74HC00 Verzögerungszeiten

Sie benutzen das Oszilloskop und den Funktionsgenerator um die Verzögerungszeiten der NAND Gatter des 74HC00 zu messen. Zurück zur Themenübersicht

Im letzten Versuch haben Sie die statischen Eigenschaften des 74HC00 Gatter vermessen. Jetzt vermessen Sie die dynamischen Eingeschaften, d.h. die Verzögerungszeiten.

Beantworten Sie anhand des Datenblatts des 74HC00 Bausteins aus T1 folgende Fragen

1. Wie ist die Verzögerungszeit (Propagationdelay) definiert? Erläutern Sie die Verzögerungszeit mit einer Skizze.
2. Wie ist die Anstiegs- und die Abfallzeit (Transitiontime) definiert? Erläutern Sie die Transitiontime mit einer Skizze
3. Welche Verzögerungszeit für ein NAND Gatter erwarten Sie für eine Betriebsspannung von 4,5V?
4. Wie hängt die Verzögerungszeit von der Betriebsspannung und der Temperatur ab?
5. Welche Verzögerungszeit erwarten Sie für eine Kettenschaltung von vier NAND Gattern, die als Inverter betrieben werden?

Beantworten Sie die Fragen auf dem Vorbereitungsblatt Verzögerungszeiten und bringen Sie das Blatt in Papier oder elektronisch mit.

Sie benötigen

• Das ZIF Board
• Einen 74HC00 Baustein
• Kabel zum Verdrahten des ZIF Boards
• BNC Kabel zum direkten Anschluss des Funktionsgenerators an das Oszilloskop
• Kabel BNC auf Bananenstecker klein zum Anschluss des Funktionsgenerators an das Board
• Oszilloskop mit Probes
• Netzteil
• Multimeter

Die Messungen werden in mehreren Laboren parallel durchgeführt. Da es nicht möglich ist, jedes Labor mit der exakt gleichen Messtechnik auszustatten, sind von den anderen Laboren abweichende Anweisungen für das Labor Nachrichtentechnik E6.01 in eckige Klammern [xxx] gefasst.

Mit dem Oszilloskop können Sie den zeitlichen Verlauf von Signalen darstellen. DasBenutzerhandbuch für das Agilent (Keysight) MSO-X-4034A [ Rohde&Schwarz RTM3000 ] erläutert die Bedienung.

Starten Sie das Oszilloskop und schließen Sie eine Analogprobe an. Am Scope wird ein Testsignal “Demo2” [“Demo”] ausgegeben. Messen Sie das Testsignal “Demo2” [“Demo”] mit der Probe und stellen Sie das Signal auf dem Scope dar. Gehen Sie dazu so vor, wie im Handbuch des Oszilloskops beschrieben. [R&S Menu - Apps - Demo - 10“ Display]

• Welchen Einfluss hat der große Drehknopf im Feld “Horizontal” auf die Darstellung?
• Welchen Einfluss hat der kleine Drehknopf im Feld “Horizontal”?
• Welchen Einfluss hat der kleine Drehknopf im Feld “Trigger”?
• Welchen Einfluss hat der große Drehknopf bei Kanal 1 im Feld “Vertical”?
• Welchen Einfluss hat der kleine Drehknopf bei Kanal 1 im Feld “Vertical”?
• Messen Sie die Frequenz des Rechtecksignals mit dem Scope.
• Messen Sie die Risetime und die Falltime des Rechtecksignals. An welchen Punkten im Signalverlauf messen Sie?

Für die Dokumentation der Messungen können Sie Bilder vom Webserver des Oszilloskops herunterladen. Die IP Adresse des Webservers finden sie unter Tools→Utility→I/O. Der Webserver des Oszilloskops lässt sich nur vom Laborrechner erreichen.

Mit dem Funktionsgenerator HMF2550 [integrierten Funktionsgenerator im RTM3000 Scope] können periodische Signale wie Rechteck- oder Sinussignale erzeugt werden. Im Handbuch des Funktionsgenerators HMF2550 [ siehe RTM3000 ] ist die Funktion beschrieben.

