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 Zadání Vytvořte jednoduché zapojení pro ověření funkce digitálně-analogového rozhraní. Vykreslete analogovou výstupní charakteristiku pro všechny možné stavy digitálního signálu. Netlist
* Schematics Netlist * U_DSTM 1 STIM (1,1) + $G_DPWR $G_DGND + 1 IO_STM IO_LEVEL=0 + 0s 0 +5ns R +5ns 1 + +5ns F +5ns 0 +5ns Z + +5ns X R_R1 1 0 {1/GM IN}
Schéma
Obr. 1.1: Schéma pro posuzování převodu digitálního signálu na signál analogový
___________________________________________________________________________ Postup 1. Nakreslete schéma dle netlistu (Stim1, BUF). 2. Hodnotu odporu nastavte na {1/GM IN} – pro simulaci maximálního možného zatěžovacího odporu. Parametr GM IN lze najít v nastavení simulačního profilu v záložce Option (ve vlastnostech .OPTIONS). 3. Nastavte zdroj digitálního signálu. 4. Uložte. Spusťte analýzu. 5. Analyzujte výsledky.
Výsledky SEL>> 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 Zadání Vytvořte BCD dekodér pomocí obvodu 74HC42.
Netlist Schéma * Schematics Netlist * U_DSTM 1 STIM (4,1111) + $G_DPWR $G_DGND + D0 D1 D2 D3 + IO_STM IO_LEVEL=0 + TIM ESTEP=10ns + 0s 0000 + LABEL=STARTLOOP + 10c INCR BY 0001 + 20c GOTO STARTLOOP + UNTIL GE 1110 X_U1 D3 D2 D1 D0 M _UN0001 M _UN0002 +M _UN0003 M _UN0004 Obr. 1.3: Buzení BCD dekodéru digitálním M _UN0005 M _UN0006 zdrojem signálu +M _UN0007 M _UN0008 M _UN0009 M _UN0010 +$G_DPWR $G_DGND 74HC42 PARAM S: + IO_LEVEL=0 M NTYM XDLY=0 ___________________________________________________________________________ Postup 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 STIM 4 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.
1.3 Čítač impulsů Zadání Vytvořte jednoduchý čítač impulsů. Netlist
Schéma
* Schematics Netlist *
U_DSTM 4 STIM (1,1) $G_DPWR $G_DGND +N22865 IO_STM IO_LEVEL=0 +00 + +0.1u 1 +REPEAT FOREVER + +0.1u 0 + +0.1u 1 + ENDREPEAT X_U3A N22865 N23672 M _UN0001 M _UN0002 +M _UN0003 M _UN0004 $G_DPWR $G_DGND +74393 PARAM S: + IO_LEVEL=0 M NTYM XDLY=0 U_DSTM 1 STIM (1,0) $G_DPWR $G_DGND +N23672 IO_STM STIM ULUS=SET
Obr. 1.5: Schéma zapojení čítače impulsů (prvky: DigClock, DigStim1, 74393/7400)
______________________________________________________________________________________________ Postup 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
Obr. 1.7: Nastavení výstupního signálu digitální zdroje DigStim 2. Nastavte časovou analýzu. 3. Uložte. Spusťte analýzu. 4. Analyzujte výsledky (impuls CLR, generovaný zdrojem DSTM 1, způsobuje mazání počítání, čítač reaguje na sestupnou hranu vstupního signálu). Výsledky
Obr. 1.8: Výstupní úrovně čítače impulsů
1.4 Dělička frekvence Zadání Realizujte vyučujícím zadanou děličku kmitočtu pomocí čítače 74ALS193. Použijte vstupy A, B, C, D pro přednastavení čítače. Děličku realizujte pomocí: čítání vzad, čítání vpřed. Postup 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.
Netlist * Schematics Netlist * U_DSTM 1 STIM (1,1) + $G_DPWR $G_DGND + N26493 IO_STM + IO_LEVEL=0 + 0s 0 0.1u Z U_DSTM 2 STIM (1,1) $G_DPWR $G_DGND +N25612 IO_STM IO_LEVEL=0 + 0 0 +0.1u 1 REPEAT FOREVER +0.1u 0 + +0.1u 1 ENDREPEAT X_U1 VDD N25612 0 N26493 VDD 0 VDD 0 +M _UN0001 M _UN0002 + M _UN0003 M _UN0004 N26493 M _UN0005 +$G_DPWR $G_DGND 74193 PARAM S: + IO_LEVEL=0 M NTYM XDLY=0 V_V1 VDD 0 5V
Schéma
Obr. 1.9: Schéma zapojení děličky kmitočtu (u zdroje DSTM 1 nastavit COM M AND2 = 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 Zadání 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. Postup 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,
b. Určete frekvenci, sřídu a dobu ustálení výstupního signálu. Netlist * Schematics Netlist * R_R2 0 IN2 1.5k X_U1A IN1 IN1 OUT1 $G_DPWR +$G_DGND 7400 PARAM S: +IO_LEVEL=0 M NTYM XDLY=0 X_U2A IN2 IN2 OUT2 $G_DPWR +$G_DGND 7400 PARAM S: +IO_LEVEL=0 M NTYM XDLY=0 C_C1 OUT1 IN2 22n C_C2 IN1 OUT2 22n R_R1 0 IN1 1.5k .IC V(IN1 )=5
Schéma
Obr. 1.10: Schéma 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 R2 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 1 1 1 dán vztahem 𝐹 = 𝑇 = 𝑇 +𝑇 ≅ 1,1∗(𝑅 ∗𝐶 ∗𝑅 ∗𝐶 ). Pro povolení generování je nutné přivést na 1 2 1 1 2 2 vstup G úroveň H. Doba úrovně H na výstupu je dána derivačním článkem R 2C2 a doba
úrovně L je dána článkem R1C1. V případě, kdy platí R1 = R2 a současně C1 = C2, je střída výstupního signálu 1:1.
