Mˇeˇren´ı na klopn´ych obvodech ˇ Ondˇrej Sika
Obsah 1 Zad´ an´ı 2 Teoretick´ yu ´ vod 2.0.1 doba n´abˇehu impulsu . . . . . . . 2.0.2 pˇrekmit ˇcela . . . . . . . . . . . . 2.0.3 ˇs´ıˇrka impulsu . . . . . . . . . . . 2.0.4 pokles vrcholu (temene) impulsu 2.0.5 doba zpoˇzdˇen´ı impulsu . . . . . . 2.0.6 doba dobˇehu (t´ ylu) . . . . . . . . 2.0.7 dokmit impulsu . . . . . . . . . . 2.0.8 ˇcinitel vyuˇzit´ı . . . . . . . . . . . 2.0.9 kl´ıˇcovac´ı pomˇer . . . . . . . . . . 2.0.10 perioda sign´alu T . . . . . . . . 2.0.11 frekvence sign´alu . . . . . . . . . 2.0.12 stˇredn´ı v´ ykon sign´alu Ps . . . . . 2.0.13 impulsov´ y v´ ykon sign´alu . . . . . 2.1 Druhy klopn´ ych obvod˚ u . . . . . . . . . 2.1.1 Monostabiln´ı klopn´ y obvod . . . . 2.1.2 Astabiln´ı klopn´ y obvod . . . . . . 2.1.3 Bistabiln´ı klopn´ y obvod . . . . . 2.1.4 Schmitt˚ uv klopn´ y obvod . . . . .
1
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
1 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 3 3 3 4 4 4 5 5
3 Postup mˇ eˇ ren´ı
6
4 Namˇ eˇ ren´ e hodnoty 4.1 Astabiln´ı klopn´ y obvod(555) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Astabiln´ı klopn´ y obvod(diskr´etn´ı) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7 7 7
5 Z´ avˇ er
8
ˇ Ondˇrej Sika
Mˇeˇren´ı na klopn´ ych obvodech
1
Zad´ an´ı 1. Pomoc´ı digit´aln´ıho osciloskopu zmˇeˇrte a zhodnot’te pr˚ ubˇehy v´ ystupn´ıch sign´al˚ u astabiln´ıho klopn´eho obvodu (AKO) sestaven´eho z diskr´etn´ıch souˇc´astek, astabiln´ıho klopn´eho obvodu (AKO) realizovan´eho pomoc´ı ˇcasovaˇce (obvod 555, 556 nebo 558) Pˇri nastaven´ı tvaru a velikosti sign´alu na st´ın´ıtku osciloskopu se ˇrid’te poˇzadavky v dalˇs´ıch bodech zad´an´ı. V pˇr´ıpadˇe potˇreby sejmˇete cel´ y sign´al i nˇekter´e jeho zvˇetˇsen´e detaily. ˇ 2. Zhodnot’te kvalitu v´ ystupn´ıch obd´eln´ıkov´ ych sign´al˚ u na z´akladˇe mˇeˇren´ı VSECH ˇ RITELN ˇ ´ ´ ˇ ´ ´ ME YCH NEBO VYPO CTEM DANYCH CHARAKTERISTICKYCH PARAMETR˚ U periodick´ ych obd´eln´ıkov´ ych sign´al˚ u uveden´ ych n´ıˇze! Hodnoty potˇrebn´e pro urˇcen´ı parametr˚ u vyznaˇcte a popiˇste v namˇeˇren´ ych pr˚ ubˇez´ıch. 3. Urˇcete velikost napˇet’ov´e hystereze Schmittova klopn´eho obvodu (SKO) sestaven´eho z diskr´etn´ıch souˇca´stek Schmittova klopn´eho obvodu (SKO) realizovan´eho pomoc´ı ˇcasovaˇce 555, 556 nebo 558 Na digit´aln´ım osciloskopu zobrazte a vytisknˇete jak ˇcasov´e pr˚ ubˇehy vstupn´ıho a v´ ystupn´ıho sign´alu SKO, tak pr˚ ubˇeh hysterezn´ı smyˇcky“. Hysterezi vy” znaˇcte a popiˇste. 4. V z´avˇeru mˇeˇren´ı porovnejte namˇeˇren´e parametry a zhodnot’te moˇznosti vyuˇzit´ı dan´ ych obvod˚ u v praxi.
