Lab2_Digitalteknik-Vippor.qmd

---
title: "Laboration 2"
subtitle: "Digitalteknik - Vippor"
---

\maketitle


## Syfte
Att koppla upp de grundläggande kretsar som behövs för att bygga sekvenskretsar: minneselement (låskretsar), enkla räknare (JK-vippor) och skiftregister (D-vippor).


## Utrustning

För denna och nästa laboration kommer du att behöva en klockkrets.
Det bör finnas förberedda, men gör det inte det så finns instruktioner på hur du bygger en i Appendix (sista sidan) i detta häfte.

För att se vad som händer på Q och \inv{Q} (d.v.s. utsignalerna från en krets) kopplar du lämpligen in en lysdiod _i serie med ett motstånd_.
Vanligtvis brukar 220$\Omega$ rekomenderas för seriekoppling med en diod.
Men för kretsarna i denna laboration är kan detta dra för mycket ström.
Stryp strömmen ytterligare genom att välja 500$\Omega$ < R < 2k$\Omega$.

::::{.column-margin}
:::{.callout-note title="**Om \"HC\" och \"LS\"**"}
När det står att en krets heter 74HCxx så betyder "HC" i namnet "high-speed CMOS". Ibland finns det bara kretsar som heter 74LSxx i labblådorna. "LS" står för "low-power schottky". För labbarna som du ska göra går båda precis lika bra. Enda skillnaden är att LS ska ligga på 5.0V med 5% tolerans. En HC-krets kan däremot drivas av 2.0--6.0V. Använd din multimeter för att kontrollera vad spänningskuben ger [innan]{.underline} du kopplar in kretsarna.
:::
::::
Komponenter du behöver låna under laborationen:

  * 1 st NAND-grind 74HC00,
  * 1 st NOR-grind 74HC02,
  * 2 st JK-vippa 74HC73 (eller 74HC76),
  * 2 st D-vippa 74HC74.

Till klockan -- **Endast om du bygger den själv!**

  * 1 st Skjutströmställare
  * 1 st 74HC00

Övriga komponenter som behövs ska finnas i din låda, bl.a. labb-däck, spänningsmatning, dioder, resistorer, kopplingstrådar, multimeter.


## Redovisning

Visa sanningstabeller, tidsdiagram och svar på frågor för labbhandledare.

{{< pagebreak >}}











# Uppgift 1 -- Låskretsar, Minneselement

Koppla upp en låskrets enligt schemat nedan och fyll i sanningtabellen.

:::{.callout-warning title="**OBS!**" icon=true}
För att fylla i sanningtabellen krävs att du inte bara testar igenom tabellen en gång, utan t.ex. återgår till 00 igen.
Testa t.ex. ordningen 00, 10, 00, 01, 00, 11.

| 
| Tänk på att om S eller R (dina insignaler) ej är inkopplade så är det [**INTE**]{.underline} samma sak som att de är 0.
:::

:::{.column-margin}
  \begin{TAB}(e,8mm,8mm)[7pt]{|c|c|c|c|}{|c|c|c|c|c|}% (rows,min,max)[tabcolsep]{columns}{rows}
    S & R & Q & \inv{Q} \\
    0 & 0 &   &         \\
    0 & 1 &   &         \\
    1 & 0 &   &         \\
    1 & 1 &   &         \\
  \end{TAB}
:::

\begin{flushright}
  {{< include img2/L2-U1.tex >}}
\end{flushright}

\vfill












# Uppgift 2 -- Låskretsar, Minneselement

Koppla upp en låskrets enligt schemat nedan och fyll i sanningtabellen.
Använd kombinationer av S och R enligt samma mönster som i förra uppgiften.

:::{.column-margin}
\begin{TAB}(e,8mm,8mm)[7pt]{|c|c|c|c|}{|c|c|c|c|c|}% (rows,min,max)[tabcolsep]{columns}{rows}
  \inv{S} & \inv{R} & Q & \inv{Q} \\
        0 &       0 &   &         \\
        0 &       1 &   &         \\
        1 &       0 &   &         \\
        1 &       1 &   &         \\
\end{TAB}
:::

:::{.column-margin}
\vspace{52mm}
\notes{3}{\marginparwidth}
:::

\begin{flushright}
    {{< include img2/L2-U2.tex >}}
\end{flushright}

\vspace{10mm}

  1. Vad skiljer dessa båda låskretsar från varandra?

  2. Är det någon kombination av insignaler som är mindre lämplig? Varför är den det?

