Laborky

by generoval signál se zadaným kmitočtem. Připojte na výstup a vstup I2 obvodu 555 osciloskop a zakreslete nebo vytiskněte průběhy v těchto uzlech. Poté zapojte do obvodu i trimr a 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).
Zapojte impulsní generátor s monostabilním klopným obvodem 74HCT123. Zobrazte a zakreslete nebo vytiskněte výstupní průběhy generátoru.
Teoretický rozbor:
V digitální technice se často používají generátory obdélníkového průběhu s výstupními úrovněmi TTL. Jejich střída bývá často 1:1. Existují tzv. impulzní generátory, které periodicky generují impulzy, jejichž doba trvání je mnohem kratší než polovina periody. 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).
Generátor, jehož schéma je uvedeno na obr. 14, používá pasivní členy 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.
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.
Další možnost, jak navrhnout generátor obdélníkového průběhu, je použití univerzálního časovače 555 s vhodnou kladnou zpětnou vazbou. Na obr. 15 je uvedeno blokové schéma obvodu 555. Základem obvodu jsou dva napěťové komparátory K1 a K2, z jejichž výstupů je ovládán klopný obvod RS. Mezi vývody 1 (společný vodič) a 8 (napájení) jsou zapojeny tři stejné rezistory s odporem 5 k. Na tento dělič napětí jsou připojeny komparátory vždy jedním vstupem. Zbylé dva vstupy komparátorů tvoří dva využitelné vstupy časovače. Klopný obvod je ovládán výstupy obou komparátorů a také externím vstupem časovače R0. Na výstup klopného obvodu je zapojen výkonový invertor, jehož výstup je zároveň výstupem celého časovače. Na výstup klopného obvodu je také připojena přes rezistor RB báze tranzistoru T, který je zapojen jako výstup s otevřeným kolektorem celého časovače.
Tento obvod lze použít jako monostabilní klopný obvod, zpožďovač, generátor obdélníkového průběhu o konstantním kmitočtu, generátor řízený napětím atd. Na obr. 16 je schéma generátoru s obvodem 555, jehož výstupní kmitočet je řízen napětím na vstupu RF.
V případě, že by odporový dělič realizovaný trimrem RR nebyl do obvodu zapojen, získáme generátor, jehož výstupní kmitočet je dán odpory rezistorů RA, RB a kapacitou kapacitoru C. Vztahy pro výpočet doby, kdy je na výstupu H (t1) a kdy je L (t2) jsou následující.
Většinou postupujeme tak, že si zvolíme C a pak dopočítáme RA a RB.
T1 = 0,7 . (RA + RB) . CT2 = 0,7 . RB . C
Jako generátor můžeme použít dvou monostabilních klopných obvodů.
Doba trvání impulsů :
KO 1 : T1 = 0,7 . R1 . C1
KO 2 : T2 = 0,7 . R2 . C2
Celkem : T = T1 + T2 = 0,7 (R1 . C1 + R2 . C2)
VYPRACOVÁNÍ:
Zadaná frekvence: f=10kHz
Úkol 1:
Graf 1.1 : Průběh signálu v uzlu A
Graf 1.2 : Průběh signálu v uzlu B
Úkol 2:
Návrhový vztah :

Volili jsme RA = RB = 1500 
Graf 2.1 : Průběh signálu v uzlu 3
Graf 2.2 : Průběh signálu v uzlu 6
Tabulka 2.1 Závislost výstupního kmitočtu na řídicím napětí
Graf 2.3 Závislost výst. kmitočtu na řídicím napětí
U [V]
f [Hz]
1,86
9259
2,10
8772
2,36
8475
2,40
8130
2,61
7143
3,12
6410
3,42
5682
3,61
5405
3,86
4762
4,04
4444
4,14
4082
4,24
3670
OTÁZKY:
1) Jak byste realizovali generátor obdélník. průběhu s obvodem 555, aby měl střídu 1:1?

