1 4. Generátory obdélníkového signálu a MKO 1 Zadání 1. Sestavte generátor s derivačními články a hradly NAND s uvedenými hodnotami rezistorů a kapacitorů. Zobrazte časové průběhy v důležitých uzlech. Porovnejte naměřené průběhy s průběhy teoretické. 2. Zrealizujte generátor s obvodem 555 tak, aby generoval signál se zadaným kmitočtem. Výsledný průběh srovnejte s průběhem v úloze 1. Připojte na výstup a vstup I2 obvodu 555 osciloskop a zakreslete nebo vytiskněte průběhy v těchto uzlech. 3. Sestavte MKO s obvodem 74HC123 tak, aby, délka výstupního impulsu byla rovna 10 ms. Podobně jako v úloze 1 porovnejte průběhy naměřené s teoretickými. Průběhy zaznamenejte do grafů. 4. Sestavte za pomoci obvodu 555 a obvodu 74HC123 zařízení, které po zmáčknutí tlačítka bude po dobu T kmitat s frekvencí 36 khz. Dobu T vám zadá vyučující. Správnou funkci ověřte přípravkem přijímače, který po zmáčknutí tlačítka na zkušební desce změní text na displeji (prijem OK / neprijimam). Zakreslete do grafu generovaný průběh. 5. Do příštího cvičení vypracujte protokol, který bude obsahovat všechny požadované grafy. Správnost grafů doložte provedenými výpočty. Všechny nesrovnalosti v grafu věcně okomentujte. 6. Odpovězte na kontrolní otázky. 2 Teoretický úvod V digitální technice se často používají generátory obdélníkového průběhu s výstupními úrovněmi TTL. Jejich střída bývá často 1:1, ale není to pravidlo. Existují tzv. impulzní generátory, které periodicky generují impulzy, jejichž doba trvání je mnohem kratší než polovina periody. Pro jednoduché aplikace, nenáročné na přesnost a stabilitu výstupního kmitočtu, se používají generátory RC. Pro přesné a stabilní generátory se využívá selektivních vlastností piezoelektrického rezonátoru (krystalu). Generátor, jehož schéma je uvedeno na obr. 1, 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 následujícím vztahem. 1 1 1..
2 Pro povolení generování je nutné přivést na vstup G úroveň H. Doba úrovně H na výstupu je dána derivačním článkem R 2 C 2 a doba 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. Obr. 1: Schéma s derivačními články Další možnost, jak navrhnout generátor obdélníkového průběhu, je použití univerzálního časovače 555 s vhodnou kladnou zpětnou vazbou. Na obr. 2 je uvedeno blokové schéma obvodu 555. Základem obvodu jsou dva napěťové komparátory K 1 a K 2, z jejichž výstupů je ovládán klopný obvod RS. Mezi vývody 1 (společný vodič) a 8 (napájení) jsou zapojeny tři stejné rezistory s odporem 5 kω. Na tento dělič napětí jsou připojeny komparátory vždy jedním vstupem. Zbylé dva vstupy komparátorů tvoří dva využitelné vstupy časovače. Klopný obvod je ovládán výstupy obou komparátorů a také externím vstupem časovače R 0. Na výstup klopného obvodu je zapojen výkonový invertor, jehož výstup je zároveň výstupem celého časovače. Na výstup klopného obvodu je také připojena přes rezistor RB báze tranzistoru T, který je zapojen jako výstup s otevřeným kolektorem celého časovače. Funkci obvodu 555 můžeme popsat zjednodušeně. Bude-li vstupní napětí vstupu 2 časovače (R1) větší než 2/3 U B, výstup komparátoru K 2 vynuluje klopný obvod, stejně jako kdyby byl vynulován pomocí nulovacího vstupu časovače R0. Na výstupu celého časovače bude úroveň L (napětí blížící se potenciálu společného vodiče). Tranzistor T bude sepnut, takže výstup otevřený kolektor bude připojen ke společnému vodiči. Bude-li vstupní napětí vstupu 1 časovače (S) menší než 1/3 UB, výstup komparátoru K 1 aktivuje klopný obvod RS. Na výstupu celého časovače (výstup) bude H (napětí blížící se potenciálu napájecího napětí U B ). Tranzistor T je rozepnut. Z obvodu 555 je vyvedeno referenční napětí REF, které je rovno 2/3 U B. K vývodu REF můžeme připojit i vnější jiné referenční napětí U R. Pak nebudou vztažná napětí komparátoru 2/3UB a 1/3 UB, ale napětí U R a ½ U R.
