Balík zkoušek z minulých let

tupu hradla CMOS k výstupu hradla TTL a obráceně.
54HC/74HC jsou konstruovány tak, aby mohly přímo nahradit obvody TTL a bez problémů
s nimi spolupracovat. Jsou vyrobeny zdokonalenou třímikronovou technolog200ií CMOS s
křemíkovými hradly tranzistorů, mají shodné rozložení vývodů na patici jako odpovídající
typy TTL, mají malé napájecí napětí UCC = 2 až 6 V, jejich výstupní úrovně odpovídají
požadavkům na buzení obvodů jak CMOS tak i TTL, avšak z hodnot pro vstupní napětí uIL <
0,2 UCC a uIH > 0,7 UCC je zřejmé, že se dají bez potíží budit z obvodů CMOS, ale že
zaručované výstupní napětí obvodů TTL, uOH > 2,4 V, nebude stačit ke správnému vybuzení
obvodu CMOS, u něhož se při stejném napájecím napětí UCC = 5 V požaduje vstupní napětí
uIH 3,5 V. Tato potíž se však dá u řady 54HC/74HC odstranit jednoduše tím, že připojíte
výstup předřazeného členu TTL přes pomocný rezistor s odporem kolem 10 kΩ na +5 V
a zvýšíte tak jeho uOH. Jiná možnost je použít obvod z řady 54HCT/74HCT, u níž jsou vstupy
vybaveny převodníkem napěťových úrovní, který umožňuje přímé buzení těchto obvodů z výstupů.
 6. Jak byste realizovali generátor obdélníkového průběhu s obvodem 555, aby měl střídu 1:1?
Diodou paralelně připojenou k RB.
7. Vysvětlete pojmy monostabilní klopný obvod, bistabilní klopný obvod a astabilní klopný obvod.
Monostabilní klopný obvod – Jeden stabilní stav.
Bistabilní klopný obvod – Dva stabilní stavy.
Astabilní klopný obvod – Žádný stabilní stav.
8. K čemu se v digitální technice používají monostabilní klopné obvody?
K tvarování, generování a zdržování impulsů.
9. Kde byste použili de Morganova pravidla? Uveďte příklad použití.
- Při návrhu číslicových obvodu. Příklad viz. Naměřené hodnoty – Minimalizace pomocí Kar. mapy.
10. Jak zapojíte 8-vstupé logické hradlo NAND, jestliže pro zpracování informace stačí jenom šest vstupů?
- Viz. Naměřené hodnoty – Úplný term (Jen místo osmivstupého OR by byl shodně zapojen osmivstupý NAND)
11. Jak lze ještě realizovat logickou funkci, kromě použití logických členů a multiplexerů?
- Použitím programovatelných pamětí, logického pole, mikroprocesoru.
12. Proč je nebezpečné statické napětí (statický náboj) pro integrované obvody CMOS?
Tranzistory MOS v logických obvodech CMOS mají tenkou vrstvičku izolantu mezi řídicí elektrodou a kanálem. Průrazné napětí této izolační vrstvy se pohybuje kolem 100 V. Jeho překročení vede vždy k nevratnému průrazu tranzistoru a tím ke zničení integrovaného obvodu. Výskyt nebezpečného napětí na vstupu integrovaného obvodu je zpravidla vázán na přivedení náboje statické elektřiny z objektu, s nímž přijde integrovaný obvod do styku, ať již během manipulace nebo při funkci. Proto se všechny unipolární obvody jistí na všech vstupech proti zničení speciálními ochrannými elementy. Avšak ani složitá opatření proti výskytu statické elektřiny nemohou v praxi zajistit spolehlivou ochranu unipolárních integrovaných obvodů. Navíc je známo, že výboj statické elektřiny nemusí integrovaný obvod viditelně poškodit, přitom však může podstatně ohrozit jeho spolehlivost v dalším provozu.
