TECHNICKÁ UNIVERZITA V KOŠICIACH
FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A INFORMATIKY
Katedra teoretickej elektrotechniky
a elektrického merania
doc. Ing. Miroslav Mojžiš, CSc.
ČÍSLICOVÉ
MERANIE
( Návody na cvičenia )
Košice
1
2010
doc. Ing. Miroslav Mojžiš, CSc.
ČÍSLICOVÉ MERANIE ( Návody na cvičenia )
Recenzoval : prof. Ing. Dobroslav Kováč, CSc.
prof. Ing. Irena Kováčová, CSc.
Všetky práva vyhradené.
 doc. Ing. Miroslav Mojžiš, CSc.
doc. Ing. Miroslav Mojžiš, CSc.
ČÍSLICOVÉ MERANIE ( Návody na cvičenia )
Technická univerzita v Košiciach, Košice Jún 2010
1. vydanie, náklad 500ks, 67 strán
ISBN 978-80-553-0435-9
2
OBSAH
Predslov
8
1. Meranie elektrických veličín číslicovým multimetrom
9
1.1 Úvod
9
1.2 Úloha merania
9
1.3 Schéma zapojenia
9
1.4 Súpis použitých prístrojov a meraných objektov
10
1.5 Princíp merania a platné vzťahy
10
1.6 Postup pri meraní
10
1.7 Tabuľka nameraných a vypočítaných hodnôt
11
1.8 Vzor výpočtu
11
1.9 Grafické znázornenie nameraných hodnôt
11
2. Meranie parametrov pasívnej elektrickej súčiastky číslicovým mostíkom
12
2.1 Úvod
12
2.2 Úloha merania
12
2.3 Schéma zapojenia
13
2.4 Súpis použitých prístrojov a meraných objektov
13
2.5 Princíp merania a platné vzťahy
13
2.6 Postup pri meraní
15
2.7 Tabuľka nameraných a vypočítaných hodnôt
16
2.8 Vzor výpočtu
16
3. Meranie statických charakteristík číslicových integrovaných obvodov
17
3.1 Úvod
17
3.2 Úloha merania
17
3.3 Schéma zapojenia
18
3.4 Súpis použitých prístrojov a meraných objektov
18
3.5 Princíp merania a platné vzťahy
18
3.6 Postup pri meraní
19
3
3.7 Tabuľka nameraných a vypočítaných hodnôt
20
3.8 Vzor výpočtu
20
3.9 Grafické znázornenie nameraných hodnôt
20
4. Verifikácia činnosti základných číslicových kombinačných logických obvodov
21
4.1 Úvod
21
4.2 Úloha merania
21
4.3 Schéma zapojenia
22
4.4 Súpis použitých prístrojov a meraných objektov
23
4.5 Princíp merania a platné vzťahy
24
4.6 Postup pri meraní
26
4.7 Tabuľka nameraných a vypočítaných hodnôt
27
4.8 Vzor výpočtu
27
4.9 Grafické znázornenie nameraných hodnôt
27
5. Verifikácia funkcie číslicovo-analógového prevodníka
28
5.1 Úvod
28
5.2 Úloha merania
28
5.3 Schéma zapojenia
28
5.4 Súpis použitých prístrojov a meraných objektov
29
5.5 Princíp merania a platné vzťahy
29
5.6 Postup pri meraní
29
5.7 Tabuľka nameraných a vypočítaných hodnôt
30
5.8 Vzor výpočtu
30
5.9 Grafické znázornenie nameraných hodnôt
31
6. Meranie vlastností zostaveného číslicovo - analógového prevodníka typu R-2R
32
6.1 Úvod
32
6.2 Úloha merania
32
6.3 Schéma zapojenia
32
6.4 Súpis použitých prístrojov a meraných objektov
33
6.5 Princíp merania a platné vzťahy
33
4
6.6 Postup pri meraní
34
6.7 Tabuľka nameraných a vypočítaných hodnôt
34
6.8 Vzor výpočtu
34
7. Verifikácia funkcie analógovo – číslicového prevodníka
35
7.1 Úvod
35
7.2 Úloha merania
35
7.3 Schéma zapojenia
36
7.4 Súpis použitých prístrojov a meraných objektov
36
7.5 Princíp merania a platné vzťahy
36
7.6 Postup pri meraní
37
7.7 Tabuľka nameraných a vypočítaných hodnôt
38
7.8 Vzor výpočtu
38
8. Verifikácia funkcie prevodníkov kódu
40
8.1 Úvod
40
8.2 Úloha merania
40
8.3 Schéma zapojenia
40
8.4 Súpis použitých prístrojov a meraných objektov
41
8.5 Princíp merania a platné vzťahy
41
8.6 Postup pri meraní
43
8.7 Tabuľka nameraných a vypočítaných hodnôt
43
8.8 Vzor výpočtu
43
9. Verifikácia činnosti elektronického prepínača s číslicovým ovládaním
44
9.1 Úvod
44
9.2 Úloha merania
44
9.3 Schéma zapojenia
44
9.4 Súpis použitých prístrojov a meraných objektov
45
9.5 Princíp merania a platné vzťahy
46
9.6 Postup pri meraní
47
9.7 Tabuľka nameraných a vypočítaných hodnôt
5
48
9.8 Vzor výpočtu
49
10. Realizácia a verifikácia funkcie číslicových sekvenčných obvodov ( typ RS )
50
10.1 Úvod
50
10.2 Úloha merania
51
10.3 Schéma zapojenia
51
10.4 Súpis použitých prístrojov a meraných objektov
52
10.5 Princíp merania a platné vzťahy
52
10.6 Postup pri meraní
54
10.7 Tabuľka nameraných a vypočítaných hodnôt
55
10.8 Vzor výpočtu
55
10.9 Grafické znázornenie nameraných hodnôt
55
11. Realizácia a verifikácia funkcie číslicových sekvenčných obvodov ( typ D )
56
11.1 Úvod
56
11.2 Úloha merania
56
11.3 Schéma zapojenia
57
11.4 Súpis použitých prístrojov a meraných objektov
57
11.5 Princíp merania a platné vzťahy
58
11.6 Postup pri meraní
58
11.7 Tabuľka nameraných a vypočítaných hodnôt
59
11.8 Vzor výpočtu
59
11.9 Grafické znázornenie nameraných hodnôt
59
12. Modelovanie čítača elektrických impulzov a posuvného registra, verifikácia ich funkcie
60
12.1 Úvod
60
12.2 Úlohy merania
61
12.3 Schéma zapojenia
62
12.4 Súpis použitých prístrojov a meraných objektov
63
12.5 Princíp merania a platné vzťahy
63
6
12.6 Postup pri meraní
64
12.7 Tabuľka nameraných a vypočítaných hodnôt
64
12.8 Vzor výpočtu
64
13. Použité označenia a symboly
65
14. Literatúra
66
7
Predslov
Predkladaný vysokoškolský učebný text má elektronickú formu a obsahuje poznatky
súvisiace s praktickou výučbou v rámci predmetu „Číslicové meranie“. Tento predmet je súčasťou
študijného programu „Priemyselná elektrotechnika“ v rámci študijného odboru „Elektrotechnika“,
ktorý je určený pre bakalárske štúdium na Fakulte elektrotechniky a informatiky Technickej
univerzity v Košiciach.
Predmet má rozsah 2 hodiny prednášok a 2 hodiny cvičení týždenne. Výučba tohto predmetu
sa uskutočňuje v letnom semestri a jeho absolvovaním študenti získajú 6 kreditov.
Učebná látka je rozdelená do jedenástich hlavných kapitol čo spolu s kontrolnou písomkou
a zápočtom pokrýva náplň cvičení počas jedného semestra. Každá hlavná kapitola má osem až
deväť unifikovaných podkapitol v poradí: 1. Úvod, 2. Úloha merania, 3. Schéma zapojenia, 4. Súpis
použitých prístrojov a meraných objektov, 5. Princíp merania a platné vzťahy, 6. Postup pri meraní,
7. Tabuľka nameraných a vypočítaných hodnôt, 8. Vzor výpočtu a 9. Grafické znázornenie.
Doplňujúci učebný text určený pre prednášky z tohto predmetu zverejňujeme tiež
v elektronickej forme pod názvom: M. Mojžiš: Číslicové meranie. (Prednášky)
Ďakujem lektorom prof. Ing. Dobroslavovi Kováčovi, CSc. a prof. Ing. Irene Kováčovej, CSc.
za cenné pripomienky, ktoré mne umožnili tento učebný text skvalitniť.
Autor
8
1. MERANIE ELEKTRICKÝCH VELIČÍN ČÍSLICOVÝM MULTIMETROM
1.1.
Úvod
Meranie elektrických veličín číslicovým multimetrom uskutočníme pri zisťovaní vlastností
elektronického stabilizátora elektrického napätia. Pri meraní použijeme rôzne typy multimetrov
s bežnou aj lepšou presnosťou.
Stabilizátory napätia sú vyrábané ako monolitické analógové integrované obvody, ktoré majú
vyvedené len vstupné a výstupné kontakty. U nás vyrobené stabilizátory napätia tvoria radu
s označením MA 7800. Na posledných dvoch miestach je vyznačené nominálne výstupné napätie
vo voltoch, ktoré môže byť 5, 12, 15 a 24 V.
Nás ako užívateľov pravdepodobne nebude zaujímať vnútorné zapojenie a jeho funkcie. Budú
nás však zaujímať charakteristiky, ktorými sa stabilizátor prejavuje navonok.
1.2.
Úloha merania
a) U predloženého výkonného stabilizátora napätia odmerajte závislosť výstupného napätia od
vstupného, pri nominálnom výstupnom prúde!
b) Odmerajte závislosť výstupného napätia od výstupného prúdu pri nominálnom vstupnom
napätí!
c) Funkčné závislosti podľa bodu a, b, vyveste do grafu a určte optimálnu oblasť použitia
stabilizátora! (napr. U2 = U2n ± 0,25% U2n)
d) Z nameraných hodnôt určte maximálny zaťažovací výkon pre stabilizátor !
e) Z nameraných hodnôt vypočítajte činiteľ napäťovej a činiteľ prúdovej stabilizácie!
1.3.
Schéma zapojenia
v
B
ST
E I
R
230 V~
Zd
ČV1
U1
U2 ČV2
A
Obr. 1.1
9
1.4.
Súpis použitých prístrojov a meraných objektov
ST – ...................................................................................................................................................
Zd – ...................................................................................................................................................
ČV1 – .................................................................................................................................................
ČV2 – .................................................................................................................................................
A – .....................................................................................................................................................
R – .....................................................................................................................................................
v – .....................................................................................................................................................
1.5.
Princíp merania a platné vzťahy
Výstupné napätie je stabilizované, preto sa mení len veľmi málo. Z toho dôvodu je nutné ho
merať kvalitným číslicovým voltmetrom merajúcim približne na päť platných miest.
