Cvičení předmětu A4B38NVS Návrh vestavěných systémů, kat. měření, ČVUT FEL, Praha, 2011

Transkript

1 Úloha č. 1 Měření statických parametrů logických obvodů CMOS Úkol: Nastudujte katalogové listy obvodů 74HC04 a 74HCT04. Navrhněte a realizujte obvody pro měření vybraných statických parametrů logických obvodů CMOS 74HC04 a 74HCT04. Při použitém napájecím napětí U CC = + 5 V určete: 1) Vstupní charakteristiku obvodu 74HC04 2) Odhad velikosti vstupního proudu I i obvodu 74HC04 při U i = 0 V a U i = + 5 V, 3) Převodní charakteristiku 74HC04 a přibližnou velikost rozhodovací úrovně na vstupu U TH. 4) Vnitřní odpory R H výstupu ve stavu vysoké napěťové úrovně ( high ) H, vnitřní odpor R L, výstupu ve stavu nízké napěťové úrovně L( low ) L. 74HC04. Dále určete napájecí proud I CC, pokud je U i = 0 V, nebo U i = + U CC. 5) Určete klidový odběr z napájení při vstupu na úrovni L (U ih = 0) a úrovni H (U ih = U cc ). Demonstrujte změny klidového proudu, pokud bude vstup na úrovni H (U ih = U cc - 2,1V), pokud bude vstup na rozhodovací úrovni a pokud bude vstup nezapojen ( floating - plovoucí vstup). Popište chování obvodu, pokud bude na vstup připojen vodič o délce asi 5-10 cm, kolem nějž se bude pohybovat rukou. 6) Demonstrujte měřením přítomnost substrátových diod v obvodu 74HC04 a určete úbytek napětí na nich v předním (propustném) směru. 7) Pro obvod 74HCT04 určete velikost rozhodovací napěťové úrovně na vstupu U TH. Určete napájecí proud I CC, obvodu 74HCT04, pokud bude U i = U CC a pokud bude U i = U cc - 2,1V. Zaznamenejte všechny výsledky měření a znázorněte je též ve formě grafu. Proveďte diskusi výsledků (vysvětlení toho, co vyšlo, co to představuje z hlediska uživatele a jak se výsledky měření a experimentů shodují s katalogovými údaji předložených obvodů 74HC04, příp. 74HCT04.) Výsledky měření zpracuje každý student samostatně a vytvoří za sebe zprávu. Zpráva bude společná pro měření statických a dynamických parametrů log. obvodů. Odevzdává se ve 4. týdnu na cvičení. Forma zprávy- je možné ručně i na počítači, případně i kombinace obou forem. Použitá symbolika: zemní svorka log. obvodu, zemní svorka napájecího zdroje ( groud, 0 V), U CC napájecí svorka, napájecí napětí U i napětí na vstupu- přivedené z vnějšího obvodu U TH rozhodovací úroveň na vstupu (toto není katalogový údaj) U ilmax maximální napětí na vstupu pro nízkou napěťovou úroveň L ( low) U ihmin, minimální napětí na vstupu pro vysokou napěťovou úroveň H (high) I i proud tekoucí do vstupu U O napětí na výstupu (obecně) generované vlastním logickým obvodem U OH napětí na výstupu obvodu ve stavu H vysoká úroveň, (nepřesně ve stavu log. 1 ) U OL napětí na výstupu obvodu ve stavu L nízká úroveň (nepřesně ve stavu log. 0 ) I O proud tekoucí do výstupu obvodu proud tekoucí svorkou U CC obvodu I CC (Pozn. Pokud je na výstupu obvodu úroveň H a proud protéká napájecí svorkou obvodu U CC, výstupem obvodu OUT do svorky napájecího zdroje, má proud podle standardně používané symboliky zápornou velikost! Tato symbolika je využívána všemi výrobci logických obvodů a mikroprocesorů.) 1

