Labáky mix 1

MOS
Změřené zdržení hradla pro obvod 74ALS00 bylo shodné s katalogovými údaji a pro obvod 74HC00 byl
rozdíl 2 ns.


Předmět
Digitální obvody a mikroprocesory – Laboratorní cvičení
Jméno
Karol Ollé
Ročník
II.
Studijní skupina
B2TLI-54
Spolupracoval
Vojtěch Novotný
Měřeno dne
04.03.2004
Kontroloval
Hodnocení
Dne
Číslo úlohy
Název úlohy
4
Generátory pravoúhlých signálů
Zadání –
1. Navrhněte a sestavte generátor s derivačními články a hradly NAND pro vyučujícím zadaný kmitočet. Zobrazte časové průběhy v důležitých uzlech. Porovnejte naměřené průběhy s průběhy teoretickými. Zvolte jiné hodnoty kapacit a odporů. Sledujte vliv hodnot jednotlivých pasivních prvků C a R v obvodu na tvar signálů.
2. Zrealizujte generátor s obvodem 555. Připojte na výstup a vstup I2 obvodu 555 osciloskop a zakreslete nebo vytiskněte průběhy v těchto uzlech. Změřte a nakreslete závislost výstupního kmitočtu na řídicím napětí f = f(UR). Měřte pro dostatečný počet bodů charakteristiky. Určete rozsah řídicího napětí, pro který je převod lineární a určete převodní konstantu (rozměr 1/V).
3. Zapojte impulzní generátor s monostabilním klopným obvodem 74HCT123. Zobrazte a zakreslete nebo vytiskněte výstupní průběhy generátoru.
Teoretický úvod –
Pro jednoduché aplikace, nenáročné na přesnost a stabilitu výstupního kmitočtu, se používají generátory RC. Pro přesné a stabilní generátory se využívá selektivních vlastností piezoelektrického rezonátoru (krystalu).
Varianta návrhu generátoru
Použití pasivních členů RC jako jednoduché časovací obvody pro generování požadovaného kmitočtu. Odpory rezistorů R1 a R2 se musí volit s ohledem na vstupní proud při úrovni L. Úbytek napětí na těchto rezistorech nesmí přesáhnout 0,8 V, což je velikost napětí do které je deklarovaná úroveň L. Kmitočet výstupního signálu je dán následujícím vztahem.
Pro povolení generování je nutné přivést na vstup G úroveň H. Doba úrovně H na výstupu je dána derivačním článkem R2 C2 a doba úrovně L je dána článkem R1 C1. V případě, kdy platí R1 = R2 a současně C1 = C2, je střída výstupního signálu 1:1.
Obr.1 Schéma zapojení s derivačními články
Varianta návrhu generátoru
Použití univerzálního časovače 555 s vhodnou kladnou zpětnou vazbou.
Obr.2 Schéma generátoru pravoúhlých kmitů s obvodem 555 řízeného napětím
Vztahy pro výpočet doby, kdy je na výstupu H (t1) a kdy je L (t2) jsou následující:
Varianta návrhu generátoru
Použití dvou monostabilních klopných obvodů.
Obr.3 Schéma generátoru s monostabilními klopnými obvody 74HCT123
Klopný obvod 1 generuje impulzy s dobou trvání danou vztahem
T1 je doba trvání H na výstupu Q1. Sestupnou hranou těchto impulzů se spouští klopný obvod 2, který generuje pulzy s dobou trvání
T2 je doba trvání L na výstupu Q1. Sestupná hrana tohoto impulzu zase spouští klopný obvod 1. Celková doba periody je dána vztahem
Člen R3 C3 zajišťuje bezpečný rozběh po zapnutí napájení. Generátor generuje pulzy pouze je-li sepnuté tlačítko start.
Postup měření –
Sestavení generátoru s derivačními články.
Sestavení generátoru s obvodem CMOS 555
Zapojení impulzního generátoru s monostabilním klopným obvodem 74HCT123
Použité přístroje –
Č.
Přístroj
id.č.
poznámky
1.
Zdroj Diametral
P230R51D
2.
Osciloskop
HP 54503B
3.
Multimetr
M 890G
s měřicími kabely
4.
