ELEKTRONIKA Laboratorijske vaje za program računalništva in informatike

FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO, RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO Inštitut za elektroniko ELEKTRONIKA Laboratorijske vaje za program računalništva in informatike Bojan Jarc, Rudolf Babič. izdaja (drugi ponatis) MARIBOR 3

Copyright 3. Prva izdaja, drugi ponatis, oktober 3. ELEKTRONIKA: Laboratorijske vaje za program računalništva in informatike AVTORJA: VRSTA PUBLIKACIJE: STROKOVNI RECENZENT: JEZIKOVNI PREGLED: ZALOŽBA: TISK: NAKLADA: doc. dr. Bojan Jarc, izr. prof. dr. Rudolf Babič navodilo za vaje doc. dr. Mitja Solar Bojana Samarin, prof. Založniška dejavnost Fakultete za elektrotehniko, računalništvo in informatiko, Tiskarna tehniških fakultet Maribor 7 izvodov Vse pravice so pridržane. CIP - Kataložni zapis o publikaciji Univerzitetna knjižnica Maribor 68.38 (75.8) (76.5) JARC, Bojan Elektronika : Laboratorijske vaje za program računalništva in informatike / Bojan Jarc, Rudolf Babič. -. izd.,. ponatis - Maribor : Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko, 3 ISBN 86-435-363-. Babič, Rudolf COBIS-ID 45359873 AVTORJEV NASLOV: POPRAVKI: Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko Maribor, Maribor, Smetanova 7 bojan.jarc@uni-mb.si http://saturn.uni-mb.si/~bojan/

Predgovor Pričujoče gradivo dopolnjuje in zaokrožuje predavanja ter računske vaje pri predmetu Elektronika za študente univerzitetnega programa računalništva in informatike. Navodila za laboratorijske vaje so zasnovane tako, da se vanje vnašajo merilni rezultati, karakteristike in odgovori na vprašanja. Pravilno izpolnjeno gradivo bo predstavljalo osnovni študijski pripomoček. Podane so vaje s področij: signalov, polprevodniških elementov, analognih in digitalnih elektronskih vezij, oblikovanja in generiranja signalov, ter pretvornikov signalov. Večino vaj opravljajo študenti samostojno. Izjeme so tiste točke, ki so označene z. Te vaje se izvajajo z demonstracijo. Ob koncu bi se želela zahvaliti strokovnemu recenzentu doc. dr. Mitji Solarju za vse koristne pripombe in nasvete pri nastajanju navodil za vaje ter prof. Bojani Samarin za jezikovno oblikovanje besedila. V Mariboru, novembra Avtorja

II Kazalo. SIGNALI. Napajalni viri. Prenos signalov 3. POLPREVODNIŠKI ELEMENTI 8. Upor in polprevodniška dioda 8. Bipolarni spojni tranzistor (BJT) 4.3 MOS FET tranzistor 3. ANALOGNA ELEKTRONSKA VEZJA 8 3. Operacijski ojačevalnik 8 4. DIGITALNA ELEKTRONSKA VEZJA 33 4. Osnovni logični elementi 33 5. OBLIKOVANJE IN GENERIRANJE SIGNALOV 4 5. Primerjalnik in primerjalno vezje s histerezo (Schmittovo preklopno vezje) 4 5. Kvarčni oscilator 44 5.3 Funkcijski generator 47 6. PRETVORNIKI SIGNALOV 53 6. Digitalno-analogni in analogno-digitalni pretvorniki 53