{{< pagebreak >}}












# Uppgift 3 -- Utbyggnad av låskrets till vippa

:::{.column-margin}
\vspace{228mm}
Ok, så långt:

---

:::

Undersök vad som händer med låskretsen om du ”grindar den”, dvs. gör om den till en vippa.

\begin{center}

  {{< include img2/L2-U3a.tex >}}

\end{center}

:::{.column-page}

  {{< include img2/L2-U3b.tex >}}

:::

Var noga med att rita in Q och \inv{Q} vid varje ändring av S, R och klockpulsen (CP), dvs vid varje streckad linje.

Hur fungerar kretsen?
(Vilka kombinationer av S och R är (bör) inte vara tillåtna?
När slår låskretsen om?

\vspace{10mm}
\notes{5}{\textwidth}
{{< pagebreak >}}













# Uppgift 4 -- JK-vippan

Undersök JK-vippans (74HC76 eller 74HC73) funktion.
Rita först tidsdiagram.
Var noga med att ändra en signal i taget enligt diagrammet nedan.
Fyll sedan i sanningstabellen.[Du måste testa kombinationerna på J och K flera gånger.]{.aside}
Du måste dessutom hålla kvar JK under ett antal klockpulser.)
Klockpuls fås genom att du med en omkopplare kopplar in hög, låg nivå på CP.


:::{.column-margin}
\notes[16pt]{5}{\marginparwidth}
:::

  1. På kretsarna finns signalerna CLEAR och ev. SET. (HC73 har ingen SET, bara RESET). Hur bör du koppla in dessa?

  2. Vad kallas det när insignaler inte är inkopplade? Vilka effekter kan det ha?

\vspace{2cm}


:::{.column-margin}
  \begin{TAB}(e,8mm,8mm)[7pt]{|c|c|c|c|}{|c|c|c|c|c|}% (rows,min,max)[tabcolsep]{columns}{rows}
      J &       K & Q & \inv{Q} \\
      0 &       0 &   &         \\
      0 &       1 &   &         \\
      1 &       0 &   &         \\
      1 &       1 &   &         \\
  \end{TAB}
:::

\begin{flushright}
  {{< include img2/L2-U4a.tex >}}
\end{flushright}


\vspace{1cm}

Ändra en signal i taget enligt schemat och fyll i vad som händer på Q och \inv{Q} i detta tidsdiagram.

:::{.column-page}
{{< include img2/L2-U4b.tex >}}
:::

{{< pagebreak >}}












# Uppgift 5 -- JK-vippan som räkneelement

:::{.column-margin}
\vspace{228mm}
Ok, så långt:

---

:::

<!-- 
::::{.column-margin}
:::{.callout-note title="**Om kapslar**"}
"Kapsel" är vad man kallar kallar det som en komponents transistorer (och andra delar) är förpackat i.
En bildsökning på "different ic packages" visar vilka några olika möjligheter som finns.
:::
::::
-->

::::{.column-margin}
:::{.callout-tip title="**Tips för denna uppgift**"}
Läs igenom frågorna först.

Du kommer att behöva bygga om kretsen halvvägs genom frågorna.
Se till att detta inte blir alltför jobbigt för dig.
:::
::::

JK-vippan används på olika sätt som baselement i räknare.
Bygg upp en räknare med hjälp av tre JK-vippor.
Detta kräver 2 st. 74HC73 eller 2 st. 74HC76 eftersom varje kapsel innehåller 2 vippor.
Denna räknare kallas asynkron räknare därför att klockpulsen in till de olika vipporna är olika.

Låt insignalerna J och K vara '1' hela tiden, och låt klockpulsen variera.

