Sylabus kurzu Elektronika 5. ledna 2004
1
Analogová část Tato část je zaměřena zejména na elektronické prvky a zapojení v analogových obvodech.
1.1
Pasivní elektronické prvky
Rezistor, kondenzátor, cívka - fukce, konstrukce, značení, mezní parametry, použití. Komentář: Cílem je seznámení s nejzákladnějšími elektronickými prvky. Pozornost je věnována konstrukci různých provedení součástek, jejich výhody, nevýhody a vhodnost použití v různých oblastech. Dále jsou zde popsány nejdůležitější zákony a vzorce vztahující se k jednotlivým prvkům. Základní kontrolní otázky: 1. Co je to rezistor(kondenzátor, cívka). 2. Jaké znáte provedení rezistoru(kondenzátoru, cívky). 3. Jaká základní fyzikální veličina popisuje rezistor(kondenzátor, cívka) a co vyjadřuje.
1.2
Ideální a reálný napěťový (proudový) zdroj
Vlastnosti reálných zdrojů, rozdíly od ideálního. Komentář: Stručný popis vlastností zdrojů. Definice ideálních zdrojů a důvody jejich zavádění.
1
Základní kontrolní otázky: 1. Definujte ideální zdroj. 2. Jak se změní napětí ideálního(reálného) zdroje po připojení zátěže.
1.3
Řešení elektrických sítí
Kirchhoffovy zákony, základní metody řešení obvodů, obvody štřídavého proudu, komplexní veličiny - fázory, impedance, řešení obvodů štřídavého proudu. Komentář: Popis základních zákonů a metod pro řešení el. sítí v případě stejnosměrného i střídavého proudu. Zavedení komplexních veličin - fázorů, zdůvodnění jejich zavedení. Řešení jednoduchých obvodů střídavého proudu pomocí fázorů. Základní kontrolní otázky: 1. O čem pojednávají Kirchhoffovy zákony. 2. Definujte pojem fázor. 3. Jaký je fázový posuv napětí a proudu na rezistoru(kondenzátoru, cívce). 4. Odvoďte impedanci obvodu skládajícího se ze dvou do serie(paralelně) zapojených cívek(kondenzátorů).
1.4
Základní aktivní součástky
Elektronky - konstrukce, vlastnosti, použití. Polovodičové součástky - doidy, bipolární tranzistory a FET - konstrukce, vlastnosti, použití, speciální typy. Komentář: Popis základních konstrukcí elektronek. Jejich vlastnosti a fyzikální pricipy jejich funkce. Výhody a nevýhody polovodičových součástek oproti elektronkovým. Současné využití elektronek. Konstrukce a fyzikální principy různých typů diod a tranzistorů. Voltampérové charakteristiky jednotlivých součástek. Definice základních parametrů. Idealizované charakteristiky a běžně používaná zjednodušení reálných vztahů.
2
Základní kontrolní otázky: 1. Popište pricip funkce vakuové diody a triody. 2. Jaké jsou hlavní nevýhody elektronek. 3. Jak je konstruovaná polovodičová dioda? 4. Zdůvodněte fyzikálně tvar voltampérové charakteristiky polovodičové diody. 5. Popište základní typy unipolárních tranzostorů. 6. Popište základní typy bipolárních tranzostorů. 7. Jaký je význam parametrů h11 a h21 u bipolárních tranzostorů.
