( Návody na cvičenia )

TEHNIKÁ UNIVEZITA V KOŠIIAH FAKULTA ELEKTOTEHNIKY A INFOMATIKY Katedra teoretickej elektrotechniky a elektrického merania doc. Ing. Miroslav Mojžiš, Sc. ČÍSLIOVÉ MEANIE ( Návody na cvičenia ) K o š i c e 2 0 1 0 1

doc. Ing. Miroslav Mojžiš, Sc. ČÍSLIOVÉ MEANIE ( Návody na cvičenia ) ecenzoval : prof. Ing. Dobroslav Kováč, Sc. prof. Ing. Irena Kováčová, Sc. Všetky práva vyhradené. doc. Ing. Miroslav Mojžiš, Sc. doc. Ing. Miroslav Mojžiš, Sc. ČÍSLIOVÉ MEANIE ( Návody na cvičenia ) Technická univerzita v Košiciach, Košice Jún 2010 1. vydanie, náklad 500ks, 67 strán ISBN 978-80-553-0435-9 2

O B S A H Predslov 8 1. Meranie elektrických veličín číslicovým multimetrom 9 1.1 Úvod 9 1.2 Úloha merania 9 1.3 Schéma zapojenia 9 1.4 Súpis použitých prístrojov a meraných objektov 10 1.5 Princíp merania a platné vzťahy 10 1.6 Postup pri meraní 10 1.7 Tabuľka nameraných a vypočítaných hodnôt 11 1.8 Vzor výpočtu 11 1.9 Grafické znázornenie nameraných hodnôt 11 2. Meranie parametrov pasívnej elektrickej súčiastky číslicovým mostíkom 12 2.1 Úvod 12 2.2 Úloha merania 12 2.3 Schéma zapojenia 13 2.4 Súpis použitých prístrojov a meraných objektov 13 2.5 Princíp merania a platné vzťahy 13 2.6 Postup pri meraní 15 2.7 Tabuľka nameraných a vypočítaných hodnôt 16 2.8 Vzor výpočtu 16 3. Meranie statických charakteristík číslicových integrovaných obvodov 17 3.1 Úvod 17 3.2 Úloha merania 17 3.3 Schéma zapojenia 18 3.4 Súpis použitých prístrojov a meraných objektov 18 3.5 Princíp merania a platné vzťahy 18 3.6 Postup pri meraní 19 3

3.7 Tabuľka nameraných a vypočítaných hodnôt 20 3.8 Vzor výpočtu 20 3.9 Grafické znázornenie nameraných hodnôt 20 4. Verifikácia činnosti základných číslicových kombinačných logických obvodov 21 4.1 Úvod 21 4.2 Úloha merania 21 4.3 Schéma zapojenia 22 4.4 Súpis použitých prístrojov a meraných objektov 23 4.5 Princíp merania a platné vzťahy 24 4.6 Postup pri meraní 26 4.7 Tabuľka nameraných a vypočítaných hodnôt 27 4.8 Vzor výpočtu 27 4.9 Grafické znázornenie nameraných hodnôt 27 5. Verifikácia funkcie číslicovo-analógového prevodníka 28 5.1 Úvod 28 5.2 Úloha merania 28 5.3 Schéma zapojenia 28 5.4 Súpis použitých prístrojov a meraných objektov 29 5.5 Princíp merania a platné vzťahy 29 5.6 Postup pri meraní 29 5.7 Tabuľka nameraných a vypočítaných hodnôt 30 5.8 Vzor výpočtu 30 5.9 Grafické znázornenie nameraných hodnôt 31 6. Meranie vlastností zostaveného číslicovo - analógového prevodníka typu -2 32 6.1 Úvod 32 6.2 Úloha merania 32 6.3 Schéma zapojenia 32 6.4 Súpis použitých prístrojov a meraných objektov 33 6.5 Princíp merania a platné vzťahy 33 4

6.6 Postup pri meraní 34 6.7 Tabuľka nameraných a vypočítaných hodnôt 34 6.8 Vzor výpočtu 34 7. Verifikácia funkcie analógovo číslicového prevodníka 35 7.1 Úvod 35 7.2 Úloha merania 35 7.3 Schéma zapojenia 36 7.4 Súpis použitých prístrojov a meraných objektov 36 7.5 Princíp merania a platné vzťahy 36 7.6 Postup pri meraní 37 7.7 Tabuľka nameraných a vypočítaných hodnôt 38 7.8 Vzor výpočtu 38 8. Verifikácia funkcie prevodníkov kódu 40 8.1 Úvod 40 8.2 Úloha merania 40 8.3 Schéma zapojenia 40 8.4 Súpis použitých prístrojov a meraných objektov 41 8.5 Princíp merania a platné vzťahy 41 8.6 Postup pri meraní 43 8.7 Tabuľka nameraných a vypočítaných hodnôt 43 8.8 Vzor výpočtu 43 9. Verifikácia činnosti elektronického prepínača s číslicovým ovládaním 44 9.1 Úvod 44 9.2 Úloha merania 44 9.3 Schéma zapojenia 44 9.4 Súpis použitých prístrojov a meraných objektov 45 9.5 Princíp merania a platné vzťahy 46 9.6 Postup pri meraní 47 9.7 Tabuľka nameraných a vypočítaných hodnôt 48 5

9.8 Vzor výpočtu 49 10. ealizácia a verifikácia funkcie číslicových sekvenčných obvodov ( typ S ) 50 10.1 Úvod 50 10.2 Úloha merania 51 10.3 Schéma zapojenia 51 10.4 Súpis použitých prístrojov a meraných objektov 52 10.5 Princíp merania a platné vzťahy 52 10.6 Postup pri meraní 54 10.7 Tabuľka nameraných a vypočítaných hodnôt 55 10.8 Vzor výpočtu 55 10.9 Grafické znázornenie nameraných hodnôt 55 11. ealizácia a verifikácia funkcie číslicových sekvenčných obvodov ( typ D ) 56 11.1 Úvod 56 11.2 Úloha merania 56 11.3 Schéma zapojenia 57 11.4 Súpis použitých prístrojov a meraných objektov 57 11.5 Princíp merania a platné vzťahy 58 11.6 Postup pri meraní 58 11.7 Tabuľka nameraných a vypočítaných hodnôt 59 11.8 Vzor výpočtu 59 11.9 Grafické znázornenie nameraných hodnôt 59 12. Modelovanie čítača elektrických impulzov a posuvného registra, verifikácia ich funkcie 60 12.1 Úvod 60 12.2 Úlohy merania 61 12.3 Schéma zapojenia 62 12.4 Súpis použitých prístrojov a meraných objektov 63 12.5 Princíp merania a platné vzťahy 63 6

12.6 Postup pri meraní 64 12.7 Tabuľka nameraných a vypočítaných hodnôt 64 12.8 Vzor výpočtu 64 13. Použité označenia a symboly 65 14. Literatúra 66 7

P r e d s l o v Predkladaný vysokoškolský učebný text má elektronickú formu a obsahuje poznatky súvisiace s praktickou výučbou v rámci predmetu Číslicové meranie. Tento predmet je súčasťou študijného programu Priemyselná elektrotechnika v rámci študijného odboru Elektrotechnika, ktorý je určený pre bakalárske štúdium na Fakulte elektrotechniky a informatiky Technickej univerzity v Košiciach. Predmet má rozsah 2 hodiny prednášok a 2 hodiny cvičení týždenne. Výučba tohto predmetu sa uskutočňuje v letnom semestri a jeho absolvovaním študenti získajú 6 kreditov. Učebná látka je rozdelená do jedenástich hlavných kapitol čo spolu s kontrolnou písomkou a zápočtom pokrýva náplň cvičení počas jedného semestra. Každá hlavná kapitola má osem až deväť unifikovaných podkapitol v poradí: 1. Úvod, 2. Úloha merania, 3. Schéma zapojenia, 4. Súpis použitých prístrojov a meraných objektov, 5. Princíp merania a platné vzťahy, 6. Postup pri meraní, 7. Tabuľka nameraných a vypočítaných hodnôt, 8. Vzor výpočtu a 9. Grafické znázornenie. Doplňujúci učebný text určený pre prednášky z tohto predmetu zverejňujeme tiež v elektronickej forme pod názvom: M. Mojžiš: Číslicové meranie. (Prednášky) Ďakujem lektorom prof. Ing. Dobroslavovi Kováčovi, Sc. a prof. Ing. Irene Kováčovej, Sc. za cenné pripomienky, ktoré mne umožnili tento učebný text skvalitniť. Autor 8

