Τ.Ε.Ι. ΑΘΗΝΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΒΙΟΙΑΤΡΙΚΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ Ψηφιακά Ηλεκτρονικά Προαιρετική εργασία «Κατασκευή δυαδικού απαριθμητή με δεκαδική απεικόνιση δεκάδων και μονάδων» Συνυπεύθυνος εργασίας : ΚΟΛΙΑΚΗΣ ΣΠΥΡΙΔΩΝ Επικοινωνία : bme12027@teiath.gr Αιγάλεω 23/12/2016
Οδηγίες για την 1 η βαθμίδα του κυκλώματος Η πρώτη βαθμίδα του κυκλώματος αποτελεί ένα κύκλωμα ταλαντωτή που παράγει στην έξοδό του σήμα τετραγωνικής μορφής. Για τη λειτουργία του κυκλώματος μας του ψηφιακού μετρητή απαιτείται ένα σήμα χρονισμού τετραγωνικής μορφής ( το γνωστό ρολόι ). Το εν λόγο σήμα θα δημιουργηθεί με τη χρήση ενός ολοκληρωμένου κυκλώματος του timer 555 σε συνδεσμολογία ασταθούς πολυδονητή. Για τη δημιουργία του συγκεκριμένου κυκλώματος απαιτείται ένα IC 555, δύο αντιστάσεις και 3 πυκνωτές. Στην εικόνα 1 βλέπουμε το σχηματικό του παραπάνω κυκλώματος. Στη συνέχεια του αρχείου αναλύεται η λειτουργία του κυκλώματος. Εικόνα 1 Για να την κατανόηση της λειτουργία του κυκλώματος είναι απαραίτητο να γνωρίζουμε τα εξής: 1. Τελεστικός ενισχυτής ως αναλογικός συγκριτής τάσης 2. Τρανζίστορ ως διακόπτης 3. Φόρτιση πυκνωτή στο DC
Τελεστικός ενισχυτής ως αναλογικός συγκριτής τάσης Ένας τελεστικός ενισχυτής είναι ένα ενεργό ηλεκτρονικό εξάρτημα με δύο εισόδους και μια έξοδο. Για να λειτουργήσει απαιτεί εφαρμογή συνεχούς τροφοδοσίας είτε διπλή συμμετρική, δηλαδή ±V cc είτε μονή τροφοδοσία με +V cc και γείωση (GND). Στην περιπτωσή μας έχουμε μονή τροφοδοσία όπως φαίνεται στο σχήμα της διπλανής εικόνας. Δύο χρήσιμες διότητες του τελεστικού ενισχυτή που χρειάζεται να γνωρίζουμε για την ανάλυση του κυκλώματος είναι: 1. Άπειρος κέρδος τάσης 2. Άπειρη αντίσταση εισόδου. Αυτό σημαίνει πως στους ακροδέκτες εισόδου δεν ρεέι ρεύμα. Συνεπώς οι ακροδέκτες του τελεστικού ενισχυτή για το ρεύμα σημπεριφέρονται ως ανοιχτό κύκλωμα. Στην πληθώρα των περιπτώσεων ο τελεστικός ενισχυτής σχεδιάζεται χωρίς την τροφοδοσία του για συντομία και απλοποίηση του κυκλώματος όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα. Εξαιτίας του πολύ υψηλού κέρδους ενίσχυσης τάσης ο τελεστικός ενισχυτής μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως συγκριτής τάσης καθώς αποδεικνύεται ότι η τάση στην έξοδο του ισούται : V out = V cc όταν V + > V V out = 0V όταν V + < V Για παράδειγμα εάν V + = 2V & V = 1 & V cc = 5 τότε V out = V cc = 5V
Τρανζίστορ ως διακόπτης Ένα τρανζίστορ με κατάλληλη πόλωση μπορεί να λειτουργήσει ως διακόπτης. Με άλλα λόγια μπορεί να μεταβάλει την αντίσταση του μεταξύ των ακροδεκτών συλλέκτη - εκπομπού σε δύο ακραίες τιμές, μιας πολύ μικρής τιμής αντίστασης σχεδόν μηδενικής ( βραχυκύκλωμα ) και μιας πολύ μεγάλης τιμήςς αντίστασης ( ανοιχτό κύκλωμα ). Η μετάβαση από τη μια ακραία κατάσταση στην άλλη γίνεται με την εφαρμογή ή μη εφαρμογή τάσης στη βάση του τρανζίστορ όπως φαίνεται στα παρακάτω σχήματα.