3 Obr. 2: Zjednodušené vnitřní schéma obvodu 555 Tento obvod lze použít jako monostabilní klopný obvod, zpožďovač, generátor obdélníkového průběhu o konstantním kmitočtu, generátor řízený napětím atd. Obr. 3: Schéma generátoru pravoúhlých kmitů s obvodem 555 řízeného napětím V případě, že by odporový dělič realizovaný trimrem R R nebyl do obvodu zapojen, získáme generátor, jehož výstupní kmitočet je dán odpory rezistorů R A, R B a kapacitou kapacitoru C. Vztahy pro výpočet doby, kdy je na výstupu H (t 1 ) a kdy je L (t 2 ) jsou následující. t 1 0,7 (R A + R B ) C, ( 1 ) t 2 0,7 R B C. ( 2 )
4 Většinou postupujeme tak, že si zvolíme C a pak dopočítáme R A a R B. Další možnost, jak navrhnout generátor obdélníkového průběhu, je použití dvou monostabilních klopných obvodů podle 4. Obr. 4: Schéma generátoru s monostabilními klopnými obvody 74HCT123 Klopný obvod 1 generuje impulzy s dobou trvání danou vztahem T 1 X R 1 C 1. ( 4 ) T 1 je doba trvání H na výstupu Q1. Sestupnou hranou těchto impulzů se spouští klopný obvod 2, který generuje pulzy s dobou trvání T 2 X R 2 C 2. (5 ) T 2 je doba trvání L na výstupu Q1. Sestupná hrana tohoto impulzu zase spouští klopný obvod1. Celková doba periody je dána vztahem T = T 1 + T 2 X (R 1 C 1 + R 2 C 2 ). (6 ) Člen R 3 C 3 zajišťuje bezpečný rozběh po zapnutí napájení. Generátor generuje pulzy pouze je-li sepnuté tlačítko start.
5 3 Pracovní postup 1. Sestavte generátor s derivačními články podle schématu na obr. 1. Použijte kapacitou C1 a C2 s kapacitami přibližně 22 nf a rezistory R1 a R2 s rezistory 1,5 kω. Připojte osciloskop na uzly X a Y obvodu popsané ve schématu a zakreslete průběhy signálu. Porovnejte naměřené průběhy s průběhy teoretickými. Obr. 1: Schéma zapojení s derivačními články Potenciometry, které se nacházejí na zkušební desce, obsahují ochranný rezistor 1kΩ. Rezistor je připojen v sérii s běžcem potenciometru. Tedy nelze dosáhnout menšího odporu jako 1 kω. Potenciometry P1, P2, P3, P4 lze nastavit maximálně na hodnotu 51 kω. V zapojení nahraďte rezistory R1 a R2 potenciometry, které vhodně nastavíte na požadovanou hodnotu, obdobně postupujte u všech úloh. Všechny obvody (NE 555, 74HC123, 74HC00) na zkušební desce již mají připojené napájení. Hodnoty kondensátorů na zkušební desce jsou uvedeny v tabulce 1. Pamatujte, že kondenzátory lze kombinovat paralelně, a tím dosáhnout vyšší kapacity!!! Tabulka 1: Hodnoty kondenzátorů C A, C B a C D Ca hodnota Cb hodnota Cd hodnota C1.1 420 pf C2.1 420 pf C3.1 1 µf C1.2 1 nf C2.2 1 nf C3.2 1 µf C1.3 3,3 nf C2.3 3,3 nf C3.3 1 µf C1.4 10 nf C2.4 10 nf C3.4 1 µf C1.5 33 nf C2.5 33 nf C3.5 1 µf 2. Sestavte generátor s obvodem CMOS 555 podle obr. 2. Kapacity a odpory navrhněte vhodně podle vztahů níže (bez připojeného řídicího napětí) tak, aby generátor generoval signál se zadaným kmitočtem. Generátor sestrojte nejdříve bez potenciometru připojeného na vstup 5 integrovaného obvodu 555 a ověřte, že generátor pracuje. Zaznamenejte oba průběhy (vývod 6 a 3 integrovaného obvodu 555). t1 0,7. (RA + RB). C, t2 0,7. RB. C Poté připojte potenciometr do obvodu podle schématu a změřte a nakreslete závislost výstupního kmitočtu na řídicím napětí f=f(u Ř ). Měřte pro dostatečný počet bodů charakteristiky.