III Pomen pogosteje uporabljenih simbolov G - napetostni vir V - merilnik napetosti A - merilnik toka µa - merilnik toka f - frekvenca ω - krožna frekvenca T - perioda T A - temperatura okolice (ambient temperature) Q, - delovna točka (quiescent) I BQ, I CQ, I EQ - bazni, kolektorski, emitorski tok delovne točke U BEQ - napetost delovne točke med bazo in emitorjem U CEQ - napetost delovne točke med kolektorjem in emitorjem U CES - napetost nasičenja med kolektorjem in emitorjem U BES - napetost nasičenja med bazo in emitorjem U T - termična napetost h FE, B - enosmerni tokovni ojačevalni faktor h fe, β, h e - izmenični tokovni ojačevalni faktor r BE, h e - dinamična upornost spoja baza-emitor THD - faktor harmoničnih popačenj (Total Harmonic Distortion) U P - pragovna napetost (v angleški literaturi tudi U T - threshold voltage) µ - gibljivost nosilcev (elektroni 5 cm /Vs ali vrzeli 5 cm /Vs), ε - dielektrična konstanta (SiO : 4ε, ε = 8,85 - As/Vm), t ox - debelina oksida (, µm), L - dolžina kanala, W - širina kanala, f ZG, f -3dB - zgornja frekvenčna meja f SP - spodnja frekvenčna meja f T - tranzitna mejna frekvenca A - ojačenje odprte zanke t PLH - čas zakasnitve vezja ob preklopu izhoda z nizkega na visok logični nivo (PLH - Propagation Low to High) t TLH, t R - čas naraščanja ( 9 %), (TLH - Transition Low to High) t THL, t F - čas padanja (9 %), (THL - Transition High to Low) U P - preklopna napetost U H - napetost histereze LSB - najniže utežni bit (Least Significant Bite) MSB - najviše utežni bit (Most Significant Bite) f S - frekvenca vzorčenja

Jarc, Babič: ELEKTRONIKA Laboratorijske vaje za program računalništva in informatike. SIGNALI. Napajalni viri Vaja seznanja z osnovnimi napajalnimi viri, z njihovo uporabo in lastnostmi. Z meritvami U-I karakteristike in notranje upornosti določimo elemente nadomestnega vezja, s katerimi so opisane izbrane vrste napajalnikov.. Povežite napajalni vir z bremenom in uporabite instrumenta za meritev napetosti in toka. Vezalno shemo prikazuje slika.. Izmerite in narišite U-I karakteristiko treh napetostnih virov: baterije, napajalnika (napajalno napetost naj bo enaka kot je bila napetost odprtih sponk baterije, tok kratkega naj bo,4 A) in signalnega napetostnega vira (izhod iz CMOS logičnega vezja). Merite le do maksimalnega toka I max = ma. G V A POT napetostni vir Slika.: Vezalna shema Popis instrumentov, naprav in elementov: G - baterija U BAT = 4,5 V, napajalnik HM 74, model s CMOS vezjem, V - digitalni univerzalni instrument HM 8, A - univerzalni instrument UNIVO ali UNIMER, POT - drsni upor 33 Ω. U[V] I[mA] baterija napajalnik sig. vir 3 5 5 Tabela.: Izmerjene vrednosti napetosti

Jarc, Babič: ELEKTRONIKA Laboratorijske vaje za program računalništva in informatike U[V] 5 4 3 5 5 I [ma] Slika.: U-I karakteristike posameznih napetostnih virov. Posamezne napajalne vire za kratek čas obremenite z bremenom R B = Ω. Opišite, kaj se zgodi z napetostjo in tokom? Odg.: 3. Na osnovi izmerjenih rezultatov izračunajte notranjo upornost napetostnih virov R g pri delovnih pogojih, ki so določeni z mirovnim tokom: baterija U I BQ = 5mA, R gb = I = Q napajalnik I NQ = 5mA signalni vir U, R gn = = I Q U I SVQ = 3mA, R gsv = = 4. Narišite nadomestna vezje napetostnih virov in pripišite izmerjene vrednosti napetosti odprtih sponk in notranje upornosti: baterija napajalnik signalni vir I Q