Kontaktní pole s modulem
5.
Integrovaný obvod
74LS00
6.
NE555
7.
74HCC123
8.
Kleště na integrované obvody
9.
Sady R a C
10.
Potenciometr s vývody na K.P.
Kontrolní otázky –
1. Jak byste realizovali generátor obdélníkového průběhu s obvodem 555, aby měl střídu 1:1?
Diodou paralelně připojenou k RB.
2. 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.
3. K čemu se v digitální technice používají monostabilní klopné obvody?
K tvarování, generování a zdržování impulsů.
Naměřené a vypočtené hodnoty –
- Úkol č. 1
R1=R2=1,5kΩ
C1=C2=22nF
fZMERENA=1,204kHz
Teoretické průběhy
Reálné průběhy viz. příloha
- Úkol č. 2
fZVOLENA=3kHz
fZMERENA=3,3kHz
C=22nF
RA=11kΩ
RB=21kΩ
Teoretické průběhy
Reálné průběhy viz. příloha
f=f(UŘ)
UŘ [V]
2,4
2,54
2,65
2,74
2,85
2,93
3,03
3,13
3,24
3,31
3,42
3,51
3,67
3,78
3,94
f [Hz]
3,636
3,571
3,401
3,247
3,115
2,994
2,899
2,747
2,632
2,545
2,451
2,381
2,123
2,004
1,801
Graf je „lineární“ v celém námi změřeném rozsahu.
Převodní konstanta -1,222
- Úkol č. 3
fZVOLENA=20kHz
fZMERENA=21,4kHz
C1=C2=22nF
R1=R2=9,2kΩ
Reálné průběhy viz. příloha
Závěr –
Generátor s derivačními články zapojený podle obr.1 měl průběhy přibližně podobné teoretickým předpokladům. Což je postupné nabíjení a vybíjení kondenzátorů.
Generátor s obvodem CMOS 555 měl téměř lineární charakteristiku v celém námi změřeném rozsahu UŘ od 2,4-4V při vyšším napětí už nebyla charakteristika lineární, ale tyto hodnoty se nám nepodařilo změřit kvůli malému rozsahu potenciometru. Hodnoty R a C jsme vypočítaly dle vztahů uvedených v teoretickém úvodu. Převodní konstantu jsme dostali linearizací charakteristiky a zjištěním kde linearizovaná přímka protíná osy f=6,6Hz a UŘ=5,4V. Výsledná převodní konstanta je tedy .
Hodnoty C a R pro impulzní generátor s monostabilním obvodem 74HCT123 jsme vypočetli dle vztahů uvedených v teoretickém úvodu a jeho průběhy jsou uvedeny v příloze.
Vypočtené a reálné frekvence pro zapojení s obvodem CMOS 555 a zapojení s monostabilním obvodem 74HCT123 se liší pravděpodobně z důvodu parazitních vlastností ostatních součástek Příloha –
Generátor s derivačními články –
Generátor s obvodem CMOS 555 –
Impulzní generátor s monostabilním klopným obvodem 74HCT123 –


Předmět
Digitální obvody a mikroprocesory – Laboratorní cvičení
Jméno
Karol Ollé
Ročník
II.
Studijní skupina
B2TLI-54
Spolupracoval
Vojtěch Novotný
Měřeno dne
11.03.2004
Kontroloval
Hodnocení
Dne
Číslo úlohy
Název úlohy
5
Minimalizace logické funkce
Zadání –
Realizujte vyučujícím zadanou neminimalizovanu funkci (úplný term) pomocí obvodů NAND, NOR a invertorů a ověřte jeho správnou funkci. Zaznamenejte počet použitých hradel a počet použitých pouzder integrovaných obvodů.
Minimalizujte zadanou funkci pomocí Karnaughovy mapy a nakreslete schéma obvodu řešícího nalezenou funkci s obvody NAND, NOR a invertorů.
Realizujte minimalizovanou funkci a ověřte jeho správnou funkci. Zaznamenejte počet použitých hradel a počet použitých pouzder integrovaných obvodů.
Navrhněte obvod s multiplexerem tak, aby splňoval zadanou logickou funkci.