 13. Proč je důležité tavidlo (kalafuna) při pájení?
Důvody používání kalafuny: rozpouštějí absorpční vrstvu, odstraňují oxidy, sulfidy i jiné reakční produkty, tím, že vnikají mezi povrchové molekuly zákl. kovu, podporují vznik i.v. , zlepšují smáčitelnost , zabraňují reoxidaci povrchu při zvýšené teplotě v procesu pájení
14. Proč se používají při oživování zařízení zdroje napětí s proudovým omezením?
Drtivá většina současných moderních regulovatelných zdrojů je vybavena omezením výstupního proudu nebo tzv. elektronickou pojistkou, která při přetížení výstupu zdroje nejen okamžitě omezí výstupní proud, ale sníží jej na tzv. "hlídací" hodnotu (většinou výrazně menší, než nastavený maximální výstupní proud) a plnou činnost zdroje obnoví až po návratu vlastností zatěžovacího obvodu zdroje do obvyklých mezí. Takto vybavené zdroje jsou pro vývojovou práci velmi příjemné, neboť při eventuálním zkratu či jiném havarijním stavu se ve vyvíjeném (a takovýmto zdrojem napájeném) zařízení v jádru "nic nestane".

KONTROLNÍ OTAZKY ZE SKRIPT
1 ZÁKLADNÍ POJMY DIGITÁLNÍ TECHNIKY
1.1 Jak vyjadřujeme dvouhodnotové veličiny v digitální technice?
Významově stále ve stejném pořadí: a) logická interpretace 0 a 1, b) výrokem nepravdivý a pravdivý, c) formou binárních číslic 0 a 1 zejména pro vícebitové skupiny, d) neaktivní a aktivní stav řídicí veličiny, e) napěťovou úroveň L (nižší) a H (vyšší) hodnota napětí nebo proudu, f) jinak – např. rozepnuto a sepnuto.
1.2 Jak se liší kladná a záporná logika ?
U kladné logiky platí u1 > u0 , u záporné naopak u1 < u0 kde u1 vyjadřuje napěťovou úroveň logické jedničky a u0 logické nuly.
1.3 Jak se liší kombinační a sekvenční logické obvody?
U sekvenčního logického obvodu je hodnota výstupní veličiny závislá nejen na okamžitém stavu (kombinaci) vstupních veličin, ale navíc také na předchozím stavu systému. Sekvenční obvod tedy obsahuje vnitřní paměť.
2 KOMBINAČNÍ LOGICKÉ FUNKCE
2.1 Čím je charakteristická úplně určená kombinační logická funkce?
Tato logická funkce je definována pro všechny kombinace vstupních proměnných.
2.2 Kolik kombinačních logických funkcí lze vytvořit pro jednu logickou proměnnou?
Pro jednu logickou proměnnou lze vytvořit 4 logické funkce: nulová f0(x) = 0, totožnost f1(x) = x, negace f2(x) = x , jednotková funkce f3(x) = 1.
2.3 Kolik funkcí tvoří obor úplně určených kombinačních logických funkcí u proměnných?
Těchto funkcí je (2^2)^n . Např. pro n = 2 je jich 16.
2.4 Jak lze zobrazit logické funkce?
Nejčastěji se používají následující způsoby zápisu a zobrazení: a) pravdivostní tabulka, b) logický výraz, c) zobrazení pomocí mapy, d) zobrazení pomocí logického schématu.
2.5 Jaké znáte důležité typy logických výrazů?
Logické výrazy: a) součinový term, b) součtový term, c) minterm, d) maxterm, e) úplný term.
2.6 Jaký vztah se nejčastěji používá pro algebraickou minimalizaci úplně určených funkcí?
Využívá se hlavně vztah
Např. výraz
lze upravit na
2.7 Jakou grafickou metodu lze využít při minimalizaci?
Nejčastěji se používá Karnaughova mapa pro 2 až 4 logické proměnné.
3 REALIZACE KOMBINAČNÍCH LOGICKÝCH FUNKCÍ
3.1 Uveďte hlavní způsoby realizací logických funkcí.
K realizaci se používají zejména: a) hradla a jednoduché logické (integrované) obvody NAND, NOR, AND, OR, AND-OR-INVERT, EX-OR apod., b) multiplexery a demultiplexery, c) převodníky kódu, d) programovatelné paměti
PROM a EPROM, e) programovatelné logické obvody PLD, PLA a FPGA.