2
Teoretick´ yu ´ vod
Elektrick´ y impulz Elektrick´ y impuls se rovn´a ˇcasov´emu pr˚ ubˇehu napˇet´ı nebo proudu p˚ usob´ıc´ıho po urˇcitou dobu. M˚ uˇze b´ yt jednor´azov´ y nebo opakuj´ıc´ı se – periodick´ y. Nejˇcastˇejˇs´ım typem impuls˚ u je videoimpuls, kter´ y nab´ yv´a hodnotu od nuly do konstanty a lze jej popsat obecnou funkc´ı s(t). Dalˇs´ım typem impuls˚ u je radioimpuls, pˇredstavovan´ y ˇradou harmonick´ ych kmit˚ u napˇet´ı nebo proudu, nejˇcastˇeji vysokofrekvenˇcn´ımi, jejichˇz amplituda se mˇen´ı s ˇcasem a ob´alka radioimpulsu m´a tvar videoimpulsu. Radioimpuls je tedy vlastnˇe videoimpuls namodulovan´ y na nosnou vlnu. Tvar impulsu je urˇcen jednak vlastn´ım poˇzadavkem a d´ale moˇznost´ı jeho realizace.
1
ˇ Ondˇrej Sika
Mˇeˇren´ı na klopn´ ych obvodech
Funkce s(t) m˚ uˇze vyjadˇrovat skuteˇcn´ y ˇcasov´ y pr˚ ubˇeh napˇet´ı nebo proudu. Je zˇrejm´e, ˇze impuls se na poˇca´tku zvˇetˇsuje s koneˇcnou rychlost´ı r˚ ustu ke sv´e jmenovit´e hodnotˇe A, ke kter´e dospˇeje po ust´alen´ı zakmit´avac´ıch jev˚ u. Tato ˇc´ast impulsu se naz´ yv´a ˇcelo (n´abˇeh) impulsu. Ploch´a ˇca´st impulsu, kter´a se naz´ yv´a vrchol nebo temeno, nem´a konstantn´ı hodnotu, ale s relativnˇe menˇs´ı rychlost´ı se zmenˇsuje. podobnˇe i na sv´em konci nem´a impuls skokovou zmˇenu amplitudy, ale jeho hodnota ub´ yv´a s koneˇcnou rychlost´ı k nule. T´eto ˇca´sti impulsu ˇr´ık´ame t´ yl nebo t´eˇz dobˇeh. Podobnˇe jako na poˇca´tku se m˚ uˇze i na konci impulsu objevit zakmit´av´an´ı kolem nulov´e u ´rovnˇe. mezi charakteristick´e parametry impulsu patˇr´ı (viz obecn´ y tvar impulsu). 2.0.1
doba n´ abˇ ehu impulsu
Je nejˇcastˇeji definov´ana jako n´ar˚ ust impulsu z hodnoty 0,1A na 0,9A (10 2.0.2
pˇ rekmit ˇ cela
Je urˇcen pomˇerem maxim´aln´ı hodnoty pˇrekmitu impulsu DAr pˇres jmenovitou u ´roveˇ n a ke jmenovit´e hodnotˇe A a ud´av´a se obvykle v procentech : γr = 2.0.3
∆Ar ∗ 100[%] A
ˇ s´ıˇ rka impulsu
U obecn´eho impulsu je tˇreba upˇresnit urˇcen´ım u ´roveˇ n impulsu, ke kter´e ˇs´ıˇrku impulsu vztahujeme - nejˇcastˇeji uvaˇzujeme ˇs´ıˇrku impulsu na u ´rovni 0, oznaˇcenou symbolem ti, nˇekdy je ˇs´ıˇrka uvaˇzov´ana na u ´rovni 0,5A a oznaˇcena symbolem ta, 2.0.4