1. MEANIE ELEKTIKÝH VELIČÍN ČÍSLIOVÝM MULTIMETOM 1.1. Úvod Meranie elektrických veličín číslicovým multimetrom uskutočníme pri zisťovaní vlastností elektronického stabilizátora elektrického napätia. Pri meraní použijeme rôzne typy multimetrov s bežnou aj lepšou presnosťou. Stabilizátory napätia sú vyrábané ako monolitické analógové integrované obvody, ktoré majú vyvedené len vstupné a výstupné kontakty. U nás vyrobené stabilizátory napätia tvoria radu s označením MA 7800. Na posledných dvoch miestach je vyznačené nominálne výstupné napätie vo voltoch, ktoré môže byť 5, 12, 15 a 24 V. Nás ako užívateľov pravdepodobne nebude zaujímať vnútorné zapojenie a jeho funkcie. Budú nás však zaujímať charakteristiky, ktorými sa stabilizátor prejavuje navonok. 1.2. Úloha merania a) U predloženého výkonného stabilizátora napätia odmerajte závislosť výstupného napätia od vstupného, pri nominálnom výstupnom prúde! b) Odmerajte závislosť výstupného napätia od výstupného prúdu pri nominálnom vstupnom napätí! c) Funkčné závislosti podľa bodu a, b, vyveste do grafu a určte optimálnu oblasť použitia stabilizátora! (napr. U 2 = U 2n ± 0,25% U 2n ) d) Z nameraných hodnôt určte maximálny zaťažovací výkon pre stabilizátor! e) Z nameraných hodnôt vypočítajte činiteľ napäťovej a činiteľ prúdovej stabilizácie! 1.3. Schéma zapojenia v B E I ST 230 V ~ Zd ČV 1 U 1 U 2 ČV 2 A Obr. 1.1 9

1.4. Súpis použitých prístrojov a meraných objektov ST... Zd... ČV 1... ČV 2... A...... v... 1.5. Princíp merania a platné vzťahy Výstupné napätie je stabilizované, preto sa mení len veľmi málo. Z toho dôvodu je nutné ho merať kvalitným číslicovým voltmetrom merajúcim približne na päť platných miest. Činiteľ napäťovej stabilizácie (Č U ) je definovaný ako rozdiel výstupných napätí zodpovedajúci maximálnemu (U 21 ) a minimálnemu (U 22 ) vstupnému napätiu pri nominálnom výstupnom prúde. Potom platí: Č U = U 21 - U 22 U 21 12 V Činiteľ prúdovej stabilizácie (Č I ) je definovaný ako rozdiel výstupných napätí pri minimálnom (U 23 ) a maximálnom (U 24 ) výstupnom prúde, ak vstupné napätie je nominálne. Teda: Č I = U 23 - U 24 Všetky predpísané maximálne, nominálne a minimálne hodnoty napätia a prúdu sú udané v katalógu výrobcu. 1.6. Postup pri meraní Po zapojení meracej zostavy podľa schémy zapojenia (obr.1.1) zistíme charakteristické parametre meraného stabilizátora elektrického napätia. (ozsah napájacieho napätia, nominálne výstupné napätie, nominálny a maximálny výstupný prúd a nominálne vstupné napätie.) Postupne zvyšujeme vstupné napätie od nulovej hodnoty, po maximálne povolené, pri 10

nominálnom výstupnom prúde a meriame výstupné napätie. V druhom meraní použijeme nominálne vstupné napätie a zväčšujeme výstupný prúd na jeho maximálnu hodnotu. 1.7. Tabuľka nameraných hodnôt U 1 [V] U 2 [V] Por. č. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 U 2 [V] I 2 [A] I 2n = U 1n = U 2n = U 1 = I 2mx = 1.8. Vzor výpočtu a) Činiteľ napäťovej stabilizácie Č U = U 21 - U 22 = [ V ] Činiteľ prúdovej stabilizácie Č I = U 23 - U 24 = [ V ] b) P max = I 2max. U 2 = [ W; A; V ] 1.9. Grafické znázornenie nameraných hodnôt I 2n = U 1n = U 2 U 2 Obr.1.2 U 1 Obr.1.3 I 2 11

2. MEANIE PAAMETOV PASÍVNEJ ELEKTIKEJ SÚČIASTKY ČÍSLIOVÝM MOSTÍKOM 2.1. Úvod Každá pasívna elektrická súčiastka mení elektrickú energiu na niektorú z nasledujúcich skupín energií: tepelnú energiu (mechanickú resp. chemickú), energiu magnetického poľa alebo energiu elektrického poľa. Prvé tri typy energie predstavujú transformáciu elektrickej energie z elektrického obvodu do okolia, posledné dve sú v striedavom obvode vratné t.j. pri zvyšovaní elektrického napätia, v závislosti na čase, stúpajú, pri klesaní elektrického napätia sa transformujú späť do obvodu. Mieru premeny elektrickej energie na inú udávajú tzv. pasívne parametre, ktoré predstavujú veličiny: elektrický odpor, indukčnosť a elektrická kapacita. Elektrický odpor reprezentuje premenu elektrickej energie na tepelnú (mechanickú, chemickú), indukčnosť na energiu magnetického poľa a elektrická kapacita na energiu elektrického poľa. Elektrické súčiastky sú konštruované tak, že jeden pasívny parameter (hlavný) výrazne prevažuje nad ostatnými dvoma, ktoré sa nazývajú zvyškové. Podľa toho sa pasívne technické súčiastky (spotrebiče) volajú: rezistor (odporník) (elektromotor, batéria pri nabíjaní), cievka a kondenzátor. Aby sme mohli zvládnuť teoretické riešenie elektrického obvodu s technickými súčiastkami nahradíme ich tzv. náhradnými modelmi, čo je vlastne zapojenie zložené z tzv. ideálnych prvkov, (majú nulové zvyškové parametre). Takéto zapojenie spĺňa podmienku rovnakej premeny elektrickej energie na inú ako predmetná technická súčiastka. 2.2. Úloha merania a) Odmerajte základné parametre (, L, ) predložených technických súčiastok (rezistor, cievka so vzduchovým jadrom, kondenzátor), pri konštantnej frekvencií ( 100 Hz ) pre zjednodušené nízkofrekvenčné náhradné modely! b) Pre predložené súčiastky stanovte pri meracej frekvencii 100 Hz zložky ich sériového a paralelného modelu, ich fázor impedancie (jeho absolútnu hodnotu a fázu ) a ich činiteľ kvality a činiteľ strát! 12

c) Hodnoty zložiek náhradného modelu jednej súčiastky podľa bodu b) skontrolujte výpočtom! 2.3. Schéma zapojenia 230 V ~ ČMO Z Obr.2.1 2.4. Súpis použitých prístrojov a meraných objektov ČMO -... Z -... 2.5. Princíp merania a platné vzťahy Ako vyplýva z úvodu, keďže každá súčiastka má svoj odpor, indukčnosť a kapacitu opodstatnene môžeme očakávať, že aj ich náhradné modely budú obsahovať všetky ideálne prvky. Pri praktických riešeniach však nemá zmysel uvažovať ten typ energie a odpovedajúci parameter a teda aj ideálny prvok, kde podiel premenenej energie na celkovej transformovanej energii je zanedbateľne malý napr. menší ako 1 % alebo 0,1 %. To nám umožní podstatne zjednodušiť náhradný model za cenu zanedbateľného zhoršenia presnosti riešenia. Nakoľko veľkosť premeny elektrickej energie na inú je úmerná príslušnej zložke impedancie a tá v dvoch prípadoch súvisí s frekvenciou elektrického prúdu, pre vyššie frekvencie náhradné modely spravidla obsahujú tri a viac prvkov. Naopak pre nízke frekvencie (napr. sieťová) nám postačujú dvojprvkové modely, ktoré sú: a) pre rezistor teda ideálny odpor. 13

