VAJA 1 : MERILNI INSTRUMENTI

Transcript

1 DIGITALNA TEHNIKA Ime : Priimek : VAJA 1 : MERILNI INSTRUMENTI a) Nastavite na funkcijskem generatorju signal s frekvenco f = 10 khz, kot ga kaže slika 1.6 a. b) Kompenzirajte delilno sondo osciloskopa in izmerite čas naraščanja t r pravokotnega signala na izhodu funkcijskega generatorja. Izmerite tudi maksimalno frekvenco f max pravokotnega signala. c) Izmerite parametre RC usmernika pri treh frekvencah vhodne generatorske napetosti 1. Osciloskop Osciloskop je osnovni instrument v elektroniki, s katerim opazujemo električne signale v odvisnosti od časa. Osciloskop je v bistvu voltmeter, ki ima namesto kazalca elektronski žarek, ki ga pomikamo v horizontalni (X) smeri. Na ta način lahko opazujemo napetost kot odklon žarka v vertikalni (Y) smeri, v odvisnosti od horizontalnega položaja žarka, ki je povezan s časom. Poleg napetosti lahko z osciloskopom merimo tudi tokove, vendar le posredno kot napetost na nekem majhnem uporu v tokokrogu, oz. s pomočjo posebne tokovne sonde. Ta meri magnetno polje, ki ga povzroča električni tok v vodniku in ga pretvarja v napetost. Običajno so take sonde namenjene le meritvam izmeničnih tokov zaslon z gumbi za nastavitev ostrine in svetlosti žarka 2 - vertikalni odklon 1 ali X 3 - vertikalni odklon 2 ali Y 4 - časovna baza 5 - sinhronizacija in zunanje proženje Slika 1.1 Razdelitev čelne plošče osciloskopa na funkcionalne enote Analogni osciloskop Tektronix Na laboratorijskih vajah uporabljamo dvokanalne analogne in digitalne osciloskope, s katerimi lahko opazujemo hkrati dva signala. Na zgornji sliki je shematsko prikazana čelna plošča osciloskopa. Razdelimo jo v štiri funkcionalne enote. Ob zaslonu se nahaja stikalo za vklop in gumba za ostrino (FOCUS) in svetlost (INTENSITY) žarka. Vertikalni odklon je razdeljen v dve samostojni enoti. Vsaka enota vsebuje gumb za nastavitev vertikalnega položaja žarka, pod njim je preklopnik s katerim nastavljamo občutljivost kanala. Preklopnik je opremljen s skalo, s katere lahko odčitamo nastavljeno občutljivost osciloskopa v V/razd oz. mv/razd. Preklopnik vsakokrat kaže dve vrednosti, ker lahko merilni signal vodimo z direktno (1:1) ali pa delilno sondo (1:10), ki je priključena na koaksialni (BNC) vhod, ki je na dnu sekcije. Med preklopnikom in BNC priključkom je preklopnik s tremi položaji : AC izmenični sklop GND ozemljitev vhoda DC enosmerni sklop.

2 2/8 VAJA 1 Digitalna tehnika Srednji položaj omenjenega preklopnika ozemlji (kratko sklene na ozemljitev) vhod posameznega kanala. Ponavadi vidimo v tem položaju na zaslonu ravno črto, ki jo s pomočjo gumba za vertikalni položaj postavimo v želeno izhodiščno lego na zaslonu. Navadno si za to izberemo sredino zaslona (izmenični signali) ali pa dno zaslona (unipolarni signali). DC GND Atenuator Ojačevalnik AC Vertikalni odklon Slika 1.2 Poenostavljena shema vhodnega dela vertikalnega odklona Po nastavitvi izhodišča premaknemo omenjeni preklopnik v položaj DC (direct current - pojem za enosmerni tok, ki pa pomeni tudi enosmerno merjenje napetosti in drugih električnih veličin) ali pa v položaj AC ( alternating current - s pomenom izmenični tok, napetost,... ). Slednji položaj se od DC razlikuje v tem, da je osciloskop z merjencem povezan preko kondenzatorja, ki izloči enosmerno napetost. Zaradi tega veznega kondenzatorja ima osciloskop spodnjo frekvenčno mejo 10Hz. V položaju DC lahko merimo tudi enosmerne signale. V tem delu čelne plošče so tudi stikala za vklop in izklop posameznega kanala, ter za način dvokanalnega delovanja. V načinu ALT-ernate elektronski žarek riše oba kanala tako, da v vsakem preletu riše drugega. Sliki signalov se ponavljata s polovično frekvenco. Ta izmenični način uporabljamo za višje frekvence. Druga možnost je CHOP - razsekavanje. V tem načinu žarek znotraj enega preleta riše oba kanala tako, da ga preklapljamo med njima. Pri opazovanju hitrih signalov opazimo, da sta signala razsekana. Ta način uporabljamo za nižje frekvence. Žarek pomikamo v horizontalni smeri z žagastim signalom časovne baze ali pa z zunanjim signalom, priključenim na vhod 1. Kakšen čas predstavlja razdelek (10 razdelkov v horizontali) na zaslonu kaže veliki preklopnik. Nad njim se nahaja še gumb za nastavitev horizontalnega položaja obeh žarkov. Skrajno desna sekcija je namenjena sinhronizaciji proženja (TRIGGER) časovne baze osciloskopa. Proženje je potrebno, da je začetek preleta žarka sinhroniziran z opazovanim signalom. Časovno bazo prožimo z določeno vrednostjo izbranega (CH1, CH2 ali EXT) signala, ki ga nastavljamo z gumbom LEVEL. Poleg same vrednosti, lahko nastavljamo tudi naklon signala ob prehodu nastavljenega nivoja. S preklopnikom MODE izbiramo med dvema načinoma proženja časovne baze: NORMAL AUTO prelet žarka se sproži le če obstaja prožilni signal časovna baza čaka na proženje približno 50ms nato pa se sproži sama Običajno uporabljamo način AUTO, kajti tudi v odsotnosti signalov vidimo na zaslonu žarek. To je pomembno predvsem za nastavljanje izhodiščnega položaja, ter meritve enosmernih napetosti. NORMAL uporabljamo pri opazovanju počasnih izmeničnih signalov, ko lastno proženje prehiteva želeni periodični prožilni signal. Poleg kalibriranih delitev skale v obeh smereh, imamo možnost spreminjati merilo tudi zvezno z gumbom v osi preklopnikov. To možnost uporabljamo le poredko, zato se vedno prepričajte, da so vsi v skrajno desnem, zaskočenem položaju.