pokles vrcholu (temene) impulsu
V procentech vyj´adˇren´ y u ´bytek hodnoty sign´alu v porovn´an´ı s jeho jmenovitou hodnotou A : ∆Av ∗ 100[%] γv = A
2
ˇ Ondˇrej Sika
Mˇeˇren´ı na klopn´ ych obvodech
2.0.5
doba zpoˇ zdˇ en´ı impulsu
ˇ Cas, za kter´ y ˇcelo impulsu dos´ahne pˇredem definovan´e u ´rovnˇe, od doby pˇr´ıchodu spouˇstˇec´ıho sign´alu - obvykle doba definovan´a dosaˇzen´ım u ´rovnˇe 0,1A, nˇekdy dosaˇzen´ım u ´rovnˇe 0,5A, 2.0.6
doba dobˇ ehu (t´ ylu)
ˇ nutn´ Cas y k poklesu impulsu z 0,9A na 0,1A, 2.0.7
dokmit impulsu
Urˇcen pomˇern´ ym pˇrekmitnut´ım sign´alu pod nulovou u ´roveˇ n , vyj´adˇren´ ym obvykle v procentech : ∆Az ∗ 100[%] γz = A 2.0.8
ˇ cinitel vyuˇ zit´ı
D´an pomˇerem ˇs´ıˇrky impulsu ti k dobˇe periody T : α= 2.0.9
ta = ta ∗ f T
kl´ıˇ covac´ı pomˇ er
D´an pˇrevr´acenou hodnotou ˇcinitele vyuˇzit´ı impulsu a, 2.0.10
perioda sign´ alu T
ˇ trv´an´ı jednoho opakovan´eho cyklu Cas 2.0.11
frekvence sign´ alu
f = 1/T – poˇcet opakov´an´ı za 1s 2.0.12
stˇ redn´ı v´ ykon sign´ alu Ps
Pˇredstavuje efektivn´ı v´ ykon impulsov´eho zaˇr´ızen´ı vztaˇzen´ y k dobˇe periody T - ˇcinitel K pˇredstavuje vodivost pro napˇet’ov´e sign´aly, odpor pro sign´aly proudov´e - veliˇcina A2 ef je druh´a mocnina efektivn´ı hodnoty sign´alu v dobˇe jedn´e periody T 2.0.13
impulsov´ y v´ ykon sign´ alu
Pˇredstavuje efektivn´ı v´ ykon impulsov´eho sign´alu vztaˇzen´ y pouze k ˇs´ıˇrce impulsu ti. Mezi stˇredn´ım a impulsov´ ym v´ ykonem plat´ı pˇrevodn´ı vztah : Pp =
Ps K ∗ A2ef = [%] α α
3
ˇ Ondˇrej Sika
Mˇeˇren´ı na klopn´ ych obvodech
2.1
Druhy klopn´ ych obvod˚ u
2.1.1
Monostabiln´ı klopn´ y obvod
Monostabiln´ı klopn´ y obvod m´a jeden stabiln´ı stav,v nˇemˇz m˚ uˇze setrvat libovolnˇe dlouho a Jeden kvazistabiln´ı stav,ve kter´em m˚ uˇze setrvat pouze pˇrechodnˇe - tzv.doba ˇ b´ kmitu.Obvod m˚ u Ze yt sestaven z diskr´etn´ıch souˇca´stek anebo m˚ uˇze b´ yt v integrovan´e podobˇe , avˇsak princip b´ yv´a vˇzdy podobn´ y.