Zrealizujte zadanou funkci s použitím multiplexeru a ověřte jeho správnou funkci. Zaznamenejte počet použitých hradel a počet použitých pouzder integrovaných obvodů.
6. Porovnejte všechny tři realizace (počet pouzder, počet hradel, velikost místa na desce plošných spojů a případně celkové ceny použitých obvodů) a zhodnoťte, která realizace je nejvhodnější pro zadanou funkci a proč.
Teoretický úvod –
Logickou funkci můžeme zapsat několika způsoby:
Pravdivostní tabulkou.
Logickým výrazem.
Mapou.
Schéma s logickými obvody.
Minimalizace logické funkce je nejjednodušší pomocí Karnaughovy mapy.
Realizace logické funkce pomocí multiplexoru
Realizovat logickou funkci můžeme pomocí multiplexeru pouze tehdy, když má multiplexer počet řídicích vstupů minimálně N-1, kde N je počet vstupních proměnných logické funkce.
Funkce multiplexeru je taková, že multiplexer přenáší informaci ze zvoleného vstupu 0 až 7 na výstup Q. Vstup, ze kterého je informace převáděna na výstup, je vybrán adresou binárním číslem na vstupech C, B, A, přičemž vstup C má největší váhu. Číslo zvoleného vstupu odpovídá binárnímu číslu přivedenému na vstupy C, B, A. Pro přenos informace ze vstupu na výstup musí být na vstupuS logická úroveň L. Při logické úrovni H na vstupu S je na výstupu Q logická úroveň L.
Obr.1 Schématická značka multiplexeru 74ALS151
Kontrolní otázky –
1. Kde byste použili de Morganova pravidla? Uveďte příklad použití.
- Při návrhu číslicových obvodu. Příklad viz. Naměřené hodnoty – Minimalizace pomocí Kar. mapy.
2. 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)
3. Jak lze ještě realizovat logickou funkci, kromě použití logických členů a multiplexerů?
- Použitím programovatelných pamětí, logického pole, mikroprocesoru.
Postup měření –
Navržení a sestavení obvodu realizující neminimalizovanou funkci (úplný term) pomocí hradel NAND, NOR a investorů.
Minimalizace zadané funkce pomocí Karnaughovy mapy.
Sestavení obvodu z minimalizované funkce pomocí hradel NAND a investorů.
Navržení obvodu, který řeší zadanou funkci, pomocí multiplexeru 74ALS151.
Sestavení obvodu s multiplexorem.
Použité přístroje –
Přístroj
Popis
Zdroj
TSZ 75
Kontaktní pole
Kontaktní pole s modulem
Nářadí
Kleště na integrované obvody
Integrované obvody
7400 (74LS00)
7404 (74LS04)
7410 (74LS10)
7420 (74LS20)
7430 (74LS30)
74151 (74LS151)
Vodiče
4mm-4mm
Sada propojovacích vodičů na k.p.
Naměřené a vypočtené hodnoty –
- Zadaná tabulka
č.
A
B
C
D
k
0
0
0
0
0
1
1
0
0
0
1
1
2
0
0
1
0
0
3
0
0
1
1
0
4
0
1
0
0
1
5
0
1
0
1
0
6
0
1
1
0
0
7
0
1
1
1
0
8
1
0
0
0
0
9
1
0
0
1
1
10
1
0
1
0
1
11
1
0
1
1
0
12
1
1
0
0
0
13
1
1
0
1
0
14
1
1
1
0
0
15
1
1
1
1
1
- Úplný term
ObvodPočetCena
740415
742033*2,50
???1???
- Minimalizace pomocí Karnaughovy mapy
1
1
0
0
1
0
0
0
0
0
1
0
0
1
0
1
ObvodPočetCena
740415
7410110
742022*2,50
- Multiplexor
č.
A
B
C
D
k
Vstup Multiplexoru
0
0
0
0
0
1
0
+5V
1
0
0
0
1
1
2
0
0
1
0
0
1
GND
3
0
0
1
1
0
4
0
1
0
0
1
2
5
0
1
0
1
0
6
0
1
1
0
0
3
GND
7
0
1
1
1
0
8
1
0
0
0
0
4
D
9
1
0
0
1
1
10
1
0
1
0
1
5
11
1
0
1
1
0
12
1
1
0
0
0
6
GND
13
1
1
0
1
0
14
1
1
1
0
0
7
D
15
1
1
1
1
1
ObvodPočetCena
740415
7415115
Závěr –
Po zadání pravdivostní tabulky vyučujícím jsme sestrojili dle tabulky úplný součtový term a dle něho jen teoreticky navrhli zapojení logických členů.