3 Digitalna tehnika VAJA 1 3/8 Digitalni osciloskop serije HP Osciloskopi serije so zasnovani tako, da so čimbolj podobni analognim osciloskopom, ki jih je večina uporabnikov navajena. Digitalni osciloskop nudi določene dodatne možnosti meritve in opazovanja signalov, ki jih analogni nimajo. Večina gornjega opisa velja tudi za digitalne osciloskope HP. Čelna plošča je razdeljena na enak način le marsikatera funkcija se izvede s pomočjo programskih tipk. ki se nahajajo pod zaslonom. Njihov pomen se spreminja, v odvisnosti od zadnjega pritiska gumba na čelni plošči. Vsakokratni pomen programske tipke je prikazan na zaslonu nad njo. Kot zgled si poglejmo nastavitev vhodnega sklopa AC, DC ali GND : s tipko pod preklopnikom vertikalne občutljivosti izberemo kanal z zaporednim pritiskanjem programske tipke osvetlimo želeni sklop V tem meniju lahko tudi nastavite vrsto merilne sonde 1:1, 1:10 ali 1:100. Nastavitev mora ustrezati uporabljeni sondi sicer je na zaslonu izpisana vertikalna občutljivost napačna. Digitalni osciloskopi omogočajo tudi meritev signalov, kot običajen voltmeter ali frekvenčni števec. Merilne sonde Merilne sonde, ki jih na vajah uporabljamo, so delilne (10:1) ali preklopne (10:1 in 1:1). Pri delilni sondi pripeljemo na vhod osciloskopa le desetino napetosti. S temi sondami lahko merimo višje napetosti kot z direktnimi, poleg tega pa imajo nižjo vhodno kapacitivnost in s tem večjo pasovno širino. Direktne sonde uporabljamo predvsem za meritev manjših signalov, ker z njimi dosežemo višjo občutljivost osciloskopa. Slika 1.3 prikazuje shemo delilne merilne sonde priključene na vhod osciloskopa. C k Osciloskop 9MΩ Merilna sonda s kablom 1MΩ Z 1 u 1 u 2 Z 2 Slika 1.3 Shema delilne sonde in njeno nadomestno vezje Iz nadomestnega vezja na sliki 1.3 vidimo, da je merjena napetost priključena na vhod osciloskopa preko napetostnega delilnika, ki ga sestavljata impedanci Z 1 in Z 2. Prevajalna funkcija H(s) tega delilnika je v splošnem funkcija kompleksne frekvence s, kar vpliva na obliko časovnega signala. Obliki merjenega signala u 1 (t) in signala u 2 (t) na vhodu osciloskopa sta enaki, če je prevajalna funkcija konstanta. To lahko dosežemo, če velja: ker iz tega sledi Za H(s) = 1/10 dobimo k = 9. Od tod sledi: Z1 = kz2, k (1.1) Z2 Z2 1 H() s = = = Z + Z kz + Z 1 + k (1.2) Cvh + sck = sc vh C 9MΩ 9 + = 1M k (1.3) Ω 9

4 4/8 VAJA 1 Digitalna tehnika Vhodna kapacitivnost ni za vse osciloskope vedno enaka, zato moramo sondo kompenzirati s tem, da izpolnimo gornji pogoj. V ta namen rabimo sponko (PROBE ADJUST) na katerega priključimo delilno sondo. Vrtljivi kondenzator v ročaju sonde ali pa na BNC priključku nastavimo tako, da je slika pravokotne napetosti na zaslonu osciloskopa čim bolj idealna (ravna). Pred točnimi meritvami moramo sondo kompenzirati, v kolikor ta ni stalno priključena na isti osciloskop. Vsaka sonda ima tudi žico za ozemljitev merjenca oz. povezavo na referenčno vozlišče. Pri meritvah napetosti, ki so neposredno vezane na energetsko omrežje, te žice ne uporabljamo, ker je osciloskop že ozemljen prek ozemljitvene žile omrežnega kabla. Napačna priključitev v tem primeru pomeni kratek stik, ki lahko poškoduje osciloskop. 2. Funkcijski generator Funkcijski generator je izvor signalov, ki jih uporabljamo v elektroniki. Na sliki je prikazana načelna predstavitev funkcijskega generatorja in osnovne oblike izhodnih signalov. Z gumbom AMPLITUDE nastavimo amplitudo izhodnega signala. Z izvlečenjem gumba DC OFFSET vključimo enosmerni napetostni generator, ki je zaporedno vezan s signalnim generatorjem. Velikost in polariteto enosmernega pomika nastavljamo s sukanjem gumba. Obliko signala izbiramo s tipkami FUNCTION. Frekvenco signala nastavljamo stopenjsko z gumbi za izbiro ustrezne frekvenčne dekade, ter z velikim gumbom s skalo. Frekvence s tem instrumentom ne moremo točno nastaviti, zato jo moramo v primerih, ko se to zahteva, preveriti z osciloskopom. Izhod funkcijskega generatorja povežemo z merjencem prek koaksialnega kabla, ki ima na eni strani BNC priključek na drugi pa rdečo in črno priključno žico s kontaktnim krokodilčkom. Nikakor ni dopustno v ta namen uporabljati merilnih sond! Zunanji pol BNC priključka je preko energetskega kabla ozemljen, zato ga smemo priključiti le v isto vozlišče, kot referenčno sponko osciloskopa, sicer bi naredili med tema vozliščema kratek stik. u g ( t ) Uof 50Ω t ON u g ( t ) OFF u izh t t 3. Napajalniki Slika 1.4 Shema funkcijskega generatorja in osnovni izhodni signali Za napajanje vezij z enosmernimi napetostmi uporabljamo nastavljive usmernike, oz. napajalnike. Na vajah uporabljamo napajalnik, ki ima dva nastavljiva napetostna vira in vir z napetostjo 5 V za napajanje logičnih vezij. Vsi viri so med seboj neodvisni, lahko pa jih med sabo povežemo. Nastavljiva vira sta lahko vezana vzporedno oz. zaporedno z ustreznim stikalom. V prvem primeru se poveča maksimalni izhodni tok, v drugem pa napetost. Zaporedno ju povežemo tudi kadar želimo uporabljati dvojno napajanje, npr. +10 V in 10 V. V tem primeru uporabimo notranji sponki napajalnika za referenčno vozlišče (maso). Na sliki 1.5 je prikazana U(I) karakteristika napajalnika skupaj z njegovo shematsko predstavitvijo. Z vgrajenima instrumentoma lahko vedno kontroliramo napetost in tok napajalnika. Kadar se

