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--- dtpr_versuch_1 [2010/11/16 07:59]
beckmanf Skizze der Schaltung eingefügt
+++ dtpr_versuch_1 [2022/03/19 10:20] (current)
beckmanf [Bericht]
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-=== Digitaltechnik Praktikum Versuch 1 ===
+===== Digitaltechnik Praktikum Versuch 1 - Messung Grundgatter =====
+Der erste Versuch dient zur Einführung in die Messtechnik.
-Der erste Versuch dient als Einführung in die Modelsim Simulationssoftware und die Quartus Synthesesoftware.
+Die Versuche 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.
-Als Beispiel dient [[die_erste_schaltung|Die erste Schaltung]].
-Die erste Schaltung hat den Namen first und besteht aus einer Testbench "first_tb" und
+==== Vorbereitung ====
-der eigentlichen Schaltung "first". Die Schaltung "first" ist in der Testbench "first_tb"
-instantiiert.
-{{:dtpr-v1-skizze.jpg|Skizze der ersten Schaltung}}
+In diesem Versuch messen Sie die Verzögerungszeit von einem NAND Gatter 74HC00 und analysieren die statische Übertragungskennlinie eines Inverters. Das Datenblatt zu dem NAND Gatter finden Sie hier:
-Die Anleitungen zur Simulation und Synthese:
+[[https://assets.nexperia.com/documents/data-sheet/74HC_HCT00.pdf|https://assets.nexperia.com/documents/data-sheet/74HC_HCT00.pdf]]
-[[Einführung in VHDL und Modelsim]]
+Die Definition von Schaltzeiten finden Sie im Buch von Fricke in Kapitel 4. Kapitel 5.1 finden Sie die Beschreibung eines Inverters aus CMOS Transistoren.
-[[Einführung in die Quartus Synthesesoftware]]
+[[https://link-springer-com.ezproxy.hs-augsburg.de/chapter/10.1007/978-3-658-32537-4_4|Fricke, Digitaltechnik, "Verhalten logischer Gatter"]]
-Für die Synthese ist die folgende Pinbelegungsdatei notwendig:
+Das Benutzerhandbuch für das Oszilloskop finden Sie hier:
-https://www.hs-augsburg.de/~beckmanf/restricted/DE1_pin_assignments.csv
+https://www.datatec.de/media/pdf/3c/79/3a/Keysight_InfiniiVision-4000X-Serie_Handbuch-DECvI57j0endd7q.pdf
-=== Die Aufgaben ===
+[ [[https://scdn.rohde-schwarz.com/ur/pws/dl_downloads/pdm/cl_manuals/user_manual/1335_9090_01/RTM3000_UserManual_de_03.pdf|https://scdn.rohde-schwarz.com/ur/pws/dl_downloads/pdm/cl_manuals/user_manual/1335_9090_01/RTM3000_UserManual_de_03.pdf]] ]
-  - Simulieren Sie die Schaltung "first" gemäß der [[Einführung in VHDL und Modelsim]]
+Im praktischen Prüfungsteil müssen Sie Ihre Ergebnisse in Form eines Berichts dokumentieren und über Moodle hochladen. Deshalb haben Sie hier Gelegenheit auch solche Berichte anzufertigen und über Moodle abzugeben. Die Form des Berichts finden Sie hier: [[dt_berichtsform | Form des Berichts ]].
-  - Erzeugen Sie eine Belegungsdatei für das FPGA Board gemäß der [[Einführung in die Quartus Synthesesoftware]]
-  - Programmieren Sie das FPGA Board und prüfen Sie dort die Funktion
-  - Bitten Sie Ihren Betreuer einen Fehler in den Code einzubauen. Korrigieren Sie dann den Fehler.
-  - Erweitern Sie die Testbench und testen Sie weitere Eingangskombinationen
-  - Ändern Sie die Schaltung und schalten Sie mit Schalter 0-4 gleichzeitig LED 0-4 und LED 5-9 ein. Also Schalter 0 schaltet gleichzeitig LED 0 und LED 5 ein oder aus. Tip: Um einen Teil eines Busses auszuwählen, können Sie den Teilbereich mit dieser Syntax auswählen: sw[4 downto 0]. Tip 2: Um zwei Busse zu einem Bus zusammenzufassen, kann man die Busse mit dem & Zeichen aneinanderhängen. Beispiel: busa[4 downto 0] <= busb[2 downto 0] & busc[9 downto 8] bedeutet: Den Bussignalen 4,3,2 von busa, werden die Signale 2,1,0 von busb zugewiesen und den Signalen 1,0 von busa werden die Signale 9 und 8 von busc zugewiesen.
-  - Simulieren Sie die neue Schaltung
-  - Prüfen Sie die Funktion auf dem FPGA
+===== Durchführung =====
+==== Oszilloskop und Funktionsgenerator ====
+=== Start des Oszilloskops ===
+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]
+=== Start des Funktionsgenerators ===
+Starten Sie den Funktionsgenerator HMF2550 [welcher im Osziloskop verbaut ist 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.
+=== Fragen zum Oszilloskop und zum Funktionsgenerator ===
+  * 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?
