skriptum

ak je například otázka zpoždění signálu ve spínacím řetězci a
trvání přepínacích procesů (strmosti hran), pro něž sice existují určité teoreticky odvozené
vztahy, ty však představují buď jen dosti hrubý odhad, nebo jsou značně složité a pro číselné
vyhodnocení vyžadují znalost parametrů tranzistorů, které nejsou běžně známy. Jejich
význam je především v tom, že pomáhají najít vhodnou korekci obvodu, pokud pro zvolené
zapojení potřebujeme změnit (zlepšit) jeho vlastnosti. Důležitost zpoždění signálu je zřejmá,
strmost hran pak je důležitým činitelem pro určení ztrát ve spínacích prvcích a dalších
podkladů pro dimenzování spínačů a jejich chlazení. Při návrhu se zpravidla vychází z obec-
16 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
ných pravidel, která platí pro odhad těchto parametrů, a po provedení návrhu se přijatelnost
výsledku, zde zejména velikost zpoždění a doby hran, ověří měřením na realizovaném vzorku
nebo simulací.
V našem případě zvolíme jednoduché zapojení podle Obr. 3.1. Použijeme tyto typy
tranzistorů: T
1
– BC548, T2 – TIP117 (dvojice tranzistorů v Darlingtonově zapojení), T3 –
BD249B. Návrh hodnot odporů R
1
, R
C1
a R
C2
vychází ze zadané hodnoty proudu v zátěži,
z parametrů budicího obvodu a z vlastností tranzistorů (zesilovací činitel) a je podrobněji
uveden v literatuře [ 1 ]. Tyto hodnoty po zaokrouhlení budou: R
1
= 3,9 kΩ, R
C1
= 390 Ω a
R
C2
= 2,2 Ω. Hodnoty odporů R
BE2
a R
BE3
zvolíme tak, aby příliš nezvyšovaly požadavky na
proud dodávaný do uzlu báze při sepnutém spínači, ale současně aby zajistily dostatečné
odsávání proudu z tohoto uzlu při rozepínání spínače, tj. aby byly co nejmenší a proud jimi
tekoucí byl srovnatelný s proudem báze příslušného tranzistoru v sepnutém stavu. Druhý
z těchto požadavků vychází z poznatků o době hrany a o zpoždění při rozepínání tranzistoru.
Z toho vyplývají hodnoty R
BE2
= 470 Ω a R
BE3
= 3,9 Ω.
Funkci obvodu ověříme simulací. Jejím dalším cílem je dále ověřit, zda byly vhodně
zvoleny parametry součástek, které se při návrhu odhadují spíš podle citu konstruktéra než
například výpočtem na základě údajů získaných z katalogu (protože potřebné údaje nejsou
uváděny nebo by příslušné výpočty byly příliš složité) – odpory R
BE2
a R
BE3
, a zjistit
zpoždění, se kterým spínač reaguje na změnu řídicí veličiny.
R
1
T
2
u
CE
R
z
0 V
U
CC
R
BE2
R
C1
R
C2
R
BE3
T
1
T
3
U
BB
1
74HC05

Obr. 3.1. Zapojení spínače
V databázi omezené verze programu PSpice nejsou vždy modely všech potřebných
tranzistorů. Pokud v ní není tranzistor BD249B, můžete použít např. model tranzistoru
TIP3055, který má parametry blízké parametrům navrženého tranzistoru.
3.3 Zadání
a) Ověřte časové průběhy napětí a proudů ve spínači a srovnejte je s očekávanými průběhy!
b) Zjistěte zpoždění při sepnutí a rozepnutí spínače. Ověřte účinek zapojení antisaturační
diody zapojené k tranzistoru T
2
!
c) Zobrazte časový průběh výkonové ztráty v tranzistoru T
3
a zjistěte její střední hodnotu!
d) Zkontrolujte simulací, zda byla vhodně zvolena hodnota odporu rezistoru zapojeného mezi
bázi a emitor tranzistoru T
3
.