L L b) pre technickú cievku teda sériové zapojenie indukčnosti a odporu. c) pre technický kondenzátor teda paralelné zapojenie odporu a kapacity. a platia pre nich vzťahy: a) U = = = = I= (2.1) b) U Z = I ~ ~ X L = U I ~ ~ 2 U I = = 2 X L = L (2.2) ω c) Y = G + jωb G = U I = = B = Y 2 G 2 = I U ~ ~ 2 I U = = 2 B = (2.3) ω Predmetné modely sú vyhovujúce aj pre frekvencie blízke tej, pre ktorú boli vypočítané na základe praktického merania. Ak máme malé nároky na presnosť náhrady alebo kondenzátor má kvalitné dielektrikum t.j. malý zvod, potom je dostatočný náhradný model len ideálny kondenzátor, čo je všeobecný prípad. Ak však hodnota impedancie rezistora je väčšia ako hodnota odporu určená z nameraných jednosmerných veličín o neprípustnú hodnotu (napríklad 5%), je potrebné brať do úvahy aj jeho indukčnosť a pre takýto rezistor platí náhradný model ako pre technickú cievku. Môže sa to stať hlavne u vinutých odporov. Ak sa však uspokojíme s náhradným modelom len pre konkrétnu frekvenciu potom aj pre vyššie frekvencie postačuje dvojzložkový náhradný model a to buď v sériovom alebo paralelnom tvare a platí pre neho vzťah: Z = S + jx S 14

GP A. Sériový: S 2 2 G + B P = X S 2 2 P P GP + BP S ( ω ) X S ( ) B ω = (2.4) Y = G P + jb P S B. Paralelný: GP 2 2 + X 2.6. Postup pri meraní S = BP 2 2 S S S + X S X = (2.5) Mostík po zapnutí funguje v základnom režime, t.j. indikuje parametre v pozdĺžnych poliach A, B. Jeho frekvencia skúšobného U je 1kHz, čo indikuje pri stlačení tlačidla FEQ v poli. Stlačením EXIT (vpravo dole) sa indikácia frekvencie ukončí. Zmeniť ju možno tlačidlami (vľavo dole) od 100 Hz do 20 khz. G p B p keďže keďže keďže keďže Pri meraní základných parametrov pasívnej súčiastky postupujeme nasledujúco: S = meriame pri sériovom modeli, stlačíme, L S = L meriame pri sériovom modeli, stlačíme L, P = meriame pri paralelnom modeli, stlačením, G P = G meriame pri paralelnom modeli, stlačením G. JE POTEBNÉ VŠÍMAŤ SI EŽIM, V KTOOM MOSTÍK MEIA! / Paralelný alebo sériový./ Pri určovaní parametrov sériového modelu ( S, X S ), respektívne paralelného modelu (G P, B P ), volíme pravým dolným tlačidlom príslušný režim a ďalším tlačidlom volíme zisťovaný parameter svieti indikačná LED. Pri čítaní B P, X S sa nesmie merať Z. Po vzniknutí akéhokoľvek zmätku na zobrazovači mostíka, tento sieťovým vypínačom vypneme. Po opätovnom zapnutí všetky funkcie prejdú do základného východiskového stavu. 15

2.7. Tabuľka nameraných a vypočítaných hodnôt A) f =... ; U =... Por. č. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Názov vzorky [Ω] L [mh] G [S] [µf] B) Model Sériový Paralelný Fázor Činiteľ Por. Vzorka S X S G P B P Z & φ Q D č. [Ω] [Ω] [ms] [ms] [Ω] [ ] [1] [1] 1 ievka č. 7 2 Kondenzátor č. 3 3 ievka č. 7 + ()26614 4-26614 2.8. Vzor výpočtu G P S = = [ S,Ω ] 2 2 S + X S B P X S = = [ S,Ω ] 2 2 S + X S S G P = = [ Ω, S ] 2 2 GP + BP X B P S = = [ Ω, S ] 2 2 GP + BP Činiteľ kvality : Stratový činiteľ : Q = ω L / = ω / G = D = 1 / Q = 16

3. MEANIE STATIKÝH HAAKTEISTÍK ČÍSLIOVÝH INTEGOVANÝH OBVODOV 3.1. Úvod Číslicové obvody (ČIO) sú také elektrické obvody, ktoré rozlišujú na každom svojom vstupe dve diskrétne úrovne elektrického napätia a na každom svojom výstupe odpovedajú dvoma diskrétnymi hodnotami elektrického napätia. Týmto dvom úrovniam napätia sú priradené číslice logická 1 a logická 0 odtiaľ je ich názov. Takéto vyjadrenie ich elektrických napätí umožňuje ich algebraickú analýzu a tým aj analýzu rôznych logických funkcií kybernetických zariadení. Na ich funkcii je založená funkcia samočinných počítačov. Číslicové obvody umožnili realizáciu meracej techniky novej generácie s mnohonásobne väčšou kvalitou (presnosť, rýchlosť, automatizácia, kvalitnejší prenos dát, zápis atď.) Tieto obvody je možné zostavovať z jednotlivých súčiastok alebo tvoria nerozoberateľné kompaktné celky Číslicové integrované obvody (ČIO). Na jednej kremíkovej doštičke je potom umiestnený potrebný počet odporov, kondenzátorov, diód a tranzistorov na vytvorenie niektorého logického obvodu, ktorý je napokon zapuzdrený do jedného celku, tzv. monolitického ČIO. harakteristiky týchto monolitických ČIO budeme merať na ďalších praktických cvičeniach. 3.2. Úloha merania U predloženého ČIO pri nulovom a maximálnom logickom zisku odmerajte: a) Prenosovú charakteristiku! b) Vstupnú charakteristiku! c) Závislosť napájacieho prúdu od vstupného napätia! d) Namerané charakteristiky graficky znázornite a stanovte maximálny výkon odoberaný ČIO zo zdroja elektrickej energie! e) Z nameraných charakteristík stanovte vybrané statické parametre! 17

3.3. Schéma zapojenia I 2 A 2 k I 1 ČIO v ČIO Zd V 1 A 1 V 3 U 3 U 1 V 2 Z U Obr.3.1 3.4. Súpis použitých prístrojov a meraných objektov. ČIO 1, ČIO 2... V 1... V 2... V 3... A 1... A 2... Zd 1... Z U... kp... v... 1 2 3 4 5 6 Obr.3.2 14 13 12 11 10 9 7 8 3.5. Princíp merania a platné vzťahy Logický zisk označuje počet vstupov nasledujúceho obvodu, ktoré sú napájané z jedného výstupu meraného ČIO. Prenosová charakteristika je funkčná závislosť výstupného napätia ČIO od vstupného. Vstupná charakteristika je závislosť vstupného prúdu od vstupného napätia. Z jej priebehu môžeme usúdiť akým veľkým výkonom zaťažuje daný číslicový obvod predchádzajúci obvod. Závislosť napájacieho prúdu od vstupného napätia ukazuje aký príkon bude odoberať ČIO z napájacieho zdroja. 18

(I 2mx ). Maximálny výkon odoberaný z napájacieho zdroja určíme z maximálneho napájacieho prúdu P mx = I 2mx U 3 Ideálny ČIO by mal mať len dve úrovne napätia odpovedajúce dvom log. číslam 0 a 1. Následkom výrobných tolerancií jeho komponentov jedná sa o dve pásma napätí, ktoré pre TTL logiku sú nasledujúce: Vstup: nízka úroveň (log. 0): 0 až 0,8 V; Výstup: nízka úroveň (log. 0): 0 až 0,4 V; vysoká úroveň(log. 1): 2 až 5,25 V vysoká úroveň(log. 1): 2,4 až 5,25 V Vybrané statické parametre ČIO typu NAND sú nasledujúce: 1.Vstupné U nízkej úrovne U IL (input low) je také vstupné napätie, ktoré je potrebné na získanie výstupného U 0 vysokej úrovne. 2.Vstupné U vysokej úrovne U IH (input high) je také vstupné napätie, ktoré je potrebné na získanie výstupného U 0 nízkej úrovne. 3. Výstupné U vysokej úrovne U OH (output high) je výstupné napätie (U O ), ktoré vznikne, ak napätie na vstupe U I má nízku úroveň. 4. Výstupné U nízkej úrovne U OL (output low) je výstupné napätie, ktoré vznikne, ak na vstupe má U I vysokú úroveň. Tieto parametre verifikujeme podľa udaných pásiem napätia. 3.6. Postup pri meraní Meraciu zostavu zapojíme podľa schémy zapojenia. Zisťujeme vlastnosti predložených číslicových integrovaných obvodov. Postupne meriame požadované charakteristiky: t.j. prenosovú tak, že zvyšujeme vstupné napätie od 0 do 5 V a meriame výstupné napätie. Napájacie napätie má vždy hodnotu 5 V. Pri meraní vstupnej charakteristiky sledujeme závislosť vstupného prúdu od vstupného napätia. Napokon zvyšujeme vstupné napätie od 0 do 5 V a meriame veľkosť napájacieho prúdu (I 2 ) 19

