Protokoly různé

tav. Používá se jako generátor obdélníkového průběhu. Funkce spočívá v tom, že přechází neustále mezi svými nestabilními stavy.
K čemu se v digitální technice používají monostabilní klopné obvody?
Monostabilní klopný obvod se dá při vyvedení zpětné vazby použít jako generátor pravoúhlých kmitů. Běžně se však tento obvod využívá jako generátor jednotlivých impulsů o určité délce.
ZÁVĚR
Naměřené průběhy se shodovali tvarem s teoretickými hodnotami. Nepřesnosti mezi zadanými a naměřenými hodnotami jsou vysvětleny vždy pod konkrétním případem. Největší problém nám dělalo nalézt požadované součástky.


Předmět
Digitální obvody a mikroprocesory
Jméno
Karel Zemánek
Ročník
Studijní skupina
Spolupracoval
Vohralík
Měřeno dne
14.3.2007
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 :
Pravdivostní tabulka
Obsahuje hodnoty výstupních proměnných na všechny stavy vstupních proměnných
Logický výraz
Lze zapsat mnoha způsoby ale nejčastější je jako součet součinových termů. Každý součinový term (minterm) je zápis každého stavu vstupních proměnných.
Např. :
Mapy
Nejčastěji používané mapy pro minimalizaci i pro zápis logické funkce, jsou 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.
Např:
Minimalizace logické funkce
Minimalizace logické funkce se provádí nejčastěji pomocí Karnaughovy mapy. 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). 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.
Obr.4 Realizace logické funkce s použitím multiplexeru
VYPRACOVÁNÍ:
Zadaná čísla pro které funkce nabývá hodnoty 1 : 3, 7, 9, 14
d c b a
0
0 0 0 0
0
1
0 0 0 1
0
2
0 0 1 0
0
3
0 0 1 1
1
4
0 1 0 0
0
5
0 1 0 1
0
6
0 1 1 0
0
7
0 1 1 1
1
8
1 0 0 0
0
9
1 0 0 1
1
10
1 0 1 0
0
11
1 0 1 1
0
12
1 1 0 0
0
13
1 1 0 1
0
14
1 1 1 0
1
15
1 1 1 1
0
Odvozená neminimalizovaná funkce :
Schéma zapojení neminimalizované funkce :
Počet použitých hradel : 4 + 4 + 1 = 9
Minimalizujeme funkci pomocí Karnaughovy mapy
0
0
1
0
0
0
1
0
0
0
0
1
0
1
0
1
Zde můžeme minimalizovat pouze 2 páry jedniček.
Získáme tak minimalizovanou funkci :
Použitím de Morganova pravidla upravíme funkci na tvar :
Nyní můžeme funkci realizovat jen pomocí hradel NAND a invertorů.
Schéma zapojení s hradly NAND a inventory :
Počet použitých hradel : 4 + 4 = 8 což je jen o jedno hradlo méně, ale zato můžeme použít menší počet ouzder, neboť v obvodu se nachází jen hradla NAND a invertory.
d c b a
vstupy
0
0 0 0 0
0
0
0
1
0 0 0 1
0
2
0 0 1 0
0
1
3
0 0 1 1
1
4
0 1 0 0
0
0
2
5
0 1 0 1
0
6
0 1 1 0
0
3
7
0 1 1 1
1
8
1 0 0 0
0
4
9
1 0 0 1
1
10
1 0 1 0
0
0
5
11
1 0 1 1
0
12
1 1 0 0
0
0
6
13
1 1 0 1
0
14
1 1 1 0
1
7
15
1 1 1 1
0
Tabulka pro pro řešení funkce pomocí multiplexeru :
Nuly ve 4. sloupci jsou proto, že dané kombinace neovlivňují funkci obvodu a proto je napevno připojím k logické nule (tedy je připojím na zem).Schéma zapojení s multiplexerem :
OTÁZKY:
Kde byste použili de Morganova pravidla ? Uveďte příklad použití.
Použili bychom jej při převodu logického součtu na součin.
Jako příklad můžu uvést postup na straně 4 .
Jak zapojíte 8-vstupé logické hradlo NAND, jestliže využijete jenom šest vstupů?