Princip ˇ cinosti Po pˇripojen´ı nap´ajec´ıho napˇet´ı Ucc se otevˇre tranzistor T2, protoˇze teˇce b´azov´ y proud Ib pˇres odpor Rb. Napˇet´ı na kolektoru tohoto tranzistoru klesne k nule a v d˚ usledku vazby se T1 uzavˇre.Chceme-li tento stav zmˇenit , tak ˇr´ıd´ıc´ım impulzem otevˇreme T1 , t´ım se zmenˇs´ı napˇe t´ı na b´azi tranzistoru T2 a ten se uzavˇre.Tento stav (kvazistabiln´ı) nen´ı trval´ y, po vybit´ı kondenz´atoru C se tranzistory vr´at´ı do p˚ uvodn´ıho stavu. Na v´ ystupu dost´av´ame impulz, jehoˇz ˇs´ıˇrka je d´ana ˇcasovou konstantou τ = C ∗ RB Pouˇ zit´ı: jako ˇcasov´e sp´ınaˇce, zpoˇzd’ovaˇce impulz˚ u,dˇeliˇce impulz˚ u 2.1.2
Astabiln´ı klopn´ y obvod
Nem´a ˇza´dn´ y stabiln´ı stav,neust´ale se pˇrekl´ap´ı.B´ yv´a realizovan´ y jako obvod s kladnou zpˇetnou vazbou.Klasick´e zapojen´ı astabiln´ıho k.o. vyuˇz´ıv´a kapacitn´ı vazbu kolektorb´aze. Obvod m˚ uˇze b´ yt sestaven z diskr´etn´ıch souˇc´astek anebo m˚ uˇze b´ yt v integrovan´e podobˇe,avˇsak princip b´ yv´a vˇzdy podobn´ y.
Z´aporn´e napˇet´ı na b´azi uzavˇre tranzistor. Kladn´e napˇet´ı na b´azy uzavˇre tranzistor. Kdyˇz na T1 bude + tak na T2 bude - a naopak. V´ yst.2 je f´azovˇe otoˇcen´ y o 180 neˇz V´ yst.1 4
ˇ Ondˇrej Sika
Mˇeˇren´ı na klopn´ ych obvodech
Princip ˇ cinnosti Po pˇripojen´ı nap´ajec´ıho napˇet´ı Ucc se rychlejˇs´ı tranzistor otevˇre napˇr. T1.Na jeho kolektoru je mal´e napˇet´ı,kter´e pˇres kondenz´ator C2 zajist´ı uzavˇren´ı tranzistoru T2.V tomto stavu se na b´ıj´ı kondenz´ator C1 pˇres Rb1 a souˇcasnˇe se vyb´ıj´ı kondenz´ator C2 pˇres Rc1.Tento stav trv´a tak dlouho dokud se kondenz´ator C1 nenabije a C2 nevybije.T´ım se zvˇetˇs´ı napˇet´ı na b´azi tranzis toru T2, kter´ y se otevˇre a souˇcasnˇe se T1 uzavˇre.V tomto stavu se vyb´ıj´ı kondenz´ator C1 pˇres Rc2 a souˇcasnˇe nab´ıj´ı C2 pˇres Rb2.Tento stav trv´a tak dlouho dokud se kondenz´ator C1 nevy bije a kondenz´ator C2 nenabije.Tento dˇej se st´ale opakuje. Pouˇ zit´ı: jako gener´atory pravo´ uhl´ ych impulz˚ u , astabiln´ı multivibr´atory 2.1.3
Bistabiln´ı klopn´ y obvod
Bistabiln´ı klopn´ y obvod m´a dva stabiln´ı stavy, je konstruov´an tak, ˇze v obvodu m˚ uˇze b´ yt kaˇzd´ y z tˇechto dvou stav˚ u udrˇzen libovolnˇe dlouhou dobu, nen´ı-li poruˇsen vnˇejˇs´ım popudem. Obvod m˚ uˇze b´ yt sestaven z diskr´etn´ıch souˇca´stek anebo m˚ uˇze b´ yt v integrovan´e podobˇe , avˇsak princip b´ yv´a vˇzdy podobn´ y. ˇ ızen´ı tranzistor˚ Je tvoˇren dvˇema sp´ınaˇci.R´ u se dˇeje pˇres b´aze.Jde o obvod s kladnou zpˇetnou vazbou.