1.5
Zesilovače s bipolárními tranzistory
Třídy zesilovačů - A, B, AB a D - konstrukce, pracovní bod, vlastnosti, použití, účinnost. Komentář: Pracovní bod zesilovače a jeho nastavení. Popis metod stabilizace pracovního bodu. Popis tříd zasilovačů, jejich pracovní body, konstrukce a výpočet teoretické účinnosti. Student by měl znát vhodnost použití jednotlivých typů zesilovačů v různých aplikacích. Základní kontrolní otázky: 1. Jak lze nastavit pracovní bod zesilovače. 2. Proč je nutná jeho stabilizace. 3. Která třída zesilovačů má mejmenší zkreslení? 4. Která třída zesilovačů má mejvětší účinnost? 5. Jaké je napěťové zesílení zesilovače ve třídě B. 6. Navrhněte jednoduchý zesilovač ve třídě A se zesílením 20. (h11 = 200, h21 = 100, UCE = 10V)
1.6
Elektronické zdroje
Usměrňovače - jednocestný, dvojcestný, násobič - konstrukce, vlastnosti, použití. Stabilizované zdroje - konstrukce, vlastnosti, použití.
3
Komentář: Různé konstrukce usměrňovačů. Zbytková střídavá složka a přítomnost vyšších harmonických napětí. Filtrace výstupního napětí - závislost na kapacitě a zátěži. Popis různých konstrukcí stabilizovaných zdrojů, vhodnost a omezení jejich použití. Základní kontrolní otázky: 1. Popište rozdíly mezi usměrňovači. 2. Jaké je maximální napětí na výstupu jednocestného(dvojcestného) usměrňovače v případě vstupního střídavého napětí s amplitudou 1V. 3. Lze pomocí násobiče získat ze střídavého napětí s amplitudou 1V stejnosměrné napětí 100V? 4. Navrhněte jednoduchý stabilizátor se zenerovou diodou (maximální napětí zdroje je 10V, výstupní napětí - pracovní napětí Zenerovy diody je 5V, maximální výstupní proud je 10mA).
1.7
Operační zesilovače
Základní vlastnosti, ideální/reálný OZ, základní zapojení s OZ, použití. Komentář: Seznámení se základnímy parametry operačních zesilovačů. Rozdíly ideálních a reálných OZ. Základní zapojení s OZ, pricipy funkce a odvození vztahů - komparátor, invertující a neinvertující zesilovač, integrující a derivující zesilovač, Schmittův klopný obvod, generátor obdélníkových a trojúhelníkových kmitů. Základní kontrolní otázky: 1. Vyjmenujte základní vlastnosti operačních zesilovačů a popište rozdíly ideálních a reálných OZ. 2. Vysvětlete funkci a ze základních vlastností OZ odvoďte vztahy pro: komparátor, invertující a neinvertující zesilovač, integrující a derivující zesilovač, Schmittův klopný obvod, generátor obdélníkových a trojúhelníkových kmitů. 3. Navrhněte zesilovač se zesílením −10 a s velkým vstupním odporem (> 106 Ω) 4. Pomocí integrátoru a komparatoru sestavte obvod, který po 10s od rozepnutí spínače rozsvítí LED. 4
2
Digitální část
2.1
Základy logické algebry
Logické výroky; pravdivostní tabulka; logický součet, součin, negovaný součin, negace, ekvivalence, neekvivalence - pravdivostní tabulka a realizace pomocí hradel NAND; pravidla Booleovy algebry; logické funkce - zápis tabulkou a výrazem; realizace a minimalizace logických funkcí - Karnaughovy mapy a De Morganovy zákony. Komentář: Znát pojmy jako logický výrok a pravdivostní tabulka, které použít k zavedení logických prvků jako - logický součin, logický součet a negace. Pro vyjádření a úpravu používat základy Booleovy algebry a De Morganových zákonů. Pomocí logických výrazů zavést logickou funkci, kterou lze zapsat výrazem nebo pravdivostní tabulkou (jsou ekvivalentní). Logické funkce pak minimalizovat pomocí znalostí De Morganových zákonů nebo Karnaughových map. Po vhodné minimalizaci pak lze provést zapojení logické funkce pomocí základních logických prvků , resp. pomocí hradel NAND (jako základního stavebního prvku pro většinu logických obvodů). K tomu je potřeba převést logické funkce do vhodného tvaru - jen součiny. Pomocí předcházejících znalostí dodefinovat ekvivalenci a neekvivalenci (včetně minimalizace XORu na čtyři hradla). Základní kontrolní otázky: 1. Dokažte ekvivalenci zápisu logické funkce tabulkou a výrazem. 2. Zaveďte log. součin, log. součet, negaci, negovaný log. součin a součet. 3. Popište postup minimalizace pomocí Karnaughovy mapy. 4. Realizujte logickou funkci pomocí hradel NAND. 5. Zapište ekvivalenci a neekvivalenci včetně zapojení.