Využijeme potřebných 6 vstupů a zbylé vstupy připojíme na logickou úroveň 1 .
Jak lze ještě realizovat logickou funkci, kromě použití logických členů a multiplexerů?
Ještě ji lze realizovat pomocí mikrokontrolerů.
ZÁVĚR :
Ze zadaných čísel pro které funkce nabývá hodnot log. 1 jsme sestavili pravdivostní tabulku. Z ní jsem pak stanovili neupravený logický výraz a sestavili schéma. Poté jsem výraz zapsali do Karnaughovy mapy a minimalizovali. Výraz se nám zjednodušil ( i když né zrovna o moc). Pomocí de Morganova pravidla jsme výraz dále upravili a sestavili výsledné schéma pomocí hradel NAND a invertorů. Toto schéma jsme již otestovali v návrhovém prostředí Xilinx WebPack 7.1 . Následně jsme funkci realizovali pomocí multiplexeru a opět úspěšně otestovali v návrhovém prostředí Xilinx WebPack 7.1 .


Předmět
Digitální obvody a mikroprocesory
Jméno
Karel Zemánek
Ročník
Studijní skupina
Spolupracoval
Vohralík
Měřeno dne
20.3.2007
Kontroloval
Hodnocení
Dne
Číslo úlohy
Název úlohy
6.
Vlastnosti převodníků AD a DA
Zadání
1. Na osciloskopu zjistěte jaký má daný převodník DA výstupní rozsah a změřte velikost
kvantovacího kroku.
2. Pomocí ovládacího programu na PC změřte převodní charakteristiku převodníku DA. Ze
změřené převodní charakteristiky určete velikost integrální chyby.
3. Určete velikost odstupu signálu od šumu převodníku DA
4. Pomocí ovládacího programu na PC změřte velikost neznámého napětí automaticky a
"ručně"
Kód úlohy : GKEKKBAJJLHKEKKJKDKHIJ
Teoretický úvod :
1. Převodní charakteristika
Rozsah převodníku - je definován jako rozdíl vstupní/výstupní veličiny mezi nejvyšší a nejnižší kvantovací hladinou. Nejnižší hladině bývá zpravidla přiřazeno číslo 0 a nejvyšší je potom dána rozlišením převodníku.
Chyba nastavení nuly [offset] - posunutí převodní charakteristiky o jistou neměnnou hodnotu. Tato chyba je aditivní a její velikost neovlivňuje hodnota digitálního čísla.
Chyba nastavení převodní strmosti [gain error] - je způsobena jiným než požadovaným zesílením analogové části převodníku. Důsledkem této chyby je změna sklonu převodní charakteristiky a díky tomu jistá ztráta efektivní rozlišovací schopnosti převodníku, protože není zcela využit převodní rozsah. Jde o chybu multiplikativní, tzn. její absolutní velikost je přímo závislá na hodnotě digitálního čísla.

Chyba způsobená zakřivením převodní charakteristiky [linearity] - stejně jako u chyby nastavení převodní strmosti se jedná o chybu multiplikativní, ovšem na rozdíl od ní se odchylka od ideální převodní charakteristiky mění v závislosti na digitálním čísle nelineárně a někdy i nepravidelně. Obvykle se udává jako poměrná veličina v relaci s maximálním napětím převodníku a to v procentech či miliontinách (ppm).
Nelinearita v lokálním měřítku [diferential nonlinearity] - vyhodnocuje rozdíl dvou sousedních hodnot převodní charakteristiky. V ideálním případě by se měli lišit přesně o kvantovací krok převodníku. Udává se vždy jako maximální hodnota nejčastěji v násobcích LSB.
Monotónnost [monolicity] - místo očekávaného nárůstu napětí mezi vyšší a nižší hodnotou dojde k jeho poklesu.
Hysterze - nestejný průběh převodní charakteristiky při změně tendence nastavovaných hodnot. Výstupní napětí tedy nezávisí jen na okamžité hodnotě vstupního digitálního čísla, ale také ze kterého směru bylo toto nastavení dosaženo.
