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L a b 1 : B i n a r y N u m b e r s a n d L o g i c G a t e s

1 . 1 G e n e r a l L a b I n t r o d u c t i o n

A l l r e l e v a n t d a t a , c a l c u l a t i o n s , o b s e r v a t i o n s , a n d r e s p o n s e s t o q u e s t i o n s i n t h e l a b h a n d -

o u t s s h o u l d b e r e c o r d e d i n a l a b n o t e b o o k , w h i c h i d e a l l y s h o u l d b e a h a r d c o v e r n o t e b o o k

c o n t a i n i n g q u a d r i l l e p a p e r . P r e l a b w r i t e u p s a r e n o t r e q u i r e d , a l t h o u g h t h e y m i g h t b e

u s e f u l . A l l m a t e r i a l t o b e t u r n e d i n s h o u l d b e i n c l u d e d i n t h e l a b n o t e b o o k . L a b e l y o u r

n o t e b o o k e n t r i e s w i t h t h e c o r r e s p o n d i n g s e c t i o n n u m b e r f r o m t h e h a n d o u t . T h e n o t e -

b o o k s w i l l b e d u e a f e w d a y s a f t e r t h e l a b c l a s s , a s s p e c i e d b y y o u r T . A . T h e r e s h o u l d

b e o n e s t u d e n t p e r l a b s t a t i o n , a n d i t i s e x p e c t e d t h a t a l l s t u d e n t s b e c o m e f a m i l i a r w i t h

e l e c t r o n i c s t e c h n i q u e s .

1 . 2 G o a l s o f t h i s L a b

A n i n t r o d u c t i o n t o b a s i c c o n c e p t s o f b i n a r y n u m b e r s , l o g i c g a t e s , a n d f a m i l i a r i z a t i o n

w i t h s o m e l a b t o o l s . W e w i l l b e w o r k i n g w i t h i n t e g r a t e d c i r c u i t c h i p s I C s . H e r e a r e a

f e w r u l e s t o f o l l o w :

A l w a y s t u r n o t h e p o w e r o n y o u r p r o t o t y p i n g b o a r d b e f o r e i n s e r t i n g a n y I C s .

B e c a r e f u l t o a v o i d r e v e r s i n g p o w e r c o n n e c t i o n s . T y p i c a l l y w e o n l y n e e d + 5 V a n d

0 V g r o u n d c o n n e c t i o n s f o r d i g i t a l c i r c u i t s . A s k y o u r T . A . f o r h e l p w i t h s e t t i n g

u p p o w e r b u s s e s o n y o u r p r o t o t y p e b o a r d i f i n d o u b t .

W e w i l l p r i m a r i l y b e u s i n g T T L c i r c u i t r y . D o n o t c o n n e c t T T L o u t p u t s t o g e t h e r ,

a s t h e r e s u l t i n g c i r c u i t w i l l n o t w o r k . A l s o , u n c o n n e c t e d T T L i n p u t s w i l l u s u a l l y

o a t " u p t o t h e h i g h l e v e l . H o w e v e r , i t i s n o t g o o d p r a c t i c e t o c o u n t o n t h i s

p r o p e r t y , a n d p u l l - u p " r e s i s t o r s c o n n e c t e d t o + 5 V s h o u l d b e u s e d t o m a i n t a i n a

h i g h i n p u t .

1 . 3 B i n a r y G e n e r a t i o n a n d T r a n s l a t i o n

1 . 3 . 1

A s a s i m p l e e x e r c i s e i n b i n a r y g e n e r a t i o n , c o n n e c t f o u r o f t h e D I P d u a l i n - l i n e p a c k a g e

s w i t c h e s t o f o u r L E D l o g i c i n d i c a t o r s o n y o u r p r o t o t y p e b o a r d . M a k e e a c h c o n n e c t i o n

a s s h o w n i n F i g . 1 . T h e D I P s w i t c h e s a r e s e t u p t o c h o o s e e i t h e r g r o u n d o r o p e n . T h e

p u l l - u p r e s i s t o r s h o u l d b e i n t h e r a n g e 1 0 0 t o 5 k , b u t t h e e x a c t v a l u e s h o u l d

n o t b e i m p o r t a n t . C h e c k t h a t t h e L E D s r e s p o n d a s e x p e c t e d t o t h e s w i t c h p o s i t i o n s .

V e r i f y t h a t t h e f o u r L E D s c a n b e u s e d t o r e p r e s e n t 1 6 d i g i t s n u m b e r e d f r o m d e c i m a l 0

t o 1 5 .

1

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2/4

+5 V

DIP switch LED 1

7-segment 1

1 k

F i g u r e 1 : O n e o f f o u r D I P s w i t c h t o l o g i c L E D c o n n e c t i o n s . A l s o s h o w n d a s h e d i s t h e

c o n n e c t i o n t o o n e i n p u t o f t h e 7 - s e g m e n t c i r c u i t .

1 . 3 . 2

T h e f o u r b i t s c a n b e e n c o d e d a n d d i s p l a y e d a s a d e c i m a l d i g i t u s i n g t h e c i r c u i t s k e t c h e d

i n F i g . 2 . T h e 7 - s e g m e n t c h i p c o n s i s t s o f s e v e n L E D s w h i c h c a n b e c o m b i n e d t o d i s p l a y

d e c i m a l d i g i t s . T h e d i s p l a y i s o r i e n t e d c o r r e c t l y w h e n t h e d e c i m a l p o i n t i s a t t h e b o t -

t o m . T h e 7 4 4 7 I C i s a b i n a r y B C D t o 7 - s e g m e n t d e c o d e r s e e a t t a c h e d d e s c r i p t i o n .