4 Druhy digitálních integrovaných obvodů
4.1 Uveďte základní typy technologií používaných v digitálních obvodech.
Digitální integrované obvody TTL (např. řady 74, 74ALS, 74AS), IIL, ECL a zejména CMOS (např. řady 40/45, AC/ACT, AHC/AHCT, ALVC, AVC, 54HC/7HCT.
4.2 Nakreslete vstupní a obě výstupní charakteristiky běžného invertoru řady 74.
4.3 Jaká jsou průměrná časová zdržení hradla TTL typu 74, 74ALS, 74AS.
Obvody typu 74 vykazují zdržení 10 ns, obvody 74ALS 4 ns a obvody 74AS 1,7 ns.
4.4 Charakteristický součin td.Pd by měl být u optimálního digitálního obvodu co nejmenší nebo co největší?
Součin td.Pd by měl být co nejmenší, tzn. obvody mají minimální zdržení td a minimální příkon Pd.
4.5 Jakou technologii používají zřejmě digitální obvody v tzv. digitálních náramkových hodinách napájených malým knoflíkovým článkem?
Jsou použity digitální obvody CMOS s téměř nulovým příkonem ve „statickém“ provozu. Stav většiny logických obvodů se mění pouze jedenkrát za vteřinu a průměrná hodnota odebíraného napájecího proudu je tedy téměř nulová.
4.6 Nakreslete typické schéma logického invertoru CMOS, nakreslete a zdůvodněte jeho
převodní a napájecí charakteristiku.
Schéma je uvedeno na obr. 4.13 a v podstatě obsahuje pouze dva tranzistory CMOS s rozdílnými typy kanálu. Vstupní napětí blízko úrovní L a H znamená úplné zahrazení jednoho tranzistoru a úplné otevření druhého tranzistoru. Napájecí proud je zanedbatelně malý, blízký nule. Naopak při vstupním napětí blízko prahového napětí mají oba kanály odpor pouze několik desítek až stovek ohmů a napájecí proud stoupne až na několik miliampérů.
5 Zásady navrhování digitálních obvodů a systémů
5.1 Lze nechat volně nepřipojené nevyužité vstupy digitálních obvodů?
Volně nepřipojené vstupy digitálních obvodů mohou jednak reagovat na parazitní indukované rušivé signály a jednak nemají přesně definovanou napěťovou úroveň. To je obzvlášť nebezpečné u obvodů CMOS, kdy se napětí vstupu může ustálit v okolí rozhodovacího (prahového napětí a obvodem CMOS teče potom nebezpečný příčný proud.
5.2 Nevyužité vstupy digitálních obvodů se připojují na logickou 0 nebo 1?
Nevyužité vstupy digitálních obvodů se připojují na logickou 0 nebo 1, ale vždy tak, aby se respektovala správná kombinace vstupních logických proměnných podle pravdivostní tabulky. Proto se např. nevyužitý vstup vícevstupého hradla (N)AND vždy připojí na 1 a hradla(N)OR na 0.
5.3 Je možná přímá spolupráce obvodů TTL a CMOS se stejným napájecím napětím?
Vzájemná spolupráce je možná, musí se však zajistit vzájemná napěťová a proudová
slučitelnost. Řešení viz např. obr. 5.4.
5.4 Jaké mohou nastat problémy při ovládání digitálních obvodů mechanickými kontakty spínačů a přepínačů ?
Při zpracování signálů generovaných mechanicky ovládanými kontakty vždy hrozí nebezpečí hazardních stavů, jejichž příčinou bývá zejména: odskoky kontaktů do mezipolohy, falešné spínací impulsy, přechodný děj trvající několik m5, apod.