Impulzová a číslicová technika – počítačové cvičení 17
3.4 Pokyny k zadání
K bodu a) Zdroj napájení 5 V pro 74HC05 je obsažen v modelu této součástky, není třeba
jej zvlášť přidávat. Zobrazte časový průběh řídicího signálu na vstupu obvodu 74HC05 a
průběhy napětí na kolektorech a na bázích všech tranzistorů. Pro průběhy napětí na
kolektorech použijte v postprocesoru jeden graf, pro průběhy napětí na bázích vytvořte další
graf volbou Plot/Add Plot to Window. V grafech vytvořte dvě osy tak, aby průběhy napětí
kolektorů u tranzistorů s různým napětím zdroje měly vhodné měřítko, a totéž pro napětí bází
tranzistorů NPN a PNP. Napětí příslušná témuž tranzistoru zobrazte stejnou barvou (ke změně
barvy stopy ji vyberte levým tlačítkem myši, pravým pak otevřete okno, v němž vyberete
položku Properties... a zde vyberete barvu a případně další atributy stopy). Posuďte shodu
zobrazených průběhů s tím, co je o nich uvedeno v přednáškách a ve skriptech [ 2 ], případně
v jiných pramenech.
K bodu b) Antisaturační diodu zapojte způsobem popsaným např. ve skriptech [ 2 ].
Simulací zjistěte, jaký má tato dioda vliv na zpoždění. Vhodný typ diody je např. BAS70 –
vysvětlete, co je podstatné při této volbě.
K bodu c) Výkonová ztráta v tranzistoru je dána ztrátovým výkonem obvodu kolektoru
a obvodu báze. Dominantní bývá první z nich, ale ani druhá nebývá zanedbatelná. Celkový
ztrátový výkon je možno zobrazit pomocí funkce W(*), kde * je symbol prvku, o jehož
výkonovou ztrátu jde. Tato funkce je pro prvky ze schématu uvedena v levé části okna Add
Traces. Zobrazte také časový integrál této funkce, tj. energii rozptýlenou v tranzistoru (funkce
S(*) v pravé části okna Add Traces) a střední hodnotu ztráty (funkce AVGX(*,T), kde T je
perioda signálu). Srovnejte střední hodnotu získanou z uvedeného integrálu s hodnotou
odečtenou z grafu této střední hodnoty.
K bodu d) Zobrazte průběh napětí na kolektoru tranzistoru T
3
při krokování odporu
R
BE3
. Pro krokování uveďte hodnotu tohoto odporu ve schématu symbolem – identifikátorem
zapsaným ve složených závorkách (například {RBE3}) a do schématu vložte pseudo-
součástku PARAM. Rozsah krokování nastavte 2 až 20 Ω s krokem 2 Ω.
Požadované výsledky: Časové průběhy signálů uvedených v pokynech k bodu a).
Zaznamenané hodnoty zpoždění při sepnutí a rozepnutí spínače bez antisaturační diody a s ní.
Časový průběh výkonové ztráty v tranzistoru T
3
, jejího časového integrálu a střední hodnoty
výkonové ztráty, číselná velikost této střední hodnoty. Zobrazení výsledků krokování odporu
R
BE3
.
3.5 Shrnutí
V této úloze se ověřuje funkce tranzistorového spínače, sleduje se vliv hodnot součástek
a použití antisaturační diody na zpoždění. Výsledkem jsou časové průběhy signálů, hodnoty
zpoždění a časový průběh výkonové ztráty ve spínacím tranzistoru a jeho střední hodnota.
3.6 Kontrolní otázky
Kontrolní otázka 3a) Které nejdůležitější zásady je třeba dodržovat, má-li být
tranzistorový spínač rychlý?
Kontrolní otázka 3b) Proč se ve funkci antisaturační diody používají Schottkyho diody?
18 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
4 Návrh komparátoru
Cíle úlohy:
Základním cílem úlohy je probrat funkci komparátorů, jejich nejdůležitější vlastnosti a
charakteristiky, postup při jejich návrhu a při ověření jeho správnosti s použitím
simulačního programu.