k vývodu REF připojíme odpor cca 7k, jímž posuneme rozhodovací úrovně
navolíme RA = RB
2) Vysvětlete pojmy monostabilní klopný obvod, bistabilní klopný obvod a astabilní klopný obvod.
Monostabilní klopné obvody, slouží k úpravě průběhu impulzu. Po přivedení vstupního signálu (vzestupná nebo sestupná hrana průběhu) se výstup integrovaného obvodu změní (L přejde do H). Tato změna trvá po dobu časové konstanty RC článku, pak klopný obvod překlopí zpět do L. Podle reakce na vstupní signál rozeznáváme dva druhy MKO. Jeden typ čeká na zánik vstupní vybavovací úrovně a teprve poté zanikne výstupní signál, druhý reaguje pouze dynamicky na přechodový jev, délka výstupního impulzu je nezávislá na vstupním.
Základním klopným obvodem je obvod R-S (bistabilní klopný obvod). Běžně se používají obvody se dvěma vstupy a dvěma výstupy. Počet vstupů a výstupů lze však rozšířit na libovolný počet. Při rozboru zapojení vycházíme z toho, že oba obvody NAND nejsou naprosto rovnocenné, a proto po připojení napájení jeden zareaguje rychleji a vnutí svůj výstupní stav druhému. Čili po připojení napájení předpokládejme že Q1 překlopí a na výstupu bude mít stav L. Ten se přenese na vstup Q2 a proto bude Q2 mít na výstupu stav H. Toto bude trvat dokud vnějším signálem nevnutíme změnu stavu (překlopení Q1). Klopný obvod má dva vstupy R - reset (nulování) a S - set (nastavení), a dva vzájemně inverzní výstupy Q1 a Q2. Tyto výstupy jsou navzájem negované, s výjimkou stavu kdy je na obou vstupech úroveň L. V tom případě jsou výstupy v náhodném stavu, a proto se nedoporučuje tato kombinace vstupních úrovní používat. Při konstrukci obvodů lze využít kromě hradel NOR i hradla NAND. Bez invertujících hradel nelze BKO ani MKO sestavit
Astabilní klopné obvody se liší od bistabilního především tím, že vytváří opakované pravoúhlé impulsy, bez potřeby řídit z vnějšku úroveň vstupu. Vtupy tedy nejsou vyvedeny. Tyto obvody se řadí mezi generátory. Astabilní klopné obvody jsou buď symetrické (vytvářejí výstupní průběh se stejnou dobou periody L a H) nebo nesymetrické s navzájem odlišnými periodami L a H. Kmitočet obvodu je buď řízen RC obvodem (kdy je kmitočet velmi závislý na teplotě a napájecím napětí) nebo krystalem (velmi stabilní kmitočet).
3) K čemu se v digitální technice používají monostabilní klopné obvody?
- pro vytváření vzájemně časově posunutých jehlových pulzů které řídí zápis do registrů a pamětí. Dalším příkladem může být separace rozdílně dlouhých pulzů ze signálu (například v TV přijímačích při separaci synchronizačních pulzů).
ZÁVĚR:
Změřili jsme zadanou úlohu pro body 1 a 2. V úkolu 1 jsme sestavili generátor pro zadanou frekvenci f = 10kHz. Zvolili jsme součástky C1 = C2 = C = 33nF a R1 = R2 = 1500k. Vyšla nám frekvence 9182Hz. Zobrazené průběhy se podobají teoretickému předpokladu. V úkolu 2 jsme podle návrhových vztahů spočetli hodnoty odporů a poté obvod realizovali. Průběhy jsou identické s teoretickými předpoklady. Poté jsme pomocí trimru stanovili závislost frekvence na řídicím napětí. Průběh je v celém rozsahu lineární s drobnými odchylkami (podle literatury 3%).
Bod 3 se nám nepodařilo z časových důvodů změřit.