Činiteľ napäťovej stabilizácie (ČU) je definovaný ako rozdiel výstupných napätí
zodpovedajúci maximálnemu (U21) a minimálnemu (U22) vstupnému napätiu pri nominálnom
výstupnom prúde. Potom platí:
ČU = U21 - U22
U21 ≥12 V
Činiteľ prúdovej stabilizácie (ČI) je definovaný ako rozdiel výstupných napätí pri
minimálnom (U23) a maximálnom (U24) výstupnom prúde, ak vstupné napätie je nominálne. Teda:
ČI = U23 - U24
Všetky predpísané maximálne, nominálne a minimálne hodnoty napätia a prúdu sú udané
v katalógu výrobcu.
1.6.
Postup pri meraní
Po zapojení meracej zostavy podľa schémy zapojenia (obr.1.1) zistíme charakteristické
parametre meraného stabilizátora elektrického napätia. (Rozsah napájacieho napätia, nominálne
výstupné napätie, nominálny a maximálny výstupný prúd a nominálne vstupné napätie.)
Postupne zvyšujeme vstupné napätie od nulovej hodnoty, po maximálne povolené, pri
10
nominálnom výstupnom prúde a meriame výstupné napätie. V druhom meraní použijeme
nominálne vstupné napätie a zväčšujeme výstupný prúd na jeho maximálnu hodnotu.
1.7.
U1[V]
U2[V]
Por. č.
U2[V]
I2 [A]
Tabuľka nameraných hodnôt
1
2
3
4
I2n =
6
7
8
9
10
U1n =
U2n =
I2mx =
U1 =
1.8.
5
Vzor výpočtu
a) Činiteľ napäťovej stabilizácie
ČU = U21 - U22 =
[V]
Činiteľ prúdovej stabilizácie
ČI = U23 - U24 =
[V]
b) Pmax = I2max . U2 =
1.9.
[ W; A; V ]
Grafické znázornenie nameraných hodnôt
I2n =
U1n =
U2
U2
I2
U1
Obr.1.2
Obr.1.3
11
2. MERANIE PARAMETROV PASÍVNEJ ELEKTRICKEJ SÚČIASTKY
ČÍSLICOVÝM MOSTÍKOM
2.1. Úvod
Každá pasívna elektrická súčiastka mení elektrickú energiu na niektorú z nasledujúcich
skupín energií: tepelnú energiu (mechanickú resp. chemickú), energiu magnetického poľa alebo
energiu elektrického poľa. Prvé tri typy energie predstavujú transformáciu elektrickej energie
z elektrického obvodu do okolia, posledné dve sú v striedavom obvode vratné t.j. pri zvyšovaní
elektrického napätia, v závislosti na čase, stúpajú, pri klesaní elektrického napätia sa transformujú
späť do obvodu.
Mieru premeny elektrickej energie na inú udávajú tzv. pasívne parametre, ktoré predstavujú
veličiny: elektrický odpor, indukčnosť a elektrická kapacita. Elektrický odpor reprezentuje premenu
elektrickej energie na tepelnú (mechanickú, chemickú), indukčnosť na energiu magnetického poľa
a elektrická kapacita na energiu elektrického poľa. Elektrické súčiastky sú konštruované tak, že
jeden pasívny parameter (hlavný) výrazne prevažuje nad ostatnými dvoma, ktoré sa nazývajú
zvyškové. Podľa toho sa pasívne technické súčiastky (spotrebiče) volajú: rezistor (odporník)
(elektromotor, batéria pri nabíjaní), cievka a kondenzátor.
Aby sme mohli zvládnuť teoretické riešenie elektrického obvodu s technickými súčiastkami
nahradíme ich tzv. náhradnými modelmi, čo je vlastne zapojenie zložené z tzv. ideálnych
prvkov, (majú nulové zvyškové parametre). Takéto zapojenie spĺňa podmienku rovnakej premeny
elektrickej energie na inú ako predmetná technická súčiastka.
2.2. Úloha merania
a) Odmerajte základné parametre ( R, L, C) predložených technických súčiastok (rezistor, cievka
so vzduchovým jadrom, kondenzátor), pri konštantnej frekvencií ( 100 Hz ) pre zjednodušené
nízkofrekvenčné náhradné modely !
b) Pre predložené súčiastky stanovte pri meracej frekvencii 100 Hz zložky ich sériového
a paralelného modelu, ich fázor impedancie (jeho absolútnu hodnotu a fázu ) a ich činiteľ
kvality a činiteľ strát !
12
c) Hodnoty zložiek náhradného modelu jednej súčiastky podľa bodu b) skontrolujte výpočtom !
2.3. Schéma zapojenia
230 V~
Z
ČMO
Obr.2.1
2.4. Súpis použitých prístrojov a meraných objektov
ČMO - .................................................................................................................................................
Z - .........................................................................................................................................................
2.5. Princíp merania a platné vzťahy
Ako vyplýva z úvodu, keďže každá súčiastka má svoj odpor, indukčnosť a kapacitu
opodstatnene môžeme očakávať, že aj ich náhradné modely budú obsahovať všetky ideálne prvky.
Pri praktických riešeniach však nemá zmysel uvažovať ten typ energie a odpovedajúci parameter
a teda aj ideálny prvok, kde podiel premenenej energie na celkovej transformovanej energii je
zanedbateľne malý napr. menší ako 1 % alebo 0,1 %. To nám umožní podstatne zjednodušiť
náhradný model za cenu zanedbateľného zhoršenia presnosti riešenia.
Nakoľko veľkosť premeny elektrickej energie na inú je úmerná príslušnej zložke impedancie
a tá v dvoch prípadoch súvisí s frekvenciou elektrického prúdu, pre vyššie frekvencie náhradné
modely spravidla obsahujú tri a viac prvkov. Naopak pre nízke frekvencie (napr. sieťová) nám
postačujú dvojprvkové modely, ktoré sú:
R
a) pre rezistor
teda ideálny odpor.
13
L
RL
b) pre technickú cievku
teda sériové zapojenie indukčnosti a odporu.
C
c) pre technický kondenzátor
teda paralelné zapojenie odporu a kapacity.
RC
a platia pre nich vzťahy:
U=
I=
a)
R = R= =
b)
Z=
c)
Y = G + jωBC
(2.1)
2
U~
I~
U  U 
X L =  ~  −  = 
 I~   I= 
•
G=
I=
U=
2
L=
XL
(2.2)
ω
2
I  I 
BC = Y − G =  ~  −  = 
U~  U= 
2
2
2
C=
BC
ω
(2.3)
Predmetné modely sú vyhovujúce aj pre frekvencie blízke tej, pre ktorú boli vypočítané na
základe praktického merania.
Ak máme malé nároky na presnosť náhrady alebo kondenzátor má kvalitné dielektrikum t.j.
malý zvod, potom je dostatočný náhradný model len ideálny kondenzátor, čo je všeobecný prípad.
Ak však hodnota impedancie rezistora je väčšia ako hodnota odporu určená z nameraných
jednosmerných veličín o neprípustnú hodnotu (napríklad 5%), je potrebné brať do úvahy aj jeho
indukčnosť a pre takýto rezistor platí náhradný model ako pre technickú cievku. Môže sa to stať
hlavne u vinutých odporov.
Ak sa však uspokojíme s náhradným modelom len pre konkrétnu frekvenciu potom aj pre
vyššie frekvencie postačuje dvojzložkový náhradný model a to buď v sériovom alebo paralelnom
tvare a platí pre neho vzťah:
•
Z = RS + jXS
14
A. Sériový: RS =
GP
2
GP + BP2
XS = −
XS (ω )
RS (ω )
BP
2
GP + BP2
(2.4)
•
Y = GP + jBP
Gp
R
B. Paralelný: GP = 2 S 2
RS + X S
X
BP = − 2 S 2
RS + X S
(2.5)
Bp
2.6. Postup pri meraní
Mostík po zapnutí funguje v základnom režime, t.j. indikuje parametre v pozdĺžnych poliach
A, B. Jeho frekvencia skúšobného U je 1kHz, čo indikuje pri stlačení tlačidla „FREQ” v poli C.
Stlačením „EXIT” (vpravo dole) sa indikácia frekvencie ukončí. Zmeniť ju možno tlačidlami
(vľavo dole) od 100 Hz do 20 kHz.
Pri meraní základných parametrov pasívnej súčiastky postupujeme nasledujúco:
keďže RS = R meriame pri sériovom modeli, stlačíme „ R ”,
keďže LS = L meriame pri sériovom modeli, stlačíme „ L ”,
keďže C P = C meriame pri paralelnom modeli, stlačením „ C ”,
keďže GP = G meriame pri paralelnom modeli, stlačením „ G ”.
JE POTREBNÉ VŠÍMAŤ SI REŽIM, V KTOROM MOSTÍK MERIA ! / Paralelný alebo sériový./
Pri určovaní parametrov sériového modelu (RS, XS), respektívne paralelného modelu (GP, BP),
volíme pravým dolným tlačidlom príslušný režim a ďalším tlačidlom volíme zisťovaný parameter –
svieti indikačná LED. Pri čítaní BP, XS sa nesmie merať Z .
Po vzniknutí akéhokoľvek zmätku na zobrazovači mostíka, tento sieťovým vypínačom
vypneme. Po opätovnom zapnutí všetky funkcie prejdú do základného východiskového stavu.
15
2.7. Tabuľka nameraných a vypočítaných hodnôt
f = ..........
A)
U = ..........
;
Por.
č.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Názov vzorky
R
[Ω]
L
[mH]
G
[S]
C
[µF]
B)
Model →
Por.
Vzorka ↓
č.
1
Cievka č. 7
2
Kondenzátor č. 3
3
Cievka č. 7 + (R)26614
4
R - 26614
Sériový
RS
XS
[Ω] [Ω]
Paralelný
GP
BP
[mS] [mS]
Fázor
φ
| Z& |
[Ω] [ °]
Činiteľ
Q
D
[1]
[1]
2.8. Vzor výpočtu
GP =
RS
=
R + X S2
BP = −
RS =
[ S ,Ω ]
2
S
XS
=
R + X S2
[ S ,Ω ]
2
S
GP
=
G + BP2
XS = −
[ Ω, S ]
2
P
BP
=
G + BP2
[ Ω, S ]
2
P
Činiteľ kvality :
Stratový činiteľ :
Q= ωL/R= ωC/G=
D= 1/Q=
16
3. MERANIE STATICKÝCH CHARAKTERISTÍK ČÍSLICOVÝCH
INTEGROVANÝCH OBVODOV
3.1. Úvod
Číslicové obvody (ČIO) sú také elektrické obvody, ktoré rozlišujú na každom svojom vstupe
dve diskrétne úrovne elektrického napätia a na každom svojom výstupe odpovedajú dvoma
diskrétnymi hodnotami elektrického napätia. Týmto dvom úrovniam napätia sú priradené číslice
logická 1 a logická 0 – odtiaľ je ich názov. Takéto vyjadrenie ich elektrických napätí umožňuje ich
algebraickú analýzu a tým aj analýzu rôznych logických funkcií kybernetických zariadení. Na ich
funkcii je založená funkcia samočinných počítačov. Číslicové obvody umožnili realizáciu meracej
techniky novej generácie s mnohonásobne väčšou kvalitou (presnosť, rýchlosť, automatizácia,
kvalitnejší prenos dát, zápis atď.)