3.7. Tabuľka nameraných hodnôt Por. číslo 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 N U 1 [V] 0 U 0 [V] 8 U 0 [V] 0 I 2 [ma] 8 I 2 [ma] 0 I 1 [ma] 8 I 1 [ma] 3.8. Vzor výpočtu 1. UIL = 2. UIH = 4. UOL = [ V ] Pmx = I2mx. U3 = [ mw; ma; V ] 3.9. Grafické znázornenie nameraných závislostí U 0 U 0H I I I IL I 2 I 2L U 0L UIL UIH UI U I I 2H I IH vstupná U IL U IH napájací prúd U I Obr.3.3 Obr.3.4 Obr.3.5 20

4. VEIFIKÁIA ČINOSTI ZÁKLADNÝH ČISLIOVÝH KOMBINAČNÝH LOGIKÝH OBVODOV 4.1. Úvod Logický systém je systém, ktorého veličiny nadobúdajú hodnoty len v určitých diskrétnych časových intervaloch a majú konečný počet hodnôt. Tieto diskrétne, po sebe idúce a navzájom sa neprekrývajúce časové intervaly nazývame taktami systému. Takty generuje osobitný synchronizačný zdroj (zdroj hodinových impulzov). Logický obvod, ktorého výstupný stav (signál) v danom takte je jednoznačne určený vstupným stavom (signálmi) v tom istom takte sa označuje ako kombinačný logický obvod. (Skrátene kombinačný obvod.). Zjednodušene povedané, kombinačné logické obvody sú také logické obvody, ktorých výstupy sú určené len stavom vstupných signálov. Pri ich zmene sa mení aj výstup kombinačného obvodu. Logické obvody, ktorých výstup je závislý od kombinácie vstupných signálov, ale aj od časového synchronizačného signálu, sa označujú ako sekvenčné logické obvody, Zmena na ich výstupe, ktorá je podmienená kombináciou vstupných signálov sa v čase prejaví až v okamihu príchodu synchronizačného signálu, na rozdiel od kombinačných obvodov, kde sa prejaví okamžite. Funkčne najjednoduchšie sú základné kombinačné obvody, ktoré sú používané v kybernetických zariadeniach, buď samostatne, alebo tvoria súčasť zložitejších kombinačných obvodov. Funkčnosť základných kombinačných obvodov budeme overovať analytickým meraním. 4.2. Úloha merania Meraním overte správnosť funkcie kombinačného dvojstupového logického obvodu typu : a) NAND vo funkcii logického člena! b) NO vo funkcii logického člena! c) AND vo funkcii hradla! d) O vo funkcii hradla! e) Výsledky merania podľa c), d) znázornite do spoločného grafu! f) Meraním verifikujte pravdivostnú tabuľku niekoľkovstupového logického obvodu typu NAND! 21

4.3. Schéma zapojenia meracej zostavy Z 5 N4 r v r v r v r v A B Obr. 4.1 D ČI0 1 & ČI0 2 1 0 1 2 3 S4 r r r r Obr.4.1 ČIO 3 Z 5 N 10 S 4 1 2 3 4 5 6 7 Obr. 4.2 22

ČIO 1 & & Z 5 N 4 S 4 ČIO 2 1 1 Obr. 4.3 4.4. Súpis použitých prístrojov a meraných objektov ČIO 1... ČIO 2... ČIO 3... Z 5... N 4... N 10... S 4... 1 14 2 13 3 12 4 11 5 10 6 9 7 8 1 14 2 13 3 12 4 11 5 10 6 9 7 8 1 14 2 13 3 12 4 11 5 10 6 9 7 8 Obr. 4.4 23

4.5. Princíp merania a platné vzťahy Jednoduchý ( dvojvstupový ) logický obvod ( člen ) typu N A N D realizuje logickú funkciu f (x 1, x 2 ) = x 1. x 2, t.j. negovaný logický súčin a jeho pravdivostná tabuľka je : X 1 X 2 NAND AND 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 Stručne vyjadrené: ak má byť na jeho výstupe log. úroveň 0 musí byť na všetkých vstupoch log. úroveň 1. Jednoduchý (dvojvstupový) logický obvod (člen) typu N O realizuje logickú funkciu f (x1, x2) = x1 + x2, t.j. negovaný logický súčet a jeho pravdivostná tabuľka je : X 1 X 2 NO O 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 Stručne vyjadrené: logická úroveň 1 je na výstupe len vtedy, ak na všetkých vstupoch je logická úroveň 0. Logické obvody je možné chápať aj ako tzv. hradlá. Hradlo alebo elektrická priepusť, t. j. je elektronický obvod, cez ktorý nejaký elektrický signál prejde alebo neprejde. Funkcia hradla závisí od typu použitého logického obvodu a je riadená tzv. riadiacim signálom. U hradla rozoznávame informačný signál x, výstup y a riadiaci signál r (obr. 4.5). 24

r x y x r y Obr. 4.5 Použijeme logický obvod typu AND. Jeho pravdivostná tabuľka interpretovaná do časových priebehov má tvar podľa obr. 4.5. Z naznačeného priebehu je vidieť, že informačný signál zo vstupu sa dostáva na výstup, ak riadiaci signál má vysokú úroveň alebo log. 1. Je pritom jedno, ktorý zo vstupov x1, x2 použijeme ako informačný a ktorý ako riadiaci. Ak použijeme ako hradlo log člen O dosiahneme inverznú funkciu, t.j. informačný signál sa dostáva na výstup, ak riadiaci signál má nízku úroveň, t.j. log. 0. Znova je jedno, ktorý zo vstupov bude riadiaci a ktorý informačný. Časový priebeh jednotlivých signálov bude v súlade s pravdivostnou tabuľkou nasledovaný (obr. 4.6). x r y Obr. 4.6 Osemvstupový člen NAND realizuje log. funkciu Y= ABDEFGH. Pravdivostná tabuľka osemvstupového logického člena typu NAND je: 25

X 1 X 2 X 3 X 4 X 5 X 6 X 7 X 8 Y 1 1 1 1 1 1 1 1 0 Všetky ostatné osmice premenných 1 Teda len vtedy je na výstupe 0, ak na všetkých vstupoch je 1. 4.6. Postup pri meraní Princíp merania spočíva v tom, že na vstupy logických obvodov privedieme postupne podľa pravdivostnej tabuľky napätia odpovedajúce logickej úrovni 0 a 1 v TTL logike a na výstupe budeme verifikovať hodnotu log. funkcie. Logickú úroveň 1 vstupného a výstupného napätia budú signalizovať svietiace LED diódy. Jednoduché členy NAND a NO sa vyskytujú viacnásobne realizované v niektorých obvodoch. Vyberieme si hociktorý a zapojíme podľa príslušných vývodov na puzdre ČIO. Obvody potom zapojíme na napájací zdroj a na napájaciu svorkovnicu N a signalizačnú svorkovnicu S. Napájacia svorkovnica imituje predchádzajúci ČIO s TTL logikou. Odpory = l kω sú vo funkcii záťaže. Verifikáciu logických obvodov vo funkcii logických členov vykonáme v zapojení podľa schémy na obr. 4.1. Vypínače v realizujú tranzistory v zopnutom a rozopnutom stave, odpory r zrážajú napájacie napätia na hodnotu dostačujúcu pre svietenie príslušnej LED diódy a zároveň zamedzujú tomu, aby napätie výstupu následkom zaťaženia LED diódou kleslo pod úroveň log. 1. Signalizačná svorkovnica obsahuje len diódy a predradené odpory. Tieto dve svorkovnice budeme používať aj v ďalších meraniach, vnútorné zapojenie však v schémach kvôli prehľadnosti vynecháme, ako aj popis ich funkcie. Podľa potreby použijeme štvorvstupovú alebo desaťvstupovú svorkovnicu. Verifikáciu logických obvodov AND a O vo funkcii jednoduchých hradiel vykonáme v zapojení podľa schémy na obr. 4.3. Log. obvody O a AND sa však bežne nevyrábajú, preto si ich vytvoríme pomocou log. člena INVET, ktorý realizujeme z ďalšieho člena NO alebo NAND príslušného ČIO, a to tak, že spojíme ich vstupy, (O správnosti takéhoto zapojenia sa môžeme presvedčiť v príslušných pravdivostných tabuľkách alebo meraním.) 26