5.5 Lze digitálními obvody ovládat i výkonové zátěže?
Výkonové zátěže lze budit přímo výstupy digitálních obvodů, nebudou-li přitom překročeny doporučené nebo mezní hodnoty výstupního napětí a proudu. V ostatních případech se využívá posílení výstupního výkonu většinou pomocnými
(výkonovými) tranzistory. Zvláštní ošetření vyžaduje buzení zátěží s výraznou imaginární složkou impedance (C, L).
5.6 Jaké základní typy spojů se používají v digitální technice?
Jednoduchý vodič, dvojitý paralelní vodič, vícenásobné paralelní vodiče, vedení se zkroucenými vodiči (twist), koaxiální kabely.
6 Tvarování, generování a zdržování impulsů
6.1 K čemu se využívá hystereze převodní charakteristiky některých typů digitálních obvodů?
Zejména ke zvýšení odolnosti digitálních obvodů proti rušení, umožnění zpracovávat logické signály rušené superponovaným šumem nebo signály s pomalými hranami.
6.2 Nakreslete schéma základního monostabilního obvodu pro prodlužování doby trvání pravoúhlého impulsu.
6.3 Vysvětlete vnitřní strukturu univerzálního časovače 555 a nakreslete jeho aplikační zapojení ve funkci MKO.
Dálkové (elektrické) řízení doby kyvu MKO s 555 umožňuje použití externího zdroje proudu řízeného napětím pro nabíjení časovacího kapacitoru.
Obr. 6.10 Zapojení MKO s časovačem 555
6.4 Lze zkracovat pravoúhlé impulsy pasivními integračními články?
Zkracování je možné podle obr. 6.13. Podle volby hradla (N)AND, (N)OR nebo EXOR zkracovací obvod reaguje na nástupnou, sestupnou nebo obě hrany budicího pravoúhlého signálu.
7 Generátory pravoúhlých kmitů a pulsů
7.1 Nakreslete základní typy generátorů pravoúhlých kmitů, které se nejčastěji používají s hradly TTL.
7.2 Nakreslete oblíbený typ oscilátoru pravoúhlých kmitů s hradly CMOS. Vysvětlete účel použití jednotlivých součástek? Jak se nastavuje kmitočet výstupních kmitů?
Schéma oscilátoru s invertory CMOS je uvedeno na obr. 7.5 časové parametry a tedy i kmitočet výstupních kmitů určuje článek R1C. Tento článek je buzen skokově se měnícími signály na výstupech obou invertorů. R2 ochraňuje vstupní obvody prvního invertoru při záporném napětí podle obr. 7.5 C před nadměrným proudem, který by tekl otevřenou ochrannou vstupní diodou časování oscilátoru usnadňuje graf na obr. 7.6.
7.3 Vysvětlete princip generování pravoúhlých kmitů oscilátorem s jedním invertorem s hysterezní převodní charakteristikou.
Základní schéma ukazuje obr. 7.13, přičemž vlastní oscilátor tvoří pouze jedno hradlo obvodu 74132 zapojené jako invertor se zpětnou vazbou tvořenou dvojbranem RC. Vlastní časování oscilátoru určuje exponenciální úseky nabíjení a
vybíjení kapacitoru C mezi horní a spodní prahovou úrovní.
7.4 Vysvětlete dva obvyklé způsoby zapojení MKO při autonomním generování pravoúhlých kmitů.
V obou případech musí být MKO zapojen do zpětnovazebního obvodu. První způsob ukazuje obr. 7.15, kdy MKO1 je vybaven zpětnou vazbou z inverzního výstupu Q na dynamický vstup B (ten reaguje na rostoucí signál). MKO2 pak pouze určuje střídu výsledných kmitů. C1R1 tedy určuje kmitočet a R2C2 střídá. Druhý způsob ilustruje schéma na obr. 7.17, kde jsou oba monostabilní klopné obvody zapojeny ve zpětné vazbě. R1C1 určuje dobu trvání jedničky a R2C2 dobu trvání nuly v periodě výstupních pravoúhlých kmitů na výstupu OUT.
