2o Ingeni Ing enier er´´ıa de d e Telecomunic Teleco municaci aci´ o´n. Segundo Cuatrimestre on.
´ LABORATORIO DE ELECTRONICA
´ PRACTICA 8 Registros de desplazamiento
Material necesario:
Circui Circuitos tos integr integrados ados:: 1 - 74LS164 74LS164 1 - 74LS165 1 - 74LS04 1 - 74LS93A 1 - 74LS194 Resistencias: 4 - 1k Ω Dio dos: 4 - L ED
1.
Intr Introd oduc ucci ci´ on ´ on
Los registros de desplazamiento son circuitos secuenciales sencillos, compuestos por un conjunto conjunto de biestables biestables que se conectan en serie, y una circuiter circuiter´´ıa adicional adicional que controla controla los modos de cargar y acceder a los datos que almacenan. Su principal funci´ on, en el seno de sistemas m´as as complejos, es servir de almacenamiento temporal de un conjunto de bits sobre los que se est´ a realizando una tarea de procesamiento. Existen cuatro combinaciones b´ asicas que definen el tipo de registro de desplazamiento: asicas 1. entrad entradaa serie serie / salid salidaa serie serie 2. entrad entradaa serie serie / salida salida paralel paraleloo (ej: 74LS1 74LS164) 64) 3. entrad entradaa paralelo paralelo / salid salidaa serie serie (ej: 74LS16 74LS165) 5) 4. entrad entradaa paralel paraleloo / salid salidaa paralel paraleloo Hay circuitos integrados espec´ espec´ıficos de cada uno de esos tipos, y otros que medianmediante unas se˜ nales de control pueden cambiar su funcionamiento de un modo a otro (Ej: nales 74LS195) o realizar los desplazamientos hacia la derecha o hacia la izquierda (Ej: 74LS194). Las dos operaciones b´ asicas que realiza un registro de desplazamiento es la carga/almacenamiento asicas de los datos y el desplazamien desplazamiento to de ´estos estos a lo largo de los biestables biestables que lo componen; la obtenci´ on de los datos correctos a la salida del dispositivo depende de una cuidadosa on sincronizaci´ on on de las se˜ nales de control, de entrada y de salida. nales En esta pr´ actica actica vamos vamos a caracterizar caracterizar el funcionamiento funcionamiento de diferentes diferentes tipos de registro de desplazamiento, y configurarlos para algunas de sus principales aplicaciones. 1
2.
Registro de desplazamiento con entrada serie / salida paralelo
Caracterizaremos el funcionamiento del integrado 74LS164 que es un registro de desplazamiento de 8 bits (ver Figura 1), con entrada serie y salida paralelo (s´ıncronas) y una entrada CLR de “borrado” as´ıncrona, activa para nivel BAJO. Tiene dos entradas serie, A y B, que acceden a los biestables tras efectuarse una operaci´ on NAND sobre ellas, por lo tanto, o bien entra la misma se˜ nal por ambas, o bien una de ellas se mantiene siempre en ALTO para permitir la entrada de datos (lo que nos proporciona una herramienta adicional de sincronizaci´ on). Se puede comprobar el esquema de la circuiter´ıa interna en la hoja de datos del 74LS164. A B CLR CLK
74LS164
... Q0
Q7
Figura 1: Registro de desplazamiento serie/paralelo Para poder caracterizar el circuito, debemos “cargar” un byte de informaci´ on, es decir ocho bits, que introduciremos en serie en el dispositivo. La se˜ nal de reloj CLK marca el tiempo que se adjudica a cada bit en la serie (un ciclo de reloj), por lo tanto, ocho ciclos de reloj son el tiempo necesario para cargar el byte completo y que la salida en paralelo sea la correcta. Utilizaremos el contador 74LS93A para generar el byte que cargaremos en el registro, para ello lo configuraremos como un contador de m´ odulo nueve (trunca la secuencia en 1001) mediante las conexiones que se muestran en la Figura 2: CLKA CLKB R0(1) R0(2)
74LS93A
Q0 Q1 Q2 Q3
Figura 2: Configuraci´ on contador en m´ odulo 9 Confirmar el correcto funcionamiento del contador, visualizando las se˜ nales CLKA y Q3 en el osciloscopio. La se˜ nal Q3 as´ı obtenida ser´ a la que introduciremos en ambas entradas A y B del registro 74LS164, en el que adem´ as utilizaremos la misma se˜ nal de reloj y conectaremos CLR a ALTA. Una vez montado el circuito, realizar las siguientes operaciones: 1. Montar cuatro diodos LED a los que introduciremos (a trav´es de una resistencia en serie de 1 kΩ para evitar que se fundan) las se˜ nales Q0 , Q2 , Q5 y Q7 .(Hemos 2
elegido estas como se podr´ıa haber elegido otras o haber montado ocho diodos LED). Observar cualitativamente el funcionamiento del registro para una se˜ nal de reloj de muy baja frecuencia (unos 4 Hz). Describir y razonar el comportamiento observado. 2. Aumentar la frecuencia hasta po der visualizar correctamente las se˜ nales en el osciloscopio. Comparar las se˜ nales de entrada A y B con las diferentes salidas. Razonar el comportamiento observado y medir el tiempo de propagaci´ on, t p , para cada una de las se˜ nales de salida Qi . Obtener la relaci´ on que se produce entre ellas. Repetir las medidas para varias frecuencias de reloj (al menos para tres) y obtener el comportamiento de t p frente a la frecuencia. Dibujar una gr´ afica que represente el cronograma de las salidas respecto a la se˜ nal de reloj.