V predchádzajúcich štyroch meraniach postupne meníme hodnoty obidvoch vstupov tak, aby sme získali úplnú množinu bodov príslušných logických funkcií. Logické hodnoty výstupných napätí zapisujeme do tabuľky. Funkciu viacstupového log. člena verifikujeme v zapojení podľa obr. 4.2. 4.7. Tabuľka nameraných a vypočítaných hodnôt x 1 0 0 1 1 x 2 0 1 0 1 NAND NO AND O 4.8. Vzor výpočtu Výpočty nevykonávame. Správnosť funkcie sa potvrdila u log. členov:...... 4.9. Grafické znázornenie nameraných závislostí r AND r O X Y Obr.4.7 27

5. VEIFIKÁIA FUNKIE ČÍSLIO-ANALÓGOVÉHO PEVODNÍKA 5.1. Úvod Číslicovo-analógový prevodník tvorí jeden zo základných funkčných obvodov používaných v číslicovej technike hlavne v meracej číslicovej technike. Vykonáva transformáciu číslicového slova v binárnom kóde dvojkovej číselnej sústavy na analógovú veličinu (elektrický prúd respektíve elektrické napätie). 5.2. Úloha merania a) Odmerajte hodnotu výstupného prúdu predloženého číslicovo-analógového prevodníka v závislosti od postupne sa meniaceho vstupného kódového slova. Postupne je na vstupoch B1 až B8 1-ka na ostatných je 0. Znázornite ho graficky! b) Veľkosť nameraného výstupného prúdu pre štyri zvolené kódové slová vyneste do grafu! (00100101; 01011111; 00000111; 00111001) c) Stanovte rozsah predloženého číslicovo-analógového prevodníka! d) Stanovte krok kvantovania predloženého ČAP! e) Stanovte relatívnu chybu výstupného prúdu v % pre tri zadané kódové slová! 5.3. Schéma zapojenia Z 15 B 1 B 2 B 3 ČIO +U +U -U I v N 10 B 4 B 5 B 6 I 0 - I 0 U L + Z 5 B 7 B 8 -U µa - Obr. 5.1 28

5.4. Súpis použitých prístrojov a meraných objektov ČIO -... Z 15 -... Z 5 - -... N 10 -... -... µa -... 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 5.5. Princíp merania a platné vzťahy Obr.5.2 Číslicovo-analógový prevodník transformuje kódové slovo Z vyjadrené v dvojkovej číselnej sústave. Z = Z n-1. 2 n-1 + Z n-2. Z n-2... + Z 1. 2 1 + Z 0. 2 0 kde koeficienty Z k môžu nadobudnúť hodnotu 0 alebo 1. Každej parciálnej časti slova (sčítancovi) je úmerný čiastkový prúd. Výstupný prúd tvorí potom súčet všetkých čiastkových prúdov. Parciálnym častiam obsahujúcim nulový koeficient Z k bude potom odpovedať nulový čiastkový prúd. Pre výstupný prúd osembitového ČAP potom platí: I v U r = ( Z 7. 2 7 + Z 6. 2 6 + Z 5. 2 5 + Z 4. 2 4 + Z 3. 2 3 + Z 2. 2 2 + Z 1. 2 1 + Z 0. 2 0 ) U r Prúd I 0 = tvorí potom najmenší možný prírastok výstupného prúdu a volá sa krok kvantovania. ozsah ČAP je daný počtom variant číslicového slova, teda počtom diskrétnych úrovní. Pri n vstupoch je to (2n - 1). (Prvá varianta 0 sa do rozsahu nepočíta.) 5.6. Postup pri meraní Po zapojení meracej zostavy podľa schémy zapojenia na obr. 5.1, pripojíme číslicovoanalógový prevodník na zdroj napätia Z 15 a napájaciu svorkovnicu N 10 na zdroj napätia Z 5. 29

Pomocou svorkovnice N 10 modelujeme vstupné kódové slová podľa zadania v úlohe merania. Mikroampérmetrom nameraný výstupný analógový prúd zapíšeme do tabuľky a použijeme pri výpočte podľa zadania úlohy. 5.7. Tabuľky nameraných a vypočítaných hodnôt vstup s 1 B 1 B 2 B 3 B 4 B 5 B 6 B 7 B 8 I 0 [µa] B 1 B 2 B 3 B 4 B 5 B 6 B 7 B 8 I V [µa] I V [µa] δ I [%] 1.k.slovo 2.k.slovo 3.k.slovo I V nameraný výstupný prúd I V vypočítaný výstupný prúd 5.8. Vzor výpočtu Z = Z 7. 2 7 + Z 6. 2 6 + Z 5. 2 5 + Z 4. 2 4 + Z 3. 2 3 + Z 2. 2 2 + Z 1. 2 1 + Z 0. 2 0 [1] (pre 1. slovo 00100101) I 7 U r =. 2 7, U r =.2 7 = [Ω; V; A] I 7 U I v = r. Z = [µa; V; Ω] I v = I v I v = [µa; µa; µa] 30

I δ v I =. 100 = [%; µa; µa] I v 5.9. Grafické znázornenie I v B 1 B 2 B 3 B 4 B 5 B 6 B 7 B 8 Obr.5.3 1. k. slovo 0 0 1 0 0 1 0 1 2. 3. 31

6. MEANIE VLASTNOSTÍ ZOSTAVENÉHO ČÍSLIOVO-ANALÓGOVÉHO PEVODNÍKA TYPU -2 6.1. Úvod Číslicovo-analógový prevodník je elektronické zariadenie transformujúce číslicové (kódové), slovo na analógovú elektrickú veličinu (elektrický prúd alebo elektrické napätie) odpovedajúcej hodnoty. Túto jeho funkciu sme verifikovali na predchádzajúcom praktickom meraní. Číslicovo-analógový prevodník môžeme však použiť aj ako delič elektrického prúdu. Dielčia časť prúdu sa v tomto prípade zadáva kódovým slovom v dvojkovej číselnej sústave. Najpoužívanejší je číslicovo-analógový prevodník, ktorého vnútorné zapojenie tvorí sieť skladajúca sa len z odporov dvoch veľkosti a hodnote a 2. Takúto sieť si preto zostavíme a meraním sa presvedčíme o jej vlastnostiach. 6.2. Úloha merania a) Meraním sa presvedčite, že odpor uzlov odporovej siete označených písmenami A, B, a D podľa schémy zapojenia na obr. 6.1 je oproti uzemneniu rovnaký! b) Pomocou štvorbitovej odporovej siete -2 oddeľte časť jednosmerného prúdu odpovedajúcu zadanému kódovému slovu v dvojkovej číselnej sústave! (1100; 1010; 1001; 0111; 1011) c) Nameraný prúd podľa bodu b) skontrolujte výpočtom ak odporová sieť má odpor =1k Ω a je pripojená na napätie 15 V! d) Meraním sa presvedčite, že prúd I k (komplementárny), je skutočne doplnkový a spolu s prúdom výstupným I v tvorí celková prúd I prechádzajúci odporovou sieťou -2! 6.3. Schéma zapojenia Zd 15 V D I 3 I 2 B I 1 A I 0 2 7 5 3 1 U 8 2 6 2 4 2 2 2 I 3 I 2 I 1 I 0 Z 3 Z 2 Z 1 Z 0 I 0 1 0 1 0 1 0 1 A 0 A 1 I v A 2 I k obr. 6.1 32