Tieto obvody je možné zostavovať z jednotlivých súčiastok alebo tvoria nerozoberateľné
kompaktné celky – Číslicové integrované obvody (ČIO). Na jednej kremíkovej doštičke je potom
umiestnený potrebný počet odporov, kondenzátorov, diód a tranzistorov na vytvorenie niektorého
logického obvodu, ktorý je napokon zapuzdrený do jedného celku, tzv. monolitického ČIO.
Charakteristiky týchto monolitických ČIO budeme merať na ďalších praktických cvičeniach.
3.2. Úloha merania
U predloženého ČIO pri nulovom a maximálnom logickom zisku odmerajte:
a) Prenosovú charakteristiku!
b) Vstupnú charakteristiku !
c) Závislosť napájacieho prúdu od vstupného napätia !
d) Namerané charakteristiky graficky znázornite a stanovte maximálny výkon odoberaný ČIO zo
zdroja elektrickej energie!
e) Z nameraných charakteristík stanovte vybrané statické parametre!
17
3.3. Schéma zapojenia
I2
A2
k
ČIO
ČIO
v
I1
Zd
V1
U1
A1
V2
V3
ZU
U3
Obr.3.1
3.4. Súpis použitých prístrojov a meraných objektov.
ČIO1, ČIO2 – .............................................................................
V1 – ............................................................................................
1
2
14
13
V2 – ............................................................................................
3
12
V3 – ............................................................................................
4
11
A1 – ............................................................................................
5
10
A2 – ............................................................................................
6
9
Zd1 – ..........................................................................................
7
8
ZU – ...........................................................................................
kp – ............................................................................................
Obr.3.2
33.2.
v – ..............................................................................................
3.5. Princíp merania a platné vzťahy
Logický zisk označuje počet vstupov nasledujúceho obvodu, ktoré sú napájané z jedného
výstupu meraného ČIO.
Prenosová charakteristika je funkčná závislosť výstupného napätia ČIO od vstupného.
Vstupná charakteristika je závislosť vstupného prúdu od vstupného napätia. Z jej priebehu
môžeme usúdiť akým veľkým výkonom zaťažuje daný číslicový obvod predchádzajúci obvod.
Závislosť napájacieho prúdu od vstupného napätia ukazuje aký príkon bude odoberať ČIO
z napájacieho zdroja.
18
Maximálny výkon odoberaný z napájacieho zdroja určíme z maximálneho napájacieho prúdu
(I2mx).
Pmx = I2mx U3
Ideálny ČIO by mal mať len dve úrovne napätia odpovedajúce dvom log. číslam 0 a 1.
Následkom výrobných tolerancií jeho komponentov jedná sa o dve pásma napätí, ktoré pre TTL
logiku sú nasledujúce:
Vstup: nízka úroveň (log. 0): 0 až 0,8 V;
vysoká úroveň(log. 1): 2 až 5,25 V
Výstup: nízka úroveň (log. 0): 0 až 0,4 V;
vysoká úroveň(log. 1): 2,4 až 5,25 V
Vybrané statické parametre ČIO typu NAND sú nasledujúce:
1.Vstupné U nízkej úrovne – UIL (input low) je také vstupné napätie, ktoré je potrebné na
získanie výstupného U0 vysokej úrovne.
2.Vstupné U vysokej úrovne – UIH (input high) je také vstupné napätie, ktoré je potrebné na
získanie výstupného U0 nízkej úrovne.
3. Výstupné U vysokej úrovne – UOH (output high) je výstupné napätie (UO), ktoré vznikne,
ak napätie na vstupe UI má nízku úroveň.
4. Výstupné U nízkej úrovne – UOL (output low) je výstupné napätie, ktoré vznikne, ak na
vstupe má UI vysokú úroveň.
Tieto parametre verifikujeme podľa udaných pásiem napätia.
3.6. Postup pri meraní
Meraciu zostavu zapojíme podľa schémy zapojenia. Zisťujeme vlastnosti predložených
číslicových integrovaných obvodov. Postupne meriame požadované charakteristiky: t.j. prenosovú
tak, že zvyšujeme vstupné napätie od 0 do 5 V a meriame výstupné napätie. Napájacie napätie má
vždy hodnotu 5 V. Pri meraní vstupnej charakteristiky sledujeme závislosť vstupného prúdu od
vstupného napätia. Napokon zvyšujeme vstupné napätie od 0 do 5 V a meriame veľkosť
napájacieho prúdu (I2)
19
3.7. Tabuľka nameraných hodnôt
Por. číslo
1
N
U1[V]
0
U0[V]
8
U0[V]
0
I2[mA]
8
I2[mA]
0
I1[mA]
8
I1[mA]
2
3
4
5
6
7
8
9
10
3.8. Vzor výpočtu
1. UIL =
2. UIH =
4. UOL =
[V]
Pmx = I2mx. U3 =
[ mW; mA; V ]
3.9. Grafické znázornenie nameraných závislostí
U0
I2
II
U0H
I2L
IIL
UI
U0L
I2H
UIL
UIH
UI
UIL
UIH
IIH
Obr.3.3
vstupná
napájací prúd
Obr.3.4
Obr.3.5
20
UI
4. VERIFIKÁCIA ČINOSTI ZÁKLADNÝCH ČISLICOVÝCH
KOMBINAČNÝCH LOGICKÝCH OBVODOV
4.1. Úvod
Logický systém je systém, ktorého veličiny nadobúdajú hodnoty len v určitých diskrétnych
časových intervaloch a majú konečný počet hodnôt. Tieto diskrétne, po sebe idúce a navzájom sa
neprekrývajúce časové intervaly nazývame taktami systému. Takty generuje osobitný
synchronizačný zdroj (zdroj hodinových impulzov). Logický obvod, ktorého výstupný stav (signál)
v danom takte je jednoznačne určený vstupným stavom (signálmi) v tom istom takte sa označuje
ako kombinačný logický obvod. (Skrátene – kombinačný obvod.). Zjednodušene povedané,
kombinačné logické obvody sú také logické obvody, ktorých výstupy sú určené len stavom
vstupných signálov. Pri ich zmene sa mení aj výstup kombinačného obvodu. Logické obvody,
ktorých výstup je závislý od kombinácie vstupných signálov, ale aj od časového synchronizačného
signálu, sa označujú ako sekvenčné logické obvody, Zmena na ich výstupe, ktorá je podmienená
kombináciou vstupných signálov sa v čase prejaví až v okamihu príchodu synchronizačného
signálu, na rozdiel od kombinačných obvodov, kde sa prejaví okamžite.
Funkčne
najjednoduchšie
sú
základné
kombinačné
obvody,
ktoré
sú
používané
v kybernetických zariadeniach, buď samostatne, alebo tvoria súčasť zložitejších kombinačných
obvodov. Funkčnosť základných kombinačných obvodov budeme overovať analytickým meraním.
4.2. Úloha merania
Meraním overte správnosť funkcie kombinačného dvojstupového logického obvodu typu :
a) NAND vo funkcii logického člena !
b) NOR vo funkcii logického člena !
c) AND vo funkcii hradla !
d) OR vo funkcii hradla !
e) Výsledky merania podľa c), d) znázornite do spoločného grafu !
f) Meraním verifikujte pravdivostnú tabuľku niekoľkovstupového logického obvodu typu NAND !
21
4.3. Schéma zapojenia meracej zostavy
ČI0 1
˚
A
R
Z5
0
&
r
r
v˚
1
B
R
ČI0 2
˚v
R
r
r
C
r
2
Obr. 4.1
1
r
v˚
D
R
3
r
v˚
N4
S4
r
˚
Obr.4.1
ČIO3
Z5
1
2
3
4
5
6
7
N10
Obr. 4.2
22
S4
˚
ČIO1
&
&
Z5
˚
˚
S4
N4
ČIO2
1
1
˚
˚
Obr. 4.3
4.4. Súpis použitých prístrojov a meraných objektov
ČIO1 .....................................................................................................................................................
ČIO2 .....................................................................................................................................................
ČIO3 .....................................................................................................................................................
Z5
.....................................................................................................................................................
N4
.....................................................................................................................................................
N10 .....................................................................................................................................................
S4
.....................................................................................................................................................
1
2
3
4
5
6
7
14
13
12
11
10
9
8
1
2
3
4
5
6
7
14
13
12
11
10
9
8
23
1
2
3
4
5
6
7
14
13
12
11
10
9
8
Obr. 4.4
4.5. Princíp merania a platné vzťahy
Jednoduchý ( dvojvstupový ) logický obvod ( člen ) typu N A N D realizuje logickú
funkciu f (x1, x2) = x1 . x2, t.j. negovaný logický súčin a jeho pravdivostná tabuľka je :
X1
X2
NAND
AND
0
0
1
0
0
1
1
0
1
0
1
0
1
1
0
1
Stručne vyjadrené: ak má byť na jeho výstupe log. úroveň 0 musí byť na všetkých vstupoch
log. úroveň 1.
Jednoduchý (dvojvstupový) logický obvod (člen) typu N O R realizuje logickú funkciu f (x1,
x2) = x1 + x2, t.j. negovaný logický súčet a jeho pravdivostná tabuľka je :
X1
X2
NOR
OR
0
0
1
0
0
1
0
1
1
0
0
1
1
1
0
1
Stručne vyjadrené: logická úroveň 1 je na výstupe len vtedy, ak na všetkých vstupoch je
logická úroveň 0.
Logické obvody je možné chápať aj ako tzv. hradlá. Hradlo alebo elektrická priepusť, t. j. je
elektronický obvod, cez ktorý nejaký elektrický signál prejde alebo neprejde. Funkcia hradla závisí
od typu použitého logického obvodu a je riadená tzv. riadiacim signálom. U hradla rozoznávame
informačný signál x, výstup y a riadiaci signál r (obr. 4.5).
24
x
r
y
r
x
y
Obr. 4.5
Použijeme logický obvod typu AND. Jeho pravdivostná tabuľka interpretovaná do časových
priebehov má tvar podľa obr. 4.5. Z naznačeného priebehu je vidieť, že informačný signál zo vstupu
sa dostáva na výstup, ak riadiaci signál má vysokú úroveň alebo log. 1. Je pritom jedno, ktorý zo
vstupov x1, x2 použijeme ako informačný a ktorý ako riadiaci.
Ak použijeme ako hradlo log člen OR dosiahneme inverznú funkciu, t.j. informačný signál sa
dostáva na výstup, ak riadiaci signál má nízku úroveň, t.j. log. 0. Znova je jedno, ktorý zo vstupov
bude riadiaci a ktorý informačný. Časový priebeh jednotlivých signálov bude v súlade
s pravdivostnou tabuľkou nasledovaný (obr. 4.6).
x
r
y
Obr. 4.6
Osemvstupový člen NAND realizuje log. funkciu Y= ABCDEFGH. Pravdivostná tabuľka
osemvstupového logického člena typu NAND je:
25
X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 Y
1
1
1
1
1
1
1
1
Všetky ostatné osmice
premenných
0
1
Teda len vtedy je na výstupe 0, ak na všetkých vstupoch je 1.
4.6. Postup pri meraní
Princíp merania spočíva v tom, že na vstupy logických obvodov privedieme postupne podľa
pravdivostnej tabuľky napätia odpovedajúce logickej úrovni 0 a 1 v TTL logike a na výstupe
budeme verifikovať hodnotu log. funkcie. Logickú úroveň 1 vstupného a výstupného napätia budú
signalizovať svietiace LED diódy.