:::{.column-page} 

\begin{center}
{{< include img2/L2-U5a.tex >}}
\end{center}


\begin{center}
{{< include img2/L2-U5b.tex >}}
\end{center}

:::

:::{.column-margin}
  \notes{8}{\marginparwidth}
:::

Fyll i tidsdiagramet för \ix{X}{0}, \ix{X}{1} och \ix{X}{2}.

  #. Räknar räknaren uppåt eller nedåt?

  #. Vilket är det största tal den kan räkna till?

Koppla nu \ix{X}{0} och \ix{X}{1} till en NAND-grind och koppla in denna till alla CLR-ingångarna.

  3. Hur långt räknar räknaren nu?

  #. Hur fungerar SET respektive CLR-ingångarna (aktivt låga)?
  #. Hur får du räknaren att räkna åt andra hållet?

{{< pagebreak >}}










# Uppgift 6 -- D-vippan som skiftregister

:::{.column-margin}
\vspace{228mm}
Lab OK:

---

:::

Använd kretsen 74HC74.  
Undersök D-vippan genom att på D-ingången koppla in sekvensen 0 1 0 1, låt det gå ca 4 klockpulser för varje ny insignal.
Hur fungerar D-vippan? Rita sanningstabell där du anger vad som finns på Q efter en klockpuls.

Koppla upp 4 D-vippor enligt:

:::{.column-page} 
  \begin{center}
    {{< include img2/L2-U6a.tex >}}
  \end{center}
:::


::::{.column-margin}
\vspace{5mm}
Värdena för \ix{Q}{A}, \ix{Q}{B}, \ix{Q}{C} och \ix{Q}{D} som du ska skriv i tabellen är vad som ligger på dem _efter_ klockpulsen.

Eftersom det inte går att veta vad som kommer att ligga på utgångarna när du först ger ström till kretsen så bör \ix{Q}{B}, \ix{Q}{C} och \ix{Q}{D} på första raden ha värdet **X**.

\vspace{5mm}

:::{.callout-note title="**Kort sammanfattning om minneskretsar**"}
En D-vippa är nog den som är mest naturlig att tänka på när man tänker på minne.

| För den så säger användaren "Spara det som finns på D just nu". I det avseendet fungerar den som RAM gör: Du har ett värde och du sparar undan det för senare användning.
| 
| För en SR-latch är det lite knepigare, där säger användaren "Spara en etta." eller "Spara en nolla."
| 
| JK-vippor är som en klock-skyddad (Uppgift 3) SR, men J=K=1 har ett väldefinerat beteende.
:::
::::

\begin{flushright}
  {{< include img2/L2-U6b.tex >}}
\end{flushright}

Fyll i tabellen och beskriv hur skiftregistret fungerar:

\vfill

\notes{4}{\textwidth}

{{< pagebreak >}}








# Appendix

## Förberedd avstudsad klockkrets

:::{.column-margin}
Ibland får man leta en del för att hitta.
Rota bland tidigare elevers kvarlämnade kopplingsdäck (i labbsalarnas lådor och skåp) mm.

| Om du endast kan hitta en klocka på ett bräde som ligger i något skåp så är det extremt hög skyll-dig-själv-faktor på att ha lämnat den där.
| Bara ta den.
:::
I labbsalarna bör det finnas klockkretsar som ner ut som den på bilden.
Gör det inte det så får egna byggas enligt instruktionerna på denna sida.
Detta kretskort är baserat på Schmittrigger-designen på denna sida.

![](img2/clock-circuit.jpg)


## Avstudsad med NAND och skjutströmställare

:::{.column-margin}
\vspace{15mm}
Denna strömbrytarkrets ger kontaktstudsfri signal ut på Q.
För att få en klockpuls ska du alltså dra din skjutströmställare fram och tillbaka igen för varje klockpuls.
:::
\begin{flushright}
{{< include img2/L2-APa.tex >}}
\end{flushright}


## Avstudsad med Schmittrigger


:::{.column-margin}
\vspace{20mm}
En annan möjlighet är att bygga med fjädrande tryckknapp. 
Då krävs ett antal komponenter som vi ännu inte gått igenom, men kommer att göra under kursens gång.
:::
\begin{flushright}
{{< include img2/L2-APb.tex >}}
\end{flushright}