2. Kvantovaní šum
Kvantovací šum - je definován jako rozdíl mezi rekonstruovaným analogovým signálem a signálem původním. Jako takový je rozprostřen v celém frekvenčním spektru a negativně tedy ovlivňuje věrnost rekonstrukce původního signálu. Na obrázku je zobrazen typický průběh kvantovacího šumu při převodu harmonického signálu.
3. Postupná aproximace
Kompenzační převodník AD s postupnou aproximací - je tvořen třemi bloky, převodníkem DA, aproximačním čítačem a komparátorem. Princip vlastního převodu analogové veličiny na digitální je založen na postupném přibližování rekontruovaného signálu k jeho původní a tedy měřené hodnotě. Počet aproximačních kroků a tedy celková doba převodu je dána výsledným rozlišením aproximačního převodníku, které může být maximálně rovno rozlišení rekonstrukčního převodníku DA. Aproximační čítač vyhodnocuje pomocí komparátoru zda-li je rekonstruovaný signál větší či menší a na základě této informace upraví výstupní hodnotu rekonstruovaného signálu.
Metoda postupného zvyšování kvantovacích úrovní - je nejjednodušší metodou postupné aproximace. Výsledné digitální číslo se inkrementuje od nuly do hodnoty x, při které je rekonstruovaná hodnota maximálně o jeden kvantovací krok větší než měřená. Tento stav je vyhodnocen změnou výstupního stavu komparátoru. Při této aproximační metodě je doba převodu přímo závislá na velikosti měřené veličiny a obecně je mnohonásobně delší než další axproximační metody. Z tohoto důvodu se pro konstrukci převodníků AD nepoužívá.
Metoda dělení intervalů - její princip spočívá v postupném dělení měřicího rozsahu a porovnáváním s měřenou hodnotou. Nejčastěji se pro dělení měřicího rozsahu používají poloviny. Po začátku převodu je nastaven nejvyšší bit tzn. rozpůlen měřicí rozsah převodníku. Pokud je takto rekonstruovaná hodnota větší než měřená, je nejvyšší bit vynulován a nastaven nižší sousední bit. Vyhodnocení se opakuje stejným způsobem až po dosažení nejnižšího bitu. Nastane-li situace, kdy je rekonstruovaná hodnota menší než měřená, je analogicky nižší bit nastaven, ovšem vyšší bit zůstává nastaven také. Metodu půlení intervalů můžeme modifikovat změnou dělících poměrů (např. na 1/3 a 2/3).
Vypracování :
FS = Umax – Umin = 5 – 0 = 5V
Kvantovací krok: Ukv = FS /(2 n-1) = 0,01
2. Převodní charakteristika
Z grafu jsme určili: a) chybu nuly Uoffset = 0,11 V
b) chybu zesílení U = 0,12 V
Chyba výstupního kódu :
Z grafu jsme odečetli hodnotu -8,75 LSB
3.Při nižším bitovém rozlišení zkreslení viditelně stoupá. Při bitrate=8 osciloskop nestíhal zobrazovat. Ale při bitrate=2 už bylo možno signál pěkně zobrazit.
4.
Při měření jsme zjistili, že je komparátor vadný. Je to patrné z následujícího obrázku kde je použita metoda půlení intervalů. Při čtvrtém kroku by měl komparátor hodnotu snížit, a ne zvyšovat.
Ruční měření se nepodařilo zrealizovat vůbec, neboť to po zadání kroku nám to zahlásilo chybu.
Závěr :
V této úloze jsme si prakticky ověřili vlastnosti A/D a D/A převodníku. Námi naměřěné průběhy charakteristik se shodovali s průběhy v teoretické přípravě. Jen při měření velikosti napětí se značně lišil. Vinu na tom má zřejmě vadný komparátor.
Odpovědi na kontrolní otázky :
1. Co udává převodní charakteristika převodníku? Jak je definován rozsah a rozlišení převodníku?
Převodní charakteristika udává statické vlastnosti převodníku. Rozsah převodníku definujeme jako rozdíl vstupní/výstupní veličiny mezi nejvyšší a nejnižší kvantovaní hladinou. Rozlišení vyjadřujeme jako počet diskrétních stupňů vstupního rozsahu.