6.4. Súpis použitých prístrojov a meraných objektov Zd 15V -... 3x -... 5x2 -... A1 -... A2 -... A0 -... 6.5. Princíp merania a platné vzťahy Odporová sieť -2 tvoriaca číslicovo-analógový prevodník má nasledujúce vlastnosti: Odpory označené poradovým číslom 1. a 2. sú paralelne zapojené, ich výsledný odpor je. S 3. odporom sú zapojené do série a tvoria odpor o hodnote 2. Ďalej sprava doľava sa situácia opakuje. Z uvedeného vyplýva, že každý uzol opačný A, B, a D má odpor voči zemi. V každom uzle sa delia prúdy na dve polovice (I 0 a I 0 ; I 1 a I 1 atď.), keďže vetvy ktorými prechádzajú majú rovnaké odpory 2. Pomocou prepínačov označených písmenami Z 0 až Z 3 realizujeme potrebné kódové slovo. Ak je na príslušnom mieste 4-bitového kódového slova v dvojkovej číselnej sústave 1 je prepínač v polohe 1. Ak je na príslušnom mieste 0 je prepínač v polohe 0, výstupný prúd I v meraný ampérmetrom A 1 je potom daný súčtom dielčích prúdov I 0 až I 3 a platí pre neho vzťah: I v = I U U 1 U 1 1 U 1 1 1 U = + + + = 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 16 ( 8 + 4 + 2 1) 3 + I2 + I1 + I0 + Po zavedení kódového slova do tohto vzťahu máme 3 2 1 0 ( Z 2 + Z 2 + Z 2 Z ) U I v = 3 2 1 + 0 2 keďže čísla Z 0 až Z 3 môžu nadobúdať hodnotu 0 alebo 1 16 a podľa toho sú prepínače v príslušnej polohe. Prúd I k je tzv. komplementárny (doplnkový) k prúdu I v a obidva prúdy spolu s prúdom I 0 tvoria konštantný celkový prúd I, ktorým je zaťažovaný zdroj stabilizovaného napätia Zd. Aj každým odporom v sieti prechádza konštantný prúd. Odpor má konštantnú teplotu a v konečnom dôsledku aj konštantný odpor! 33

6.6. Postup pri meraní Elektrický odpor medzi dvoma uzlami označenými podľa schémy na obr. 6. 1 písmenami A, B, a D odmeriame tak, že merací prístroj pripojíme na miesto ampérmetra A 2 k príslušnému uzlu. Najprv sú všetky prepínače Z 0 až Z 3 v polohe 1. Ak meriame uzol A prepínač Z 0 je v polohe 0, ak uzol B aj prepínač Z 1 je v polohe 0 atď. Svorky prepínačov označené 1 sú rozpojené a označené 0 sú spojené. Ampérmetre ani Zd nie sú pri tomto meraní zapojené v obvode. Pri plnení úlohy b) a d) meriame podľa schémy zapojenia na obr. 6. 1. Výstupy z odporovej siete -2 zapojíme podľa zadaného kódového 4-bitového slova. Dielčí prúd ktorý odpovedá jednotke na príslušnom mieste zapojíme do vetvy ktorou preteká prúd I v a meriame ho ampérmetrom A 1. Po výpočte prúdu odpovedajúceho kódového slova porovnáme ho s nameraným a vypočítame chyby prevodu. 6.7. Tabuľka nameraných a vypočítaných hodnôt U = 15 V =... Ω Por. Kódové Nameraný Vypočítaný hyba Namerané Vypočítané č. slovo prúd prúd prevodu [1] [4 bity] I v [ma] I v [ma] [ma] I k [ma] I[mA] I [ma] 1 1100 2 1010 3 1001 4 0111 5 1011 Namerané hodnoty odporov proti zemi: A = B = = D = 6.8. Vzor výpočtu U 3 2 1 0 I v = ( Z3 2 + Z 2 2 + Z12 + Z 0 2 )= [A; V; Ω ] 16 = I v I = v [ma; ma; ma] I = I v + I k = [ma; ma; ma] 34

7. VEIFIKÁIA FUNKIE ANALÓGOVO ČÍSLIOVÉHO PEVODNÍKA 7.1. Úvod Analógovo číslicový prevodník tvorí základný funkčný obvod používaný v číslicovej meracej technike. Vykonáva transformáciu analógového vstupného napätia na číslicové slovo. ozoznávame u neho tieto charakteristické vlastnosti: 1. ozsah. Je rozdiel medzi maximálnou a minimálnou hodnotou spracovávanej analógovej vstupnej veličiny (napätia). 2. Krok kvantovania. Je rozdiel hodnôt vstupnej veličiny, ktorý zodpovedá 0 a 1 na poslednom mieste (LSB Last Significant Bit) výstupného binárneho slova. (Pojem je identický s citlivosťou u analógových meracích prístrojov.) 3. ozlišovacia schopnosť. Predstavuje počet rozlíšiteľných analógových úrovní na vstupe. Číselne sa rovná podielu rozsahu a kroku kvantovania. Pre n bitový binárny prevodník to bude hodnota 2 n a pre m miestny dekadický prevodník 10 m úrovní. 4. hyba kvantovania. Je maximálny rozdiel medzi analógovou vstupnou veličinou a jej nominálnou hodnotou zodpovedajúcou príslušnému kódovému slovu. Číselne sa rovná polovici kroku kvantovania. Ďalšie charakteristické parametre sú definované zhodne ako u číslicovo analógového prevodníka, t.j. rýchlosť, použitá logika, teplotná stabilita, kód a potlačenie rušivých signálov. 7.2. Úloha merania a) Verifikujte funkciu predloženého AČP pomocou siedmych zvolených analógových napätí v rozsahu AČP! b) Z nameraných hodnôt stanovte krok kvantovania a relatívnu chybu kroku kvantovania! c) Stanovte chyby prevodu! 35

7.3. Schéma zapojenia + 3 1 2 v 1 2 3 D W U + S 20 LK B 0 19 18 4 0 4 LKIN B 1 17 1 230V ~ Z 5 ČV 5 INT ČIO B 2 16 2 1 U 4 6 7 8 + V IN - V IN AGND B 3 B 4 B 5 15 14 13 3 4 5 S 10 2 3 9 V EF 2 B 6 12 6 10 DGND B 7 11 7 Obr. 7.1 7.4. Súpis použitých prístrojov a meraných objektov ČO -... Z 5 -... ČV -... S 10 -... 1, 2 -... 3 -... 4 -... 1 -... 2 -... 3, 4 -... 7.5. Princíp merania a platné vzťahy Princíp merania, t.j. verifikácia AČP, spočíva v nasledujúcich krokoch: privedieme 36

elektrické napätie U na vstup AČP v rámci jeho rozsahu, zaznamenáme ho a zároveň aj príslušný výstupný kód Z i. Z týchto nameraných hodnôt určíme krok kvantovania. U i = U Z i i[ V ] [ kód ] = (7.1) Pre výpočet priemerného kroku kvantovania U použijeme aspoň tri napätia Ui a tri príslušné kódové slová Zi. U = 1 3 3 i = 1 U i (7.2) Priemernú hodnota kroku kvantovania môžeme považovať za najpravdepodobnejšiu a teda v našom prípade správnu. elatívnu odchýlku t.j. chybu potom určíme zo vzťahu: δ ( U ) = i U i U U kde i = 1 až 7 (7.3) hybu prevodu určíme ako rozdiel medzi nameraným Ui a vypočítaným napätím U i, teda: U i = U i U i (7.4) a vypočítané napätie bude U i = Z i U (7.5) 7.6. Postup pri meraní Po zapojení meracej zostavy podľa schémy zapojenia (obr.7.1) a po jej kontrole pripojíme zdroj stabilizovaného napätia 5 V (Z 5 ) vypínačom na elektrickú rozvodnú sieť. Vypínačom (v) riadime chod analógovo číslicového prevodníka. Ak je predmetný vypínač v rozopnutom stave prevodník transformuje vstupné analógové napätie U na výstupné kódové slovo v dvojkovej číselnej sústave. Vstupné napätie pomaly meníme potenciometrom ( 3 ) a meriame číslicovým voltmetrom (ČV). Namerané hodnoty zapíšeme do tabuľky. Ak je vypínač (v) zapnutom stave výstupné kódové slovo sa nemení. Činnosť prevodníka budeme verifikovať len pri stúpajúcom vstupnom napätí. 37

7.7. Tabuľka nameraných a vypočítaných hodnôt Por. č. [i] 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Merané napätie Ui [V] B0 [1] B1 [1] B2 [1] Kódové slovo B3 [1] B4 [1] B5 [1] B6 [1] B7 [1] Vypočítané napätie Ui [V] hyba prevodu Ui [mv] hyba kroku δ( Ui) [%] 7.8. Vzor výpočtu Krok kvantovania U i pri troch vybraných napätiach bude Z 3 ~ U 3 2 3 5 Z3 = B2.2 + B3.2 + B5.2 + B6. 2 6 = U 3 = U Z 3 3 = U 3 =... Z 5 ~ U 5 1 3 4 Z5 = B 1.2 + B3.2 + B4.2 + B7. 2 7 = U 5 U = Z 5 5 = U =... 5 Z 7 ~ U 7 5 6 Z7 = B 5.2 + B 6.2 + B 7. 2 7 = U 7 U = Z 7 7 = U 7 =... 38