6 33 nf Obr. 2: Schéma generátoru pravoúhlých kmitů s obvodem 555 3. Sestavte MKO podle obr. 3, tak aby délka impulsu byla 50 ms. Hodnoty součástek zvolte vhodně dle vzorce t x. R. C Hodnotu x odečtěte z katalogového listu k danému obvodu.74hc123 (Např. www.ti.com str.8/19 Figure 5 typical K factor as function of Vcc). Výstupní průběh zaznamenejte na osciloskopu a překreslete do protokolu. Obr. 3: Schéma monostabilního klopného obvodu (MKO) s obvodem 74HC123 Vývod na zkušební desce na tlačítku Sb již je na desce zapojen na zem. Osaďte jenom vývod Sa dle obr. 3. 4. Pomoci obvodu 555 plnícího funkci generátoru obdélníkového signálu a obvodu 74HC123 jako MKO sestavte zařízení, které je uvedeno na obr. 4, kterým bude možné ovládat přípravek s displejem. Generátor bude kmitat na frekvenci 36 khz po dobu T. Dobu trvání impulsu T s obvodem 555, kterou zajistí MKO vám zadá vyučující. Na přípravku s displejem nastavíte program, kterému odpovídá zadaná doba trvání impulsu T. Seznam programů, a jím odpovídající časy jsou uvedeny v tabulce. 2. Nastavení programu se provádí zapnutím zařízení pomoci červeného tlačítka obr. 5. Pomoci modrého tlačítka nastavte menu tak, aby v horní části displeje bylo napsáno volba
7 programu obr. 6. Pro změnu programu slouží šedé tlačítko. Tlačítko šedé po zmáčknutí čítá směrem nahoru po jednom kroku od 1 až do 5 v cyklu. Po zvolení programu se pomoci modrého tlačítka přesunete v menu tak, aby na displeji bylo napsané neprijimam obr. 7. Nyní můžete odzkoušet, zda váš přípravek vysílač splňuje podmínku, kterou jste si zvolením programu nastavili. Tedy je-li správně nastavená frekvence a délka impulsu vysílací části. Pokud jste postupovali správně a všechny parametry budou odpovídat těm nastaveným, tak po zmáčknutí tlačítka se na dobu cca. 3 vteřin změní text na displeji z neprijimam na prijem OK. Výsledek předveďte vyučujícímu. Pokuste se modifikovat generátor s obvodem 555 za pomoci zapojení s derivačními články z úlohy 1. Výsledek opět odzkoušejte na přípravku přijímače. Rezistor R5, který je na obr. 4 zobrazen neosazujte, na desce je již osazen. Pokud je deska s tlačítkem správně připojená k desce s displejem (přijímačem) svítí na desce s tlačítkem žlutá LED dioda. 0br. 4 : Schéma zapojení vysílače s využitím generátoru 555 a MKO 74HC123 Tabulka 2: Seznam programů Program T [ms] 1 15 2 25 3 35 4 45 5 55 Tolerance přípravku přijímače je ± 1,5ms
8 0br. 5 : Modul přijímače vypnutý stav 0br. 6 : Modul přijímače po zapnutí v menu volba programu 0br. 7 : Modul přijímače po zapnutí v menu detekční mód
9 Protokol jméno: skupina: Graf 1: Generátor s derivačními články Graf 2a: Generátor s obvodem 555 (vývod 6 a 3)
10 Graf 2b: : Generátor s obvodem 555 f=f(u Ř ). Graf 3:Monostabilní klopný obvod s obvodem 74HC123
11 Graf 4:Výstupní funkce zařízen pro řízení infra LED diody Výpočty pro generátory Kontrolní otázky: 1. Nakreslete zapojení generátor obdélníkového průběhu s obvodem 555, tak aby měl střídu 1:1. 2. Vysvětlete pojmy monostabilní klopný obvod, bistabilní klopný obvod a astabilní klopný obvod. 3. K čemu se v digitální technice používají monostabilní klopné obvody?