5 Digitalna tehnika VAJA 1 5/8 zahteva točnejša nastavitev izhodne napetosti, jo pri nastavljanju merimo z bolj natančnim univerzalnim instrumentom. U iz U 0 I max Tokovna omejitev U 0 U iz I max I iz Slika 1.5 Izhodna karakteristika U iz (I iz ) laboratorijskega usmernika in njegovo nadomestno vezje 4. Univerzalni instrumenti Z njimi merimo napetost tok in upornost. Tok in napetost sta lahko enosmerna ali izmenična. Pri slednjih meritvah je deklarirana točnost zagotovljena le pri sinusnih napetostih in tokovih. Pri meritvah izmeničnih signalov drugih oblik, je bolje opazovati signal z osciloskopom. Univerzalni instrumenti merijo izmenične veličine na osnovi enosmerne (srednje) vrednosti polvala, ki ga dobimo z usmerjanjem. Izmerjene vrednosti so točne le za meritev sinusnih napetosti in tokov do mejne frekvence. Instrument kaže v tem primeru efektivno vrednost. Elektronski digitalni univerzalni instrumenti se odlikujejo predvsem pri meritvah enosmernih napetosti, saj imajo zelo visoko notranjo upornost. Kot ampermeter so slabši saj merijo tok posredno preko napetosti na notranji upornosti, ki se spreminja z menjavanjem merilnega območja. Merilne sponke za merjenje toka so zaščitene z varovalko (2 A) razen območja 10 A. V primeru, da ampermeter ne kaže toka, je verjetno potrebno zamenjati varovalko. M e r i t e v : a) Za prvi del vaje priklopimo osciloskop na funkcijski generator. Paziti moramo, da vežemo maso osciloskopa na "hladno" sponko generatorja. Nato praktično preskusimo, kaj pomenijo posamezna stikala na osciloskopu in funkcijskem generatorju. Časovno merilo na sliki prikazuje zgolj razmerje med impulzom in pavzo. Pri nastavitvah pazite na preprosto dejstvo, da spreminjanje položaja slike z gumbi za položaj žarka na osciloskopu, v ničemer ne vpliva na izhodni signal funkcijskega generatorja. Sliko na zaslonu pokažete u g ( t ) [v] 3 2 u(t) 90% 100% t 10% t r t Slika 1.6 a) zahtevana nastavitev izhodnega b) definicija časa naraščanja t r (rise signala s frekvenco 10 khz time) pravokotnega signala

6 6/8 VAJA 1 Digitalna tehnika b) V elektroniki so hitrosti prehodnih pojavov definirane s časom naraščanja, oz. upadanja. Čas naraščanja je definiran kot čas, v katerem napetost (tok) naraste z 10 % na 90 % končne vrednosti. To velja tako za diskretne elektronske elemente (diode, tranzistorji, itd.), kot za integrirana vezja (logična vrata, komparatorji, itd.). Čas upadanja je določen podobno le, da opazovana veličina upada proti nižji vrednosti. Čas naraščanja načeloma ni odvisen od frekvence impulzov, vendar mora biti čas, ki ga prikazuje slika na zaslonu analognega osciloskopa primerljiv s periodo opazovanega signala, sicer postane slika na zaslonu pretemna in žarka sploh ne opazimo. Pri meritvi časa t r povečajte frekvenco opazovanega signala toliko, da dobite dovolj svetlo sliko ob zadostni horizontalni ločljivosti (časovna baza), vendar ne na maksimalno. Polperioda pravokotne napetosti mora biti dovolj dolga, da lahko ugotovimo, koliko je vrednost 100 % impulza. Ker gre v tem primeru le za meritve časa, lahko uporabite posebno skalo na zaslonu osciloskopa, ki je predvidena ravno za take meritve. Amplitudo signala (100%) na zaslonu lahko prilagodite z vrtenjem gumba za nastavitev amplitude na funkcijskem generatorju ali pa z gumbom za zvezno spreminjanje ojačenja. Za digitalni osciloskop dvig frekvence ni toliko pomemben, saj lahko z njim merimo tudi enkratne prehodne pojave. Svetlost slike ni odvisna od nastavljene časovne baze, ker je merjeni signal vzorčen in shranjen v digitalni obliki v pomnilniku osciloskopa. Digitalni osciloskop omogoča tudi meritve z uporabo kazalcev (kurzorjev), oziroma lahko uporabimo avtomatizirano meritev časa naraščanja. Ta meritev lahko izmeri napačno vrednost, v kolikor potek merjenega signala preveč odstopa predvidene oblike. Zato je treba pri tej meritvi preveriti položaja napetostnih kazalcev, ki se samodejno postavita na ustrezna nivoja med katerima se meri čas naraščanja. Maksimalno frekvenco funkcijskega generatorja izmerite za simetrično pravokotno napetost, pri kateri sta dolžini impulza in pavze enaka (τ = T/2). c) Meritev parametrov RC usmernika Na merilni ploščici je izdelan preprost RC usmernik, kakršne uporabljamo za usmerjanje izmeničnih napajalnih napetosti. Električna shema usmernika je prikazana na sliki 1.7. Vhodno izmenično napetost vodimo preko diode na kondenzator s katerim gladimo izhodno napetost. Upor R2 predstavlja bremenski upor prek katerega teče enosmerni tok. Polprevodniška dioda prevaja le takrat, ko je vhodna generatorska napetost višja od napetosti na kondenzatorju, V obratnih primerih je dioda zaprta in izhodno napetost vzdržuje kondenzator. Zaradi bremenskega toka, ki prazni kondenzator prazni, tedaj izhodna napetost upada. Časovna poteka vhodne in izhodne napetosti sta podana na sliki 1.8, in sicer za primer, ko je na vhodu sinusna napetost, kakršno dobimo iz omrežnih transformatorjev. Usmernike lahko napajamo tudi z drugimi oblikami izmeničnih napetosti. Pri preklopnih napajalnikih je to v večini primerov pravokotna napetost. X1 GEN VH J1 V1 X7 X3 R1 51 1N4148 C1 10u R2 2,2k X5 Sl. 1.7 Vezje RC-usmernika