Jednoduché členy NAND a NOR sa vyskytujú viacnásobne realizované v niektorých
obvodoch. Vyberieme si hociktorý a zapojíme podľa príslušných vývodov na puzdre ČIO. Obvody
potom zapojíme na napájací zdroj a na „napájaciu svorkovnicu“ N a „signalizačnú svorkovnicu“ S.
Napájacia svorkovnica imituje predchádzajúci ČIO s TTL logikou. Odpory R = l kΩ sú vo funkcii
záťaže.
Verifikáciu logických obvodov vo funkcii logických členov vykonáme v zapojení podľa
schémy na obr. 4.1.
Vypínače „v“ realizujú tranzistory v zopnutom a rozopnutom stave, odpory „r“ zrážajú
napájacie napätia na hodnotu dostačujúcu pre svietenie príslušnej LED diódy a zároveň zamedzujú
tomu, aby napätie výstupu následkom zaťaženia LED diódou kleslo pod úroveň log. 1. Signalizačná
svorkovnica obsahuje len diódy a predradené odpory. Tieto dve svorkovnice budeme používať aj
v ďalších meraniach, vnútorné zapojenie však v schémach kvôli prehľadnosti vynecháme, ako aj
popis ich funkcie. Podľa potreby použijeme štvorvstupovú alebo desaťvstupovú svorkovnicu.
Verifikáciu logických obvodov AND a OR vo funkcii jednoduchých hradiel vykonáme
v zapojení podľa schémy na obr. 4.3. Log. obvody OR a AND sa však bežne nevyrábajú, preto si
ich vytvoríme pomocou log. člena INVERT, ktorý realizujeme z ďalšieho člena NOR alebo NAND
príslušného ČIO, a to tak, že spojíme ich vstupy, (O správnosti takéhoto zapojenia sa môžeme
presvedčiť v príslušných pravdivostných tabuľkách alebo meraním.)
26
V predchádzajúcich štyroch meraniach postupne meníme hodnoty obidvoch vstupov tak, aby
sme získali úplnú množinu bodov príslušných logických funkcií. Logické hodnoty výstupných
napätí zapisujeme do tabuľky.
Funkciu viacstupového log. člena verifikujeme v zapojení podľa obr. 4.2.
4.7. Tabuľka nameraných a vypočítaných hodnôt
x1
0
0
1
1
x2
0
1
0
1
NAND
NOR
AND
OR
4.8. Vzor výpočtu
Výpočty
nevykonávame.
Správnosť
funkcie
sa
potvrdila
u
log.
členov:
................................................................................................................................................................
............................................................................................................................................
4.9. Grafické znázornenie nameraných závislostí
r AND
r OR
X
Y
Obr.4.7
27
5. VERIFIKÁCIA FUNKCIE ČÍSLICO-ANALÓGOVÉHO PREVODNÍKA
5.1. Úvod
Číslicovo-analógový prevodník tvorí jeden zo základných funkčných obvodov používaných
v číslicovej technike hlavne v meracej číslicovej technike. Vykonáva transformáciu číslicového
slova v binárnom kóde dvojkovej číselnej sústavy na analógovú veličinu (elektrický prúd respektíve
elektrické napätie).
5.2. Úloha merania
a)
výstupného prúdu predloženého číslicovo-analógového prevodníka
Odmerajte hodnotu
v závislosti od postupne sa meniaceho vstupného kódového slova. Postupne je na vstupoch B1
až B8 1-ka na ostatných je 0. Znázornite ho graficky !
b) Veľkosť nameraného výstupného prúdu pre štyri zvolené kódové slová vyneste do grafu !
(00100101; 01011111; 00000111; 00111001)
c)
Stanovte rozsah predloženého číslicovo-analógového prevodníka !
d) Stanovte krok kvantovania predloženého ČAP !
e)
Stanovte relatívnu chybu výstupného prúdu v % pre tri zadané kódové slová !
5.3. Schéma zapojenia
B1 ČIO +UC
+UR
B2
Z15
N10
Z5
B3
-UR
B4
B5
I0
I0-
B6
ULC
B7
C
-UCC
B8
Iv
R
+
µA
-
Obr. 5.1
28
5.4. Súpis použitých prístrojov a meraných objektov
1
16
ČIO - .....................................................................................................
2
15
Z15 - .......................................................................................................
3
14
4
13
5
12
6
11
7
10
8
9
Z5 - -........................................................................................................
N10 - .......................................................................................................
R - ..........................................................................................................
µA - .......................................................................................................
Obr.5.2
5.5. Princíp merania a platné vzťahy
Číslicovo-analógový prevodník transformuje kódové slovo „Z“ vyjadrené v dvojkovej
číselnej sústave.
Z = Zn-1 . 2n-1 + Zn-2 . Zn-2 . . . + Z1 . 21 + Z0 . 20
kde koeficienty Zk môžu nadobudnúť hodnotu 0 alebo 1.
Každej parciálnej časti slova (sčítancovi) je úmerný čiastkový prúd. Výstupný prúd tvorí
potom súčet všetkých čiastkových prúdov. Parciálnym častiam obsahujúcim nulový koeficient Zk
bude potom odpovedať nulový čiastkový prúd. Pre výstupný prúd osembitového ČAP potom platí:
Iv =
Ur
( Z7 . 27 + Z6 . 26 + Z5 . 25 + Z4 . 24 + Z3 . 23 + Z2 . 22 + Z1 . 21 + Z0 . 20)
R
Prúd I 0 =
Ur
R
tvorí potom najmenší možný prírastok výstupného prúdu a volá sa krok
kvantovania.
Rozsah ČAP je daný počtom variant číslicového slova, teda počtom diskrétnych úrovní. Pri
n vstupoch je to (2n - 1). (Prvá varianta 0 sa do rozsahu nepočíta.)
5.6. Postup pri meraní
Po zapojení meracej zostavy podľa schémy zapojenia na obr. 5.1, pripojíme číslicovoanalógový prevodník na zdroj napätia Z15 a napájaciu svorkovnicu N10 na zdroj napätia Z5.
29
Pomocou svorkovnice N10 modelujeme vstupné kódové slová podľa zadania v „úlohe merania“.
Mikroampérmetrom nameraný výstupný analógový prúd zapíšeme do tabuľky a použijeme pri
výpočte podľa zadania úlohy.
5.7. Tabuľky nameraných a vypočítaných hodnôt
vstup s 1
B1
B2
B3
B4
B5
B6
B7
B8
I0 [µA]
B1
B2
B3
B4
B5
B6
B7
B8
IV
[µA]
IV´
[µA]
δI[%]
1.k.slovo
2.k.slovo
3.k.slovo
IV – nameraný výstupný prúd
IV´ – vypočítaný výstupný prúd
5.8. Vzor výpočtu
Z = Z7 . 27 + Z6 . 26 + Z5 . 25 + Z4 . 24 + Z3 . 23 + Z2 . 22 + Z1 . 21 + Z0 . 20
[1]
(pre 1. slovo 00100101)
I7 =
Ur 7
.2 ,
R
R=
Ur 7
.2 =
I7
[Ω; V; A]
Ur
.Z=
R
[µA; V; Ω]
∆Iv = Iv – Iv´ =
[µA; µA; µA]
I ´v =
30
δI =
∆I v
. 100 =
Iv´
[%; µA; µA]
5.9. Grafické znázornenie
Iv
B1
B2
B3
B4
B5
B6
B7
B8
0
1
Obr.5.3
1. k. slovo
0
0
1
0
0
1
2.
3.
31
6. MERANIE VLASTNOSTÍ ZOSTAVENÉHO
ČÍSLICOVO-ANALÓGOVÉHO PREVODNÍKA TYPU R-2R
6.1. Úvod
Číslicovo-analógový prevodník je elektronické zariadenie transformujúce číslicové (kódové),
slovo na analógovú elektrickú veličinu (elektrický prúd alebo elektrické napätie) odpovedajúcej
hodnoty. Túto jeho funkciu sme verifikovali na predchádzajúcom praktickom meraní.
Číslicovo-analógový prevodník môžeme však použiť aj ako delič elektrického prúdu. Dielčia
časť prúdu sa v tomto prípade zadáva kódovým slovom v dvojkovej číselnej sústave.
Najpoužívanejší je číslicovo-analógový prevodník, ktorého vnútorné zapojenie tvorí sieť skladajúca
sa len z odporov dvoch veľkosti a hodnote R a 2R. Takúto sieť si preto zostavíme a meraním sa
presvedčíme o jej vlastnostiach.
6.2. Úloha merania
a) Meraním sa presvedčite, že odpor uzlov odporovej siete označených písmenami A, B, C a D
podľa schémy zapojenia na obr. 6.1 je oproti uzemneniu rovnaký – R !
b) Pomocou štvorbitovej odporovej siete R-2R oddeľte časť jednosmerného prúdu odpovedajúcu
zadanému kódovému slovu v dvojkovej číselnej sústave ! (1100; 1010; 1001; 0111; 1011)
c) Nameraný prúd podľa bodu b) skontrolujte výpočtom ak odporová sieť má odpor R=1k Ω a je
pripojená na napätie 15 V !
d) Meraním sa presvedčite, že prúd Ik (komplementárny) , je skutočne doplnkový a spolu s prúdom
výstupným Iv tvorí celková prúd I prechádzajúci odporovou sieťou R-2R !
6.3. Schéma zapojenia
D I’3 R
C I’2
7
Zd
U
8
2R
6
R
B I’1 R
5
3
2R
4
A I’0 2R
1
2R
2
2R
15 V
I3
0
I
I1
I2
1
0
1
I0
Z1
Z2
Z3
0
1
Z0
0
1
A2
Iv
A0
obr. 6.1
32
A1
Ik
6.4. Súpis použitých prístrojov a meraných objektov
Zd 15V -.................................................................................................................................................
3xR -
................................................................................................................................................
5x2R -
.......................................................................................................................................
A1 -
...................................................................................................................................................
A2 -
..................................................................................................................................................
A0 -
..................................................................................................................................................
6.5. Princíp merania a platné vzťahy
Odporová sieť R-2R tvoriaca číslicovo-analógový prevodník má nasledujúce vlastnosti:
Odpory označené poradovým číslom 1. a 2. sú paralelne zapojené, ich výsledný odpor je R. S
3. odporom sú zapojené do série a tvoria odpor o hodnote 2R. Ďalej sprava doľava sa situácia
opakuje. Z uvedeného vyplýva, že každý uzol opačný A, B, C a D má odpor voči zemi R.
V každom uzle sa delia prúdy na dve polovice (I0 a I’0 ; I1 a I’1 atď.), keďže vetvy ktorými
prechádzajú majú rovnaké odpory – 2R.
