1 Digitální zdroje. 1.1 Převod digitálních úrovní na analogový signál. Cílem cvičení je osvojení práce s digitálními zdroji signálu.

Transkript

1 1 Digitální zdroje Cílem cvičení je osvojení práce s digitálními zdroji signálu. Cíle cvičení Převod digitálních úrovní na analogový signál Digitální zdroj signálu a BCD dekodér Čítač impulsů Dělička frekvence Generátor s derivačními články 1.1 Převod digitálních úrovní na analogový signál Vytvořte jednoduché zapojení pro ověření funkce digitálně-analogového rozhraní. Vykreslete analogovou výstupní charakteristiku pro všechny možné stavy digitálního signálu. Netlist U_DSTM1 STIM(1,1) + $G_DPWR $G_DGND + 1 IO_STM IO_LEVEL=0 + 0s 0 +5ns R +5ns ns F +5ns 0 +5ns Z + +5ns X R_R1 1 0 {1/GMIN} Obr. 1.1: pro posuzování převodu digitálního signálu na signál analogový 1. Nakreslete schéma dle netlistu (Stim1, BUF). 2. Hodnotu odporu nastavte na {1/GMIN} pro simulaci maximálního možného zatěžovacího odporu. Parametr GMIN lze najít v nastavení simulačního profilu v záložce Option (ve vlastnostech.options). 3. Nastavte zdroj digitálního signálu. 4. Uložte. Spusťte analýzu. 5. Analyzujte výsledky.

2 Výsledky TM1:pin1 4.0V 3.0V 2.0V 1.0V 0V 0s 10ns 20ns 30ns 40ns 50ns 60ns 70ns V(U2:O) Time Obr. 1.2: Výstupní úrovně digitálního signálu (vrchní graf), analogová odezva (spodní graf, druhá sonda) Popis a interpretace Zdroj napětí byl nastaven tak, aby byly pokryty všechny možné logické stavy: logická nula (off), rostoucí (R jako rising, změna z 0 do 1 v průběhu intervalu R), po uplynutí 20ns byla nastavena logická jednička, dalším stavem byl pokles (F jako falling, změna z 1 do 0 v průběhu intervalu F). Následující logická 0 byla vystřídána stavem vysoké impedance Z a tento stav pak stavem X, stavem neznámým (vysokým, nízkým, středním, popřípadě nestabilním). Na charakteristikách jsou tak patrné všechny možné stavy konverze digitálního signálu na analogový. První oblastí je logická nula, při které je výstupní napětí rovno nule. Ve druhé oblasti je náběžná hrana, odpovídající růstu napětí (hrany v digitálním zobrazení značí PROBE žlutou barvou). Po náběžné hraně se výstupní signál dostává do neurčité úrovně, protože není definována další přesná logická úroveň, a to až do 10 ms, kdy je zdroj naprogramován na logickou jedničku. Po logické 1 je znázorněna sestupná hrana (F), která vrací úroveň výstupního napětí opět do neurčitého stavu, až do příchodu definované logické úrovně. Posledními dvěmi úrovněmi je stav vysoké impedance (Z Probe značí modrou barvou), a neurčitý stav X, který Probe značí červenou barvou. Zpoždění odezvy je dáno vložením bufferu, který zde působí jako zpožďovací člen. 1.2 Digitální zdroj signálu a BCD dekodér Vytvořte BCD dekodér pomocí obvodu 74HC42.

3 Netlist U_DSTM1 STIM(4,1111) + $G_DPWR $G_DGND + D0 D1 D2 D3 + IO_STM IO_LEVEL=0 + TIMESTEP=10ns + 0s LABEL=STARTLOOP + 10c INCR BY c GOTO STARTLOOP + UNTIL GE 1110 X_U1 D3 D2 D1 D0 M_UN0001 M_UN0002 +M_UN0003 M_UN0004 M_UN0005 M_UN0006 Obr. 1.3: Buzení BCD dekodéru digitálním zdrojem signálu +M_UN0007 M_UN0008 M_UN0009 M_UN0010 +$G_DPWR $G_DGND 74HC42 PARAMS: + IO_LEVEL=0 MNTYMXDLY=0 1. Nakreslete schéma dle netlistu (74HC42, Stim4). 2. Nastavte zdroj digitálního signálu. a. Použijte relativní i absolutní časování 3. Nastavte časovou analýzu. 4. Uložte. Spusťte analýzu. 5. Analyzujte výsledky. Výsledky Obr. 1.4: Výstupní signál dekodéru BCD při buzení digitálním zdrojem Popis V zapojení byl použit programovatelný zdroj, nastavovaný prostřednictvím příkazů. K použití je pak nutné znát syntaxi příkazů. Zdroj STIM4 vyžaduje 4 bitovou sběrnici (zdroje STIM 8 a STIM 16 požaduje 8 bitovou, respektive 16 bitovou sběrnici). BCD dekodér pracuje jako adresový multiplexor výstupu dle zadané binární hodnoty na vstup dekodéru. Z výstupních charakteristik lze vidět, že BCD dekodér reaguje pouze do hodnoty 9.