7 Digitalna tehnika VAJA 1 7/8 U pp U 0 U min t U m u g (t) Sl. 1.8 Meritev valovitosti usmernika Izhodna napetost usmernika je sestavljena iz enosmerne komponente U 0, na katero je superponirana majhna izmenična komponenta, ki je posledica polnenja in praznenja kondenzatorja. Vršna vrednost izmenične izhodne napetosti je razlika med maksimalno in minimalno napetostjo. Označena jo kot U pp (peak to peak voltage). Razmerje med amplitudo izmenične komponente in enosmerno izhodno napetostjo imenujemo valovitost γ = U AC U pp U = DC 2 UD C in je eno od meril kvalitete usmernika. Valovitost je odvisna od obremenitve usmernika ter oblike in frekvence vhodne napetosti. Običajno jo izražamo v procentih. (1.4) Meritev: Sondi osciloskopa priključimo na merilno vezje. Ponavadi uporabimo prvi kanal za vhod (X1) in drugi kanal za izhod (X3). Ozemljitveni priključek priključimo s krokodilčkom na priključek X5. Na izhod usmernika priključimo še univerzalni instrument, s katerim bomo merili enosmerno izhodno napetost. Izhod funkcijskega generatorja priključimo na vhod usmernika prek koaksialnega kabla z BNC priključki. Oba kanala osciloskopa nastavimo na enosmerni sklop (DC) in primerno občutljivost. Amplitudo vhodne napetosti nastavimo na 5 V. Z drugim kanalom pomerimo minimalno izhodno napetost U min. Nato prestavimo stikalo za sklop drugega kanala v položaj (AC) (izmenični sklop) in povečamo občutljivost, da lahko odčitamo napetost med negativnim in pozitivnim vrhom izmenične napetosti. Odčitek je vršna vrednost izmenične napetosti U pp (peak to peak voltage). Meritev opravite za sinusno in pravokotno vhodno napetost pri treh frekvencah, ki so podane v tabeli v katero vpišete merilne rezultate na naslednji strani.

8 8/8 VAJA 1 Digitalna tehnika R e z u l t a t i : b) Meritev funkcijskega generatorja Čas vzpona Maksimalna frekvenca t r f max c) Meritev RC usmernika Oblika f [Hz] U 0 U min U AC =U pp /2 γ [%]

9 DIGITALNA TEHNIKA Ime : Priimek : VAJA 2 : DISKRETNI C-MOS INVERTOR Naloge: a) Izmerite izhodno karakteristiko i D (u DS ) n-kanalnega MOS FET-a na merilni ploščici b) Izmerite odvisnost izhodne napetosti U 2 in napajalnega toka I DD od vhodne napetosti U 1 C-MOS invertorja pri U DD = 6 V c) Izmerite prenosno karakteristiko U 2 (U 1 ) MOS invertorja z ohmskim bremenom d) Izmerite vpliv vhodne zaščite na zakasnitev invertorja Opis meritev: U DD X1 GEN VH J1 vhodna zaščita Z BREZ X VZP 1N4148 V2 BS250 RB 10k C1 100n X V1 1N4004 MOSFET N-kanal upor CMOS invertor IZH X3 V3 X5 X6 RZ X7 3,3k BS170 I DD X8 X9 VZN 1N4148 RI 1Ω X10 X11 GND X12 Slika 2.1 Električna shema vezja z diskretnim C-MOS invertorjem Na merilni ploščici (slika 2.1) se nahaja komplementarni par MOS tranzistorjev skupaj z zaščitnim vezjem in merilnimi upori. S pomočjo kratkostičnikov lahko spreminjamo vrsto invertorja, oziroma lahko pomerimo lastnosti posameznega tranzistorja. To vezje omogoča meritev lastnosti MOS invertorjev in logičnih vrat, ki jih pri integriranih logičnih vezjih zaradi nedostopnosti priključkov ne moremo izmeriti. Vse meritve razen meritve c bomo izvedli z osciloskopom in uporabili x-y način. V ta namen pripeljemo napetost, ki jo nanašamo na abscisno os diagramov, na CH-1, ki sedaj krmili horizontalni odklon. Na analognem osciloskopu vključimo x-y način s preklopnikom časovne baze v skrajno levi položaj. Pri digitalnem osciloskopu preklopimo horizontalni odklon s časovne baze na prvi kanal s programskimi tipkami, katerih funkcijo aktiviramo s pritiskom na gumb nad preklopnikom časovne baze.

10 2/4 VAJA 2 Digitalna tehnika a) Izhodna karakteristika I D (U DS ) u g (t) X3 10V VH X8 IZH X Y u GS R I i D u DS = u g (t) 0 V t Slika 2.2 Shema meritve karakteristike N-kanalnega MOS tranzistorja Meritev toka i D v odvisnosti od napetosti u DS je prikazana na sliki 2.2. Napetost u DS je trikotna napetost funkcijskega generatorja, ki ga nastavimo tako, kot kaže gornji graf. Generator priključite na merilno ploščico prek koaksialnega kabla s kontaktnimi bananami (sponka IZH) in BNC priključkom. Nastavitev signala opravimo z opazovanjem signala z osciloskopom v navadnem načinu. Frekvenca ne sme biti previsoka; nastavite jo med 100 in 1000 Hz. Pri previsoki frekvenci opazimo na zaslonu zanke, ki jih povzroča neenakost zakasnitev v horizontalnem in vertikalnem signalu. Napetost u DS, ki se spreminja med 0 in 6 V, vodimo na horizontalni odklon osciloskopa. Občutljivost tega odklona nastavimo na 0,5 V/raz, kar pomeni, da zaslon osciloskopa ravno pokrije območje napetosti. Tok merimo posredno prek napetosti na uporu R i = 1 Ω, ki je vezan med maso in izvor (source) merjenega tranzistorja. Ker je vrednost upornosti majhna, je napetost na uporu zelo nizka, zato moramo uporabiti direktno sondo (1:1). Na digitalnih osciloskopih uporabite tudi omejitev pasovne širine, s katero zmanjšamo šum. Vključimo jo s programsko tipko BW (bandwidth limit). Karakteristiko na zaslonu prerišite v spodnji diagram za podane vrednosti napetosti U GS, ki jo nastavljamo z laboratorijskim usmernikom. I D (U DS ) a b c d e f g U GS 1 1,5 1,75 2 2,25 2,5 2, I D [ma] U DS