Princip ˇ cinnosti Pˇripojen´ım nap´ajec´ıho napˇet´ı Ucc se oba tranzistory zaˇcnou otev´ırat.Rychlejˇs´ı tranzistor se otevˇre dˇr´ıve napˇr. T1, na jeho kolektoru poklesne napˇet´ı.Toto napˇet´ı se pˇres odpor Rb2 pˇre- nese na b´azi tranzistoru T2, kter´ y se uzavˇre, jde o prvn´ı stabiln´ı stav kdy tranzistor T1 je otevˇren a T2 uzavˇren.Zmˇenu stavu zajist´ıme pˇriveden´ım impulzu na vtup 2.Tranzistor T2 se otevˇre a na jeho kolektoru poklesne napˇet´ı, kter´e se pˇres odpor Rb1 pˇrenese na b´azy tranzistoru T1, kter´ y se uzavˇre ,jde o druh´ y stabiln´ı stav kdy tranzistor T1 je uzavˇren a T2 otevˇren.Zmˇenu tohoto vztahu doc´ıl´ıme pˇriveden´ım impulzu na vstup 1. Pouˇ zit´ı: pouˇz´ıv´a se v poˇc´ıtaˇc´ıch jako pamˇet’ov´ y prvek,tvoˇr´ı soustavu registr˚ u,ˇc´ıtaˇc˚ u a dˇeliˇc˚ u jako dˇeliˇcka dvˇema (dvojkov´ y dˇeliˇc),jako hlavn´ı ˇca´st polovodiˇcov´ ych pamˇet´ı 2.1.4
Schmitt˚ uv klopn´ y obvod
Je tvoˇren 2-stupˇ nov´ ym zesilovaˇcem s kladnou zpˇetnou vazbou. Pracovn´ı tˇr´ıdy jsou ˇ ı se voleny tak, ˇze pˇri uzavˇren´ı jednoho tranzistoru je druh´ y vodiv´ y a naopak.Rad´
5
ˇ Ondˇrej Sika
Mˇeˇren´ı na klopn´ ych obvodech
mezi bistabiln´ı klo pn´e obvody, liˇs´ı se ale od nich zapojen´ım, v nˇemˇz se kladn´a zpˇetn´a vazba uzav´ır´a mezi dvˇema tranzistory pˇres emitorov´ y odpor. Kdyˇz tam teˇce Ib tak se otevˇre T2. Kdyˇz bude 0V na Ic tak bude i na Ib.Zmˇenu frekvence provedeme zmˇenou frekvence vstupn´ıho Sign´alu.Je to tvarovac´ı obvod dˇel´a z jak´ehokoli napˇet´ı pravo´ uhl´ y.Dobu impulz˚ u prodlouˇz´ıme kdyˇz zvˇetˇs´ıme odpor Re.
Princip ˇ cinnosti Pˇripojen´ım nap´ajec´ıho napˇet´ı Ucc dojde k otevˇren´ı tranzistoru T2.Proud,kter´ y j´ım proch´az´ı Vytvoˇr´ı na odporu Re u ´bytek napˇet´ı Ue,kter´ y zajist´ı uzavˇren´ı T1.Tento stav se nemˇen´ı dokud vstupn´ı napˇet´ı U1 je menˇs´ı neˇz napˇet´ı Ue.Pokud hodnota vstupn´ıho napˇet´ı U1 vzroste na hodnotu vˇetˇs´ı neˇz je napˇet´ı Ue tak tranzistor T1 se zaˇcne otev´ırat, na jeho colektoru c klesne napˇet´ı Uc, kter´e pˇres odpor R1 uzavˇre T2.Tento stav trv´a tak dlouho dokud vstupn´ı napˇet´ı U1 neklesne natolik ˇze napˇet´ı Uc vzroste.Potom se tranzistor T1 zaˇcne uzav´ırat a T2 otev´ırat.Tyto pochody prob´ıhaj´ı skokem. T´ımto se vstupn´ı napˇet´ı pˇrev´ad´ı na pravo´ uhl´ y.(obd´eln´ıkov´ y) Pouˇ zit´ı: v tvarovac´ıch obvodech k tvarov´an´ı impulz˚ u, k pˇremˇenˇe spojit´eho pr˚ ubˇehu na impulzov´ y