Dílčí cíle cvičení:
a) seznámit studenty se základními vlastnostmi a parametry komparačních zesilovačů;
b) uvést příklad zapojení komparátoru a návrh parametrů jeho součástek;
c) funkci navrženého komparátoru ověřit simulací.
Test předchozích znalostí
Otázka 4.1: Načrtněte převodní charakteristiku komparátoru zapojeného podle Obr. 4.2.
Otázka 4.2: Čím jsou určeny rozhodovací úrovně v této charakteristice?
Otázka 4.3: Co znamená výrok, že vstup procesoru má parametry CMOS?
4.1 Formulace problému
Navrhněte obvod (komparátor) pro úpravu signálu z indukčního snímače polohy
klikového hřídele spalovacího motoru (Obr. 4.1), dovolující jeho připojení k přerušovacímu
vstupu procesoru (aktivní sestupná hrana, parametry CMOS, napájení V
CC
= 5 V). Indukční
snímač dává 2 impulsy na otáčku, vrcholová hodnota napětí je 1,4 V při nejnižších otáčkách
(200 ot/min), nejvyšší otáčky budou 2000 ot/min, odpor snímací cívky je 760 Ω. U použitého
zapojení nesmí vznikat chyba určení polohy při proměnných otáčkách a musí se vyloučit
vícenásobné přerušení, které by mohlo být způsobeno superponovaným rušivým napětím.

Obr. 4.1. Principiální náčrt uspořádání snímače
4.2 Teoretické poznatky
Komparátory porovnávají vstupní napětí s referenčním napětím a na výstupu dávají
dvouhodnotový signál představující výsledek tohoto porovnání. Podstatou jejich funkce je
velké (teoreticky nekonečné) zesílení vstupního rozdílového signálu, takže zesilovač, který je
základem komparátoru, pracuje převážně v oblasti nasycení. Je-li však vstupní rozdílové
napětí malé, tj. prochází-li vstupní napětí oblastí, kde se mění výstupní napětí komparátoru,
mohou u reálných zesilovačů vzniknout vlivem parazitních parametrů nežádoucí oscilace.
K jejich potlačení se používá nejčastěji kladná zpětná vazba, která způsobuje vznik hystereze
Impulzová a číslicová technika – počítačové cvičení 19
komparátoru. Hystereze mimo potlačení oscilací pomáhá také odstranit nebo zmírnit problé-
my související se šumem ve vstupním obvodu komparátoru.
K zesílení vstupního signálu se v komparátorech obvykle používají integrované tzv.
komparační zesilovače. Pro jejich praktické použití je důležitý pracovní rozsah vstupních
napětí (anglicky zvaný common mode input voltage range), v němž jsou schopny vykonávat
svou funkci, a mezní hodnoty vstupních napětí, při jejichž překročení může dojít k poškození
zesilovače. Často je požadováno, aby pracovní rozsah vstupních napětí zahrnoval nulové
napětí. U některých typů komparačních zesilovačů je pak nutno použít bipolární napájecí
zdroj (s kladnou i zápornou větví), jiné, obvykle novější, vystačí jen s jedním (kladným)
napájením. Pracovní rozsah vstupních napětí je udáván v katalogových listech zesilovačů.
Principiální zapojení komparátoru vhodného pro náš případ je nakresleno na Obr. 4.2.
Kladná zpětná vazba je v něm zavedena rezistorem R
4
. Podrobnější popis funkce komparátoru
je uveden například v literatuře [ 2 ], [ 3 ].