Χρονιστής 555 σε λειτουργία ασταθούς πολυδονητή Θεωρώντας δεδομένο ότι το RS flip flop σας είναι γνωστό και με βάση τα παραπάνω θα αναλύσουμε τη λειτουργία του κυκλώματος ταλαντωτή. Για την εξήγηση της λειτουργίας του κυκλώματος αρχικά θα ρίξουμε μια ματιά στο εσωτερικό του ολοκληρωμένου κυκλώματος 555 που φαίνεται στην εικόνα 2. Εικόνα 2 Το γκρίζο πλαίσιο περιέχει το απλοποιημένο διάγραμμα του εσωτερικού κυκλώματος του Χρονιστή 555. Εκτός του γκρίζου πλαισίου διακρίνονται τα επιπλέον διακριτά στοιχεία που απαιτούνται για την υλοποίηση του κυκλώματος. Η αρίθμηση περιμετρικά του πλαισίου αντιστοιχεί στους ακροδέκτες του 555. Οι τρείς αντιστάσεις των 5κΩ αποτελούν ένα διαιρέτη τάσης. Η τάση στην κορυφή της κάτω αντίστασης είναι 1 3 V cc ενώ η τάση στην κορυφή της μεσαίας αντίστασης είναι 2 3 V cc. ( θυμείται ότι στους ακροδέκτες των συγκριτών δεν ρέει ρεύμα, οπότε για το ρεύμα είναι σαν ανοιχτό κύκλωμα )
Σκοπός και λειτουργία των ακροδεκτών του 555 Ακροδέκτης 1. Γείωση του κυκλώματος. Ακροδέκτης 2. Η είσοδος του κάτω συγκριτή η οποία χρησιμοποιείται για να θέσει το flip-flop σε κατάσταση set όταν η τάση του ακροδέκτη αυτού πέσει κάτω από την τιμή 1 3 V cc. Ακροδέκτης 3. Η έξοδος του 555, η οποία οδηγείται από ένα buffer αναστροφής. Τα επίπεδα της τάσης εξόδου εξαρτώνται από το ρεύμα εξόδου και είναι V outh V cc 1.5 V και V outl 0.1 V. Ακροδέκτης 4. Το reset του flip-flop, το οποίο όταν γειωθεί μηδενίζει τον ακροδέκτη 3 της εξόδου. (Για να μην επηρεάζει την έξοδο συνήθως συνδέεται στον ακροδέκτη τροφοδοσίας) Ακροδέκτης 5. Συνήθως συνδέεται στη γείωση μέσω ενός πυκνωτή ώστε να εξαλειφθεί ο θόρυβος από τη γραμμή τροφοδοσίας. Ακροδέκτης 6. Η είσοδος του επάνω συγκριτή, η οποία χρησιμοποιείται για να θέσει το flipflop σε κατάσταση reset όταν η τάση του ακροδέκτη αυτού υπερβεί την τιμή 2 3 V cc. Ακροδέκτης 7. Συνδέεται με τον συλλέκτη του τρανζίστορ για να βραχυκυκλώνει τον ακροδέκτη 7 με την γείωση, όταν η Q είναι σε κατάσταση HIGH. Αυτό οδηγεί στην εκφόρτιση του εξωτερικού πυκνωτή. Ακροδέκτης 8. Τάση τροφοδοσίας V cc. Κυμαίνεται από 4.5 V έως 18 V. Εξήγηση της λειτουργίας του κυκλώματος Κατά την αρχική εφαρμογή τροφοδοσίας ο πυκνωτής είναι αφόρτιστος τοποθετώντας τάση 0 V στον ακροδέκτη 2 και 6. Η έξοδος του κάτω συγκριτή γίνεται HIGH, του πάνω συγκριτή γίνεται LOW και το flip-flop τίθεται σε κατάσταση set (Q =LOW, Έξοδος = HIGH). Με την έξοδο σε κατάσταση HIGH (Q =LOW) το τρανζίστορ εκφόρτισης δεν άγει και ο πυκνωτής φορτίζει από την τάση τροφοδοσίας διαμέσου της συνολικής αντίστασης R A + R B (διαδρομή φόρτισης). Όταν η τάση του πυκνωτή ξεπεράσει την τιμή του 1 3 V cc, η έξοδος του κάτω συγκριτή γίνεται LOW, χωρίς να επιδρά στην κατάσταση του flip-flop. Όταν όμως υπερβεί την τιμή των 2 3 V cc, η έξοδος του επάνω συγκριτής γίνεται HIGH και το flip- flop τίθεται σε κατάσταση reset (Q =HIGH Έξοδος=LOW). Με την Q σε κατάσταση HIGH το τρανζίστορ εκφόρτισης άγει βραχυκυκλώνοντας τον ακροδέκτη 7 με τη γείωση, προκαλώντας έτσι την εκφόρτιση του πυκνωτή διαμέσου της αντίστασης R Β (διαδρομή εκφόρτισης). Όταν η τάση του πυκνωτή πέσει κάτω από την τιμή των 2 3 V cc, η έξοδος του πάνω συγκριτή γίνεται LOW, χωρίς να επιδρά στην κατάσταση του flip-flop. Όταν όμως η τάση του πυκνωτή πέσει κάτω από το 1 3 V cc, έξοδος του κάτω συγκριτή γίνεται και πάλι HIGH θέτοντας το flip-flop σε κατάσταση set, κάνοντας ξανά την Q LOW και την έξοδο HIGH. Τώρα με την Q σε κατάσταση LOW το τρανζίστορ σταματάει και πάλι να άγει επιτρέποντας στον πυκνωτή να ξαναρχίσει να φορτίζεται.