Obr. 7.15: Generátor pravoúhlých kmitů s MKO
Obr. 7.17: Pulsní generátor s MKO typu 74121
7.5 Nakreslete a popište použití časovače 555 jako generátor pravoúhlých kmitů.
Schéma je na obr. 7.18 časování nastavuje (R1+R2)C při rostoucím napětí na časovacím kapacitoru C a R2C při klesajícím napětí.
8 Kmitočtové syntezátory a ústředny, časové základny
8.1 Popište jednotlivé bloky základní smyčky fázového závěsu PLL.
Fázový komparátor (viz obr. 8.1) srovnává kmitočet fVST a fázi φVST vstupného signálu SVST(t) s kmitočtem f0 a fází φ0
vstupního signálu s0(t). Odchylka těchto veličin určuje výstupní napětí u komparátoru, které je zpracováno filtrem DP.
Přenosová funkce FDP tohoto filtru klíčovým způsobem určuje dynamiku a ustalování PLL. Stejnosměrné nebo pomalu se měnící napětí UŘ potom budí
oscilátor řízený napětí a podle jeho převodní charakteristiky pak určuje kmitočet a fázi výstupního signálu s0(t). V ustáleném stavu pak platí fVST ≈ f0 a φVST ≈ φ0
8.2 K čemu se především používá jednotka PLL?
Smyčka fázového závěsu PLL je základním stavebním modulem syntézátorů s nepřímou kmitočtovou syntézou. Základní smyčka je pak doplněna o čítač v přímé větvi (dělicí poměr N). Pro výstupní signál pak v ustáleném stavu platí, že f0 = (M/N) . fVST. Lze takto nastavit libovolný koeficient M/N, který lze vyjádřit jako poměr celých čísel M a N.
8.3 Co je základním stavebním prvkem čítače?
Klopný obvod se zpětnou vazbou např. podle obr. 8.16a jako dělič kmitočtu dvěma.
8.4 Sestavte schéma obvodu pro dělení kmitočtu celým číslem 1 až 999.
Zapojení vychází ze schématu na obr. 8.20, přičemž pro dělení stovkami se přidá ještě jeden dekadický přednastavitelný čítač.
Obr. 8.20: Dělení kmitočtu nastavitelným děličem v poměru 1 : 1 až 99 : 1
9 Zpracování a zviditelnění vícebitových digitálních signálů
9.1 Navrhněte zapojení pro aritmetické sčítání a odčítání dvou 12-bitových čísel.
Řešení lze odvodit expanzí z obr. 9.5. Další 4-bitová integrovaná sčítačka bude na svém vstupu C0 zpracovávat informaci o přenosovém bitu C4 předchozí integrované sčítačky.
9.2 Proč se vícemístné displeje LED a LCD provozují nejčastěji v dynamickém režimu?
Multiplexovaný dynamický režim minimalizuje počet potřebných znakových nebo sedmisegmentových dekodérů a u displejů se zobrazovači LED výrazně spoří potřebný napájecí příkon. Důležitou podmínkou je, aby přepínací kmitočet byl dostatečně vysoký (setrvačnost lidského oka).
9.3 Co znamená pojem zadní elektroda (backplane) u displejů?
Je to společná elektroda zobrazovačů LCD (s tekutými krystaly). Zviditelnění obrazce na displeji LCD nastává vznikem napěťového rozdílu mezi průhlednou elektrodou ve tvaru zobrazovaného obrazce a zadní elektrodou zobrazovače LCD.
Vzniklé elektrické pole reorientuje nematické kapalné krystaly z původního zkrouceného uspořádání (propouštějícího světlo) do homeotropního uspořádání (to již světlo nepropouští). Po vypnutí elektrického pole se krystaly vrátí do původního zkrouceného uspořádání drženého povrchovým zakotvením molekul a vzorek je opět průhledný. Zobrazovač LCD pracuje buď na zviditelnění odrazu nebo prostupem světla (v tomto případě je vybaven vlastním homogenním zdrojem světla, který displej zezadu prosvětluje). Elektrické pole musí být střídavé, jinak by došlo k elektrolýze roztoku. Na podobném principu pracují i moderní barevné obrazovky LCD monitorů PC. Například monitor s obrazovkou pro 1024x768 bodů (pixelů) má skleněnou krycí desku pokrytou 2 359 296 obrazovými elementy se stejným počtem
tenkovrstvých tranzistorů (TFT) se systémem XY elektrod. Jeden obrazový element má plochu přibližně 0,2 x 0,2 mm2. U barevného monitoru je jeden obrazový element složen ze tří sousedících obrazových elementů, opatřených červeným,
zeleným a modrým (RGB) filtrem. Tím se dosáhne toho, že různý stupeň světelné propustnosti obrazového elementu odpovídá barevnému odstínu.