3
Postup mˇ eˇ ren´ı
Pˇr´ıpravky s uveden´ ymi klopn´ ymi obvody zapojte podle obecn´eho sch´ematu. Bezpodm´ıneˇcnˇe dodrˇzujte doporuˇcen´e hodnoty nap´ajec´ıho napˇet´ı, kter´e jsou vhodn´e pro jednotliv´e druhy zapojen´ı. Pomoc´ı digit´aln´ıho osciloskopu sledujte pr˚ ubˇehy v´ ystupn´ıch sign´al˚ u jednotliv´ ych obvod˚ u. Tyto pr˚ ubˇehy naˇctˇete do PC a vytisknˇete. V takto z´ıskan´ ych pr˚ ubˇez´ıch vyznaˇcte charakteristick´e parametry impulsn´ıch sign´al˚ u a urˇcete ’ jejich hodnoty dle zad´an´ı. V z´avˇeru proved te jejich vz´ajemn´e porovn´an´ı. U Schmittova klopn´eho obvodu urˇcete hysterezi (rozd´ıl v pˇrekl´apˇec´ıch u ´rovn´ıch vstupn´ıho sign´alu) a kvalitu odezvy na vstupn´ı harmonick´ y sign´al.
6
ˇ Ondˇrej Sika
Mˇeˇren´ı na klopn´ ych obvodech
4
Namˇ eˇ ren´ e hodnoty
4.1
Astabiln´ı klopn´ y obvod(555)
• doba n´abˇehu impulsu tr – 166,7 µs • pˇrekmit-nelze z grafu urˇcit • ˇs´ıˇrka impulsu – 2,7 ms • pokles vrcholu impulsu – 10% • doba zpoˇzdˇen´ı impilsu td – 388,9 µs • doba dobˇehu tf – nelze z grafu urˇcit • dokmit impulsu yz = 8% • ˇcinitel vyuˇzit´ı α = 0,79 • kl´ıˇcovac´ı pomˇer - 1/ α = 1/0,79 = 1,27 • stˇr´ıda impuls˚ u – 2,7 ms/0,744ms = 3,6 • perioda sign´alu T – 3,444 ms • f = 290 Hz • Aef = 4,44 V
4.2
Astabiln´ı klopn´ y obvod(diskr´ etn´ı)
• doba n´abˇehu impulsu tr – 177,8 µs • pˇrekmit – 30% • ˇs´ıˇrka impulzu – 361 µs • pokles vrcholu impulsu – 18% • doba zpoˇzdˇen´ı impulsu – 66,7 µs • doba dobˇehu tf – 33 ns • dokmit impulsu yz – 20% • ˇcinitel vyuˇzit´ı α – 0,73 • kl´ıˇcovac´ı pomˇer - 1/ α = 1/0,73 = 1,37 • stˇr´ıda impuls˚ u – 0,361 ms/0,133ms = 2,71 • perioda sign´alu T = 494 µs • f = 2024 Hz • Aef = 4,27 V 7
ˇ Ondˇrej Sika
Mˇeˇren´ı na klopn´ ych obvodech
5
Z´ avˇ er
U klopn´ ych obvod˚ u z diskr´etn´ıch souˇc´astek byly vˇsechny pˇrekmity a jin´e chyby mnohem v´ yraznˇejˇs´ı, neˇz u integrovan´ ych klopn´ ych obvod˚ u. Je to d˚ usledkem lepˇs´ıho nastaven´ı pracovn´ıch bod˚ u a parazitn´ıch kapacit, indukˇcnost´a a odpor˚ u. U astabiln´ıho klopn´eho obvodu se n´am nepodaˇrilo zjistit dobu n´abˇehu, z d˚ uvodu velk´e strmosti grafu. Ani z´adn´ y pˇrekmit jsme z grafu neviˇcetli.
8