Obr. 4.2. Principiální zapojení komparátoru
Aby byla minimalizována chyba určení polohy způsobená změnou otáček hřídele, je
nutno, aby změna velikosti indukovaného napětí, které je otáčkám přímo úměrné,
neovlivňovala okamžik sepnutí komparátoru. To je teoreticky splněno nejlépe tehdy, bude-li
komparátor přepínat při průchodu indukovaného napětí nulou v místě, kde toto napětí
přechází z kladné půlvlny do záporné (viz Obr. 4.2). Přesné splnění této podmínky by
vyžadovalo použít napájecí napětí komparátoru obou polarit. Připustíme-li malou chybu,
můžeme vystačit jen s kladným napájecím napětím, přičemž musíme požadovat, aby k pře-
pnutí komparátoru došlo při co nejnižší hodnotě vstupního napětí. Aby komparátor
nereagoval na šumové signály, musí jeho hystereze být tak velká, aby šumové špičky
nepřesáhly její velikost. Pro získání správného průběhu přerušovacího signálu (aktivní
sestupná hrana) zařadíme za komparátor ještě invertor (v dalším jej však nebudeme uvažovat).
4.3 Zadání
a) Na základě požadavků uvedených v odst. 4.1 stanovte potřebný tvar převodní
charakteristiky komparátoru. Porovnejte vlastnosti běžných komparačních zesilovačů
LM311 a LM339 a vyberte z nich vhodný typ. Doplňte zapojení ochrannými prvky tak,
aby záporné vstupní napětí ani možné zvýšení vstupního napětí při vysokých otáčkách
20 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
nemohlo komparační zesilovač ohrozit. Průběh vstupního napětí komparačního zesilovače
(uzel in v Obr. 4.2) zkontrolujte simulací pro otáčky n = 2000 ot/min.
b) Navrhněte hodnoty odporů v komparátoru tak, aby měl dostatečnou hysterezi potřebnou
pro potlačení vstupního šumového napětí, a přitom aby byla minimalizována chyba v urče-
ní polohy hřídele způsobená změnou jeho otáček (viz pokyny k bodu a). Zkontrolujte
správnost návrhu zobrazením převodní charakteristiky komparátoru.
c) Ověřte vliv rušivých napětí na neurčitost okamžiku přerušení pro n = 2000 ot/min.
4.4 Pokyny k zadání
K bodu a) Předpokládejte, že na základě podrobnějšího měření bylo zjištěno, že stačí,
aby rozhodovací úroveň pro sepnutí komparátoru byla vyšší než 1 V a rozhodovací úroveň
pro jeho rozepnutí byla nižší než 0,5 V. Načrtněte nyní odpovídající převodní charakteristiku
a zvolte vhodný typ komparačního zesilovače. Doplňte do zapojení komparátoru ochranné
prvky požadované v zadání a v programu PSpice vytvořte jeho schéma. Pro průběh napětí na
vstupu komparačního zesilovače nejsou podstatné hodnoty odporů R
1
až R
4
(Obr. 4.2), takže
je pro ověření účinnosti ochranných prvků ponechte s výchozími hodnotami.
Na vstup komparátoru připojte zdroj VPWL_FILE se souborem „snimac.vz“, který
představuje model vstupního signálu. Parametry zdroje TSF, VSF (Time, resp. Voltage Scale
Factor), REPEAT_VALUE nastavte takto:
TSF = {60/n}
VSF = {n*1.4/200}
REPAT_VALUE = 1000
Definujte dále pomocí pseudosoučástky PARAM globální proměnnou n, která bude udávat
otáčky motoru. Zobrazte napětí na zdroji a na vstupu komparátoru pro 2000 ot/min a
zkontrolujte, zda ochranné prvky plní řádně svou funkci.
