Hoofdstuk5
1
Hoofdstuk5: Praktische realisatie van logische schakelingen Inleiding Bestaande poortschakelingen Hoog- en laagactieve signalen Poorten en hun waarheidstabel Praktische realisaties Ingangsschakelingen Ingangsschakelingen met galvanische scheiding Uitgangsschakelingen Uitgangsschakelingen met galvanische scheiding Overdracht van een digitaal signaal over een langere afstand
Peter Slaets ()
Digitale en analoge technieken
October 6, 2005
1 / 19
Inleiding
Hoe logische schakelingen in de praktijk bouwen ? Hoe in- en uitgangen aansluiten ? Welke digitale bouwstenen zijn er in de praktijk verkrijgbaar ?
Peter Slaets ()
Digitale en analoge technieken
October 6, 2005
2 / 19
Vertragingstijd definities
Drie verschillende reeksen: 4000 series (oud,+6V) en de 74xx series (nieuw 6V), 54xx Verschillen: 1 2 3 4
werkingstemperatuur: 0-70 vs. -55-125 voedingsspanning: +6V (CMOS) vs. 2-6V(HC) of 5V(HCT) maximale frequentie: 1MHz vs. 25-35 MHz uitgang: 5mA leveren vs. 16-20mA
Extra productiedatum: jaartal(2)+productieweek(2) xx staat voor standaard, H (high-speed), L(low-power), S(Schottky), LS(low-power Schottky), AS(advanced Schottky), ALS, C(Complementary), HC(High speed complementary), HCT(High-speed TTL complementary) , AC(Advanced high-speed CMOS), ...
Peter Slaets ()
Digitale en analoge technieken
October 6, 2005
3 / 19
Vertragingstijd definities
Peter Slaets ()
Digitale en analoge technieken
October 6, 2005
4 / 19
Hoog- en laagactieve signalen
In- en uitgangschakelingen waar/actief als signaalniveau hoog → hoogactief signaal In- en uitgangschakelingen waar/actief als signaalniveau laag → laagactief signaal Meestal hoogactieve signalen Omzetting hoogactief naar laagactief gebeurt via invertor 1
2
Door een keuze van de verwachte ingangs- en uitgangsignalen (hoog-laag actief) verandert het actieve niveau van het ingangssignaal Door een verandering van logische niveau via een invertor verandert men het actieve niveau van het ingangssignaal
4 gevallen: zelfde, waar actief hoog → waar actief laag, waar actief hoog → onwaar actief hoog, waar actief hoog → onwaar actief laag
Peter Slaets ()
Digitale en analoge technieken
October 6, 2005
5 / 19
Hoog- en laagactieve signalen
Peter Slaets ()
Digitale en analoge technieken
October 6, 2005
6 / 19
Poorten en hun waarheidstabel Meestal hoogactieve signalen: AND/NAND/OR/NOR/EXOR
Peter Slaets ()
Digitale en analoge technieken
October 6, 2005
7 / 19
Praktische realisaties
Als alle in- en uitgangssignalen laagactief zijn dan bekomen we:
Peter Slaets ()
Digitale en analoge technieken
October 6, 2005
8 / 19
Ingangssignalen Een ingang wordt verwezenlijkt door een schakelaar via laagactieve signalen:
Waarom schakelaar niet bovenaan zetten en de weerstand naar de massa ? 1
De 5V geleidt rechtstreeks naar de massa zonder omwegen
2
De weerstand R zorgt dat de stroom beperkt blijft (pull-up max. 65kΩ voor 40 µA in TTL en pull-down max. 250 Omega voor 1,6 mA uit TTL met 0,4V B-E)
Peter Slaets ()
Digitale en analoge technieken
October 6, 2005
9 / 19
Ingangssignalen
Het sluitende/openend contact zorgt voor enkele vonkenbogen zodat er dender ontstaat
1
botsingen afhankelijk van type contact
2
duur van 1 tot 10 ms
3
schakelfrequentieteller zal te veel impulsen tellen !!!
Peter Slaets ()
Digitale en analoge technieken
October 6, 2005
10 / 19
Debouncing met condensator
Condensator werkt als een laagdoorlaatflter:
Peter Slaets ()
Digitale en analoge technieken
October 6, 2005
11 / 19
Debouncing met condensator
Meer robuustheid wordt verkregen door een invertor met een Schmitt-trigger:
Peter Slaets ()
Digitale en analoge technieken
October 6, 2005
12 / 19
Debouncing met omschakelcontact
Schakelaar met omschakelcontact (verbreek voor maak) kan dendervrij gemaakt worden door deze SR-flipflop die enkel van uitgang verandert als beide ingangen van 0-1 naar 1-0 gaan (0-0 doet niets)
Peter Slaets ()
Digitale en analoge technieken
October 6, 2005
13 / 19
Softwarematige debouncing
Een ingang wordt pas aanvaard als ze een tijdspanne gelijk gebleven is
Peter Slaets ()
Digitale en analoge technieken
October 6, 2005
14 / 19
Galvanische scheiding Indien de ingangs aan een hoge spanning hangt (220V) kan een kortsluiting/aardstromen de ganse schakeling vernielen. Oplossing: 1
relais contact
2
optokoppelaar (goedkoop-bedrijfszekere)
Peter Slaets ()
Digitale en analoge technieken
October 6, 2005
15 / 19
Uitgangsschakelingen uitgang onvoldoende om stroom te leveren voor lamp/relais/... versterkingstrap nodig via vermogenstransistor of Darlingtontransistor uitgangsstroom 400 µA + schakeltransitor (β = 20 − 40) stroom naar 8-16 mA (te weinig?) Relaisspoel is zelfinductantie die bij uitschakeling een stroomstoot door het circuit stuurt De stroomstoot wordt opgevangen door de vrijloopdiode die de energie absorbeerd Toegepast in elke IC (goedkoper)
Peter Slaets ()
Digitale en analoge technieken
October 6, 2005
16 / 19
Uitgangsschakelingen
Eenvoudige LED aansturen via LED(1,6v)+R(3V)+Vcc(5V)+uitgang(0,4V): transistoren kan 6-10mA sinken
Peter Slaets ()
Digitale en analoge technieken
October 6, 2005
17 / 19
Galvanische scheiding Oplossing: 1
relais contact
2
optokoppelaar (goedkoop-bedrijfszekere)
3
solid state relais led+lichtgevoelige TRIAC: schakelen alleen bij nuldoorgang netspanning
4
levensduur lang + bedrijfszekerheid
Peter Slaets ()
Digitale en analoge technieken
October 6, 2005
18 / 19
Overdracht
Signalen worden differentieel doorgestuurd (twisted pair) in plaats van
t.o.v. de massa
Peter Slaets ()
Digitale en analoge technieken
October 6, 2005
19 / 19