2 Postup a vysvětlení: Navrhněte zapojení pro měření a realizujte je na nepájivém kontaktním poli. Možná varianta měřicího obvodu pro určení převodní charakteristiky (U O = f (U i ) ) je na obr. 1. Logický obvod se připojí svorkami piny na svorku (0 V) napájecího zdroje, svorkou U CC na kladnou svorku napájecího zdroje U CC (kladné napájecí napětí + 5 V). V anglosaské literatuře se napětí označuje jako Voltage, proto je napájecí svorka označena také jako V CC, případně též V DD supply voltage. Zemní svorka je označena jako, někdy též jako V SS. Na výstupu obvodu je proti napájení připojena indikační LED, která slouží pro hrubou informaci o stavu výstupu. Při nízké úrovni L - LED svítí, při vysoké výstupní úrovni zhasne. Vstupy nevyužitých obvodů se připojí na svorku. Na vstup měřeného obvodu se přivede napětí U 1, které se nastavuje pomocí potenciometrického trimru P 1 o odporu např. 470 Ohmů až 1 kohm. Určí se vstupní napětí U TH, kdy se mění napětí na výstupu U O (je přibližně při U O = 0,5 U CC.) Při měření vstupní charakteristiky se určí vstupní proud z velikosti napětí na snímacím rezistoru R 2. Vhodná velikost je např. R 2 = 10 kohmů. Voltmetrem se měří napětí U 1 a U R2. Vstupní napětí U i se určí z rozdílu U 1 a U R2. U i = U 1 - U R2. Protože vnitřní odpor použitého číslicového voltmetru je přibližně 10 megaohmů (nezávisle na použitém rozsahu), není možno připojit voltmer paralelně ke vstupu, protože by vlastní proud obvodem voltmetru byl větší, než je vstupní proud obvodu HC (který je při korektních pracovních podmínkách hluboce pod hodnotou 1 ua - obvykle v řádu jednotek nanoampér). Z úbytku napětí na snímacím rezistoru R 2, se určuje vstupní proud I i. V bodu 1 se určí průběh vstupní charakteristik, především body zlomu, kde se proud začíná růst. V bodu 2 se odhadne velikost vstupního proudu při vstupní napětí 0 V a + 5 V. Tento proud bude velmi malý, proto se na základě použitých součástek a rozlišovací schopnosti multimetru při nejmenším napěťovém rozsahu 200 mv uvede, že proud je zaručeně menší, než hodnota V C B R V P 1 U 1 R 3 R 2 Ucc out in U R2 U i U o R 5 0 V Obr. 1 Možná varianta zapojení měřicího obvodu a zapojení obvodu 74HC04 Déle se určí vstupní proud I i při vstupním napětí mimo rozsah určený mezemi 0 V a U CC. Potenciometr se připojí na záporné napětí - 12 V, příp V a určí se chování obvodu při záporném napětí na vstupu. 2

3 + 12 V 0 V U 1 0 V U 1-12 V Obr. 3. Zapojení potenciometru pro záporné napětí a zvýšené kladné napětí Při U i < - 0,5 V počne prudce růst proud vstupem. Důvod je zřejmý z obr. 3, kde jsou v náhradním schématu diody D 2 proti zemi. (Pozor, diody s přechodem PN umístěné mezi vstupem a svorkou jsou ve všech logických obvodech CMOS, stejně tak i v mikroprocesorech v technologii CMOS!!!). Následně se potenciometr P 1 připojí na zvýšené kladné napětí +12 V, příp. +15 V a změří další část vstupní charakteristiky. U CC D1 D3 D5 CMOS obvod U 1 R D2 D4 D6 D7 U 2 Obr. 3 Náhradní schéma log. obvodu CMOS z hlediska přítomnosti diod ve struktuře Na obr. 4 je příklad výsledku měření vstupní charakteristiky obvodu CMOS. I i U CC 0 U i Obr. 4 Příklad možné změřené vstupní charakteristiky Pro měření převodní charakteristiky charakteristiky obvodu (U O = f (U i ) se opět využije zapojení dle obr. 1. Při měření obvodu s nezapojeným vstupem (dle bodu 5) slouží LED (v kombinaci s rezistorem R 5 o odporu několika kohmů) pro indikaci chování obvodu. V některých případech se vlastní obvod může rozkmitá na frekvenci několika desítek MHz. Proto je vhodné pozorovat signál na výstupu též pomocí osciloskopu. 3