Pomocou prepínačov označených písmenami Z0 až Z3 realizujeme potrebné kódové slovo. Ak
je na príslušnom mieste 4-bitového kódového slova v dvojkovej číselnej sústave 1 je prepínač
v polohe 1. Ak je na príslušnom mieste 0 je prepínač v polohe 0, výstupný prúd Iv meraný
ampérmetrom A1 je potom daný súčtom dielčích prúdov I0 až I3 a platí pre neho vzťah:
I v = I 3 + I 2 + I1 + I 0 =
U
U 1 U 1 1 U 1 1 1
U
(8 + 4 + 2 + 1)
+
⋅ +
⋅ ⋅ +
⋅ ⋅ ⋅ =
2 R 2 R 2 2 R 2 2 2 R 2 2 2 16 R
Po zavedení kódového slova do tohto vzťahu máme
Iv =
(
)
U
Z 3 2 3 + Z 2 2 2 + Z1 21 + Z 0 2 0 keďže čísla Z0 až Z3 môžu nadobúdať hodnotu 0 alebo 1
16 R
a podľa toho sú prepínače v príslušnej polohe.
Prúd Ik je tzv. komplementárny (doplnkový) k prúdu Iv a obidva prúdy spolu s prúdom I’0
tvoria konštantný celkový prúd I, ktorým je zaťažovaný zdroj stabilizovaného napätia Zd. Aj
každým odporom v sieti prechádza konštantný prúd. Odpor R má konštantnú teplotu a v konečnom
dôsledku aj konštantný odpor !
33
6.6. Postup pri meraní
Elektrický odpor medzi dvoma uzlami označenými podľa schémy na obr. 6. 1 písmenami A,
B, C a D odmeriame tak, že merací prístroj pripojíme na miesto ampérmetra A2 k príslušnému uzlu.
Najprv sú všetky prepínače Z0 až Z3 v polohe 1. Ak meriame uzol A prepínač Z0 je v polohe 0, ak
uzol B aj prepínač Z1 je v polohe 0 atď. Svorky prepínačov označené 1 sú rozpojené a označené 0
sú spojené. Ampérmetre ani Zd nie sú pri tomto meraní zapojené v obvode.
Pri plnení úlohy b) a d) meriame podľa schémy zapojenia na obr. 6. 1. Výstupy z odporovej
siete R-2R zapojíme podľa zadaného kódového 4-bitového slova. Dielčí prúd ktorý odpovedá
jednotke na príslušnom mieste zapojíme do vetvy ktorou preteká prúd Iv a meriame ho
ampérmetrom A1. Po výpočte prúdu odpovedajúceho kódového slova porovnáme ho s nameraným
a vypočítame chyby prevodu.
6.7. Tabuľka nameraných a vypočítaných hodnôt
R = ......... Ω
U = 15 V
Por.
č.
[1]
1
2
3
4
5
Kódové
slovo
[4 bity]
1100
1010
1001
0111
1011
Nameraný Vypočítaný
prúd
prúd
Iv[mA]
I’v[mA]
Chyba
prevodu
[mA]
Namerané
Ik[mA]
I[mA]
Vypočítané
I’[mA]
Namerané hodnoty odporov proti zemi:
RA = _______
RB = _______
RC = _______
RD = _______
6.8. Vzor výpočtu
Iv =
(
)
U
Z 3 2 3 + Z 2 2 2 + Z1 21 + Z 0 2 0 =
16 R
[A; V; Ω ]
∆ = I v − I v′ =
[mA; mA; mA]
I = Iv + Ik =
[mA; mA; mA]
34
7. VERIFIKÁCIA FUNKCIE ANALÓGOVO – ČÍSLICOVÉHO
PREVODNÍKA
7.1. Úvod
Analógovo – číslicový prevodník tvorí základný funkčný obvod používaný v číslicovej
meracej technike. Vykonáva transformáciu analógového vstupného napätia na číslicové slovo.
Rozoznávame u neho tieto charakteristické vlastnosti:
1.
Rozsah. Je rozdiel medzi maximálnou a minimálnou hodnotou spracovávanej analógovej
vstupnej veličiny (napätia).
2.
Krok kvantovania. Je rozdiel hodnôt vstupnej veličiny, ktorý zodpovedá 0 a 1 na poslednom
mieste (LSB – Last Significant Bit) výstupného binárneho slova. (Pojem je identický
s citlivosťou u analógových meracích prístrojov.)
3.
Rozlišovacia schopnosť. Predstavuje počet rozlíšiteľných analógových úrovní na vstupe.
Číselne sa rovná podielu rozsahu a kroku kvantovania. Pre n bitový binárny prevodník to bude
hodnota 2n a pre m miestny dekadický prevodník 10m úrovní.
4.
Chyba kvantovania. Je maximálny rozdiel medzi analógovou vstupnou veličinou a jej
nominálnou hodnotou zodpovedajúcou príslušnému kódovému slovu. Číselne sa rovná polovici
kroku kvantovania.
Ďalšie charakteristické parametre sú definované zhodne ako u číslicovo – analógového
prevodníka, t.j. rýchlosť, použitá logika, teplotná stabilita, kód a potlačenie rušivých signálov.
7.2. Úloha merania
a) Verifikujte funkciu predloženého AČP pomocou siedmych zvolených analógových napätí
v rozsahu AČP !
b) Z nameraných hodnôt stanovte krok kvantovania a relatívnu chybu kroku kvantovania !
c) Stanovte chyby prevodu !
35
7.3. Schéma zapojenia
C2
C1
v
R3
+
1
CS
UCC+
20
2
RD
CLKR
19
3
WR
B0
18
0
B1
17
1
B2
16
2
4 CLKIN
230V~
Z5
ČV
U
R1
C4
R2
C3
R4
5
INTR
6
VIN+
B3
15
3
7
VIN-
B4
14
4
8 AGND
B5
13
5
VREF 2
B6
12
6
10 DGND
B7
11
7
9
ČIO
S10
Obr. 7.1
7.4. Súpis použitých prístrojov a meraných objektov
ČO - .......................................................................................................................................................
Z5 - .........................................................................................................................................................
ČV - .......................................................................................................................................................
S10 - .......................................................................................................................................................
R1, R2 - ..................................................................................................................................................
R3 - ........................................................................................................................................................
R4 - ........................................................................................................................................................
C1 - ........................................................................................................................................................
C2 - ........................................................................................................................................................
C3, C4 - ..................................................................................................................................................
7.5. Princíp merania a platné vzťahy
Princíp merania, t.j. „verifikácia AČP“, spočíva v nasledujúcich krokoch: privedieme
36
elektrické napätie U na vstup AČP v rámci jeho rozsahu, zaznamenáme ho a zároveň aj príslušný
výstupný kód Zi. Z týchto nameraných hodnôt určíme krok kvantovania.
U i [V ]
=
Z i [kód ]
∆U i =
(7.1)
Pre výpočet priemerného kroku kvantovania ∆U použijeme aspoň tri napätia Ui a tri príslušné
kódové slová Zi.
∆U =
1
3
3
∑ ∆U
i =1
(7.2)
i
Priemernú hodnota kroku kvantovania môžeme považovať za najpravdepodobnejšiu a teda
v našom prípade správnu. Relatívnu odchýlku t.j. chybu potom určíme zo vzťahu:
δ (∆U i ) =
∆U i − ∆U
∆U
kde i = 1 až 7
(7.3)
Chybu prevodu určíme ako rozdiel medzi nameraným Ui a vypočítaným napätím U´i , teda:
′
′
∆U i = U i − U i
(7.4)
a vypočítané napätie bude
U
′
i
= Z i∆ U
(7.5)
7.6. Postup pri meraní
Po zapojení meracej zostavy podľa schémy zapojenia (obr.7.1) a po jej kontrole pripojíme
zdroj stabilizovaného napätia 5 V (Z5) vypínačom na elektrickú rozvodnú sieť. Vypínačom (v)
riadime chod analógovo – číslicového prevodníka. Ak je predmetný vypínač v rozopnutom stave
prevodník transformuje vstupné analógové napätie U na výstupné kódové slovo v dvojkovej
číselnej sústave. Vstupné napätie pomaly meníme potenciometrom (R3) a meriame číslicovým
voltmetrom (ČV). Namerané hodnoty zapíšeme do tabuľky. Ak je vypínač (v) zapnutom stave
výstupné kódové slovo sa nemení. Činnosť prevodníka budeme verifikovať len pri stúpajúcom
vstupnom napätí.
37
7.7. Tabuľka nameraných a vypočítaných hodnôt
Por.
č.
[i]
Merané
napätie
Ui
[V]
Kódové slovo
Vypočítané
napätie
B0 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7
Ui´
[1] [1] [1] [1] [1] [1] [1] [1]
[V]
Chyba
prevodu
∆Ui´
[mV]
Chyba
kroku
δ(∆Ui)
[%]
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
7.8. Vzor výpočtu
Krok kvantovania ∆Ui pri troch vybraných napätiach bude
Z3 ~ U3
Z 3 = B 2 .2 2 + B 3 .2 3 + B 5 . 2 5 + B 6 . 2 6 =
∆U
3
=
′
U 3 = ..........
U3
=
Z3
Z5 ~ U5
Z 5 = B1.21 + B 3 .2 3 + B 4 .2 4 + B 7 .2 7 =
∆U 5 =
′
U 5 = ..........
U5
=
Z5
Z7 ~ U7
Z7 = B5 .25 + B6 .26 + B7 .27 =
∆U 7 =
′
U 7 = ..........
U7
=
Z7
38
Priemerný krok kvantovania bude: ∆U
∆U =
1
(∆U 3 + ∆U 5 + ∆U 7 ) =
3
Vypočítané napätie U´i
′
U 7 = Z 7 ∆U =
Chyba prevodu
′
′
∆U 7 = U 7 − U 7 =
Relatívna chyba kroku kvantovania:
δ (∆U i ) =
∆U i − ∆U
100 % =
∆U
δ (∆U 7 ) =
Poznámka:
Maximálna absolútna chyba kroku kvantovania bude:
∆ (∆U mx ) = ∆U i − ∆U
39
mx
=
8. VERIFIKÁCIA FUNKCIE PREVODNÍKOV KÓDU
8.1. Úvod
Prevodník kódu je kombinačný ČIO, ktorý vo všeobecnosti transformuje nejaký kód X (v
číselnej forme) na iný Y (tiež v číselnej forme) a označuje sa X/Y. Ak takýto prevodník kódu
realizuje prevod číslicovej informácie vyjadrenej v desiatkovej číselnej sústave na niektorý
z binárnych kódov vola sa kóder. Často používaný je kóder pre klávesnice, alebo tzv. prioritný
kóder, ktorý prenáša na výstup len to číslo, ktoré má najvyššiu prioritu.
Prevodník kódu, ktorý transformuje niektorý binárny kód na kód „ jeden z n“ sa volá
dekóder. Kóder sa označuje skratkou CD a dekóder DC.
8.2. Úloha merania
a)
b)
Meraním overte správnosť funkcie prevodníka kódu BCD na 7 bitový kód pre segmenty
číslicovej stupnice!
Zistite funkciu vstupov LT, PH a BI !
8.3. Schéma zapojenia
Obr. 8.1.
40
8.4 Súpis použitých prístrojov a meraných objektov
ČIO1-......................................................................................................................................................
Z5
-.....................................................................................................................................................
N4
-.....................................................................................................................................................
Pr4 -.....................................................................................................................................................
S10 -.....................................................................................................................................................
Č
-.....................................................................................................................................................
1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
3
4
5
6
7
8
16
15
14
13
12
11
10
9
Obr. 8.2
16
15
14
13
12
11
10
9
Obr.8.3.