Ο κύκλος επαναλαμβάνεται συνεχώς με τον πυκνωτή να φορτίζεται μέχρι την τιμή των 2 3 V cc και κατόπιν να εκφορτίζεται έως την τιμή του 1 3 V cc. Κατά τη φόρτιση του πυκνωτή η έξοδος είναι HIGH, ενώ κατά την εκφόρτιση του η έξοδος είναι LOW. Στην Εικόνα 3 φαίνονται οι θεωρητικές κυματομορφές που αντιστοιχούν στην λειτουργία του κυκλώματος ασταθούς πολυδονητή. Το πρώτο γράφημα αντιστοιχεί στην τάση του πυκνωτή και το δεύτερο στην έξοδο του 555. Οι σχέσεις για τον υπολογισμό των χρονικών διαστημάτων t HIGH και t LOW δίνονται από τους παρακάτω τύπους: t HIGH = t 1 = 0.693 (R A + R B ) C 1 t LOW = t 2 = 0.693 R B C 1 Χρόνος Περιόδου T και κύκλου εργασίας ( duty cycle) T = t 1 + t 2 = 0.693 (R A + 2R B ) C 1 Duty cycle= t 1 100% = (R Α+R Β ) 100% T (R Α +2R Β) Εικόνα 3 Ενναλακτικό κύκλωμα ασταθούς πολυδονητή Υλοποίηση σε breadboard Σχηματικό διάγραμμα
Εξισώσεις για το ενναλακτικό κύκλωμα t HIGH = t 1 = 0.693 R 2 C 1 t LOW = t 2 = 0.693 R 1 C 1 Χρόνος Περιόδου T και κύκλου εργασίας ( duty cycle) T = t 1 + t 2 = 0.693 (R 1 + R 2 ) C 1 Duty cycle= 50%, σημαίνει t HIGH = t LOW Ζητείται να επιλεγούν κατάλληλα οι τιμές των αντιστάσεων και του πυκνωτή C1 έτσι ώστε το κύκλωμα να παράγει στην έξοδό του τετραγωνικό παλμό συχνότητας περίπου 1Hz με χρόνους t HIGH = t LOW δηλαδή 50% κύκλο εργασίας. Παρατηρήσεις Οι πυκνωτές με χωρητικότητα τάξης μεγέθους μικρο-farad (μf) είναι ηλεκτρολυτικοί. Οι Ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές έχουν πολικότητα. Προσοχή, το κοντό ποδαράκι ή αλλιώς το ποδαράκι που βρίσκεται κατά μήκος της κάθετης άσπρης γραμμή στο πλαϊνό του πυκνωτή όπως φαίνεται στην εικόνα με το breadboard πρέπει να πάει στη γείωση. Για τη φόρτιση πυκνωτή ανατρέξτε σε σημειώσεις παλαιότερων μαθημάτων ή ψάξτε στο διαδίκτυο. Ο τελεστικός ενισχυτής ως ολοκληρωμένο στοιχείο δεν έχει διδαχθεί και αποτελεί αντικείμενο μαθημάτων σε επόμενα εξάμηνα. Το τρανζίστορ ως διακόπτης αναλύθηκε στις συναντήσεις στη Ν1. H δίοδος D1 του εναλλακτικού κυκλώματος μπορεί να είναι μια απλή δίοδος ανόρθωση χαμηλής τάσης. Ζητήστε μια απλή δίοδο που να μπαίνει σε breadboard εύκολα. Στην έξοδο του κυκλώματος έχει πολωθεί μια δίοδος LED ως λυχνία ενδεικτικής λειτουργίας. Εάν το κύκλωμα λειτουργεί με ορθό τρόπο, το LED θα πρέπει να αναβοσβήνει. Η έξοδος του κυκλώματος συνδέεται στον ακροδέκτη clock του ενός από τους δύο μετρητές.