Jarc, Babič: ELEKTRONIKA Laboratorijske vaje za program računalništva in informatike 3. Prenos signalov Vaja seznanja študente z laboratorijskim funkcijskim generatorjem, z osnovnim signalnim virom za generiranje sinusnega, trikotnega in pravokotnega signala. Prikazuje prenos različnih oblik signalov preko žičnega komunikacijskega kanala in preko ojačevalnika ter seznanja z meritvami parametrov opazovanega signala v časovnem in frekvenčnem prostoru. A Prenos signalov preko žičnega kanala. S signalnim virom generirajte periodični sinusni in pravokotni signal s frekvenco f = khz in amplitudo U a =,5 V Priključite ga na komunikacijski kanal. Vezalno shemo prikazuje slika.3. komunikacijski kanal g izh G u u X Y generator OSC Slika.3: Meritev frekvence in amplitude signala z osciloskopom Popis instrumentov, naprav in elementov: G - funkcijski generator HM 83, OSC - osciloskop HM 57, komunikacijski kanal - modul ali svitek kabla.. Z osciloskopom izmerite in narišite časovne poteke signalov na vhodu in izhodu kanala. Kakšna je oblika, amplituda, frekvenca f in perioda T signala na vhodu in izhodu kanala. Meritev: = ω f = T π = = f u g, u izh [V],5 -,5 - π π 3π 4π π t/t,5,5 t[ms] Slika.4: Časovna diagrama sinusnega periodičnega signala

4 Jarc, Babič: ELEKTRONIKA Laboratorijske vaje za program računalništva in informatike u g, u izh [V],5 -,5 - π π 3π 4π π t/t,5,5 t [ms] Slika.5: Časovna diagrama pravokotnega periodičnega signala 3. Z osciloskopom, ki omogoča izračun FFT signala, izmerite in narišite amplitudna spektra sinusnega in pravokotnega signala na vhodu in izhodu komunikacijskega kanala. A n [V],5 3 4 n ω ω 3ω 4ω ω f f 3f 4f f Slika.6: Amplitudna spektra sinusnega periodičnega signala

Jarc, Babič: ELEKTRONIKA Laboratorijske vaje za program računalništva in informatike 5 A n,5 [V],5 3 4 n ω ω 3ω 4ω ω f f 3f 4f f Slika.7: Amplitudna spektra pravokotnega periodičnega signala 4. Kaj je vzrok za različne amplitude višjih harmonikov vhodnega in izhodnega signala? Odg.: 5. Izračunajte in zapišite Fourierjevo vrsto omenjenih periodičnih signalov. Izračunane vrednosti primerjajte z meritvijo. sinusni signal u ( t) S = pravokotni signal u ( t) P = 6. Kakšen je spekter omenjenih periodičnih signalov? Obkrožite pravilni odgovor: zvezni, ali diskretni. 7. Kakšen je spekter neperiodičnih signalov? Obkrožite. zvezni, ali diskretni. B Prenos signala preko ojačevalnega vezja. Povežite močnostni ojačevalnik s funkcijskim generatorjem in osciloskopom kot to prikazuje slika.8. Amplitudo vhodnega signala izberite tako, da bo izhodni signal v področju srednjih frekvenc nepopačen. Izmerite ojačenje pri srednjih frekvencah A in v ostalih točkah po tabeli.. Narišite frekvenčno karakteristiko ojačevalnika. G ojačevalnik f g izh ~ u u X Y generator OSC Slika.8: Meritev frekvenčne karakteristike ojačevalnika

6 Jarc, Babič: ELEKTRONIKA Laboratorijske vaje za program računalništva in informatike Popis instrumentov, naprav in elementov: G - funkcijski generator HM 83, OSC - osciloskop HM 57, ojačevalnik - model močnostnega ojačevalnika. f [Hz] A [db] A = A - A - A -6 A -3 A A -3 A -6 A - A - db Tabela.: Izmerjeno ojačenje A [db] 3 3 4 5 6 7 f [Hz] Slika.9: Izmerjena frekvenčna karakteristika ojačevalnika. Na vhod ojačevalnika priključite generator pravokotnega signala s frekvenco khz in amplitudo,5 V. Izmerite in narišite časovni potek vhodnega in izhodnega signala. ojačevalnik g izh G u u X Y generator OSC Slika.: Meritev odziva ojačevalnika na pravokotni signal