11 Digitalna tehnika VAJA 2 3/4 b) Prenosna karakteristika U 2 (U 1 ) in I DD (U 1 ) Kratkostičnik X2B prestavite iz položaja MOSFET v položaj CMOS. Funkcija kratkostičnika je razvidna iz električne sheme merilne ploščice na sliki 2.1. Napajalna napetost U DD oziroma U CC je 6 V. Za meritev prenosne karakteristike uporabimo merilno vezavo, ki je prikazana v sliki 2.3. Funkcijski generator priključimo na vhod invertorja s kablom z dvema BNC konektorjema ali pa z istim kablom kot pri prejšnji meritvi. X1 U DD = 6V u g (t) X7 X3 6V u g (t) u 2 u 1 X8 R I i D 0 V t X Y Slika 2.3 Meritev prenosne karakteristike in napajalnega toka C-MOS invertorja Občutljivost obeh kanalov nastavite na 1V/raz. Izhodišče na zaslonu nastavite ob ozemljenih vhodih (preklopnik AC/DC/GND) s pomočjo gumbov za položaj na primerno točko v levem spodnjem predelu zaslona. Za meritev toka I DD (U 1 ) prestavite sondo vertikalnega odklona na sponko X8. Občutljivost morate močno povečati, da dobite na zaslonu sliko z izraženo tokovno konico v točki preklopa izhodne napetosti. 6 U U 1 I DD [ma] U 1

12 4/4 VAJA 2 Digitalna tehnika c) Prenosna karakteristika MOS invertorja z ohmskim bremenom Merilno vezje je enako kot na sliki 2.3, le kratkostičnik X2B moramo prestaviti v srednji položaj - upor. V tem primeru napajalnega, toka ne merimo, saj je določen z napajalno napetostjo in bremenskim uporom. 6 U U 1 d) Vpliv vhodne zaščite na zakasnitev invertorja Zakasnitev invertorja t d je definirana na sredini med napetostima logičnih nivojev, kot je prikazano na sliki 2.4. VH 50% 50% IZH t D t Slika 2.4 Definicija zakasnitve t D invertorja Ker je zakasnitev močno odvisna od krmilnega signala na vhodu, krmilimo merjeni invertor z enakim invertorjem, tega pa s funkcijskim generatorjem. Merilno vezje je prikazano na sliki U DD = 6V u g (t) X3 6V u g (t) u 1 u 2 0 V X t Slika 2.5 Vezje za meritev časa zakasnitve t d drugega invertorja Zakasnitev z vhodno zaščito brez zaščite t d Y

13 DIGITALNA TEHNIKA Ime : Priimek : VAJA 3: STATIČNE KARAKTERISTIKE CMOS VEZIJ Za C-MOS invertor (4069UB) izmerite: a) prenosno karakteristiko u 2 (u 1 ) pri napajanju U DD = 5 V in 10 V b) izhodno karakteristiko i 2 (u 2 ) za nizko in visoko napetost na izhodu pri U DD = 5 V in 10 V. Iz izhodne karakteristike določite in narišite I D (U DS ) za obe vrsti MOS tranzistorjev. CD4069 UB CD4069 UB CD4069 UB CD4069 UB CD4069 UB CD4069 UB Slika 3.1 Električna shema merilne ploščice za meritev statičnih parametrov O p i s m e r i t v e : C-MOS vezje 4069UB (unbuffered) je najpreprostejše vezje te logične družine. Ker je sestavljeno le iz komplementarnega para MOS tranzistorjev, kaže prenosna karakteristika značilnosti vseh možnih kombinacij delovnih točk P- in N-kanalnega tranzistorja (zapora, ohmsko področje, nasičenje). a) Prenosno karakteristiko izmerite z uporabo zunanjega horizontalnega odklona osciloskopa. V ta namen uporabimo napetost u1(t) trikotne časovne oblike. Pred priključitvijo signala na vhod CMOS vrat, morate signal nastaviti na zahtevane vrednosti. Pri tem je pomembno, da signal ne presega območja napajanja (glej sliko 3.2). Pri prekoračitvi opazimo popačenje nastavljene trikotne napetosti generatorja zaradi delovanja zaščitnih diod, ki so na vhodu logičnih vrat. Za meritev pri drugi napajalni napetosti, morate ustrezno spremeniti amplitudo in enosmerno komponento (s sukanjem izvlečenega gumba DC-offset na funkcijskem generatorju). Vhodno napetost priključite na kanal 1(X), izhodno pa na kanal 2(Y). Delovanje vrat preverite najprej z uporabo časovne baze nato pa preklopite osciloskop v način Y-X, kot pri 2. vaji. Pri vseh meritvah morate uporabiti enosmerni sklop (DC meritev enosmerne napetosti). Iz grafov prenosnih karakteristik u 2 (u 1 ) pri obeh napajalnih napetostih ugotovite pragovni napetosti U T za obe vrsti MOS tranzistorjev v merjenem invertorju.

14 2/4 VAJA 3 Digitalna tehnika U DD u g (t) U DD u g (t) u 1 u V t X Y Slika 3.2 Meritev prenosne karakteristike b) Izhodno enosmerno karakteristiko i 2 (u 2 ) izmerite po merilni shemi na sliki 3.4. Bremenski upor R B je uporovna dekada. Upor R B spreminjate tako, da dobite zahtevane izhodne napetosti. Vhodna napetost u 1 je 0 oz. U DD odvisno od smeri izhodnega toka. Tok, ki teče v izhodno sponko (angl. sink current), je po dogovoru pozitiven, tok, ki teče iz sponke (source) pa negativen. Ko merimo pozitivni izhodni tok, merimo I D n-kanalnega tranzistorja pri napetosti U GS = u 1 = U DD, zato je tedaj na vhodu visok nivo. Napetost neobremenjenih vrat je tedaj nizka (0V), bremenski upor (dekado) vežemo iz izhoda preko ampermetra na pozitivno napajalno napetost U DD. Negativni izhodni tok je I D p-kanalnega tranzistorja, ki je odprt, ko je napetost u 1 = 0 V. Iz slike 3.3 vidimo, da je tedaj U GS = u 1 - U DD = - U DD. V tem primeru bremenimo izhod z uporovno dekado, ki je vezana proti masi. i D U DD R B U DD u u DS GS i D u GS u DS V U 2 V R B Slika 3.3 Razlaga meritve karakteristik I D (U DS ) za p- in n-kanalni tranzisitor V diagram vrišite karakteristiko I D (U DS ) za oba MOS tranzistorja. Za n-kanalnega velja U DS = u 2, za p-kanalnega pa U DS = u 2 - U DD. V diagram vrišite karakteristike za obe napajalni napetosti. U DD X8 U DD X6 VH IZH i 2 u 2 V X8 UPOROVNA DEKADA X6 VH IZH i 2 u 2 V UPOROVNA DEKADA Slika 3.4 Shemi vezij za merjenje izhodne karakteristike