2. Jak je definována integrální a diferenciální chyba nelinearity?
Integrální nelinearita vyjadřuje největší odchylku skutečné charakteristiky od ideální.
Diferenciální nelinearita udává jak se liší šířka jednotlivých schodů skutečné od udělaní charakteristiky.
3. Jak je definován odstup signálu od šumu?
Je definován jako rozdíl mezi rekonstruovaným analogovým signálem a signálem původním.
4. Na jakém principu jsou založeny aproximační převodníky AD?
Jsou založené na principu převodu analogové veličiny na digitální a to postupným přibližováním rekonstruovaného signálu k jeho původní hodnotě.


Předmět
Digitální obvody a mikroprocesory
Jméno
Karel Zemánek
Ročník
Studijní skupina
Spolupracoval
Vohralík
Měřeno dne
27.3.2007
Kontroloval
Hodnocení
Dne
Číslo úlohy
Název úlohy
7.
Osazení a oživení elektronické stavebnice
s digitálními obvody
Zadání
Osaďte elektronickou stavebnici podle návodu přiloženého ke stavebnici.
Ověřte funkci přístroje sestaveného ze stavebnice a zjistěte jeho hlavní parametry z hlediska jeho využití.
Sestavte jednoduchý návod na použití přístroje.
Teoretický úvod
Návrh elektronického zařízení
Při realizaci digitálních obvodů musíme dbát několika základních pravidel.
Společný vodič by měl být zapojen tak, aby měl co nejmenší odpor a zanedbatelnou indukčnost. Při návrhu plošného spoje se proto snažíme navrhnout rozvody zemnících vodičů co nejširší. Pokud se v zapojení vyskytují kromě digitálních obvodů také obvody analogové, musíme rozdělit zemnící vodič zvlášť pro analogovou část a zvlášť pro digitální část obvodu. Tyto dvě části zemnícího vodiče pak propojíme v jednom bodě, kde se vyskytuje analogový signál s nejnižší úrovní.
Pečlivý návrh vodičů pro rozvod napájecích napětí je také důležitý. Napájecí napětí přivedené na desku je důležité hned za konektorem filtrovat nejlépe tantalovým nebo elektrolytickým kapacitorem s kapacitou alespoň 10 µF. Dále je vhodné (v mnoha případech nutné) každý integrovaný obvod blokovat keramickým kapacitorem s kapacitou 10 nF až 100 nF a minimální indukčností co nejblíže u napájecích vývodů integrovaných obvodů.
Další pravidla se týkají návrhu signálových cest. Jejich délka by měla být 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.
Dalším důležitým pravidlem je prostorovému oddělení výkonových součástek vyzařujících teplo od součástek, které jsou citlivé na vyšší teplotu, nebo které generují nějakou přesnou veličinu (referenční zdroj napětí, atd.).
Osazení desky plošných spojů
Po návrhu a výrobě desky plošných spojů přichází na řadu osazení desky součástkami. 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.
Při pájení je důležité mít zahřátou páječku na teplotu mezi 290 až 300 °C. Spoje, pájené při vyšší teplotě nebo bez použití tavidla (kalafuny), nejsou spolehlivé a jsou poté často zdrojem chyb, které se obtížně lokalizují.
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. Často využívaným přístrojem při oživování je také multimetr (voltmetr, ampérmetr). Nezbytný je samozřejmě zdroj napájecího napětí s elektronickou proudovou pojistkou. Hodnotu mezního proudu této pojistky nastavíme na hodnotu nepatrně vyšší, než je předpokládaná hodnota proudového odběru zařízení. U složitějších zařízení obsahujících mikroprocesory se neobejdeme bez logického analyzátoru, generátoru slov, případně mikroprocesorového vývojového systému.
Pokud zařízení nefunguje po připojení zdroje napětí, je nutné lokalizovat chybu způsobující nefunkčnost. Nejčastějším zdrojem chyb jsou přerušené vodivé měděné cesty na desce plošných spojů nebo špatně připájené vývody součástek. Proto první kontrolu provádíme opticky (pohledem), zda je vše v pořádku. Pokud ani poté není zařízení funkční, postupujeme nejčastěji tak, že připojujeme logickou sondu postupně na všechny uzly podle schématu dokud nenalezneme chybu. Směr postupu se volí podle typu zařízení buď od vstupu k výstupu, od výstupu ke vstupu a nebo se testuje každý blok zařízení zvlášť.