Jarc, Babič: ELEKTRONIKA Laboratorijske vaje za program računalništva in informatike 7 Popis instrumentov, naprav in elementov: G - funkcijski generator HM 83, OSC - osciloskop LeCroy 936, ojačevalnik - model močnostnega ojačevalnika. u izh [V] u [V] g,5 -,5 - π π 3π 4π π t/t 5 5 t [µs] Slika.: Časovna diagrama pravokotnega vhodnega in izhodnega signala ojačevalnika 3. Z osciloskopom, ki omogoča izračun FFT signala, izmerite in narišite amplitudni spekter izhodnega signala. A n [V],5 3 4 n ω ω 3ω 4ω ω f f 3f 4f f Slika.: Amplitudni spekter odziva ojačevalnika na pravokotni vhodni signal

8 Jarc, Babič: ELEKTRONIKA Laboratorijske vaje za program računalništva in informatike. POLPREVODNIŠKI ELEMENTI. Upor in polprevodniška dioda Vaja opisuje primerjavo U-I karakteristik dveh različnih uporov in polprevodniške diode. Prikazuje določitev enosmerne (statične) in izmenične (dinamične) upornosti pri posameznih elementih ter osnovno uporabo diode v polvalnem usmerniku.. Sestavite vezje za merjenje U-I karakteristik po sliki.. Izmerite, narišite in primerjate U-I karakteristike uporov Ω, 47 Ω in diode BA5 (ekvivalent N448). Kataloško podano karakteristiko diode pri temperaturi okolice T A = 5 C prikazuje slika.3. Slika.: Oblike diod (od leve proti desni: LED, Zener, usmerniška, signalna) A E I U BAT V U R D Slika.: Meritev U-I karakteristike Popis instrumentov, naprav in elementov: U BAT - napajalnik HM 74, V - digitalni univerzalni instrument HM 8, A - univerzalni instrument UNIVO ali UNIMER, R - upor, D - dioda BA5.

Jarc, Babič: ELEKTRONIKA Laboratorijske vaje za program računalništva in informatike 9 U [V] I [ma] R = Ω R = 47 Ω 3-3 - Tabela.: Izmerjene vrednosti pri uporu I [ma] 5 5 U [V],3,5 - Tabela.: Izmerjene vrednosti pri diodi 5 5 I [ma] Slika.3: Kataloško podana karakteristika diode -5 - -5 -,5 -, -,5,,5,,5 U [V] Slika.4: Izmerjene karakteristike. Iz narisane karakteristike izračunajte upornosti uporov pri toku I RQ = ma. Kakšni sta vrednosti U RQ? U R izm = I = U RQ =

Jarc, Babič: ELEKTRONIKA Laboratorijske vaje za program računalništva in informatike U R izm = I = U RQ = 3. Kako se R spreminja s spremembo delovne točke? Odg.: 4. Iz označbe upornosti z barvno kodo odčitajte vrednosti uporov. Kolikšne so tolerance upornosti, označene na uporih? Ali se izmerjene vrednosti upornosti nahajajo znotraj tolerančnega območja? R = Ω barvna koda: barva, ki označuje tolerance: tolerance: % izmerjena vrednost v območju toleranc: DA NE R = 47 Ω barvna koda: barva, ki označuje tolerance: tolerance: % izmerjena vrednost v območju toleranc: DA NE 5. Na osnovi izmerjene karakteristike izračunajte enosmerno (statično) in izmenično (dinamično) upornost diode v delovni točki pri I Q = ma. Izračunajte relativni pogrešek izračunane dinamične upornosti od izmerjene. meritev R Sm U Q U = = r I dm = = izračun / r Q di I Q = U T mv I = 5 ma = di dm relativni pogrešek / (%) = % = 6. Sestavite vezje polvalnega usmernika z diodo za merilne namene, kot to prikazuje slika.6. Vhodni signal naj bo sinusne oblike s frekvenco f = khz in amplitudo U a = 5 V. r Q r r r dm Slika.5: Kondenzatorja (od leve proti desni: folijski, elektrolitski)