10 Systémy pro digitální zpracování analogových signálů
10.1 Určete důvod použití vzorkovačů s analogovou pamětí v systémech digitalizace analogových signálů.
Paměťové vzorkovače jsou obvody, které dokáží ve velmi krátkém čase (ns a kratší) odebrat vzorek časově proměnného signálu a uložit jej do analogové paměti, v níž zůstane „beze změny“ uchován po dobu následného analogově digitálního převodu v převodníku AD. Tyto obvody se používají v režimu sample-hold (S/H) nebo trackhold (TH).
10.2 Co to je rozlišovací schopnost převodníku AD?
Udává počet diskrétních úrovní, které daný převodník AD rozliší. Například 12-bitový převodník AD rozliší v ideálním případě 212 = 4096 diskrétních analogových úrovní ve svém vstupním analogovém rozsahu.
10.3 Jaké jsou nejčastěji sledované chyby převodníku DA?
Chyba zisku (maxima), chyba nuly (minima), chyba linearity. Obě první chyby lze externími obvody kompenzovat, chyba linearity se kompenzuje velmi obtížně. Ve speciálních kalibrovaných převodnících se v tomto případě využívá digitální korekce údaje.
10.4 Nakreslete a popište blokové schéma převodníku DA, který se velmi často používá v kalibrátorech a přesných digitálně řízených zdrojích stejnosměrného napětí.
Je to převodník DA s mezipřevodem na šířku impulsu. Schéma viz obr. 10.16.
10.5 Jak se liší kompenzační a aproximační převodník AD?
Tyto převodníky se liší pouze řídicím obvodem a metodou hledání digitálního ekvivalentu vstupního napětí. Řídicí obvod kompenzačního ADC pracuje jako obyčejný čítač vpřed, u aproximačního převodníku se používá registr postupné aproximace (SAR), který testuje digitální ekvivalent zkusným nastavováním jednotlivých bitů od MSB do LSB. Proto má také aproximační ADC konstantní dobu převodu AD, která pro N-bitový ADC trvá právě N taktů.
10.6 Jaká je doba převodu AD u sledovacího ADC?
Pokud není sledovací ADC přetížen, čili strmost změny vstupního analogového napětí nepřekročí hodnotu uLSB/TT, kde TT označuje čas jednoho taktu, trvá převod AD právě jediný takt TT.
10.7 Proč bývají přesné laboratorní multimetry osazeny právě integračními převodníky AD?
Nevadí-li poměrně dlouhá doba převodu AD u tohoto typu ADC, vyniká do popředí výborná schopnost potlačit parazitní vliv chybových střídavých signálů superponovaných na měřené stejnosměrné napětí. Je-li doba integrace měřeného napětí celým násobkem periody rušivého superponovaného napětí, jsou tato rušivá napětí téměř dokonale potlačena a neovlivní přesný výsledek převodu AD.
12 Architektura číslicového počítače
12.1 Jaký je rozdíl mezi architekturou von Neumanovou a harvardskou?
V harvardské koncepci je paměť rozdělena na paměť dat a paměť programu.
12.2 Jakým způsobem byl programován první elektronkový počítač ENIAC?
Byl programován pomocí drátěných propojek v poli zdířek.
12.3 Vysvětlete pojem generace počítačů?
Pojem generace počítačů vyjadřuje hodnocení stupně vývoje číslicových počítačů z hlediska systémového a technologického řešení, používaného programového vybavení, výkonnosti a dalších dosahovaných parametrů.
13 Činnost