Obr. 8.4
Obr. 8.5
8.5. Princíp merania - platné vzťahy
Často používaný je kóder BCD (Binary Coded-Decimal), ktorý transformuje každú číslicu
desiatkovej do dvojkovej sústavy. Tak sa vytvorí binárne kódovaný desiatkový kód (BCD), ktorý
kóduje každú dekadickú číslicu štvorbitovým binárnym kódom. Napríklad (25)10 = (0010 0101)BCD.
41
Kóder môžeme namodelovať 4-výstupovou napájacou svorkovnicou, alebo použijeme mechanický
prepínač (10 - polohový), ktorý každú desiatkovú číslicu kóduje na 4-svorkovom výstupe.
Napríklad:
1 = (0001)BCD
2 = (0010)BCD
3 = (0011)BCD
4 = (0100)BCD
5 = (0101)BCD
atď.
Ďalším veľmi často používaným prevodníkom kódu je prevodník kódu BCD na
sedembitový kód, používaný pre zapojenie sedem-segmentových číslic stupnice číslicových
prístrojov. Jednotlivé segmenty sa označujú písmenami malej abecedy s rozmiestnením podľa obr.
8.6. Týmto označeniam odpovedá kód BCD, ktorý vyjadruje číslo v desiatkovej sústave. Jednotlivé
bity tohto kódu sú označované písmenami veľkej abecedy.
Obr. 8.6.
Napríklad:
D
0
0
C
0
1
B
1
1
A
0
0
a
1
1
b
1
0
c
0
1
42
d
1
1
e
1
1
f
0
1
g
1
1
číslo
2
6
8.6. Postup pri meraní
Po zapojení prístrojov podľa schémy zapojenia (obr.8.1) a po jej kontrole zapneme zdroj
elektrického napätia (Z5). Na vstupoch prevodníka kódu ( BCD/ 7 segm) označených skratkami LT,
BI, resp. Ph zvolíme napätia (log. 0 alebo 1) a zistíme ich funkcie Mechanickým kódovacím
prepínačom (Pr4) natavujeme čísla od 0 po 9 v dvojkovom štvorbitovom kóde (A,B,C,D). Na
číselnici (Č) a signálnej svorkovnici (S10) kontrolujeme správnosť výstupov pre 7-segmentové číslo.
Namerané hodnoty zapíšeme do tabuľky.
8.7. Tabuľka nameraných a vypočítaných hodnôt
Poloha
V s t u p y
prep. č D
C
B
A
a
V ý s t u p y
b
c
d
e
f
g
Zobr.
číslo
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
8.8. Vzor výpočtu
Hodnotu čísla v dvojkovom štvorbitovom kóde (Č2) prepočítame na číslo v desiatkovej
číselnej sústave (Č10) podľa nasledujúceho vzťahu:
Č2 = A.20 + B.21 + C.22 + D.23 = Č10:
(A,B,C a D = 0 alebo 1)
Posledné namerané číslo:
Ďalšie dve zvolené čísla:
43
9.VERIFIKÁCIA ČINNOSTI ELEKTRONICKÉHO PREPÍNAČA
S ČÍSLICOVÝM OVLÁDANÍM
9.1. Úvod
Elektronické prepínače (cudzí názov: multiplexory) sú často sa vyskytujúce až nevyhnutne
potrebné súčiastky elektronických zariadení .Základná funkcia elektronického prepínača spočíva
v prepojení dvoch miest v elektronických (kybernetických) obvodoch. Voľba prepojenia miest sa
udáva adresou, ktorá má číslicovú formu, teda ovládanie takéhoto multiplexora je číslicové. Pri
cyklickom generovaní adries, je možné realizovať prevod paralelnej informácie, na sériovú. Pri
elektrickom meraní elektronický prepínač umožňuje využiť jeden merací prístroj na meranie danej
veličiny na viacerých objektoch resp. miestach. Multiplexory môžu byť podľa druhu prenášaného
signálu číslicové alebo analógové spravidla sú 8 alebo 16 vstupové.
9.2. Úloha merania
a) Meraním verifikuje funkciu číslicového multiplexora!
b) Meraním verifikuje funkciu analógového multiplexora!
9.3. Schéma zapojenia
Obr.
Obr. 9.1
9.1
44
Obr. 9.2
9.2
Obr.
9.4. Súpis použitých prístrojov a meraných objektov
ČIO1..........................................................................................................................................................................................................
ČIO2..........................................................................................................................................................................................................
Z5................................................................................................................................................................................................................
N10.............................................................................................................................................................................................................
A.................................................................................................................................................................................................................
Pr4..............................................................................................................................................................................................................
S4................................................................................................................................................................................................................
Z15..............................................................................................................................................................................................................
9 x R..........................................................................................................................................................................................................
B..................................................................................................................................................................................................................
V..................................................................................................................................................................................................................
v...................................................................................................................................................................................................................
45
Číslicový multiplexor
Analógový multiplexor
Obr. 9.3
9.5. Princíp merania a platné vzťahy
Multiplexor je kombinačný obvod s 2n informačnými vstupmi, n adresovými
vstupmi
a dvojicou komplmentárnych výstupov. Multiplexor realizuje funkciu elektronického prepínača
jednotlivých vstupov na výstup. Výber príslušného vstupu sa volí adresou, ktorá predstavuje
poradie vstupu v dvojkovej číselnej sústave. Okamih prenesenia
binárny kód, vyjadrujúci
informácie zo vstupu na výstup sa môže riadiť synchronizačnými impulzmi privedenými na
príslušný vstup. Schematická značka multiplexora je na obr. 9.4
Jednotlivé informačné vstupy sú označené poradovým číslom, adresové vstupy veľkými
písmenami abecedy a synchronizačný vstup písmenom S resp. EN. Okrem číslicových
multiplexorov existujú aj analógové multiplexory (napríklad MAC 08, MAC 24, MAC, 28), ktoré
prepínajú vstupy s analógovými hodnotami napätia na výstup. Ich skratka v označení je AMx,
vstupy S1
÷
Sn , adresy A0
÷
A3 a vybavovací logický vstup EN (miesto vstupu označeného S).
Inverzný výstup nemá interpretáciu, preto neexistuje.
Príklad funkcie štvorvstupového multiplexora zachycuje nasledujúca tabuľka.
46
vstupy
Por.
Obr. 9.4
adresa
výstup
Čís.
0
1
2
3
A
B
Q
1
0
x
x
x
0
0
0
1
2
1
x
x
x
0
0
1
0
3
x
0
x
x
0
1
0
1
4
x
1
x
x
0
1
1
0
5
x
x
0
x
1
0
0
1
6
x
x
1
x
1
0
1
0
7
x
x
x
0
1
1
0
1
8
x
x
x
1
1
1
1
0
Označenie „x“ znamená, že na príslušnom vstupe môže byť ľubovoľná hodnota ( 0 alebo 1 ).
Inverznú funkciu k funkcii musltiplexora vykonáva demultiplexor. Takýto kombinačný log.
obvod má jeden informačný vstup, n adresových vstupov 2n výstupov. Určená hodnota sa vysiela
z informačného vstupu do príslušného výstupu daného adresou.
Bežne sa vyrábajú osem alebo šestnásťvstupové multiplexory. Tento kombinačný obvod
poskytuje široké možnosti použitia tým, že prenáša (multiplexuje) údaje zo vstupov na výstup,
umožňuje rôzne prepojenia v kybernetických a elektronických obvodoch. Pri cyklickom generovaní
adries možno realizovať prevod paralelnej informácie na sérovú .V meracej technike je možné
pomocou neho realizovať elektronický prepínač meracích miest.
9.6. Postup pri meraní
Princíp merania spočíva v tom, že adresy informačných vstupov
budeme
realizovať
takzvanou vstupnou svorkovnicou a správnosť prenášanej hodnoty pozorovať jednou LED diódou
na signalizačnej svorkovnici.
Po zistení zapojenia puzdra predloženého ČIO1 (napr. MH 74151) zapojíme tento na príslušné
zariadenie, teda na kódovací prepínač Pr4 , na desať vstupovú svorkovnicu N10 a na dva kontakty
štvorvstupovej signalizačnej lavice S4. Napokon všetky prvky obvodu pripojíme na stabilizovaný
47
zdroj napätia 5V, ako je to na obr.9.1. V tabuľke nameraných a vypočítaných hodnôt si zvolíme
podľa vzoru v tabuľke 9.1. úrovne vstupov. Pri voľbe príslušných úrovní postupujeme tak, že
najprv zvolíme hodnoty informačných vstupov pomocou N10, potom adresu príslušného vstupu
pomocou Pr4 a napokon signálom pripojeným na vstup S (imituje synchronizačný signál) dáme
pokyn k preneseniu informácie zo zvoleného vstupu a výstup.
Meranie s analógovým multiplexorom vykonáme podobne v zapojení podľa obr. 9.2
s tým rozdielom, že na vstupy privedieme postupne vzrastajúce napätie ( kvôli prehľadnosti )
získané z diskrétneho napäťového deliča.
9.7. Tabuľka nameraných a vypočítaných hodnôt
číslicový multiplexor
Por.
Čís.
vstupy
0
1
2
3
4
adresa
5
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
48
6
7
A
B
výstup
C
Q
Q
analógový multiplexor
Číslo adresy 0
1
2
3
4
5
6
7
Kód
A
0
1
0
1
0
1
0
1
B
0
0
1
1
0
0
1
1
C
0
0
0
0
1
1
1
1
adresy
vstup EN
výstup U[V]
9.8. Vzor výpočtu
Výsledok verifikácie...............................................................................................................................
................................................................................................................................................................
49
10. REALIZÁCIA A VERIFIKÁCIA FUNKCIE ČÍSLICOVÝCH
SEKVENČNÝCH OBVODOV ( TYP RS )
10.1. Úvod
Sekvenčné obvody predstavujúce elementárne pamäte sa nazývajú klopné obvody, ich
funkciu popisuje nasledujúci algebrický výraz
δ(St, Xk) = St+l
(10.1)
kde δ je takzvaná prechodová (vnútorná) funkcia obvodu, St je vnútorný stav obvodu v t-tom
takte, Xk je vstupný stav obvodu. Vzťah vyjadruje postupnosť vnútorných stavov, to je vnútorný
stav v t+l takte je závislý od vnútorného stavu v predchádzajúcom takte t a od vstupného stavu v
tomto takte. Predmetné klopné obvody RS a D sú definované nasledujúcimi tabuľkami
prechodov:
X 1X 2
X1
00
01
11
10
0
1
1
1
-
0
0
S
0
1
0
1
0
0
1
1
S
0
1
RS
D
Obr. 10.1
Tabuľky vyjadrujú všetky možné vnútorné stavy klopných obvodov a prechody na nich.
Pôvodný stav je uvedený v ľavom stĺpci, nasledujúci stav v tom istom riadku a v stĺpci, ktorý má v
záhlaví uvedený vstupný stav. Napr. typ D δ(0, 1) = 1, t.j. pôvodný stav 0 sa zmení na 1, ak na
vstup privedieme napätie o úrovni log. 1. Klopný obvod typu D má teda jednu vstupnú premennú a
obvod RS má dva vstupy. Ich činnosť podľa tabuľky prechodov možno popísať nasledujúco:
Typ D: Nasledujúci vnútorný stav v nasledujúcom takte sa rovná vstupnému stavu v
predchádzajúcom takte, teda S(t+1) = X (t). Realizuje teda oneskorenie o jeden takt a nazýva sa
preto oneskorovací.