4 Určení napájecího proudu Pro měření napájecího proudu I CC (při podmínkách U i = 0 V, nebo U i = + U CC ) dle bodu 5 zadání se využije snímací rezistor R S = 10 kohmů, v zapojení reprezentovaný jako R 3. Velikost odporu R S je nutno volit tak, aby napěťový úbytek na něm nepřekračoval hodnotu 0,1 až 0,2 V, takže napájecí napětí obvodu neklesne pod 4,8 V. Počáteční velikost může být R S = 10 kohmů. Při rostoucím proudu napájením I CC se přidá paralelně další rezistor, např. o velikosti řádově 100 nebo i 10 Ohmů. Skutečná hodnota jeho odporu, či paralelní kombinace odporů, se určí multimetrem. I cc V U cc C B R S + 5V 74HC... 0 Obr. 5 Obvod pro měření napájecího proudu Kondenzátor C B má funkci blokovacího kondenzátoru, který poskytuje logickému obvodu energii při změnách stavu. Pro blokování napájení je možno použít blokovací kondenzátor C B o kapacitě např. 22 uf, který zajistí, že se i při krátkodobých impulsních změnách stavu obvodu bude konstantní napětí na svorce U CC. Měřením se určí klidový napájecí proud I CC. Pokud se napětí U i začne pohybovat v oblasti rozhodovací úrovně U TH, napájecí proud pronikavě naroste. Při měření tohoto zvýšeného proud se využije dodatečný rezistor R 4 = 100 Ohmů a menší, který se připojí paralelně k R 3. Velikost snímacího odporu je pak dána paralelní kombinací R 3 a R 4. Určení vnitřního odporu výstupu Nastaví se aby výstup byl ve stavu H, případně L, obvod se připojí svorkou U CC přímo na napájení + 5 V. (Snímací rezistor R3 se při tomto měření zkratuje vodičem, takže R3 = 0!) Určí se napětí U OP naprázdno a napětí U OL, když se výstup se zatíží odporem R Z (např. 1 kohm) proti. Z těchto dvou napětí a hodnoty R Z se určí hodnota R H. Analogicky to bude pro určení R L. Potřebné vztahy odvoďte. + 5 V + 5 V C B Ucc C B Ucc R H R Z R L R Z U o U o Obr.6 Zapojení pro určení vnitřního odporu R H a R L 4

5 Demonstrace přítomnosti substrátových diod U obvodů CMOS se nesmí přepólovat polarita napájení, protože by substrátové diody byly polarizovány v propustném směru. V úloze se demonstruje přítomnost těchto diod. Do série s napájecí svorkou se vloží ochranný rezistor 1000 Ohmů, který omezí velikost protékajícího proudu. R S = V Ucc U F + 5 V Obr. 7 Zapojení pro demonstraci přítomnosti substrátových diod Demonstrace se provede s dodaným obvodem mikropočítače, např. firmy Microchip PIC 16C54, případně s obvodem 74HC04, 74HCT04. Učí se napětí v předním směru U F. Pozor, pokud se nepoužije rezistor R S o vhodné hodnotě, případně se neosadí vůbec, mohl by experiment mít destruktivní charakter. Toto úlohou se demonstruje důvod, proč se u obvodů CMOS nesmí přepólovat napájení. Pokud se přepóluje napájení obvodu CMOS a je použit napájecí zdroj s proudovým omezením např. na 100 ma, nemusí to vést k poškození. Pokud by se však např. použil k napájení zdroj z PC s limitním proudem 25 A, obvod se zničí a při své destrukci může ohrozit i obsluhu. Poznámka: Pokud se některá měření z této úlohy nestihnou v 2. týdnu, je možné je dokončit na začátku cvičení ve 3. týdnu při měření dynamických parametrů obvodů CMOS. 5

6 Informace k součástkám: Na základě poznatků ze cvičení a vedeni snahou a snížení spotřeby součástek uvádíme níže doplňkové informace o vývodech součástek. Integrované obvody v pouzdře DIL Integrované obvody - indexová značka je na pouzdře vytvořena např. prohlubní. Obvody se číslují zásadně ve směru proti hodinovým ručičkám. Vývod číslo jedna je umístěn vždy vlevo indexová značka pin č. 1 pin č. 14 pin č. 7 pin č. 8 od indexové značky. Toto platí nejen u integrovaných obvodů v pouzdrech DIL, ale s jistými modifikacemi tvaru indexové značky i u pouzder pro povrchovou montáž (SMD). Světloemitující diody LED Ve cvičeních se používají LED pro účely indikace. Velikost napětí na LED v předním směru závisí na barvě (s klesající vlnovou délkou - červené, žlutá, zelená - roste napětí) a konstrukci čipu LED. Při výpočtu velikosti předřadného odporu je možno u používaných červených LED vycházet z přibližné hodnoty Uak = 2 V (odchylka + / - 0,3 V). Maximální proud protékající LED se doporučuje volit typicky do hodnoty 10 ma. V této úloze postačuje pro indikaci stavu výstupu pouze malý proud, proto použitý odpor použitého rezistoru může mít hodnotu řádu kilohmů. indexová značka katoda anoda Katoda LED je označena kratší délkou vývodu a indexovou značkou na pouzdře. Indexová značka bývá ve formě prohloubení pouzdra ze spodu, zploštění dolní části pouzdra. Na snímku LED je katoda vlevo. Blokovací kondenzátory - elektrolytický, tantalový, keramický Blokovací kondenzátor má v obvodu za úkol zásobovat blokovaný obvod elektrickým proudem při rychlých změnách jeho odběru. Má se zapojit co nejblíže napájecím vývodům integrovaného obvodu ke kontaktům Ucc a. Snižuje se tak působení impedance přívodních vodičů, jimiž je obvod na kontaktním poli připojen k napájecímu zdroji. 6