Starten Sie den Funktionsgenerator HMF2550 [im RTM3000 integrierten Generator über das R&S Menu] und erzeugen Sie ein Rechtecksignal mit einer Frequenz von 10 MHz. Die niedrigste Spannung soll 0V und die höchste Spannung sollen 5V sein. Stellen Sie den zeitlichen Verlauf des Signals auf dem Oszilloskop über Kanal 1 dar.

Die Schaltung 74HC00 enthält insgesamt 4 NAND Gatter. Es soll nicht die Verzögerungszeit eines einzelnen Gatters, sondern die Gesamtverzögerungszeit einer Kettenschaltung von vier NAND Gattern gemessen werden. Die Gatter sind als Inverter geschaltet.

• Verdrahten Sie den 74HC00 Baustein als Kettenschaltung von vier Invertern wie in T1
• Stellen Sie eine Betriebsspannung von 5 Volt ein
• Prüfen Sie mit dem Multimeter die Betriebsspannung am IC
• Prüfen Sie statisch mit dem Multimeter die Funktion der Inverterkette
• Erzeugen Sie mit dem Funktionsgenerator ein Rechtecksignal mit einer Frequenz von 1 MHz und geeigneten Low- und Highpegeln.
• Stellen Sie das Signal des Funktionsgenerators auf dem Oszilloskop auf Kanal 1 dar
• Schliessen Sie den Funktionsgenerator an den Eingang ihrer Inverterkette an.
• Messen Sie tplh (Propagation Delay low high transition) für die Inverterkette
• Wiederholen Sie die Messung tplh für eine Betriebsspannung von 2V. Vergessen Sie nicht den Highpegel des Funktionsgenerators anzupassen.
• Stellen Sie die Betriebsspannung zurück auf 5V und passen Sie den Highpegel des Funktionsgenerators an
• Messen Sie tphl (Propagation Delay high low transition) für die Inverterkette
• Messen Sie tr (Risetime) des Ausgangs der Inverterkette
• Messen Sie tf (Falltime) des Ausgangs der Inverterkette
• Vergleichen Ihre Messergebnisse mit den Datenblattwerten

• Führen Sie die restlichen Messungen tphl, tr, tf mit einer Betriebsspannung von 2V durch. Passen Sie die Pegel des Funktionsgenerators an.
• Vergleichen Sie Ihre Messergebnisse mit den Werten im Datenblatt

Dokumentieren Sie Ihre Ergebnisse in einem Untersuchungsbericht und laden Sie den Bericht in Moodle als pdf hoch.

Der Bericht soll für andere nachvollziehbar die Messungen dokumentieren. Für die Verzögerungszeiten müssen Sie dazu vom Oszilloskop ein Bildschirmfoto runterladen und in den Bericht als Abbildung integrieren. Der Bericht soll nur einen Teil der Messungen enthalten. Beschreiben Sie die Ergebnisse der folgenden zwei Messungen

• tplh der Inverterkette bei 5 Volt Betriebsspannung
• tplh der Inverterkette bei 2 Volt Betriebsspannung

Neben den beiden Messungen müssen Sie den Messaufbau mit Skizzen und Fotos dokumentieren. Es soll später ersichtlich sein

• Wie haben Sie die Inverter verschaltet?
• Wo ist der Funktionsgenerator angeschlossen?
• Was ist auf dem Funktionsgenerator eingestellt?
• Welche Betriebsspannung ist eingestellt?
• Wo ist die Betriebsspannung angeschlossen?
• Welche Probe vom Oszilloskop ist wo angeschlossen?
• Welcher Messpunkt gehört zu welcher Probe und welchem Kanal auf dem Oszilloskop?
• Welche Laborgeräte haben Sie verwendet?
• Was ist die genaue Bezeichnung des 74HC00 Bausteins, den Sie vermessen?

Vergleichen Sie im Bericht die gemessenen Werte mit den Werten aus dem Datenblatt.

Der Bericht muss folgende formale Elemente enthalten

• Autor oder Autoren
• Datum
• Titel
• Zusammenfassung
• Abbildungen und Tabellen sind numeriert
• Abbildungen haben eine Unterschrift
• Tabellen haben eine Überschrift
• Alle Tabellen und Abbildungen werden im Text referenziert und es wird beschrieben was dort zu sehen ist

Die formalen Elemente finden Sie als Beispiel in Maschine.