Priemerný krok kvantovania bude: U 1 U = 3 5 7 3 ( U + U + U ) = Vypočítané napätie U i U 7 = Z7 U = hyba prevodu U 7 = U 7 U 7 = elatívna chyba kroku kvantovania: δ U U U i ( U ) = 100% = i δ ( U ) = 7 Poznámka: Maximálna absolútna chyba kroku kvantovania bude: ( U ) = U U = mx i mx 39

8. VEIFIKÁIA FUNKIE PEVODNÍKOV KÓDU 8.1. Úvod Prevodník kódu je kombinačný ČIO, ktorý vo všeobecnosti transformuje nejaký kód X (v číselnej forme) na iný Y (tiež v číselnej forme) a označuje sa X/Y. Ak takýto prevodník kódu realizuje prevod číslicovej informácie vyjadrenej v desiatkovej číselnej sústave na niektorý z binárnych kódov vola sa kóder. Často používaný je kóder pre klávesnice, alebo tzv. prioritný kóder, ktorý prenáša na výstup len to číslo, ktoré má najvyššiu prioritu. Prevodník kódu, ktorý transformuje niektorý binárny kód na kód jeden z n sa volá dekóder. Kóder sa označuje skratkou D a dekóder D. 8.2. Úloha merania a) Meraním overte správnosť funkcie prevodníka kódu BD na 7 bitový kód pre segmenty číslicovej stupnice! b) Zistite funkciu vstupov LT, PH a BI! 8.3. Schéma zapojenia Obr. 8.1. 40

8.4 Súpis použitých prístrojov a meraných objektov ČIO 1 -... Z 5 -... N 4 -... Pr 4 -... S 10 -... Č -... 1 16 2 15 3 14 4 13 5 12 6 11 7 10 8 9 Obr. 8.2 1 16 2 15 3 14 4 13 5 12 6 11 7 10 8 9 Obr.8.3. Obr. 8.4 Obr. 8.5 8.5. Princíp merania - platné vzťahy Často používaný je kóder BD (Binary oded-decimal), ktorý transformuje každú číslicu desiatkovej do dvojkovej sústavy. Tak sa vytvorí binárne kódovaný desiatkový kód (BD), ktorý kóduje každú dekadickú číslicu štvorbitovým binárnym kódom. Napríklad (25) 10 = (0010 0101) BD. 41

Kóder môžeme namodelovať 4-výstupovou napájacou svorkovnicou, alebo použijeme mechanický prepínač (10 - polohový), ktorý každú desiatkovú číslicu kóduje na 4-svorkovom výstupe. Napríklad: 1 = (0001) BD 2 = (0010) BD 3 = (0011) BD 4 = (0100) BD 5 = (0101) BD atď. Ďalším veľmi často používaným prevodníkom kódu je prevodník kódu BD na sedembitový kód, používaný pre zapojenie sedem-segmentových číslic stupnice číslicových prístrojov. Jednotlivé segmenty sa označujú písmenami malej abecedy s rozmiestnením podľa obr. 8.6. Týmto označeniam odpovedá kód BD, ktorý vyjadruje číslo v desiatkovej sústave. Jednotlivé bity tohto kódu sú označované písmenami veľkej abecedy. Napríklad: Obr. 8.6. D B A a b c d e f g číslo 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 2 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 6 42

8.6. Postup pri meraní Po zapojení prístrojov podľa schémy zapojenia (obr.8.1) a po jej kontrole zapneme zdroj elektrického napätia (Z 5 ). Na vstupoch prevodníka kódu ( BD/ 7 segm) označených skratkami LT, BI, resp. Ph zvolíme napätia (log. 0 alebo 1) a zistíme ich funkcie Mechanickým kódovacím prepínačom (Pr 4 ) natavujeme čísla od 0 po 9 v dvojkovom štvorbitovom kóde (A,B,,D). Na číselnici (Č) a signálnej svorkovnici (S 10 ) kontrolujeme správnosť výstupov pre 7-segmentové číslo. Namerané hodnoty zapíšeme do tabuľky. 8.7. Tabuľka nameraných a vypočítaných hodnôt Poloha V s t u p y V ý s t u p y prep. č D B A a b c d e f g 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Zobr. číslo 8.8. Vzor výpočtu Hodnotu čísla v dvojkovom štvorbitovom kóde (Č 2 ) prepočítame na číslo v desiatkovej číselnej sústave (Č 10 ) podľa nasledujúceho vzťahu: Č 2 = A.2 0 + B.2 1 +.2 2 + D.2 3 = Č 10 : (A,B, a D = 0 alebo 1) Posledné namerané číslo: Ďalšie dve zvolené čísla: 43

9.VEIFIKÁIA ČINNOSTI ELEKTONIKÉHO PEPÍNAČA S ČÍSLIOVÝM OVLÁDANÍM 9.1. Úvod Elektronické prepínače (cudzí názov: multiplexory) sú často sa vyskytujúce až nevyhnutne potrebné súčiastky elektronických zariadení.základná funkcia elektronického prepínača spočíva v prepojení dvoch miest v elektronických (kybernetických) obvodoch. Voľba prepojenia miest sa udáva adresou, ktorá má číslicovú formu, teda ovládanie takéhoto multiplexora je číslicové. Pri cyklickom generovaní adries, je možné realizovať prevod paralelnej informácie, na sériovú. Pri elektrickom meraní elektronický prepínač umožňuje využiť jeden merací prístroj na meranie danej veličiny na viacerých objektoch resp. miestach. Multiplexory môžu byť podľa druhu prenášaného signálu číslicové alebo analógové spravidla sú 8 alebo 16 vstupové. 9.2. Úloha merania a) Meraním verifikuje funkciu číslicového multiplexora! b) Meraním verifikuje funkciu analógového multiplexora! 9.3. Schéma zapojenia Obr. 9.1 Obr. 9.1 44

Obr. Obr. 9.2 9.2 9.4. Súpis použitých prístrojov a meraných objektov ČIO 1... ČIO 2... Z 5... N 10... A... Pr 4... S 4... Z 15... 9 x... B... V... v... 45

Číslicový multiplexor Analógový multiplexor Obr. 9.3 9.5. Princíp merania a platné vzťahy Multiplexor je kombinačný obvod s 2 n informačnými vstupmi, n adresovými vstupmi a dvojicou komplmentárnych výstupov. Multiplexor realizuje funkciu elektronického prepínača jednotlivých vstupov na výstup. Výber príslušného vstupu sa volí adresou, ktorá predstavuje binárny kód, vyjadrujúci poradie vstupu v dvojkovej číselnej sústave. Okamih prenesenia informácie zo vstupu na výstup sa môže riadiť synchronizačnými impulzmi privedenými na príslušný vstup. Schematická značka multiplexora je na obr. 9.4 Jednotlivé informačné vstupy sú označené poradovým číslom, adresové vstupy veľkými písmenami abecedy a synchronizačný vstup písmenom S resp. EN. Okrem číslicových multiplexorov existujú aj analógové multiplexory (napríklad MA 08, MA 24, MA, 28), ktoré prepínajú vstupy s analógovými hodnotami napätia na výstup. Ich skratka v označení je AM x, vstupy S 1 S n, adresy A 0 A 3 a vybavovací logický vstup EN (miesto vstupu označeného S). Inverzný výstup nemá interpretáciu, preto neexistuje. Príklad funkcie štvorvstupového multiplexora zachycuje nasledujúca tabuľka. 46