Typ RS: Ak obidve vstupné napätia majú hodnotu log 0, vnútorný stav obvodu sa v
nasledujúcom takte nemení. Ak X1 = 1, bez ohľadu na daný vnútorný stav, nasledujúci vnútorný
stav bude log. 0.
50
Tomuto vstupu hovoríme nulovací R (Reset). Ak privedieme napätie o úrovni log. 1 na vstup
X2, bez ohľadu na daný vnútorný stav, nasledujúci vnútorný stav bude rovný log.1. Tomuto vstupu
hovoríme nastavovací S (Set). Vstupný stav X1X2 = 11 je zakázaný.
Schematické značky uvedených klopných obvodov sú nasledujúce:
D
Q
R
D
C
Q
S
Q
C
S
Q
R
D
RS
Obr. 10.2
Ako vidieť zo značiek, klopné obvody majú dva komplementárne výstupy Q a Q. Na výstupe
Q je log. hodnota, ktorá sa rovná log. hodnote vnútorného stavu daného klopného obvodu.
10.2. Úloha merania
a) Zostavte asynchrónny klopný obvod typu RS z logických členov typu NAND!
b) Zostavte synchrónny klopný obvod typu RS z logických členov typu NAND!
c) Meraním sa presvedčte o správnosti funkcie obidvoch obvodov RS!
d) Činnosť obidvoch typov RS obvodov v závislosti na čase znázornite graficky!
10.3. Schéma zapojenia
ČIO
&
&
Q
S
Z5
S4
N4
R
&
&
Q
Obr. 10.3
51
ČIO
&
&
S
Z5
N4
Q
C
R
S4
&
&
_
Q
Obr. 10.4
10.4. Súpis použitých prístrojov a meraných objektov
1
14
ČIO .................................................................................................
2
13
Z5
.................................................................................................
3
12
N4
.................................................................................................
4
11
S4
.................................................................................................
5
10
6
9
7
8
10.5. Princíp merania a platné vzťahy
Obr. 10.5
Asynchrónny klopný obvod je taký, ktorého každý ďalší takt je podmienený zmenou
niektorého vstupného napätia. Klopný obvod RS je typickým predstaviteľom svojej skupiny a je
možné ho vytvoriť vhodným zapojením základných kombinačných obvodov. Najpoužívanejšie sú
základné kombinačné obvody typu NAND. Zapojenie logických obvodov typu NAND vytvárajúce
asynchrónny klopný obvod typu RS je na obr. 10.6.Funkcia takto zostaveného klopného obvodu je
nasledovná: Ak privedieme na vstup S úroveň H nasledujúcim invertorom, zmení sa na L. Úroveň L
na vstupe ďalšieho člena NAND vyvolá na jeho výstupe Q úroveň H. Vstup R má pôvodne úroveň
L, výstup jeho invertora má úroveň H. Na prvý vstup spodného člena NAND dostáva sa spätnou
väzbou z výstupu Q úroveň H na druhý vstup zo spodného invertora dostáva sa tiež úroveň H,
logický súčin bude potom tiež úroveň H a jeho inverzia úroveň L, ktorá sa objaví na výstupe Q.
Tento signál sa spätnou väzbou vedie na druhý vstup horného člena NAND, čo je v súhlase s jeho
stavom; prvý vstup L, výstup H. Ak privedieme úroveň H na vstup R funkcie jednotlivých členov
52
sú zhodné, ale vymenili si miesta podľa vodorovnej osi, to je úroveň H bude oproti vstupu R na
výstupe Qֿ a úroveň L a výstupe Q.
S
&
&
Q
&
&
Q
R
Obr. 10.6
Ak by po úrovni H na vstupe S nasledovala úroveň L, znamenalo by to zmenu vstupov
horného člena NAND z LL na HL, ale logický súčin L.L = H.L = L a inverzia na výstupe je H, t.j.
stav výstupov sa nemení. Analogická situácia nastane na vstupe R, čo je v zhode s tabuľkou
prechodov klopného obvodu RS.
Ak sa nedopatrením stane, že na obidvoch vstupoch je súčasne úroveň H, teda zakázaný stav,
bude na obidvoch výstupoch úroveň L. Ak sa potom vstupné napätia zmenia na úroveň L prejde
klopný obvod náhodne do jedného z dvoch možných stavov.
Ak by sme sa obmedzili len na zapojenie členov NAND ohraničených čiarkovane, dostaneme
RS klopný obvod s aktívnou úrovňou nie H, ale L.
Synchrónny klopný obvod RS, je taký, ktorý je riadený synchronizačným signálom C (tzv.
hodinovým impulzmom). Je možné ho zostaviť z logických členov NAND v zapojení podľa obr.
10.7.
S
&
&
Q
C
&
&
R
Obr. 10.7
53
_
Q
Teraz obidva NAND členy umiestnené vľavo zastávajú funkciu hradla, to znamená, že úroveň
H (informačný vstup - S) postúpi ďalej cez hradlo len vtedy, ak na jeho riadiacom vstupe C bude
úroveň H, t.j., ak tam bude synchronizačný impulz. Zhodná situácia je u spodného NAND člena.
Typickou aplikáciou klopného obvodu typu RS je jeho použitie ako tvarovača impulzov
získaných z tlačítka alebo mechanického vypínača. Tieto dve mechanické súčiastky zanášajú do
číslicových obvodov tzv. hazardné stavy, ktoré sú spôsobené prechodnými javmi na kontaktoch.
Priebeh takéhoto napätia znázorňuje obr. 10.8
H
Rozhodovacie
úrovne
L
Obr. 10.8
Vidíme, že pri jednom prepnutí z úrovne H na úroveň L a opačne, napätie aj niekoľkokrát
prekmitne cez rozhodovaciu úroveň, čo rýchlo reagujúce číslicové obvody zaregistrujú ako
viacnásobné prepnutie. Klopným obvodom vytvarovaný impulz je na obr. 10.9.
Obr. 10.9
10.6. Postup pri meraní
Princíp merania tak, ako aj v minulom meraní, spočíva v identifikácii úrovne napätia
jednotlivých vývodov príslušného logického obvodu pomocou LED diód, ktoré pri napätí a úrovni
H svietia na príslušnom mieste vstupnej (napájacej) N4 a signalizačnej S4 svorkovnici.
Postupovať pri meraní budeme tak, že najskôr si zistíme podľa priloženého katalógu
zapojenie puzdra príslušného číslicového obvodu. Potom ČIO zapojíme postupne podľa schém na
obr. 10.3. a obr. 10.4. spolu s ostatným zariadením. Vypínačmi na vstupnej svorkovnici volíme
príslušnú kombináciu hodnôt vstupných napätí. Úroveň výstupného signálu pozorujeme na
signalizačnej svorkovnici S4. Pri synchrónnom obvode volíme poradie zmien pre príslušnú
kombináciu vstupných hodnôt v poradí vstupov: R, S, C.
54
10.7. Tabuľka nameraných a vypočítaných hodnôt
asynchrónny
0
0
1
1
0
0
1
0
R
S
C
Q
Q
0
0
-
0
1
-
synchrónny
0
0
0
0
0
0
0
1
0
1
0
1
0
0
1
0
1
1
0
0
0
0
0
0
1
0
0
1
1
0
1
0
0
0
0
10.8. Vzor výpočtu
Výsledok merania: .................................................................................................................................
10.9. Grafické znázornenie nameraných závislostí
R
R
S
S
C
Q
Q
Q
Q
Obr.10.10
55
11. REALIZÁCIA A VERIFIKÁCIA FUNKCIE ČÍSLICOVÝCH
SEKVENČNÝCH OBVODOV ( TYP D )
11.1. Úvod
Ako už bolo spomenuté v predchádzajúcej kapitole, klopný obvod D je definovaný
nasledujúcou tabuľkou prechodov:
X1
0
1
0
0
1
1
S
0
1
D
Obr. 11.1
Schematická značka D klopného obvodu je nasledujúca:
D
Q
C
Q
D
Obr. 11.2
Ako vidieť zo značiek, klopné obvody majú dva komplementárne výstupy Q a Q. Na výstupe
Q je log. hodnota, ktorá sa rovná log. hodnote vnútorného stavu daného klopného obvodu.
11.2. Úloha merania
a) Zostavte synchrónny klopný obvod typu D z logických obvodov typu NAND!
b) Verifikujte funkciu zostaveného klopného obvodu typu D paralelným meraním s továrensky
vyrábaným obvodom!
c) Namerané hodnoty výstupného napätia klopného obvodu D zaznamenajte do tabuľky
a znázornite graficky ako časovú funkciu!
56
11.3. Schéma zapojenia
ČIO1
&
&
Q1
D
&
C
Z5
Q2
&
Q1
N4
S4
Q2
ČIO2
&
ČIO3
D
C
R
S
Obr. 11.3
11.4. Súpis použitých prístrojov a meraných objektov:
ČIO1 .......................................................................................................................................................
ČIO2 ......................................................................................................................................................
ČIO3 .......................................................................................................................................................
N4
......................................................................................................................................................
Z5
......................................................................................................................................................
S4
......................................................................................................................................................
v
.......................................................................................................................................................
1
14
1
14
1
14
2
13
2
13
2
13
3
12
3
12
3
12
4
11
4
11
4
11
5
10
5
10
5
10
6
9
6
9
6
9
7
8
7
8
7
8
Obr. 11.4
57
11.5. Princíp merania a platné vzťahy
Činnosť asynchrónneho klopného obvodu typu D je popísaná tabuľkou prechodov (obr.11.1).
Jedná sa o jednovstupový klopný obvod. Synchrónny klopný obvod typu D je možné zostaviť
z logických členov typu NAND podľa schémy zapojenia na obr. 11.5.
D
&
&
Q
C
1
&
&
Q
Obr. 11.5
Ako vidíme, je to vlastne zapojenie synchrónneho RS klopného obvodu z predchádzajúceho
merania, doplnené jedným invetorom na vstupe. Okrem toho obidva vstupy sú spojené do jedného –
D. Invertor nám spôsobí, že nemôže v obvode nastať zakázaný vstupný stav HH. Vznikol takto
obvod, ktorý má tú vlastnosť, že úrovne napätia sa zo vstupu D „presúvajú“ na výstup Q v rytme
hodinových impulzov privedených na vstup C. „Presun“ spôsobuje čelo H úrovne na vstupe C. Ak
je na vstupe C trvale úroveň H, všetky hodnoty zo vstupu D prechádzajú na výstup Q. Tento typ
klopného obvodu sa najčastejšie používa v pamäťových registroch.
Továrensky vyrábaný klopný obvod D napr. v číslicovom integrovanom obvode MH 7474 sa
nachádza dvakrát,
tieto obvody sú ovládané tiež asynchrónnymi vstupmi RS, tie nebudeme
používať, v takom prípade je však potrebné ich zapojiť na úroveň L.