3.
Registro de desplazamiento con entrada paralelo / salida serie
Caracterizaremos el funcionamiento del integrado 74LS165 que es un registro de desplazamiento de 8 bits, con entrada paralelo (as´ıncrona) y salida serie. Tambi´en admite opcionalmente una entrada serie (SE R). La se˜ nal de control SH/LD en BAJA permite la carga de los datos en paralelo, y en ALTA permite el desplazamiento a lo largo de los biestables de los datos cargados, que terminan saliendo por Q y su complemento Q. Tiene la opci´on adicional de inhabilitar el reloj mediante la se˜nal CLKINH , ya que sobre ella y CLK se implementa la funci´ on NOR, de forma que cuando CLKINH est´a en ALTA, el reloj queda inhabilitado: Entradas en paralelo D0
SH/LD SE R CLKINH CLK
...
D7
74LS165
Figura 3: Registro de desplazamiento paralelo/serie Vamos a utilizar de nuevo el montaje que realizamos en el apartado anterior con el contador 74LS93A. En este caso vamos a complementar, utilizando un inversor del integrado 74LS04, la se˜ nal Q3 obtenida mediante la configuraci´ on all´ı indicada. Posteriormente la introduciremos como se˜ nal de control por la entrada SH/LD. Adem´as conectaremos la entrada SE R a BAJA, ya que no vamos a utilizar la posibilidad de entrada de datos en serie. Una vez hecho esto: a. Utilizar dos diodos LED (con dos resistencias de protecci´ on de 1 kΩ) para visualizar la salida Q y su complemento. Para ello usar una se˜ nal de reloj de baja frecuencia y cargar en paralelo un n´ umero con alg´ un bit en ALTA. Razonar el comportamiento observado. 3
b. Para caracterizar cuantitativamente el 74LS165 introduciremos tres configuraciones diferentes de los ocho bits de entrada, que podr´ an ser: a) 10000000; b)10100000 y c) 10111000 (u otras opcionales) y visualizaremos en el osciloscopio la salida Q frente a la se˜ nal SH/LD. Realizar un esquema de la imagen obtenida en el osciloscopio para cada caso. Razonar el comportamiento del registro. Medir los tiempo de propagaci´ on para cada una de las se˜ nales. (Utilizar para ello al menos tres frecuencias diferentes de reloj).
4.
Registro de desplazamiento universal bidireccional de 4 bits
El 74HC194 es un ejemplo de registro de desplazamiento bidireccional universal en formato integrado. Se denomina universal porque auna las capacidades de los anteriores circuitos integrados estudiados: tiene capacidad de entrada y salida tanto serie como paralelo. Se denomina bidireccional porque los desplazamientos pueden ser tanto de izquierda a derecha como de derecha a izquierda. Un registro de desplazamiento se puede utilizar como contador en anillo sin mas que unir la salida a la entrada serie. Seg´ un la hoja de caracter´ısticas del 74HC194, dise˜ nar e implementar un contador en anillo utilizando desplazamientos a la derecha. Cargar el contador en anillo con el dato paralelo “0001”(D0 = 1 y resto a 0). Dibuje las cuatro salidas compar´ andolas con el reloj.
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