Jarc, Babič: ELEKTRONIKA Laboratorijske vaje za program računalništva in informatike G f ~ u g D R k S C µ F OSC Slika.6: Polvalni usmernik - merilnik temenske vrednosti Popis instrumentov, naprav in elementov: G - funkcijski generator HM 83, OSC - osciloskop HM 57, R - upor, D - dioda, C - kondenzator, S - stikalo. 7. Izmerite in narišite časovni potek vhodnega in izhodnega signala u brez priključenega kondenzatorja (stikalo S je razklenjeno). U [V] u X Y 5-5 - 3 4 t [ms] Slika.7: Časovna poteka vhodnega in izhodnega signala polvalnega usmernika 8. Sklenite stikalo S. Časovni potek izhodne napetosti vrišite v sliko.7. Katero vrednost vhodne napetosti dobite na izhodu? Kot kaj lahko uporabite narisano vezje? Odg.: 9. Kako bi z univerzalnim instrumentom (Ω-metrom) preverili, ali je dioda brezhibna? Odg.:. Z osciloskopom si poglejte karakteristike uporov kω in kω ter Zenerjeve in LED diode. Prerišite jih v ustrezen graf.8 oz..9.

Jarc, Babič: ELEKTRONIKA Laboratorijske vaje za program računalništva in informatike Slika.9: Oblika U-I karakteristik uporov kω in kω Slika.8: Oblika U-I karakteristik Zenerjeve in LED diode Slika.: U-I karakteristika prevodnega področja LED diod Slika.: Spektralna distribucija LED diod

Jarc, Babič: ELEKTRONIKA Laboratorijske vaje za program računalništva in informatike 3 Slika.: U-I karakteristike Zener diod Slika.3: Dinamične upornosti Zener diod v odvisnosti od toka

4 Jarc, Babič: ELEKTRONIKA Laboratorijske vaje za program računalništva in informatike. Bipolarni spojni tranzistor (BJT) Pri tej vaji se slušatelji seznanijo z bipolarnim tranzistorjem, določevanjem tipa tranzistorja, spoznajo njegovo izmenično nadomestno vezje in parametre. Praktična uporaba tranzistorja je prikazana z ojačevalnim in stikalnim vezjem. A Tip tranzistorja, model, parametri. Za priloženi bipolarni tranzistor (BC37B, BC547B,...) z Ω-metrom določite bazo, tip tranzistorja in ugotovite, ali je tranzistor brezhiben. Preostali elektrodi, kolektor in emitor, določite s pomočjo kataloga. Narišite grafični simbol in model s pn spoji, s katerima ponazorite vaš tip tranzistorja. Tip tranzistorja: Grafični simbol: Model s pn spoji: Kako ste preverili, ali je tranzistor brezhiben? Odg.: Slika.4: Bipolarni tranzistor s priključki. Slika.5 prikazuje enosmerno nadomestno vezje bipolarnega tranzistorja. Z univerzalnim instrumentom izmerite enosmerni tokovni ojačevalni faktor tranzistorja h FE = B in njegovo vrednost pripišite na sliko. U BE B I B h I FE B I C C U CE h FE = B = E Slika.5: Enosmerno nadomestno vezje (model) bipolarnega tranzistorja B Meritev polja izhodnih karakteristik I C = f(u CE ), I B = parameter. Sestavite vezje za merjenje enosmernih izhodnih karakteristik bipolarnega tranzistorja po sliki.6. Izmerite in narišite izhodno karakteristiko I C = f(u CE ). Bazni tok je parameter, ki ga nastavite z napetostnim virom U BAT ter uporom R B na vrednost µa. Izračun vrednosti napetosti U BAT prikazuje enačba (). U BAT U BE I B = U BAT = I BRB U BE = () R B