4 1.3 Čítač impulsů Vytvořte jednoduchý čítač impulsů. Netlist U_DSTM4 STIM(1,1) $G_DPWR $G_DGND +N22865 IO_STM IO_LEVEL= u 1 +REPEAT FOREVER u u 1 + ENDREPEAT X_U3A N22865 N23672 M_UN0001 M_UN0002 +M_UN0003 M_UN0004 $G_DPWR $G_DGND PARAMS: + IO_LEVEL=0 MNTYMXDLY=0 U_DSTM1 STIM(1,0) $G_DPWR $G_DGND +N23672 IO_STM STIMULUS=SET Obr. 1.5: zapojení čítače impulsů (prvky: DigClock, DigStim1, 74393/7400) 1. Nakreslete schéma, nastavte digitální zdroje. a. Digitální zdroj DigStim se nastavuje pomocí prostředí Stimulus Editor. Po vložení součástky DigStim na pracovní plochu lze přes volbu Edit a Pspice Stimulous spustit editaci průběhu výstupních signálu editovaného zdroje. V prvním dialogu se nastavovaný stimul pojmenuje (SET), dále lze nastavit typ zdroje a tvar výstupního signálu. Pomocí kurzoru a kliknutím myší lze po kliknutí na ikonu výstupní signál libovolně měnit do požadovaného tvaru. Obr. 1.6: Nastavení vlastností digitálního zdroje signálu - DigStim

5 Obr. 1.7: Nastavení výstupního signálu digitální zdroje DigStim 2. Nastavte časovou analýzu. 3. Uložte. Spusťte analýzu. 4. Analyzujte výsledky (impuls CLR, generovaný zdrojem DSTM1, způsobuje mazání počítání, čítač reaguje na sestupnou hranu vstupního signálu). Výsledky Obr. 1.8: Výstupní úrovně čítače impulsů 1.4 Dělička frekvence Realizujte vyučujícím zadanou děličku kmitočtu pomocí čítače 74ALS193. Použijte vstupy A, B, C, D pro přednastavení čítače. Děličku realizujte pomocí: čítání vzad, čítání vpřed. 1. Vytvořte schéma pro děličku frekvence (číslo pro dělení Vám bude zadáno vyučujícím) pro čítání vzad. 2. Nastavte vhodně zdroje signálů. 3. Nastavte časovou analýzu. 4. Uložte. Spusťte analýzu. 5. Ověřte, zda realizovaná dělička dělí frekvenci číslem zadaným vyučujícím. 6. Realizujte pomocí čítání vpřed.

6 Netlist U_DSTM1 STIM(1,1) + $G_DPWR $G_DGND + N26493 IO_STM + IO_LEVEL=0 + 0s 0 0.1u Z U_DSTM2 STIM(1,1) $G_DPWR $G_DGND +N25612 IO_STM IO_LEVEL= u 1 REPEAT FOREVER +0.1u u 1 ENDREPEAT X_U1 VDD N N26493 VDD 0 VDD 0 +M_UN0001 M_UN M_UN0003 M_UN0004 N26493 M_UN0005 +$G_DPWR $G_DGND PARAMS: + IO_LEVEL=0 MNTYMXDLY=0 V_V1 VDD 0 5V Obr. 1.9: zapojení děličky kmitočtu (u zdroje DSTM1 nastavit COMMAND2 = 0.1u 1) Výsledky Popis Čítač je obvod, který při příchodu impulzu na vstupu (podle typu vstupu vzestupná nebo sestupná hrana vstupního signálu) zvětší (u funkce čítání vzad zmenší) hodnotu binárního čísla na svém, obvykle čtyřbitovém, výstupu o jedničku. Přivedeme-li vstupní obdélníkový signál úrovně TTL s libovolným kmitočtem, generuje se na prvním bitu výstupu (nejčastěji značeno A) signál s kmitočtem polovičním než na vstupu. Na dalším výstupu je kmitočet signálu opět poloviční oproti předchozímu výstupu. 1.5 Generátor s derivačními články Sestavte generátor s derivačními články a hradly NAND. Zobrazte časové průběhy v důležitých uzlech. Porovnejte naměřené průběhy s průběhy teoretickými. Změřte výstupní frekvenci a dobu ustálení. 1. Nakreslete schéma dle netlistu. 2. Nastavte počáteční podmínku do uzlu IN1 pro rozkmitání obvodu. 3. Nastavte časovou analýzu. 4. Uložte. Spusťte analýzu. 5. Analyzujte výsledky: a. Průběhy výstupních napětí v jednotlivých uzlech,

7 b. Určete frekvenci, sřídu a dobu ustálení výstupního signálu. Netlist R_R2 0 IN2 1.5k X_U1A IN1 IN1 OUT1 $G_DPWR +$G_DGND 7400 PARAMS: +IO_LEVEL=0 MNTYMXDLY=0 X_U2A IN2 IN2 OUT2 $G_DPWR +$G_DGND 7400 PARAMS: +IO_LEVEL=0 MNTYMXDLY=0 C_C1 OUT1 IN2 22n C_C2 IN1 OUT2 22n R_R1 0 IN1 1.5k.IC V(IN1 )=5 Obr. 1.10: zapojení oscilátoru složeného z hradel NAND Výsledky Obr. 1.11: Výsledný průběh oscilátoru složeného z hradel NAND Popis Generátor s derivačními články používá pasivní členy RC jako jednoduché časovací obvody pro generování požadovaného kmitočtu. Odpory rezistorů R 1 a R 2 se musí volit s ohledem na vstupní proud při úrovni L. Úbytek napětí na těchto rezistorech nesmí přesáhnout 0,8 V, což je velikost napětí do které je deklarovaná úroveň L. Kmitočet výstupního signálu je dán vztahem F = 1 = 1 1. Pro povolení generování je nutné přivést na T T 1 +T 2 1,1 (R 1 C 1 R 2 C 2 ) vstup G úroveň H. Doba úrovně H na výstupu je dána derivačním článkem R 2 C 2 a doba

8 úrovně L je dána článkem R 1 C 1. V případě, kdy platí R 1 = R 2 a současně C 1 = C 2, je střída výstupního signálu 1:1.