Dále jsme minimalizovali funkci pomocí Karnaughovy mapy, kde jsme sestrojili minterm. A dle něho jsme navrhli zapojení log. členů a posléze zapojily logické členy. Obvod fungoval přesně dle zadané pravdivostní tabulky, jen nám zkoušení tohoto obvodu zabralo neúměrně dlouhou dobu z důvodu shořelého obvodu 7420.
Na závěr jsme navrhli realizaci pomocí multiplexoru. Obvod jsme zapojili a odzkoušeli.
Ceny a složitosti zapojení se podstatně liší.
Realizace úplným termem by byla neúměrně složitá (5 obvodů) a poměrně drahá oproti ostatním zapojením. Cena by byla 12,50 Kč bez osmi vstupného ORu který jsme při návrhu použili a který se nám v katalozích nepodařilo nalézt. Jelikož toto měl být pouze teoretický návrh funkci jsme dále neupravovali tak aby vyhovovala dostupným součástkám.
Realizace, po minimalizaci Karnaghovou mapou, je jednodušší než předchozí ale počet 4 obvodů a cena 20 Kč je stále mnoho.
Realizace multiplexorem je nejjednodušší, potřebujeme jen 2 obvody, a nejlevnější, pouze 10 korun.
B
A
C
D


Předmět
Digitální obvody a mikroprocesory – Laboratorní cvičení
Jméno
Karol Ollé
Ročník
II.
Studijní skupina
B2TLI-54
Spolupracoval
Vojtěch Novotný
Měřeno dne
18.03.2004
Kontroloval
Hodnocení
Dne
Číslo úlohy
Název úlohy
6
Osazení a oživení elektronické stavebnice s digitálními obvody
Zadání –
1. Osaďte elektronickou stavebnici podle návodu přiloženého ke stavebnici.
2. Ověřte funkci přístroje sestaveného ze stavebnice a zjistěte jeho hlavní parametry z hlediska jeho využití.
3. Sestavte jednoduchý návod na použití přístroje.
Teoretický úvod –
Návrh elektronického zařízení
- Společný vodič by měl být zapojen tak, aby měl co nejmenší odpor a zanedbatelnou indukčnost.
- Pečlivý návrh vodičů pro rozvod napájecích napětí.
- Pří návrhu signálových cest by měla být jejích délka co nejkratší, obzvláště je-li přenášen signál s vysokým kmitočtem. Pak nesmí být ohyby spojů ostré. Důležité je také spoje s důležitými a citlivými signály oddělit větší mezerou od vodičů hodinových signálů.
- Prostorové oddělení výkonových součástek vyzařujících teplo od součástek, které jsou citlivé na vyšší teplotu, nebo které generují nějakou přesnou veličinu.
Osazení desky plošných spojů
- Nejdříve osazujeme pasivní součástky, které nejsou citlivé na delší zahřátí vyzařované páječkou při pájení okolních součástek. Poté osazujeme diskrétní aktivní součástky (tranzistory, diody) a nakonec integrované obvody. Pokud obvod obsahuje integrované obvody vyrobené technologií CMOS, osazujeme je až jako poslední. Nejlepší je však tyto součástky vsadit do patice.
Oživování přístroje
- Při oživování digitálních zařízení je vhodné používat logickou sondu s indikací logických úrovní L a H. V některých případech je vhodné použít osciloskop a generátor impulzů.
- Zdroj napájecího napětí s elektronickou proudovou pojistkou.
- Nejčastějším zdrojem chyb jsou přerušené vodivé měděné cesty na desce plošných spojů nebo špatně připájené vývody součástek.
Kontrolní otázky –
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.
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
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".
Postup měření –
Příprava a zahřátí páječky na provozní teplotu (290-300°C)
Napájení součástek na desku plošných spojů.
Optická kontrola spojů.
Odzkoušení obvodu.
Sestav