15 Digitalna tehnika VAJA 3 3/4 Rezultati meritev: a) prenosna karakteristika u 2 (u 1 ) U DD = 5 V U DD = 10 V u 2 5 u u u 1 pragovna napetost U T U DD n-kanal p-kanal 5 V 10 V b) izhodna karakteristika C-MOS vrat Tabela i 2 (u 2 ) U DD = 5V U DD = 10 V u 2 u 1 = 0V u 1 = 5V u 2 u 1 = 0V u 1 = 10V i 2 [ma] i 2 [ma]

16 4/4 VAJA 3 Digitalna tehnika I D U DS I D U DS

17 DIGITALNA TEHNIKA Ime : Priimek : VAJA 4: DINAMIČNE LASTNOSTI LOGIČNIH DRUŽIN Za invertorje iz petih logičnih družin izmerite sledeče lastnosti: a) zakasnitev invertorja t d b) čas naraščanja t r in čas upadanja t f c) napajalni tok v odvisnosti od frekvence delovanja I CC (f) Bipolarne logične družine so standardna TTL vezja, oznaka vezja: 7404 Low Power Schottkey TTL, oznaka vezja: 74LS04 hitra TTL logika (Fast), oznaka vezja: 74F04 MOS družini sta: standardna C-MOS logika, oznaka vezja: 4069UB hitra C-MOS logika: oznaka vezja: 74HC04 Opis meritev : MERJENEC 4 t D VH J J2 IZH VCC U CC X1 V1 1N4004 C1 100n X2 X X4 VCC1 V2 1N4004 X5 A C2 100n X6 GEN VH R1 1 2 GONILNIK HC J3 1k 74HC04 74HC04 74HC04 74HC04 X7 GND R2 100k 9 8 X8 74HC04 Slika 4.1 Vezje za meritev zakasnitve treh invertorjev Omenjene logične družine so najpogosteje uporabljena vezja na nizki in srednji stopnji integracije. Standardna TTL in LS-TTL in F so prave TTL (bipolarne logične družine) medtem, ko je 74HCxx serija izdelana C-MOS tehnologiji, funkcionalno in po oznakah pa se ujema z omenjenima bipolarnima družinama. HC vezja se razlikujejo po prenosnih karakteristikah, vendar so v glavnem združljiva (kompatibilna) s TTL vezji. Na tiskanem vezju je merilno vezje za meritev zakasnitve

18 2/4 VAJA 4 Digitalna tehnika štirih invertorjev. Na ta način lahko tudi z razpoložljivo laboratorijsko opremo zanesljivo izmerimo tudi zakasnitve najhitrejših logičnih vezij. Na merilni ploščici sta dve integrirani vezji, gonilnik in merjenec. Gonilnik rabimo za preoblikovanje počasnih impulzov, ki jih daje funkcijski generator. Prvi invertor v merjencu je gnan s tremi paralelno vezanimi invertorji. S paralelno vezavo povečamo izhodni tok in s tem veliko strmino bokov krmilnega signala, na katero ima vhodna kapacitivnost merjenca le majhen vpliv. Zadnji v verigi merjenih invertorjev je obremenjen z vhodom enakega invertorja. Na ploščici se nahajata priključka za meritev napajalnega toka I CC merjenca, ki ga merimo z ampermetrom. Če ampermeter ni priključen, je merjenec še vedno napajan preko diode, ki je vezana med priključka ampermetra. Ta dioda sicer nekoliko zniža napajalno napetost U CC merjenca, kar pa bistveno ne vpliva na delovanje. Ker merimo zakasnitev sodega števila invertorjev, sta vhodni in zakasnjeni izhodni signal v fazi, to pa poenostavi meritev zakasnitve, kar je razvidno iz diagrama na sliki 4.2. VH IZH 4 t D t Slika 4.2 Meritev zakasnitve štirih invertorjev Integrirano vezje merjene logične družine vstavite v podnožje MERJENEC in opravite vse meritve zahtevanih dinamičnih parametrov, nakar ga zamenjajte z drugim in meritve ponovite. a) Meritev zakasnitve t d TTL izhod funkcijskega generatorja povežite s koaksialnim kablom z BNC konektorji na priključek GEN VH. Merilne signale VH (prvi kanal) in IZH (drugi kanal) priključite na osciloskop prek delilnih sond 10:1. Za priključitev sond uporabite adapterje za direktno priključitev v BNC konektor. Priključni kavelj sonde odvijete, nakar na konec sonde nataknete prilagoditev s katero lahko merilno sondo direktno priklopimo v BNC vtičnico. Uporaba direktnega priključka izboljša prenos signalov iz merilne plošče v osciloskop, ker je izločena induktivnost ozemljitvenega priključka sonde. Pred priključitvijo na merilno vezje preverite kompenziranost sond s pomočjo kalibracijskega signala na osciloskopu. Merilno ploščico priključite na napajalno napetost U CC = 5 V. Apermeter za merjenje porabe merjenca priključite v puši označeni z ustreznim simbolom. Funkcijski generator nastavite na najvišjo frekvenco, ki zanaša nekaj čez 2 MHz. Iz slike na zaslonu izmerite zakasnitev štirih invertorjev ustrezne logične družine. V tabelo za rezultate vpišite zakasnitev enega invertorja, kar pomeni, da morate izmerjeno vrednost deliti s štiri. b) Čas naraščanja in upadanja, t r in t f Čas naraščanja in upadanja izmerite na izhodu četrtega invertorja v merjencu, po definiciji ki smo jo obravnavali v prvi laboratorijski vaji (10% 90%, oziroma 90% 10%). Oba časa sta odvisna tudi od kapacitivnosti bremena, ki je priključeno na izhod. Standardna obremenitev je vhod enakega