+==== 74HC00 NAND Gatter - statisch und Verzögerungszeit ====
+=== Messung der Ausgangsspannung und statisches Verhalten ===
+Bevor Sie ein Signal mit dem Funktionsgenerator auf die Eingänge des Gatters geben, können Sie zunächst statisch die Funktion des Gatters überprüfen.
+  * Schliessen Sie mit dem Netzteil eine Betriebsspannung von 5V an das IC an. Schauen im Datenblatt nach wo Sie die Betriebsspannung anschliessen müssen.
+  * Messen Sie mit dem Multimeter die Betriebsspannung.
+  * Legen Sie mit einem Kabel entweder 0V oder 5V (also Masse oder Betriebsspannung) an die Eingänge eines Gatters.
+  * Messen Sie mit dem Multimeter den Spannungspegel am Ausgang des Gatters.
+  * Überprüfen Sie alle möglichen Eingangskombinationen der Eingangsspannungspegel und stellen Sie so die Wahrheitstabelle des Gatters auf. Vergleichen Sie mit dem Datenblatt…
+=== Messung der Verzögerungszeit ===
+Die Schaltung 74HC00 enthält insgesamt 4 NAND Gatter. Schalten Sie die vier NAND Gatter als 4 Inverter in eine Kette und
+  * messen Sie die Gesamtverzögerungszeit.
+Wie sind die Verzögerungszeiten für 1 Inverter? An welchen Stellen der Kurve messen Sie die Verzögerungszeit?
+  * Messen Sie tplh (Propagation Delay low high transition)
+  * Messen Sie tphl (Propagation Delay high low transition)
+  * Messen Sie tr (Risetime)
+  * Messen Sie tf (Falltime)
+=== Abhängigkeit von Spannungspegel ===
+  * Ändern Sie die Höhe der Versorgungsspannung und analog die Höhe des Eingangspegels und messen Sie jeweils die Verzögerungszeit. Wie ändern sich die Verzögerungszeiten mit der Höhe der Betriebsspannung?
+==== Statische Übertragungskennlinie eines Inverters aus CMOS Transistoren ====
+Im Baustein 4007 befinden sich sechs CMOS Transistoren. Bauen mit Hilfe der Transistoren in diesem Baustein einen Inverter auf. Das Datenblatt des Bausteins finden Sie hier:
+[[https://assets.nexperia.com/documents/data-sheet/HEF4007UB.pdf|https://assets.nexperia.com/documents/data-sheet/HEF4007UB.pdf]]
+=== Messung der statischen Übertragungskennlinie ===
+Die statische Übertragungskennlinie gibt den Zusammenhang zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung eines Gatters wieder. Wählen Sie eine Betriebsspannung von 5V.
+  * Messen Sie die statische Übertragungskennlinie des Inverters mit Hilfe des Multimeters und des Netzteils.
+  * Stellen Sie aus den Messwerten eine Tabelle auf.
+  * Erstellen Sie mit einer Tabellenkalkulation eine grafische Darstellung der Übertragungskennlinie.
+  * Drucken Sie die Übertragungskennlinie aus und zeichnen Sie die zugehörigen Werte aus dem Datenblatt ein, die für die Übertragungskennlinie relevant sind.
+=== Darstellung der statischen Übertragungskennlinie mit Oszilloskop ===
+Verschalten Sie zwei MOS Transistoren zu einem Inverter. Messen Sie dann die statische Übertragungskennlinie des Inverters. Die Darstellung der statischen Kennlinie mit dem Scope erfolgt im XY Modus. Die X Ablenkung wird durch Kanal 1 und die Y Ablenkung von Kanal 2 gesteuert. Wenn auf Kanal 1 das Eingangssignal und auf Kanal 2 das Ausgangssignal des Gatters liegen, dann wird die Ausgangsspannung abhängig von der Eingangsspannung dargestellt.
+  * Stellen Sie das Oszilloskop in den Modus "XY". (Knopf "Horiz" → Zeitmodus XY) [R&S Menu - Apps - XY]
+  * Legen auf Kanal 1 ein geeignetes Eingangssignal
+  * Legen auf Kanal 2 das Ausgangssignal des Gatters.
+=== Zeitlicher Verlauf des Stromverbrauchs ===
+  * Bringen Sie einen Widerstand in die Spannungsversorgungsleitung um mit dem Spannungsabfall über dem Widerstand den Betriebsstrom zu messen (machen Sie eine kleine Zeichnung wo der Widerstand ist)
+  * Stellen Sie den Stromverlauf zusammen mit dem Signalverlauf am Eingang dar. Zu welchen Zeitpunkten verbraucht die Schaltung Strom?
+==== Bericht ====
+Dokumentieren Sie Ihre Untersuchungsergebnisse in einem Bericht und laden Sie den [[https://moodle.hs-augsburg.de/mod/assign/view.php?id=250481|Bericht in Moodle]] hoch. Denken Sie daran, dass dieser Bericht eine Vorbereitung auf die Prüfung ist, d.h. sie haben nicht beliebig viel Zeit den Bericht zu erstellen. In der Prüfung müssen Sie den Bericht während der Laborzeit hochladen.