Schéma zapojení
Osazovací výkres
Pracovní postup
Připravili jsme veškeré pomůcky potřebné pro osazování plošného spoje (DPS, součástky, cín, kalafuna, pájecí stanice, ...).
Zapnuli jsme pájecí stanici a nastavili teplotu hrotu na 290°C.
Osadili jsme součástky v následujícím pořadí: rezistory, kondenzátory, patice, 7seg. displej, krystal, přívodní vodiče.
Provedli jsme optickou kontrolu osazeného spoje a nedostatky jsme opravili.
Za pomocí programátoru (hardware) a speciálního software jsme naprogramovali obvod ATMEL AT89C2051.
Po zasunutí integrovaného obvodu do patice jsme připojili zařízení k napájecímu zdroji o velikosti napětí 5V, obvod jsme oživili.
Návod k použití přístroje
Elektronická hrací kostka
Elektronická kostka je zařízení, které na základě stisku tlačítka vygeneruje náhodné číslo v intervalu od 1 do 6. Po připojení k napájecímu napětí se již začnou na displeji v rychlém sledu objevovat číslice od 1 do 6. Po stisku tlačítka se čítání zastaví a na displeji se zobrazí zrovna vygenerované číslo. Dalším stisknutím tlačítka se celý proces opakuje.
Nyní ještě několik připomínek k provozu zařízení. Jedná se o zařízení obsahující programově řízený procesor z řady ATMEL 89x51. Tento procesor vyžaduje ke své funkci napájecí napětí o velikosti 5V (max. 6V). Jakékoliv překročení tohoto napětí může vést k poškození obvodu!! Zcela nepřípustné je obrácení polarity napájecího napětí, které vede k okamžité likvidaci obvodu!!
Seznam použitých přístrojů
Pájecí stanice
Napájecí regulovatelný zdroj
DPS + osazované součástky
Kontrolní otázky a odpovědi
1. K čemu slouží obvod MAX 232?
Obvod MAX 232 slouží jako převodník logických úrovní logiky TTL na úrovně pro sériové rozhranní typu RS232.
2. Jaký je rozsah napájecích napětí pro mikrokontrolér AT89C2051?
Podle katalogového listu obvodu je možné obvod napájet napětím v rozmezí od 2,6V do 6V.
3. Popište funkci obvodu připojeného k vývody RST-VPP.
Obvod připojen na tyto vývody slouží jako reset mikrokontroléru: pokud má signál na vývodu RST úroveň log 1 jsou všechny porty tohoto IO nastaveny na hodnotu log 1, ponecháme-li tento vstup na úrovni log 1 po dobu alespoň dvou strojových cyklů, dojde k resetování celého obvodu. Po přechodu tohoto resetovacího signálu z úrovně H zpět do L, začne mikrokontrolér zpracovávat instrukce v takovém pořadí, jako kdyby bylo právě připojeno napájecí napětí.
Závěr
V této laboratorní úloze jsme si vyzkoušeli postup při osazování desky plošných spojů součástkami. Zároveň jsme měli možnost si na jednoduchém zapojení ověřit funkci jednoduchého zapojení s jednočipovým mikrokontrolérem ATMEL AT89C2051. Výsledkem byla jednoduchá elektronická hrací kostka.


Předmět
Digitální obvody a mikroprocesory
Jméno
Jan Černocký
Ročník
2
Studijní skupina
51
Spolupracoval
Crhonek David
Měřeno dne
31.3.2004
Kontroloval
Hodnocení
Dne
Číslo úlohy
Název úlohy
1.
Měření logickým analyzátorem
ZADÁNÍ ÚLOHY:
Zobrazte všechny průběhy zapojení logického kombinačního obvodu podle prvního obrázku.
Zobrazte vstupní a výstupní průběhy čítače a zakreslete je zvlášť pro čítání vpřed a čít