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
Jméno
Ročník
Studijní skupina
Spolupracoval
Měřeno dne
Kontroloval
Hodnocení
Dne
Číslo úlohy
Název úlohy
5.
Minimalizace logické funkce
ZADÁNÍ ÚLOHY:
Navrhněte obvod, který bude plnit vyučujícím zadanou neminimalizovanu funkci (úplný term) pomocí obvodů AND, OR a invertorů. Zaznamenejte počet použitých hradel a počet použitých pouzder integrovaných obvodů (pokud se daný typ obvodu vyrábí).
Minimalizujte zadanou funkci pomocí Karnaughovy mapy a nakreslete schéma obvodu řešícího nalezenou funkci s obvody NAND a invertorů.
Realizujte minimalizovanou funkci obvodem a ověřte jeho správnou funkci. Zaznamenejte počet použitých hradel a počet použitých pouzder integrovaných obvodů.
Navrhněte obvod s multiplexerem (integrovaný obvod 74ALS151) tak, aby splňoval zadanou logickou funkci.
Zrealizujte zadanou funkci obvodem s multiplexeru a ověřte jeho správnou funkci. Zaznamenejte počet použitých hradel a počet použitých pouzder integrovaných obvodů.
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 rozbor:
Logickou funkci můžeme zapsat několik způsoby.
1) Pravdivostní tabulkou
obsahuje hodnoty výstupních proměnných na všechny stavy vstupních proměnných
2) Logickým výrazem
Logickým výraz lze zapsat mnoha způsoby ale nejčastější je jako součet součinových termů. Každý součinový term (minterm) je zápis každého stavu vstupních proměnných. Zápis v úplném součtovém tvaru dostaneme z tabulky tak, že funkci zapíšeme jako součet mintermů odpovídajících řádkům tabulky, pro něž tato funkce má hodnotu H.

obr.1 Schéma navržené z úplného součtového termu
3) Mapou
Nejčastěji používané mapy pro minimalizaci, takže i pro zápis logické funkce, jsou mapy Karnaughovy. Karnaughova mapa má 2N polí, kde N je počet vstupů. Každé pole zastupuje jeden řádek v pravdivostní tabulce. Do pole se zapisuje hodnota výstupu při vstupní kombinaci reprezentované polem.
obr.2 Karnaughtova mapa
4) Schématem s logickými obvody
Poslední možností je použití logického schématu pro zápis logické funkce. Schémat zapojení, které představují jednu logickou funkci může být mnoho. Záleží na typu použitých hradel, dále na tom, zda je funkce minimalizovaná nebo jestli je schéma tvořeno z úplného součtového termu
Minimalizace logické funkce
- Minimalizace logické funkce se provádí nejčastěji pomocí Karnaughovy mapy. Jako příklad budeme minimalizovat funkci zadanou v tab. 1. Zakreslíme si Karnaughovu mapu podle obr. 2. V mapě vytvoříme smyčky tak, že všechna pole v mapě, která mají hodnotu H musí být obsažena alespoň v jedné smyčce, přičemž se smyčky mohou překrývat. Smyčky musí zahrnovat co nejvíce polí a nesmí mít vnější úhly menší než 180° (nesmí být ve tvaru písmene L nebo T). Nesmíme zapomenout dělat smyčky i přes rohy a strany mapy. Když máme všechny pole s hodnotou 1 zahrnuty ve smyčkách, musíme jednotlivé smyčky popsat. Popisujeme je pomocí součinového termu. Výsledná funkce je dána součtem všech termů reprezentujících jednotlivé smyčky v mapě.
Obr.3 Karnaughova mapa s vyznačenými smyčkami