Jarc, Babič: ELEKTRONIKA Laboratorijske vaje za program računalništva in informatike 5 U BAT R B BC547B I B µ A T 47k U BE I C V U CE A U BAT Slika.6: Vezje za merjenje enosmernih karakteristik bipolarnega tranzistorja Popis instrumentov, naprav in elementov: U BAT, U BAT - napajalnik HM 74, V - digitalni univerzalni instrument HM 8, A - univerzalni instrument UNIMER, µa - univerzalni instrument UNIVO, T - bipolarni tranzistor BC37B ali BC547B, R B - upor. I B = µa I C [ma] U CE [V] 5,,,3 5 Tabela.3: I C = f(u CE ), I B = µa Slika.7: Kataloške izhodne karakteristike I C = f(u CE ), I B = parameter

6 Jarc, Babič: ELEKTRONIKA Laboratorijske vaje za program računalništva in informatike I [ma] C 8 6 4 3 4 5 U [V] Slika.8: Izmerjena izhodna karakteristika I C = f(u CE ), I B = µa. Za izbrano delovno točko Q(U CEQ = V, I BQ = µa) določite iz polja karakteristik I C (U CE ) na sliki.7 tokovni ojačevalni faktor tranzistorja h e = h fe. I C h e = hfe = = () I B U CE = ( CEQ ICEQ ) QU, = 3. Iz polja karakteristik I C (U CE ) določen parameter h e primerjate h FE, ki ste ga izmerili z merilnikom tokovnega ojačenja tranzistorja. Zakaj se razlikujeta? Odg.: C Meritev polja vhodnih karakteristik I B = f(u BE ), U CE = parameter. Izmerite vhodno karakteristiko I B = f(u BE ) bipolarnega tranzistorja. Uporabite isto vezje kot za meritev izhodne karakteristike (glej sliko.6). Napetost U CE = 3 V je parameter in jo nastavite z napetostnim virom U BAT, ko je U BAT = V. U CE = 3 V I B [µa] 5 3 U BE [V],,5,6 Tabela.4: I B = f(u BE ), U CE = 3 V CE

Jarc, Babič: ELEKTRONIKA Laboratorijske vaje za program računalništva in informatike 7 I [µa] B 3,,,3,4,5,6,7 U [V] BE Slika.9: Vhodna karakteristika tranzistorja I B = f(u BE ), U CE = 3 V. Za izbrano delovno točko, Q(U CEQ = 3 V, I BQ = µa), določite iz izmerjene karakteristike I B (U BE ) parameter h e. U BE h e = = (3) I B U CE = 3. Narišite poenostavljeno izmenično nadomestno vezje (model) bipolarnega tranzistorja predstavljeno s h e parametri in pripišite vrednosti parametrov. Slika.: Poenostavljeno izmenično nadomestno vezje bipolarnega tranzistorja s h e parametri 4. Primerjate vrednosti h e z r BE pri poenostavljenemu π modelu tranzistorja. r r BE E g m U = I β = h B = h U = I fe FE BE C I = U BE B C BE UCE = = h U I e U = β I, BE E BE C, I U = β r CQ T E β βu = g I I, β = I m C CQ T, B UCE = 5. Narišite poenostavljeno π nadomestno vezje (model) bipolarnega tranzistorja in pripišite vrednosti parametrov., (4)

8 Jarc, Babič: ELEKTRONIKA Laboratorijske vaje za program računalništva in informatike Slika.: Poenostavljeno π nadomestno vezje bipolarnega tranzistorja 6. Kakšna je zveza med h e in r BE ter h e in β? Odg.: D Uporaba : Ojačevalno vezje z bipolarnim tranzistorjem. Sestavite ojačevalno vezje z BJT po sliki.. S potenciometrom P nastavite delovno točko Q(U CEQ =,5 V ± 5 %, I CQ =,5 ma). Vhodni signal naj bo sinusne oblike s frekvenco f = khz in s tako amplitudo, da izhodni signal ne bo popačen. Z osciloskopom opazujte in izmerite vhodno in izhodno napetost ter izračunajte napetostno ojačenje A U ojačevalnika. P k R C k C nf u VH C nf R B 47k T BC547B u IZH u IZH U BAT 5V X Y OSC Slika.: Enostopenjski ojačevalnik z bipolarnim tranzistorjem Popis instrumentov, naprav in elementov: u VH - funkcijski generator HM 83, OSC - osciloskop HM 57, U BAT - napajalnik HM 74, T - bipolarni tranzistor BC37B ali BC547B, P - potenciometer, C, C - kondenzator, R C, R B - upor.