Por. vstupy adresa výstup Čís. 0 1 2 3 A B Q 1 0 x x x 0 0 0 1 2 1 x x x 0 0 1 0 3 x 0 x x 0 1 0 1 4 x 1 x x 0 1 1 0 5 x x 0 x 1 0 0 1 6 x x 1 x 1 0 1 0 7 x x x 0 1 1 0 1 Obr. 9.4 8 x x x 1 1 1 1 0 Označenie x znamená, že na príslušnom vstupe môže byť ľubovoľná hodnota ( 0 alebo 1 ). Inverznú funkciu k funkcii musltiplexora vykonáva demultiplexor. Takýto kombinačný log. obvod má jeden informačný vstup, n adresových vstupov 2 n výstupov. Určená hodnota sa vysiela z informačného vstupu do príslušného výstupu daného adresou. Bežne sa vyrábajú osem alebo šestnásťvstupové multiplexory. Tento kombinačný obvod poskytuje široké možnosti použitia tým, že prenáša (multiplexuje) údaje zo vstupov na výstup, umožňuje rôzne prepojenia v kybernetických a elektronických obvodoch. Pri cyklickom generovaní adries možno realizovať prevod paralelnej informácie na sérovú.v meracej technike je možné pomocou neho realizovať elektronický prepínač meracích miest. 9.6. Postup pri meraní Princíp merania spočíva v tom, že adresy informačných vstupov budeme realizovať takzvanou vstupnou svorkovnicou a správnosť prenášanej hodnoty pozorovať jednou LED diódou na signalizačnej svorkovnici. Po zistení zapojenia puzdra predloženého ČIO 1 (napr. MH 74151) zapojíme tento na príslušné zariadenie, teda na kódovací prepínač Pr 4, na desať vstupovú svorkovnicu N 10 a na dva kontakty štvorvstupovej signalizačnej lavice S 4. Napokon všetky prvky obvodu pripojíme na stabilizovaný 47

zdroj napätia 5V, ako je to na obr.9.1. V tabuľke nameraných a vypočítaných hodnôt si zvolíme podľa vzoru v tabuľke 9.1. úrovne vstupov. Pri voľbe príslušných úrovní postupujeme tak, že najprv zvolíme hodnoty informačných vstupov pomocou N 10, potom adresu príslušného vstupu pomocou Pr 4 a napokon signálom pripojeným na vstup S (imituje synchronizačný signál) dáme pokyn k preneseniu informácie zo zvoleného vstupu a výstup. Meranie s analógovým multiplexorom vykonáme podobne v zapojení podľa obr. 9.2 s tým rozdielom, že na vstupy privedieme postupne vzrastajúce napätie ( kvôli prehľadnosti ) získané z diskrétneho napäťového deliča. 9.7. Tabuľka nameraných a vypočítaných hodnôt číslicový multiplexor Por. Čís. vstupy adresa výstup 0 1 2 3 4 5 6 7 A B Q Q 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 48

analógový multiplexor Číslo adresy 0 1 2 3 4 5 6 7 Kód adresy A 0 1 0 1 0 1 0 1 B 0 0 1 1 0 0 1 1 vstup EN výstup U[V] 0 0 0 0 1 1 1 1 9.8. Vzor výpočtu Výsledok verifikácie...... 49

10. EALIZÁIA A VEIFIKÁIA FUNKIE ČÍSLIOVÝH SEKVENČNÝH OBVODOV ( TYP S ) 10.1. Úvod Sekvenčné obvody predstavujúce elementárne pamäte sa nazývajú klopné obvody, ich funkciu popisuje nasledujúci algebrický výraz δ(s t, X k ) = S t+l (10.1) kde δ je takzvaná prechodová (vnútorná) funkcia obvodu, S t je vnútorný stav obvodu v t-tom takte, X k je vstupný stav obvodu. Vzťah vyjadruje postupnosť vnútorných stavov, to je vnútorný stav v t+l takte je závislý od vnútorného stavu v predchádzajúcom takte t a od vstupného stavu v tomto takte. Predmetné klopné obvody S a D sú definované nasledujúcimi tabuľkami prechodov: S X 1 X 2 00 01 11 10 0 0 1-0 1 1 1-0 S S X 1 0 1 0 0 1 1 0 1 D Obr. 10.1 Tabuľky vyjadrujú všetky možné vnútorné stavy klopných obvodov a prechody na nich. Pôvodný stav je uvedený v ľavom stĺpci, nasledujúci stav v tom istom riadku a v stĺpci, ktorý má v záhlaví uvedený vstupný stav. Napr. typ D δ(0, 1) = 1, t.j. pôvodný stav 0 sa zmení na 1, ak na vstup privedieme napätie o úrovni log. 1. Klopný obvod typu D má teda jednu vstupnú premennú a obvod S má dva vstupy. Ich činnosť podľa tabuľky prechodov možno popísať nasledujúco: Typ D: Nasledujúci vnútorný stav v nasledujúcom takte sa rovná vstupnému stavu v predchádzajúcom takte, teda S(t+1) = X (t). ealizuje teda oneskorenie o jeden takt a nazýva sa preto oneskorovací. Typ S: Ak obidve vstupné napätia majú hodnotu log 0, vnútorný stav obvodu sa v nasledujúcom takte nemení. Ak X 1 = 1, bez ohľadu na daný vnútorný stav, nasledujúci vnútorný stav bude log. 0. 50

Tomuto vstupu hovoríme nulovací (eset). Ak privedieme napätie o úrovni log. 1 na vstup X 2, bez ohľadu na daný vnútorný stav, nasledujúci vnútorný stav bude rovný log.1. Tomuto vstupu hovoríme nastavovací S (Set). Vstupný stav X 1 X 2 = 11 je zakázaný. Schematické značky uvedených klopných obvodov sú nasledujúce: D Q Q D Q S S Q D S Obr. 10.2 Ako vidieť zo značiek, klopné obvody majú dva komplementárne výstupy Q a Q. Na výstupe Q je log. hodnota, ktorá sa rovná log. hodnote vnútorného stavu daného klopného obvodu. 10.2. Úloha merania a) Zostavte asynchrónny klopný obvod typu S z logických členov typu NAND! b) Zostavte synchrónny klopný obvod typu S z logických členov typu NAND! c) Meraním sa presvedčte o správnosti funkcie obidvoch obvodov S! d) Činnosť obidvoch typov S obvodov v závislosti na čase znázornite graficky! 10.3. Schéma zapojenia ČIO S & & Q Z 5 N 4 S 4 & & Q Obr. 10.3 51

S & ČIO & Q Z 5 N 4 S 4 & & _ Q Obr. 10.4 10.4. Súpis použitých prístrojov a meraných objektov ČIO... Z 5... N 4... S 4... 1 14 2 13 3 12 4 11 5 10 6 9 7 8 10.5. Princíp merania a platné vzťahy Obr. 10.5 Asynchrónny klopný obvod je taký, ktorého každý ďalší takt je podmienený zmenou niektorého vstupného napätia. Klopný obvod S je typickým predstaviteľom svojej skupiny a je možné ho vytvoriť vhodným zapojením základných kombinačných obvodov. Najpoužívanejšie sú základné kombinačné obvody typu NAND. Zapojenie logických obvodov typu NAND vytvárajúce asynchrónny klopný obvod typu S je na obr. 10.6.Funkcia takto zostaveného klopného obvodu je nasledovná: Ak privedieme na vstup S úroveň H nasledujúcim invertorom, zmení sa na L. Úroveň L na vstupe ďalšieho člena NAND vyvolá na jeho výstupe Q úroveň H. Vstup má pôvodne úroveň L, výstup jeho invertora má úroveň H. Na prvý vstup spodného člena NAND dostáva sa spätnou väzbou z výstupu Q úroveň H na druhý vstup zo spodného invertora dostáva sa tiež úroveň H, logický súčin bude potom tiež úroveň H a jeho inverzia úroveň L, ktorá sa objaví na výstupe Q. Tento signál sa spätnou väzbou vedie na druhý vstup horného člena NAND, čo je v súhlase s jeho stavom; prvý vstup L, výstup H. Ak privedieme úroveň H na vstup funkcie jednotlivých členov 52

sú zhodné, ale vymenili si miesta podľa vodorovnej osi, to je úroveň H bude oproti vstupu na výstupe Q a úroveň L a výstupe Q. S & & Q & & Q Obr. 10.6 Ak by po úrovni H na vstupe S nasledovala úroveň L, znamenalo by to zmenu vstupov horného člena NAND z LL na HL, ale logický súčin L.L = H.L = L a inverzia na výstupe je H, t.j. stav výstupov sa nemení. Analogická situácia nastane na vstupe, čo je v zhode s tabuľkou prechodov klopného obvodu S. Ak sa nedopatrením stane, že na obidvoch vstupoch je súčasne úroveň H, teda zakázaný stav, bude na obidvoch výstupoch úroveň L. Ak sa potom vstupné napätia zmenia na úroveň L prejde klopný obvod náhodne do jedného z dvoch možných stavov. Ak by sme sa obmedzili len na zapojenie členov NAND ohraničených čiarkovane, dostaneme S klopný obvod s aktívnou úrovňou nie H, ale L. Synchrónny klopný obvod S, je taký, ktorý je riadený synchronizačným signálom (tzv. hodinovým impulzmom). Je možné ho zostaviť z logických členov NAND v zapojení podľa obr. 10.7. S & & Q & & _ Q Obr. 10.7 53