K bodu b) Navrhněte hodnoty odporů R
1
až R
4
podle požadavků zadání, dbejte přitom,
aby nebyla narušena funkce komparátoru při nejnižších otáčkách. Pro řádový odhad velikosti
odporů můžeme vyjít z hodnoty vstupních proudů komparačního zesilovače a z požadavku na
velikost odporu R
3
. Pokud jsou vstupní proudy použitého komparačního zesilovače řádu
zlomků µA, mohou mít hodnoty odporů rezistorů zapojených k neinvertujícímu vstupu
velikost řádově desítky kΩ, aniž by to ovlivnilo rozhodovací úrovně. Hodnotu odporu R
3

zvolíme zhruba o řád menší, takže na výstupu komparátoru můžeme očekávat úrovně napětí
v obou jeho stavech velmi blízké nule nebo napájecímu napětí (s odchylkou pod 10%) bez
ohledu na přesné hodnoty odporů, takže bude splněn požadavek zadání na výstupní úrovně
CMOS. Velikost odporu R
3
bude také určovat zpoždění odpovídající hrany. Je-li doba
půlotáčky hřídele v nejvyšších otáčkách 15 ms a připustíme-li chybu způsobenou zpožděním
hrany například 5 µs, může časová konstanta této hraně odpovídající mít srovnatelnou
velikost. Zkontrolujte, jaká hodnota odporu R
3
bude této časové konstantě odpovídat, bude-li
parazitní kapacita výstupního uzlu komparátoru mít hodnotu 100 pF (v tomto odhadu je
značná rezerva, skutečná kapacita bude patrně menší). Zvolte nyní číselnou hodnotu odporu
R
3
odpovídající uvedeným požadavkům a hodnoty zbývajících odporů. Zobrazte převodní
charakteristiku komparátoru a v případě potřeby hodnoty odporů upravte. Pro zobrazení
převodní charakteristiky použijte na vstupu zdroj VPULSE s takovými hranami, abyste mohli
odečíst hodnoty rozhodovacích úrovní. Vhodný průběh je s dobou hran 1 ms, dobou impulsu
1 ms a s periodou 4 ms, hodnoty napětí 0 – 3 V.
Impulzová a číslicová technika – počítačové cvičení 21
K bodu c) V souboru „sum.vz“ je náhodný šumový signál s rovnoměrným rozložením
v intervalu . Připojte na vstup komparátoru zdroj VPVL_FILE s průběhem napětí
ze snímače v sérii s dalším zdrojem VPVL_FILE s šumovým signálem. Parametry DC, AC a
TSF ponechte prázdné, parametrem VSF můžete měnit velikost šumu a zjistit tak, pro jakou
úroveň šumového napětí dojde k narušení funkce komparátoru. Vhodné hodnoty parametru
VSF jsou 1a ž 2.
Zobrazte nejprve průběh napětí na snímači a odpovídající průběh výstupního napětí
komparátoru pro zadané otáčky. Změnou hodnoty parametru VSF u zdroje šumového signálu
najděte jeho nejvyšší hodnotu, kdy ještě komparátor pracuje správně (nedochází k falešnému
spínání komparátoru). Zobrazte dostatečný počet period (např. 20), aby se pokud možno
vyloučily nahodilé jevy.
Nyní v okně Probe přidejte další graf (Plot => Add Plot to Window). U obou grafů
vytvořte odlišnou vodorovnou souřadnici (Plot => Unsynchronize X Axis). Jako vodorovnou
osu u nového grafu použijte průběh pomocného signálu tim, do okna proměnné pro
vodorovnou osu napište V(tim)*1s. U jeho zdroje (VPULSE) nastavte V1 = 0, V2 = 1V,
TR = {30/n}, TF = 1ns, PW = 0, PER = {30/n}, na svislou osu zobrazte výstupní napětí
komparátoru. Tím se při simulaci přes sebe přeloží jednotlivé periody a dostaneme tak
vzájemné porovnání průběhů výstupního napětí v nich. Dobu simulace nastavte tak, aby
nepředstavovala celistvý počet period, jinak se vykreslí i zpětný běh. Povšimněte si, jak se
šum projevuje na časové nepřesnosti obou hran výstupního napětí komparátoru.

Obr. 4.3. Ověření vlivu rušivých napětí na neurčitost okamžiku přerušení
22 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
4.5 Shrnutí
V této úloze je ilustrován návrh komparátoru a jeho činnost je ověřena simulací. Tou je
také zkoumán vliv šumového napětí superponovaného na vstupní signál na neurčitost
okamžiku přepínání komparátoru.