19 Digitalna tehnika VAJA 4 3/4 logičnega vezja. Na merilni ploščici je uporabljen vhod naslednjega invertorja. Zaradi meritve je izhod obremenjen tudi s kapacitivnostjo merilne sonde osciloskopa. Zato moramo pri tej meritvi uporabiti delilno sondo, ki ima bistveno manjšo kapacitivnost. c) Napajalni tok I CC Ob vsakokratni meritvi preklopnih časov izmerite tudi napajalni tok I CC. Ta tok je odvisen od frekvence preklapljanja. Za vsako vrsto logičnih vezij izmerite napajalni tok pri podanih vrednostih frekvence preklapljanja. Rezultati meritev : Vezje t D [ns] t r [ns] t f [ns] I CC ( f ) [ma] 0 Hz 2 khz 20 khz 200 khz 2 MHz LS04 74F UB 74HC04 Frekvenčna odvisnost napajalnega toka različnih logičnih družin I CC ( f ) 100 I CC [ma] f [khz]

20 4/4 VAJA 4 Digitalna tehnika

21 DIGITALNA TEHNIKA Ime : Priimek : VAJA 5: PARAMETRI BIPOLARNEGA TRANZISTORJA Za bipolarni NPN tranzistor BC546B izmerite naštete statične in dinamične parametre. 1. Statični parametri: a) prevodna napetost U BE pri podanih vrednostih toka IB b) enosmerno tokovno ojačenje β, pri U CE = 2 V c) napetost nasičenja U CEsat pri IB = 0,1 ma in v tabeli podanih vrednostih toka I C 2. Stikalni časi tranzistorja: a) čas nakopičenega naboja t s storage time b) čas upadanja (kolektorskega toka) t f fall time c) čas vklopa t ON d) čas izklopa t OFF + e) odvisnost časa t od razmerja I / I Opis meritev: s B B Slika 5.1 Električna shema merilne ploščice za meritve parametrov bipolarnega tranzistorja Na merilni ploščici je izdelano univerzalno merilno vezje za vse zahtevane meritve. Razpored priključkov se v veliki meri ujema z razmestitvijo, ki je prikazana v električni shemi na sliki 5.1. Merilno vezje za meritev posameznega parametra dobimo z ustreznimi povezavami merilnih instrumentov, napajalnikov in generatorjev po električnih shemah, ki so podane pri opisu meritev.

22 2/6 VAJA 5 Digitalna tehnika Meritev statičnih parametrov A UPOROVNA DEKADA X1 10 kω X5 X4 10V V X10 X11 2 V Slika 5.2 Vezje za meritev napetosti U BE a) Z merilno ploščico usmernikom in ostalimi merilnimi instrumenti sestavite merilno vezje po shemi na sliki 5.2. V bazni tokokrog sta vključena ampermeter in uporovna dekada in zaščitni upor, ki omejuje bazni tok, v primeru, da je dekada nastavljena na prenizko vrednost. S spreminjanjem upornosti uporovne dekade nastavite bazni tok I B na zahtevane vrednosti, nakar odčitate napetost U BE, ki jo kaže voltmeter. Za narisana napetostna vira (bateriji) uporabite ločene izhode (A in B) laboratorijskega napajalnika. b) Enosmerno tokovno ojačenje pri U CE = 2 V izmerite z enakim vezjem, le univerzalni merilni instrument uporabite kot ampermeter v kolektorskem tokokrogu, kot prikazuje merilna shema na sliki 5.3. Z uporovno dekado nastavite bazni tok na zahtevane vrednosti, nakar odčitajte kolektorski tok. A UPOROVNA DEKADA X1 10 kω X5 10V 2 V X10 X11 Slika 5.3 Vezje za meritev enosmernega tokovnega ojačenja β c) Bipolarni tranzistor se nahaja v nasičenju, ko sta oba spoja (baza-emitor in baza-kolektor) prevodno polarizirana. V tem primeru je kolektorski tok manjši kot βi B. Napetost nasičenja U CE sat je odvisna od preizpolnjenosti pogoja I B > I C /β in od velikosti toka I C. Iz napetosti nasičenja lahko izračunamo enosmerne toplotne izgube tranzistorja, ko ga uporabljamo kot močnostno stikalo. Napetost nasičenja med kolektorjem in emitorjem U CEsat izmerite po shemi na sliki 5.4. Bazni tok nastavite na 0,1 ma z napetostjo napajalnega vira, ki mora biti za 1 V višja od napetosti U BE, ki ste jo izmerili v prejšnji meritvi. Kolektorski tok v nasičenju nastavljate z uporovno dekado, saj se napetost U CE le malo spreminja. Poleg meritev pri podanih kolektorskih tokovih izmerite tudi mejno tokovno ojačenje na robu nasičenja. Z zmanjševanjem upornosti dekade povečujte tok I C, dokler napetost U ne doseže 0,65 V. CE

23 Digitalna tehnika VAJA 5 3/6 X1 10 kω X5 I C U BB U CE 5 V X10 X11 Slika 5.4 Meritev napetosti nasičenja 2. Stikalni časi Definicija stikalnih časov bipolarnega tranzistorja je podana z grafom na sliki 5.5. Prikazani poteki napetosti in toka veljajo za merilno vezje narisano v sliki 5.6. Stikalne časi so definirani kot zakasnitve pri izklopu tranzistorja iz nasičenja v zaporo. Čas nakopičenega naboja t S predstavlja zakasnitev od spremembe smeri baznega toka do pričetka upadanja kolektorskega toka. Časovni potek toka i C(t) merimo posredno prek napetosti u CE(t), ker z osciloskopom lahko neposredno merimo le napetosti. Začetek upadanja toka i C opazimo kot začetek naraščanja napetosti u CE ob izklopu tranzistorja. Čas upada t f kolektorskega toka se na zaslonu osciloskopa kaže kot čas naraščanja kolektorske napetosti od napetosti nasičenja do napajalne napetosti U CC. Ker je potek naraščanja asimptotičen, se za t f (t r) upošteva čas v katerem tok upade od 90 % na 10 % končne vrednosti. Hitrost izklopa tranzistorja je odvisna u g (t) U m i B (t) -U m + I B i C (t) - I B 10% 90% 100% u CE (t) t S t f 90% 10% t ON t OFF Slika 5.5 Definicija stikalnih časov tranzistorja