7 tantalový kondenzátor 47 uf keramický kondenzátor 100 nf - ( minus) pól + ( plus) pól elektrolytický kondenzátor 22 uf - ( minus) pól + ( plus) pól Velmi populárně řečeno, kondenzátor, umístěný blízko integrovaného obvodu zde působí podobně, jak malý příruční sklad - zásobárna - energie, ze které je možno hradit okamžité požadavky na zvýšený odběr po dobu, než dopravní cestou (přívodními vodiči) dorazí požadovaná energie. Pokud by poblíž integrovaného obvodu nebyl blokovací kondenzátor, zvýšený požadavek na proudový odběr by vedl k poklesu napájecího napětí nejen pro daný obvod, ale i pro okolní obvody umístěné na kontaktním poli. Blokovací kondenzátor musí být schopen dodávat elektrickou energii dostatečně rychle podle požadavků příslušného integrovaného obvodu. Tedy čím je integrovaný obvod rychlejší, tím rychlejší jsou i změny jeho proudového odběru a tím kvalitnější blokovací kondenzátor - (s menší parazitní vnitřní sériovou indukčností) musí být použit. Elektrolytický kondenzátor je nejpomalejší, ale pro účely aplikací v předmětu zcela postačuje. Pro vyšší nároky je možno použít tantalový kondenzátor, případně řadit paralelně elektrolytický a keramický kondenzátor. Pozor: Tantalové a elektrolytické kondenzátory mají určenu polaritu. Při přepólování se obvykle poškodí a mohou i vybuchnout, kdy pak může dojít i k úrazu létajícími střepinkami. Nepájivé kontaktní pole Nepájivé kontaktní pole v laboratořích slouží pro rychlou realizaci elektronických obvodů. Na kontaktním poli je propojeno vždy 5 kontaktů ( A,B, C, D, E) ve ležících v řadě vedle sebe vlevo, případně vpravo od střední dělicí drážky. Tyto dvě skupiny kontaktů jsou od sebe izolovány. Dále po celé délce je propojeno 50 kontaktů určených pro rozvod napájení. Na desce jsou tedy k dispozici čtyři nezávislé rozvody napájení. Rozvod označený červeně a + na jedné straně není propojen s rozvodem na opačné straně. Podobně je tomu modře označených rozvodů. 7

8 Pozor - u některých kusů kontaktních polí (nových a doposud nepoužívaných) se mohou projevit následující chyby. - Je zkrat mezi některými sousedními dvěma pěticemi kontaktů. - Rozvod napájení není propojen po celé délce, ale je v polovině přerušen - pak je nutno propojit obě části pole drátovými propojkami dle níže uvedeného snímku. Propojovací vodiče Je vhodné používat propojovací vodiče s tlustším měděným drátem. U vodičů tenčích při odizolování a tahu někdy dojde neviditelnému přetržení měděného drátu skrytého v izolaci. Tato chyba je nepříjemná, protože se obvykle neočekává, že by použitým propojovacím vodičem nemohl protékat proud. Do kontaktního pole se naopak nesmí nastrkovat vývody o větším průměru. V žádném případě se do kontaktního pole nesmí napichovat hrot osciloskopické sondy. Napojení sondy do kontaktního pole je možné pouze s použitím drátu. Osciloskopické sondy Osciloskopické sondy se vývodem s krokodýlkem připojují na zem -, vývod s hrotem s připojuje na živý signál - výstup output. 8