11.6. Postup pri meraní
Princíp merania spočíva v identifikácii úrovní H pomocou svietiacich LED diód na
sledovaných vývodoch príslušného číslicového integrovaného obvodu.
Zapojenie podľa schémy 10.4 na meranie RS klopného synchrónneho obvodu doplníme
jedným invertorom z ČIO2. Napokon zapojíme jeden továrensky vyrábaný synchrónny klopný
obvod D (ČIO3), ktorého zapojenie puzdra si zistíme vopred v katalógu.
Po kontrole správnosti zapojenia (obr. 11.3) zapojíme napájací zdroj Z5 a na vstupy C, D
obidvoch klopných obvodov privádzame úrovne H a L podľa vopred pripravenej následnosti tak,
aby sme vystihli všetky možné prechody. Na signalizačnej svorkovnici sledujeme zhodnosť
58
výstupných napätí obidvoch klopných obvodov. Namerané hodnoty zapíšeme do tabuľky a graficky
znázorníme.
11.7. Tabuľka nameraných a vypočítaných hodnôt
D
0
1
1
1
0
0
0
0
1
1
1
0
0
0
C
0
0
1
0
0
1
0
1
1
0
1
1
0
1
Q
Q
11.8. Vzor výpočtu
Výsledok merania: .......................................................................................................................
................................................................................................................................................................
11.9. Grafické znázornenie nameraných závislostí
D
C
Q
Q
Obr. 11.6
59
12. MODELOVANIE ČÍTAČA ELEKTRICKÝCH IMPULZOV
A POSUVNÉHO REGISTRA, VERIFIKÁCIA ICH FUNKCIE
12.1. Úvod
Čítač elektrických impulzov funguje tak, že si počet zaznamenaných impulzov zapamätá,
z čoho vyplýva, že sa bude jednať o sekvenčné (klopné) číslicové obvody.
Rozoznávame niekoľko druhov čítačov, podľa nasledujúcich hľadísk:
1. Podľa spôsobu preklápania
2. Podľa smeru počítania
3. Podľa kódu počítania
Podľa prvého hľadiska môžu byť asynchrónne – preklápajú sa postupne ako sú za sebou
zapojené, respektívne na základe zmeny vstupu. (Reagujú buď na stúpajúcu alebo klesajúcu hranu
vstupného signálu t.j. na úroveň H alebo L.) Synchrónne sa preklápajú naraz pomocou spoločných
hodinových impulzov.
Podľa druhého hľadiska môžu predmetné impulzy sčítavať – jedná sa o čítač vpred alebo
odčítavať od vopred nastaveného čísla – to je čítač vzad.
Kód počítania je binárny, obvykle je to dvojková číselná sústava.
Základnými stavebnými prvkami čítačov sú D klopné obvody. Ak má čítač byť schopný
zaznamenať n impulzov, potom počet N elementárnych D klopných obvodov, potrebných na jeho
realizáciu, je daný výrazom N = log 2 n (Napr. 4 = log 216)
Schématická značka čítača obsahuje skratku CT
A
A QA 2
CT2
R
0
B QB 2
1
C QC 2
2
s číslom vyjadrujúcim číselnú sústavu, v ktorej počíta.
Počítané impulzy sa privedú na vstup A. Nulovanie sa
vykonáva impulzom na vstupe R (reset).
3
D QD 2
15
Obr. 12.1
Čítače je možné použiť na spočítavanie elektrických impulzov alebo na delenie (napr.
frekvencie elektrických impulzov).
60
Počet impulzov zaznamenaných čítačom, predstavujúci dvojkové číslo, je potrebné nielen
„vkladať“ do pamäte, ale ho aj z nej „vyberať“. Jeden zo spôsobov je posúvanie informácie od
jedného bitu k vedľajšiemu. Takto vložené informácie sa posúvaním zo vstupu pamäte dostanú na
jej výstup. Pamäť s takouto vnútornou organizáciou sa nazýva posuvný register. Počet použitých
klopných obvodov udáva tzv. dĺžka registra. Posúvanie dát sa vykonáva hodinovými impulzami
(zľava doprava) schematicky:
vstup
výstup
0 1 1 0 1 0
Obr. 12.2
Po piatom takte sa informácia zo vstupu dostane na výstup. Takto organizovaný posuvný
register je so sériovým vstupom aj výstupom. Iný je so sériovým vstupom a paralelným výstupom
(výstupmi).
Q2
Q1
vstup
hodinové
D
D
C
C
impulzy
Obr. 12.3
12.2. Úloha merania
a) Vymodelujte štvorbitový asynchrónny čítač vpred z klopných obvodov typu D!
b) Vymodelujte štvorbitový posuvný register so sériovým vstupom a výstupom z klopných
obvodov typu D!
c) Zapojte továrensky vyrábaný binárny asynchrónny čítač vpred!
d) Meraním verifikujte funkciu číslicových (integrovaných) obvodov podľa bodu a, b, c !
e) Použitím napájacej svorkovnice len s mechanickými prepínačmi sa presvedčte o existencii
hazardných javoch!
61
12.3. Schéma zapojenia
ČIO1
a)
ČIO1
Z5
ČIO2
D
C
1
N4
T1
C
T3
A
R
R
B
D
D
C
C
4
D
T2
C
R
T4
S4
1
14
2
13
3
12
4
11
5
10
6
9
7
8
D
R
Obr. 12.4
ČIO2
b)
ČIO1
Z5
ČIO2
D
D
T
Q -1
C
1
D
T
N4
4
T
Q1
1
Q -3
C
2
D
3
T
Q2
Q -2
C
Q3
C
Q4
S4
1
14
2
13
3
12
4
11
5
10
6
9
7
8
4
Q -4
Obr. 12.5
ČIO3
c)
ČIO3
Z5
N4
1
A CT2 A
A
2
B
B
B
3
R
C
C
4
Ø
D
D
Obr. 12.6
62
S4
1
14
2
13
3
12
4
11
5
10
6
9
7
8
12.4. Súpis použitých prístrojov a meraných objektov
ČIO1 – ....................................................................................................................................................
ČIO2 – ....................................................................................................................................................
ČIO3 – ....................................................................................................................................................
Z5 – ........................................................................................................................................................
N4 – .......................................................................................................................................................
S4 – ........................................................................................................................................................
N’4 – ......................................................................................................................................................
12.5. Princíp merania a platné vzťahy
Princíp merania s čítačom spočíva v tom, že na vymodelovaný aj továrensky vyrábaný
asynchrónny čítač vpred privádzame elektrické impulzy generované manuálne pomocou
mechanického vypínača opatreného RS sekvenčným obvodom. Impulzy počítame zrakom
a zároveň sledujeme ich indikáciu na signálnej svorkovnici.
Principiálna schéma zostavenia trojbitového čítača je na obr. 12.7
A
D
vstup
R
C
R
B
D
T
C
C
D
T
R
C
T
R
Obr. 12.7
Časový sled signálu na jeho vstupe a troch výstupoch znázorňuje obr. 12.8
Q
1
2
3
4
5
6
7
8
9
vstup
A 20
B 21
A
B
C 22
C
D 23
Obr. 12.8
Max.
63
Výstup A (3 bity, obr. 12.7) sa preklopí do polohy H vždy len pri narastaní vstupného napätia
dosahuje sa funkcia „delenie dvoma“, to umožňuje zaznamenávať počet impulzov v dvojkovej
číselnej sústave respektíve realizovať delič frekvencie.
Pri posuvnom registri počet vstupných impulzov namodelujeme počtom hodinových
impulzov pri H úrovni vstupného signálu. Pri L úrovni vstupného signálu (D) hodinovými
impulzmi posúvame zaznamenané impulzy zo vstupu (D) na výstup Q1 a potom až na Q3.
Modelové zapojenie posuvného registra z D klopných obvodov je na obr. 12.9
Q1
vstup
Q2
Q3
D
D
D
Q-1
T
T
C
C
h. impulzy
Q-3
T
Q-2
C
Obr. 12.9
12.6. Postup pri meraní
Postupne zapojíme meracie zostavy čítača schéma na obr. 12.4, 12.5 a 12.6. Na vstup čítača
respektíve posuvného registra privádzame manuálne generované impulzy, ktoré spočítavame
zrakom podľa svietiacej kontrolnej ledky na napájacej svorkovnici N4. Počet zaregistrovaných
impulzov odčítame zo signálnej svorkovnice S4 a zapíšeme do tabuľky nameraných hodnôt.
12.7. Tabuľka nameraných a vypočítaných hodnôt
Počet
A
B
C
D
Váha 1
1
2
4
8
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
12.8 .Vzor výpočtu
Počet indikovaných impulzov n vypočítame zo vzťahu n = D.23 + C .22 + B.21 + A.20
Výsledok merania: .................................................................................................................................
64
13. POUŽITÉ OZNAČENIA A SYMBOLY
Zoznam opakovane použitých označení:
a1, a2
C
f
I
k
L
M
n
p
R
r
S
T
t
tp
U
u
X
Z
z
α
δ
χ
Φ
σ
ω
∆
konštanty
elektrická kapacita
frekvencia, funkcia
elektrický prúd
konštanta meracieho prístroja
vlastná indukčnosť
vzájomná indukčnosť, krútiaci moment
počet
pravdepodobnosť
elektrický odpor
rozsah
výberová smerodajná odchýlka
teplota
čas
trieda presnosti
elektrické napätie
neistota merania
fyzikálna veličina obecne, reaktancia
impedancia
základ číselnej sústavy
výchylka meracieho prístroja
relatívna chyba
krajná chyba
magnetický tok
smerodajná odchýlka
kruhová frekvencia
rozdiel hodnôt za týmto znamienkom vyznačenej veličiny
Zoznam opakovane použitých skratiek na mieste indexov:
a
dov
i
k
mx
N
r
s
v
x
aritmeticky priemerný
dovolený
obecné poradie
kompenzačný, komplementárny
maximálny
normálový
rozsahu
systému
výsledný
meranej veličiny
65
14. LITERATÚRA
[1] Bajcsy J.: Základy meracej techniky, STU Bratislava, 1992.
[2] Čápová K.: Elektrické meranie, Alfa Bratislava, 1987.
[3] Fajt V. a kol.: Elektrické Měrění, ČVUT FEL Praha, 1992.
[4] Jakl M.: Měřící systémy, ČVUT FEL Praha, 1992.
[5] Kodeš J. a kol.: Elektronika, ČVUT FEL Praha, 1991.
[6] Michaeli L. – Hríbik J.: Rádioelektonické meranie, Alfa Bratislava, 1986.
[7] STN 01 0115 Terminológia v metrológii, SÚTN, 2001.
[8] STN EN 60617 Grafické značky pre schémy, Slovenský ústav technickej normalizácie.
[9] Vyhláška ÚNMS SR č. 206/2002 – Zákonné meracie jednotky, 2002.
[10] Zákon č. 142 / 2000 – Zákon o metrológii, 2000.
66
doc. Ing. Miroslav Mojžiš, CSc.
ČÍSLICOVÉ MERANIE ( Návody na cvičenia )
Technická univerzita v Košiciach
Košice, Jún 2010
1.vydanie, náklad 500 kusov
67 strán
ISBN 978-80-553-0435-9
67
Download

Skriptá - návody na cvičenia - Katedra teoretickej a priemyselnej