al respecto se puede ver el siguiente esquemático: Como se puede apreciar, la señal de entrada al osciloscopio logra visualizarse durante un tiempo mayor a un período (en verde), sin embargo, existe un cierto intervalo de tiempo durante el cuál un trozo de la señal (en rojo) no será visible, hasta que se cumpla nuevamente la condición de disparo (el nivel de voltaje impuesto). El tiempo de espera corresponde al período en el cuál el osciloscopio no puede desplegar ninguna imagen en la pantalla, debido que debe refrescar la misma, más el tiempo de ajuste necesario que se debe esperar para que se vuelvan a dar las condiciones de disparo nuevamente. Analizemos el siguiente ejemplo: Para poder visualizar las formas de ondas que se indican, considerando la señal superior en el canal 1 y la inferior en el canal 2, debe Laboratorio de Sistemas Digitales. Prof. Leopoldo Silva Bijit. 14/03/a 2

3 escogerse como fuente de disparo la señal del canal 2, con acoplamiento cc, modo de disparo normal, no importa la pendiente, pero con un nivel de disparo no superior al máximo nivel de la señal dos, dado que en caso de disparar con la señal superior, no se podrán ver señales estables, debido al re-disparo; esto debido a que se comienzan a mostrar las señales cuando se cumplen las condiciones para el disparo, y esto ocurre en dos situaciones diferentes. 2.- Contadores. Un contador digital corresponde a una máquina secuencial que recibe pulsos de una señal llamada reloj (CLK), cuenta los cantos de bajada (o de subida) de la misma señal y entrega dicha cuenta, en binario, por las salidas de la misma. La cantidad máxima que se alcance a contar dependerá del número de bits de salida que se dispongan. La estructura interna y funcionamiento de un contador se analizará con detalle durante el curso más adelante. El siguiente esquemático representa un contador genérico de 4 bits: CLK CLR QA QB QC QD La señal CLR sirve para resetear la cuenta. Las siguientes formas de onda muestran el funcionamiento de un contador, cuando la señal CLR se encuentra baja: CLK QA QB QC QD La utilidad de los contadores radica en que se puede generar en forma dinámica las entradas de la tabla de verdad de una función booleana de, en este caso, 4 entradas. De esta forma, y con ayuda del osciloscopio, se puede realizar la prueba exhaustiva de un diseño en forma dinámica, sin la necesidad de tener que variar las entradas del mismo en forma manual, lo que corespondería a una prueba estática del diseño. Laboratorio de Sistemas Digitales. Prof. Leopoldo Silva Bijit. 14/03/a 3

4 3.- Generación automática de vectores de prueba en Abel. En Abel existen ciertas directivas de control para procesar archivos fuentes que permiten automatizar la tarea de generación de código y cambiar ciertos parámetros de compilación. Dichas directivas comienzan con el y se encuentran ampliamente detalladas en el capítulo 5 de la referencia abel, en el sitio del ramo sección Aplicaciones. Una de sus utilidades es la generación automática de vectores de prueba, cuando se quiere realizar una prueba exhaustiva de un diseño. En el siguiente listado se plantea la descripción en abel de un contador de 4 bits con reset asincrónico, donde se aprecian los vectores de prueba escritos uno por uno: MODULE cont clk,clr pin; Q0..Q3 pin istype 'reg'; cuenta=[q3..q0]; // agrupando señales x=.x.; // condición superflua c=.c.; // transición bajo - alto - bajo equations cuenta.clk=clk; //se conecta el reloj. cuenta.ar=clr; //se conecta el reset. when (!clr) then cuenta:=cuenta+1; when (clr) then cuenta:=0; test_vectors ([clk,clr] -> [cuenta]) [x, 1]->[0]; [c, 0]->[1]; [c, 0]->[2]; [c, 0]->[3]; [c, 0]->[4]; [c, 0]->[5]; [c, 0]->[6]; [c, 0]->[7]; [c, 0]->[8]; [c, 0]->[9]; [c, 0]->[10]; [c, 0]->[11]; [c, 0]->[12]; [c, 0]->[13]; [c, 0]->[14]; [c, 0]->[15]; [c, 0]->[0]; [c, 0]->[1]; END Laboratorio de Sistemas Digitales. Prof. Leopoldo Silva Bijit. 14/03/a 4

5 Debemos notar dos detalles en el listado anterior: Se puede agrupar un bus de señales bajo un mismo nombre. La ventaja de esto es que se puede representar el valor del conjunto completo a través de un número decimal. s decir, si queremos representar Q3=0, Q2=1, Q1=0 y Q0=1 es lo mismo que cuenta=5. El símbolo.x. (con los puntos incluídos) representa una condición superflua, es decir, no importa si la variable es 0 ó 1. El símbolo.c. representa una transición bajo, alto, bajo (0 1-0), por lo que se están generando 3 vectores de prueba con una sola sentencia. Los mismos vectores de prueba anteriores pueden ser generados a través del siguiente listado: MODULE cont clk,clr pin; Q0..Q3 pin istype 'reg'; cuenta=[q3..q0]; x=.x.; c=.c.; equations cuenta.clk=clk; cuenta.ar=clr; when (!clr) then cuenta:=cuenta+1; when (clr) then cuenta:=0; test_vectors ([clk,clr] -> 17 b=j; j=j+1; } END Note que en la generación de los vectores de prueba, se emplean que define una constante que puede redefinirse; que repite el bloque (encerrado entre llaves) la cantidad de veces que se indique. Laboratorio de Sistemas Digitales. Prof. Leopoldo Silva Bijit. 14/03/a 5

6 Actividades Previas. a) Estudie la hoja de características del contador de 4 bits 74393, y del flip-flop JK 7473, disponibles en el sitio del curso, sección Datos. b) Simule en Circuit Maker la siguiente configuración para un flip-flop JK 7473 y observe la salida del mismo. Obtenga la correspondiente forma de onda. Observe que las entradas del flip-flop deben mantenerse estables antes y después del canto de bajada del reloj, condición que en este caso se mantiene dado que las dos entradas, J y K, están en alto. V3 5V +V TP2 V1 CP1 CP2 Q1 Q2 V2 5V +V U1 74LS73 J1 K1 Q1 CP1 Q1 RD1 J2 K2 Q2 CP2 Q2 RD2 TP1 c) Diseñe en Abel una componente que acepte operandos de dos bits y realice la comparación entre éstos. Se debe contar con tres salidas, cada una representa si el primer operando es mayor, igual, ó menor que el segundo. Obtenga las ecuaciones minimizadas y con los vectores prueba realice la simulación temporal correspondiente. En el Laboratorio. a) Muestre la simulación del la configuración del flip-flop JK Arme dicha configuración. b) Mida el tiempo de subida del generador de señales y aplique dicha señal a un compuerta inversora y a un flip-flop JK. Mida el retardo de propagación del hex inverter 7404 con el osciloscopio. Realice la misma medición con un flip-flop JK Observe en el osciloscopio ambas mediciones simultáneamente. c) Implemente el comparador de dos bits. Realice una prueba dinámica exhaustiva con contadores y visualice en la pantalla del osciloscopio la totalidad de las formas de onda, de manera de comparar el funcionamiento real del cicuito con la simulación temporal de la parte previa. Compare. d) Mida, en la implementación del diseño anterior el retardo de propagación del comparador. Sabiendo la cantidad de niveles empleados compare este retardo con el obtenido en el punto b). Laboratorio de Sistemas Digitales. Prof. Leopoldo Silva Bijit. 14/03/a 6