24 4/6 VAJA 5 Digitalna tehnika R B R C u g (t) u CE 5 V Slika 5.6 Načelna shema vezja za meritev stikalnih časov od naboja manjšinskih nosilcev, ki se nakopičijo v bazi, ko je tranzistor v nasičenju, in od velikosti negativnega toka s katerim praznimo bazo, v fazi zapiranja tranzistorja. Nakopičeni naboj elektronov v bazi NPN tranzistorja je v nasičenju sorazmeren s prevodnim baznim tokom. Za potek napetosti u g(t) in vezje na sliki 5.6 dobimo + Um UBE Um + UBE IB = IB =, R R B + kjer sta IB in IB prevodni, oziroma amplituda negativnega praznilnega toka. V času, ko je tok i B (t) negativen je spoj med bazo in emitorjem prevodno polariziran, kar je upoštevano v gornjih enačbah. Zaradi lažje nastavitve obeh amplitud baznega toka, je na merilni ploščici izdelan rezalnik, ki zagotavlja konstantno pozitivno amplitudo napetosti na sponki X7. Prevodni bazni tok je na ta način določen z + 3UK UBE 1,4V IB = = 0,5mA R4 2,7kΩ Vezje za meritev stikalnih časov je prikazano na sliki 5.7. Na BNC priključek merilne ploščice priključite funkcijski generator in ga nastavite na pravokotne impulze z amplitudo 1,5 V in enosmerno prednapetostjo +1 V. Frekvenco impulzov nastavite sami. Izbrati jo morate tako, da so vidni efekti zakasnitev tranzistorja. Sonde osciloskopa morate nastaviti na 1:10, da znižamo kapacitivno obremenitev, ki jo predstavlja vhod osciloskopa. Pred meritvijo se tudi prepričajte, če je sonda osciloskopa kompenzirana. Prvi kanal osciloskopa priključimo na priključek X7, kjer opazujemo vhodno napetost, drugega pa na priključek X6. Velikost praznilnega toka spreminjamo z amplitudo generatorske napetosti, ki ima zaradi rezalnika vpliv le na negativno amplitudo. Za podane vrednosti praznilnega toka IB morate negativno amplitudo napetosti U X7 izračunati iz gornjih enačb. Napajalno napetost U morate nastaviti glede na zahtevani merilni tok I CC C. B X7-CH1 X6-CH2 470Ω 1kΩ 2,7kΩ 100 nf U CC Slika 5.7 Električna shema merilnega vezja stikalnih časov

25 Digitalna tehnika VAJA 5 5/6 Rezultati: I B U [mv] U = 2V BE C CE β 1 µa 10 µa 100 µa 1 ma Napetost nasičenja in tokovno ojačenje Napetost nasičenja pri I B = 0,1 ma I C U Cesat I C /I 0,1 ma 1 ma 10 ma 0,65 V B Stikalni časi za I + B B = I = 0,5 ma I B [m A] I C [ma] 0, t s t f t ON t OFF Čas nakopičenega naboja t s v odvisnosti od praznilnega toka IB I B + = 0,5 I = 5 ma IB [ma] - 0,5-1 -1,5-2 C t' s

26 6/6 VAJA 5 Digitalna tehnika

27 DIGITALNA TEHNIKA Ime : Priimek : VAJA 6: TTL LOGIČNA VEZJA Za standardni TTL (SN7404) in LSTTL (low power Schottky SN74LS04) invertor izmerite in narišite naslednje lastnosti: a) vhodno karakteristiko i 1 (u 1 ) za vhodne napetosti podane s tabelo b) prenosno karakteristiko u 2 (u 1 ) c) izhodno karakteristiko u 2 (i 2 ) za nizek in visok logični nivo na izhodu Slika 6.1 Električna shema merilne ploščice za meritve statičnih parametrov O p i s m e r i t v e : a) Za podane napetosti merite tok v vhodne sponke vrat. Napetost nastavljate s potenciometrom, ki je na merilnem vezju. Napajalna napetost je 5V. Pri merjenju toka velja splošni dogovor, da je tok, ki teče v vezje, pozitiven. U CC A V i u 1 u 2 V Slika 6. 2 Meritev vhodne in prenosne karakteristike

28 2/3 VAJA 6 Digitalna tehnika b) Meritev prenosne karakteristike lahko opravite sočasno z meritvijo vhodne karakteristike s preklapljanjem voltmetra z vhoda na izhod. Karakteristiko izmerite pri istih vhodnih napetostih kot meritev a). Karakteristiko narišite v ustrezen diagram. c) Izhodno karakteristiko merite pri obeh stanjih na izhodu. To določite z ustreznim krmiljenjem na vhodu vrat. Z zunanjim spremenljivim uporom (uporovno dekado) nastavite tok na želeno vrednost in odčitajte napetost na izhodnih sponkah. Pri nizki izhodni napetosti je izhod obremenjen s pozitivnim izhodnim tokom (sink current) pri visoki pa z negativnim. U CC U CC u 2 i 2 V UPOROVNA DEKADA u 2 i 2 V UPOROVNA DEKADA Slika 6. 3 Shemi vezij za meritev izhodne karakteristike Rezultati meritev : a,b) vhodna in prenosna karakteristika u LS00 i 1 [ma] u 2 i 1 [ma] u 2 i 1 [ma] u u u 1

29 Digitalna tehnika VAJA 6 3/3 c) izhodna karakteristika U 1 = 5V Obremenitev nizke izhodne napetosti i 2 [ ma ] u [ V ] 74LS00 U 1 = 0V Obremenitev visoke izhodne napetosti i 2 [ ma ] u [ V ] 74LS00 u u i 2 [ma] i 2 [ma] U CC 20kΩ 8kΩ 120Ω 4kΩ 1.6kΩ 130Ω U CC u A 4kΩ 12kΩ u B u A u B u izh 1,5kΩ 3kΩ 1kΩ LS00

30 4/3 VAJA 6 Digitalna tehnika