Realizace logické funkce pomocí multiplexeru
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. Protože v příkladu realizujeme funkci o čtyřech proměnných, vystačíme s multiplexerem se třemi řídicími vstupy. Jako multiplexer můžeme použít integrovaný obvod 74ALS151. Funkce multiplexeru je taková, že přenáší informaci ze zvoleného vstupu 0 až 7 na výstup Q. Výběr vstupu, ze které je informace převáděna na výstup, je prováděn přivedením binárního čísla na vstupy C, B, A. Číslo zvoleného vstupu odpovídá binárnímu číslu přivedenému na vstupy C, B, A. Pro přenos informace ze vstupu na výstup musí být na vstupu S logická úroveň L. Při logické úrovni H na vstupu S je na výstupu Q logická úroveň L.
Realizaci logické funkce provádíme tak, že tři vstupní proměnné b, c, d přivedeme na vstupy multiplexeru A, B, C. Nyní je převedena informace ze vstupu 0 na výstup multiplexeru Q pro kombinaci vstupních proměnných b=L, c=L a d=L, což odpovídá stavovému řádku s indexem 0 a 1 v pravdivostní tabulce. Na tento vstup 0 připojíme vstupní proměnnou a, protože se výstupní proměnná y mění podle vstupní proměnné a ( y = a).
Obr.4 Realizace logické funkce s použitím multiplexeru
VYPRACOVÁNÍ:
ÚKOL 1:
Zadaná logická funkce
stavový
vstupy
výstup
index
a
b
c
d
y
0
0
0
0
0
L
1
0
0
0
1
L
2
0
0
1
0
L
3
0
0
1
1
H
4
0
1
0
0
L
5
0
1
0
1
L
6
0
1
1
0
L
7
0
1
1
1
H
8
1
0
0
0
L
9
1
0
0
1
L
10
1
0
1
0
H
11
1
0
1
1
L
12
1
1
0
0
H
13
1
1
0
1
H
14
1
1
1
0
H
15
1
1
1
1
H
Odvozená funkce:
Navržené schéma:
Počet použitých hradel: 7 + 4 + 1 = 12
ÚKOL 2:
Minimalizujeme funkci pomocí Karnaughovy mapy
Funkce :
ÚKOL 3:
Realizace pomocí hradel NAND :
podle de Morganova pravidla upravíme na funkci ,
a navrhneme schéma:
Počet použitých hradel: 4 + 3 + 1 = 8
Počet použitých pouzder :3 (2x MH5400, 1x MH7410S)
ÚKOL 4:
Návrh obvodu s multiplexorem 74LS151
Počet použitých hradel: 1 (invertor)
Počet použitých pouzder: 2 (1x MH5400 – jako invertor, 1x multiplexor 74LS151)
OTÁZKY:
1) Kde byste použili de Morganova pravidla ? Uveďte příklad použití.
použili bychom jej při převodu logického součtu na součin
použili jsme jej při realizaci funkce pomocí hradel NAND
2) Jak zapojíte 8-vstupé logické hradlo NAND, jestliže využijete jenom šest vstupů?
ostatní vstupy připojíme na úroveň H
3) Jak lze ještě realizovat logickou funkci, kromě použití logických členů a multiplexerů?
- mikrokontrolery
ZÁVĚR:
Ze zadané tabulky hodnot jsme určili logickou funkci a navrhli schéma zapojení. Poté jsme pomocí Karnaughovy mapy funkci minimalizovali a pomocí de Morganova pravidla převedli na logický součin, abychom mohli použít hradla NAND, jak bylo zadáno. Stejnou funkci jsme realizovali pomocí multiplexoru 74LS151. Jako nejvýhodnější varianta realizace dané funkce se mi jeví realizace pomocí multiplexoru. Zejména díky nejmenšímu počet pouzder (pouze 2 – invertor jsme nahradili pouzdrem MH5400), použití nejméně vodičů a zabrání nejméně místa na kontaktním poli. Po finanční stránce jsou poslední dva způsoby přibližně stejně drahé (cca 13Kč za použitá pouzdra dohromady).


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 m