2.2
Kombinační logické obvody
Kodéry a dekodéry - binární, hexadecimální, 1 z 10, BCD, sedmisegmentový, Grayův kód a převody; binární sčítačka; multiplexer, demultiplexer. Komentář: Vysvětlení kombinačních logických obvodů. Typickými zástupci jsou kodéry a dekodéry. Je potřeba zavést různé druhy kódování - binární, hexadecimální, 1 z 10, BCD, sedmisegmentový a Grayův kód. Pomocí tabulky převodů (ev. pomocí 5
pravdivostní tabulky pro výstupy) sestrojit kodéry a dekodéry. Jako základní obvody ve výpočetní technice znát binární sčítačku (sestavení) a základní činnost (de)multiplexeru. Základní kontrolní otázky: 1. Jaký logický obvod nazveme kombinačním? 2. Jaké kódy se používají v logických obvodech? Jak se převádí? 3. Sestavte kodér binárního (nebo BCD) kódu. 4. Sestavte dekodér binárního kódu. 5. Navrhněte postup pro realizaci BCD dekodéru (ev. BCD na sedmisegmentový kód). 6. Sestavte binární sčítačku. 7. Co je (de)multiplexer a navrhněte jeho použití.
2.3
Sekvenční logické obvody
RS,RST,D,JK,JK master-slave klopný obvod - pravdivostní tabulka, zapojení, funkce; čítače - synchronní a asynchronní binární čítač nahoru a dolu; sériový a paralelní registr; třístavová logika; sběrnice; polovodičové paměti. Komentář: Vysvětlení, který obvod nazveme sekvenčním logickým obvodem. Základní skupinou jsou klopné obvody - typickým představitelem je RS klopný obvod, od kterého jsou odvozeny ostatní klopné obvody (odstraňují některé nedostatky RS klopného obvodu). Zavedení klopných obvodů tabulkou a zapojením, včetně ověření tabulky na zapojení pomocí všech kombinací vstupů. Popis RST, D, JK, JK Master-Slave (JK-MS) klopných obvodů. U obvodů s časovým vstupem vysvětlení vlivu hodinového obdélníkového vstupu. Použít JK-MS klopných obvodů pro realizaci čítačů, kde se využívá jeho vlastnosti děličky vstupního signálu. Různým zapojením pak realizace čítače vpřed a vzad, synchronního a asynchronního čítače (včetně jejich kladů a záporů). Jako další stavební prvek logických obvodů - popis paralelního a sériového registru. Připojení ke sběrnici s využitím třístavové logiky.
6
Základní kontrolní otázky: 1. Jaká je základní vlastnost sekvenčních logických obvodů? 2. Popište RS (RST, D, JK) klopný obvod, pravdivostní tabulku a realizace pomocí hradel NAND. 3. Realizace čítačů, proč použijeme JK-MS klopný obvod? Vysvětlete na obdélníkovém hodinovém vstupu. 4. Vysvětlete rozdíl mezi asynchronním a synchronním čítačem. Jaké jsou klady a zápory? 5. Co je to registr? Popište činnost paralelního (sériového) registru.
Literatura: 1. Vobecký J., Záhlava V.: Elektronika, Grada, 2001 2. Rauner K.: Elektronika, Vydavatelství ZU v Plzni, 2001 3. Fiala F.: Speciání praktikum z elektroniky I-IV, PF v Ústí n. L., 1982 4. http://lucy.troja.mff.cuni.cz/~tichy/
7