Jarc, Babič: ELEKTRONIKA Laboratorijske vaje za program računalništva in informatike 9 Meritev: u u A A VH IZH U U = = u = u IZH VH = [ db] = log A = U (5). Narišite časovna diagrama izhodnih napetosti u IZH in u IZH. V čem se razlikujeta? Odg.: u IZH, u IZH [V] 5 4 3 - - -3-4 -5 4 6 8 t [µs] Slika.3: Časovni potek izhodne napetosti u IZH in u IZH (pred in za C ) 3. Narišite izmenično nadomestno vezje ojačevalnika, ki ga prikazuje slika.. Slika.4: Izmenično nadomestno vezje ojačevalnika na sliki. 4. Napetostno ojačenje izračunajte še s pomočjo enostavne enačbe, ki izhaja iz π nadomestnega vezja tranzistorja. A I U U CQ T = g = = m R C I CQR = U T C = (6)

Jarc, Babič: ELEKTRONIKA Laboratorijske vaje za program računalništva in informatike 5. Amplitudo vhodnega signala povečujte in na kolektorju tranzistorja merite izhodni signal. Kaj se zgodi pri dovolj povečanem vhodnem signalu? Narišite časovni diagram takšne izhodne napetosti. uizh [V] 6 5 4 3 4 6 8 t [µs] Slika.5: Časovni potek izhodne napetosti Odg.: Zapišite izhodna napetostna nivoja: U nizek = U visok = Izmerite napetost nasičenja tranzistorja. U CES = U nizek = E Uporaba : Stikalno vezje z bipolarnim tranzistorjem. Za stikalno vezje z BJT na sliki.6 si na osciloskopu oglejte prenosno (preklopno) karakteristiko u = f(u ) in jo v merilu prerišite. R k C u R B 47k BC547B T u U BAT 5V X Y OSC Slika.6: Stikalno vezje z bipolarnim tranzistorjem

Jarc, Babič: ELEKTRONIKA Laboratorijske vaje za program računalništva in informatike Popis instrumentov, naprav in elementov: u - funkcijski generator HM 83, OSC - osciloskop HM 57, U BAT - napajalnik HM 74, T - bipolarni tranzistor BC37B ali BC547B, R C, R B - upor. u [V] 5 4 3 3 4 5 u [V] Slika.7: Preklopna karakteristika stikala s tranzistorjem. Vezje lahko uporabimo za ojačevalnik, seštevalnik, invertor (obkrožite pravilen odgovor). F Uporaba 3: Stikalno vezje s tranzistorjem za krmiljenje LED diode. Za stikalno vezje s tranzistorjem in izhodno LED diodo izračunajte R ZAŠČ tako, da bo dioda svetila, ko bo na vhodu vezja napetost, ki ustreza logični enici (5 V). Upoštevajte, da je po U-I karakteristiki iz slike. pri toku diode I D = ma, napetosti na LED diodi U D =,5 V. Vezalno shemo prikazuje slika.8. U BAT U D U CES R = = (7) ZAŠČ I D R ZAŠČ I D U D LED I B U R BC37B 47k U U 5V BAT Slika.8: Stikalno vezje z LED diodo