4.6 Kontrolní otázky
Kontrolní otázka 4a) Čím je určen vstupní odpor komparačního zesilovače? Kdy jej
v zapojení z Obr. 4.2 musíme zahrnout do výpočtů? Jak se jeho hodnota udává v katalogu?
Kontrolní otázka 4b) Jak ovlivňuje vlastnosti komparátoru hystereze a čím je její
hodnota určena?
Kontrolní otázka 4c) U kterého z komparačních zesilovačů uvedených v bodu a) zadání
zahrnuje pracovní rozsah vstupních napětí nulové napětí? Jak můžeme tento rozsah zjistit?
Impulzová a číslicová technika – počítačové cvičení 23
5 Ošetření signálu získaného z mechanického kontaktu
Cíle úlohy:
Cílem úlohy je procvičit práci se sestavením schématu v programu PSpice, s ověřením
vlastností modelů součástek v jeho databázi (zobrazení převodní charakteristiky) a se
zobrazením a vyhodnocením výsledků simulace (časové průběhy signálů). Studenti se dále
seznámí s modelováním jednoduchých náhodných průběhů signálu (signály vznikající při
odskakování kontaktů spínače) a s obvody potlačujícími projevy tohoto odskakování.
Test předchozích znalostí
Otázka 5.1: Co je to komparátor? Jak vypadá typická převodní charakteristika
komparátoru? Jaké znáte nejpoužívanější aktivní prvky pro konstrukci komparátorů?
Otázka 5.2: Jak vypadá průběh napětí na kondenzátoru C z Obr. 5.1, sepne-li se spínač
za předpokladu, že byl dříve rozepnutý tak dlouho, že se napětí na kondenzátoru ustálilo? Jak
průběh tohoto napětí vypadá, pokud byl spínač dostatečně dlouho sepnutý a rozepne se?
5.1 Formulace problému
Máme navrhnout zapojení obvodu, který umožňuje zjistit počet sepnutí mechanického
kontaktu.
5.2 Teoretické poznatky
Kontakty reálného mechanického spínače při spínání a rozpínání odskakují. Průběh
tohoto odskakování je závislý na provedení kontaktů a i pro určitý spínač se při každém
sepnutí a rozepnutí tento průběh náhodným způsobem mění. Doba odskakování bývá
nejčastěji v rozsahu od 1 ms do 10 ms. Příklad získání signálu z kontaktu je naznačen na Obr.
5.1. Pokud by signál s byl přiveden například přímo na vstup čítače sestaveného z běžných
číslicových obvodů, pak (zjednodušeně řečeno) by takový čítač napočítal jednotlivé impulsy
vytvořené během tohoto odskakování a jeho stav by se náhodně zvyšoval při každém sepnutí
a rozepnutí o několik kroků. Má-li takový čítač počítat jednotlivá sepnutí (nebo rozepnutí), je
nezbytné vytvořit korekčním obvodem z uvedeného signálu impulsy s jednoznačně definova-
nými hranami, bez náhodných zákmitů. Záměrné změny stavu kontaktů budeme dále ozna-
čovat za jejich přepínání (spínání a rozepínání), na rozdíl od jejich nežádoucího odskakování.
Účelem korekčního obvodu je tedy zajistit, aby při jednom sepnutí a rozepnutí kontaktů
byl vytvořen jeden impuls, který pak může být čítačem správně vyhodnocen. Je však nutno
rozlišit v posloupnosti impulsů vytvářených kontaktem, zda tyto impulsy představují jeho
přepínání nebo zda jde o impulsy vzniké odskakováním. Toto rozlišení se může provést na
základě doby trvání impulsů v posloupnosti: pokud impulsy a mezery jsou dostatečně dlouhé,
budou pokládány za důsledek přepínání spínače, zatímco krátké impulsy a mezery vzniklé
odskakováním je nutno z posloupnosti odstranit. Hranici mezi těmito případy je třeba určit
pro daný typ kontaktů například pokusem a je nutno respektovat ji při návrhu vhodného
zapojení korekčního obvodu a při volbě parametrů jeho součástek.
Jednoduchý kor