T h e s e t w o c h i p s h a v e b e e n c o n v e n i e n t l y w i r e d u p f o r u s o n s e p a r a t e s m a l l c i r c u i t b o a r d s .

C o n n e c t u p t h i s c i r c u i t u s i n g y o u r f o u r b i t s a s t h e i n p u t s . W i r e t h e s e i n p u t s i n p a r a l l e l

w i t h t h e p r e v i o u s l y u s e d l o g i c L E D s , a s s h o w n f o r o n e o f t h e f o u r b i t s i n F i g . 1 , s o t h a t

b i n a r y L E D s a n d d e c i m a l d i s p l a y c a n b o t h b e o b s e r v e d .

7447

7-segment display

circuit board

a0

a1

a2

a3

binary (BCD) input

4 bits 7 outputs (a-g)

F i g u r e 2 : C o n c e p t u a l s c h e m a t i c o f t h e s m a l l 7 - s e g m e n t d i s p l a y b o a r d s .

M a k e a t r u t h t a b l e a s s h o w n b e l o w . C y c l e t h r o u g h a l l s w i t c h c o m b i n a t i o n s a n d

c o m p l e t e t h e t a b l e . W h a t d o y o u o b s e r v e o n t h e 7 - s e g m e n t d i s p l a y f o r b i n a r y i n p u t s

l a r g e r t h a n 1 0 0 1 ? D o e s i t p r o d u c e t h e h e x a d e c i m a l d i g i t s A | F ?

B i n a r y N u m b e r B i n a r y D i s p l a y E x p e c t e d D e c i m a l O b s e r v e d D e c i m a l

0 0 0 0 o - o - o - o 0 ?

t o

1 1 1 1

2

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3/4

1 . 4 T T L L o g i c G a t e s

W e w i l l e x p l o r e s o m e s t a n d a r d l o g i c g a t e I C s . F i g u r e 3 i n d i c a t e s t h e p i n a s s i g n m e n t s

a n d f u n c t i o n o f a n u m b e r o f s t a n d a r d l o g i c I C s . D e t a i l e d s p e c i c a t i o n s c a n b e f o u n d i n

t h e d a t a b o o k s i n t h e l a b r o o m , a l t h o u g h i t i s n o t l i k e l y t o b e n e e d e d h e r e .

F i g u r e 3 : P i n a s s i g n m e n t s f o r s t a n d a r d T T L l o g i c c h i p s .

O u t p u t s t a t e s c a n b e m e a s u r e d w i t h a n o s c i l l o s c o p e o r l o g i c p r o b e . B e g i n b y u s i n g

t h e o s c i l l o s c o p e . F o r t h o s e s t u d e n t s u n f a m i l i a r w i t h i t s u s e , p l e a s e r e a d A p p e n d i x A o f

t h e t e x t a n d a s k f o r h e l p f r o m y o u r T . A . a n d y o u r n e i g h b o r s . S i n c e w e a r e m e a s u r i n g D C

l e v e l s , u s e t h e p - p a u t o " t r i g g e r s e t t i n g a n d m a k e s u r e t h e c h a n n e l s a r e D C c o u p l e d .

U s e a 1 0 s c o p e p r o b e . I f y o u h a v e t i m e , f e e l f r e e t o t r y o u t a l o g i c p r o b e .

3

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4/4

1 . 5 T r u t h T a b l e s

A p p l y H I G H a n d L O W i n p u t s t o o n e o f t h e A N D g a t e s o f t h e 7 4 0 8 . M e a s u r e t h e

c o r r e s p o n d i n g o u t p u t s a n d m a k e a t r u t h t a b l e .

R e p e a t t h e s e s t e p s f o r o n e 7 4 3 2 O R g a t e a n d f o r o n e 7 4 0 0 N A N D g a t e .

1 . 5 . 1

J o i n t h e t w o i n p u t s o f t h e N A N D g a t e s o t h a t t h e g a t e h a s a s i n g l e i n p u t . W h a t i s t h e

f u n c t i o n o f t h i s g a t e ?

1 . 5 . 2

C o n n e c t t h e e n d s o f y o u r 1 k v a r i a b l e r e s i s t o r t o + 5 V a n d g r o u n d . T h e v o l t a g e f r o m

t h e c e n t e r t a p c a n n o w b e v a r i e d . C o n n e c t t h e v a r i a b l e v o l t a g e t o t h e i n p u t o f t h e

N A N D w i t h s i n g l e - i n p u t y o u c o n s t r u c t e d i n 1 . 5 . 1 . R e c o r d t h e o u t p u t a s a f u n c t i o n o f

i n p u t v o l t a g e . A r e t h e r e s u l t s c o n s i s t e n t w i t h p a g e 4 7 5 o f t h e t e x t ?

1 . 6 U n i v e r s a l N O R s a n d N A N D s

U s i n g o n l y N A N D g a t e s f r o m t h e 7 4 0 0 , c o n s t r u c t a n O R g a t e . V e r i f y i t s f u n c t i o n b y

m e a s u r i n g t h e t r u t h t a b l e .

1 . 6 . 1

U s i n g o n l y N O R g a t e s f r o m t h e 7 4 0 2 , c o n s t r u c t a n A N D g a t e . M e a s u r e t h e t r u t h t a b l e .

1 . 6 . 2

M e a s u r e t h e t r u t h t a b l e f o r a 7 4 8 6 X O R g a t e . N o w c o n s t r u c t a n X O R g a t e u s i n g t h e f o u r

N A N D g a t e s o f a 7 4 0 0 . R e c a l l t h a t t h e r e l e v a n t l o g i c e x p r e s s i o n f o r t h i s c o n s t r u c t i o n i s

Q =

A A B

B A B

4