Jarc, Babič: ELEKTRONIKA Laboratorijske vaje za program računalništva in informatike Popis instrumentov, naprav in elementov: U - funkcijski generator HM 83, U BAT - napajalnik HM 74, T - bipolarni tranzistor BC37B ali BC547B, R ZAŠČ, R B - upor, LED - svetleča dioda.. Izmerite izhodni napetosti za oba napetostna nivoja. U nizek = U LOW = U visok = U HIGH = 3. Izračunajte in izmerite tok nasičenja I CS. Izračun: Meritev: 4. Izračunajte velikost toka I, ko je na vhodu vezja logična enica (5 V). U-UBE I = = (8) R 5. Ali je glede na zahtevo, da je tranzistor ob logični enici na vhodu zanesljivo v nasičenju, upornost R B pravilno izbrana? Utemeljite odgovor. Odg.: 6. Ali lahko prikazano stikalno vezje krmilimo z logičnim vezjem CMOS? Utemeljite odgovor glede na velikost toka, ki teče iz CMOS vezja pri logični na izhodu. Odg.: 7. Kako bi preoblikovali vezje, da bi LED dioda svetila pri vhodni napetosti, ki ustreza logični ničli (U =, V)? Narišite vezje. B.3 MOS FET tranzistor S to vajo se slušatelji seznanijo z MOS FET tranzistorjem, določevanjem tipa tranzistorja, z njegovim izmeničnim nadomestnim vezjem in s parametri, s katerimi je določeno nadomestno vezje. Praktična uporaba prikazuje MOS FET tranzistor v vezju za izvedbo osnovnih logičnih operacij, v vezju invertorja in v NIN vezju.

Jarc, Babič: ELEKTRONIKA Laboratorijske vaje za program računalništva in informatike 3 A Tip MOS tranzistorja, osnovni parametri in model. Za priloženi MOS tranzistor (BS7,...) z Ω-metrom določite vrata (gate) in tip tranzistorja. Preostali elektrodi, izvor (source) in ponor (drain), določite s pomočjo kataloga. Narišite grafični simbol, s katerim ponazorite vaš tip tranzistorja. Tip tranzistorja: Grafični simbol: N-kanalni P-kanalni Slika.9: MOS tranzistor s priključki. Kako ste določili tip tranzistorja? Odg.: 3. Odvisnost toka i D = f(u GS, U P ) za delovanje MOS tranzistorja v področju nasičenja opisuje približna enačba (9). področje nasičenja < U U < U (enačba velja za NMOS tranzistor): GS P DS β β U GS D ( GS P ) P = U U = U U P i (9) µε W β = () L t ox µ - gibljivost nosilcev (elektroni 5 cm /Vs ali vrzeli 5 cm /Vs), ε - dielektrična konstanta (SiO : 4ε, ε = 8,85 - As/Vm), t ox - debelina oksida (, µm), L - dolžina kanala in W - širina kanala. 4. Iz kataloško podane prenosne karakteristike I D = f(u GS ) (glej sliko.3) določite napetost praga U P. V polje izhodnih karakteristik I D = f(u DS ) (glej sliko.3) vrišite krivuljo U DS = U GS - U P, ki med seboj ločuje linearno področje in področje nasičenja. Označite področje nasičenja.

4 Jarc, Babič: ELEKTRONIKA Laboratorijske vaje za program računalništva in informatike Slika.3: Tipične izhodne karakteristike I D = f(u DS ), U GS = parameter Slika.3: Tipična prenosna karakteristika I D = f(u GS ), U DS = parameter 5. Slika.3 prikazuje izmenično nadomestno vezje MOS tranzistorja, predstavljeno z y parametri. Nadomestno vezje velja za majhne signale in delovne točke v področju nasičenja (aktivno področje delovanja). Kakšna je razlika glede na BJT tranzistor? Odg.: u G GS gu GS i r d D g = r = S Slika.3: Izmenično nadomestno vezje (model) MOS tranzistorja za področje nasičenja Na osnovi kataloško podanih karakteristik I D = f(u DS ) (glej sliko.3) in I D = f(u GS ) (glej sliko.3) določite parametra g in r v delovni točki Q(U DSQ =,5 V, I DQ = ma). Dobljene vrednosti vpišite na sliko.3. Strmina MOS tranzistorja je I D g = = U GS UDS= Strmino MOS tranzistorja lahko izračunamo tudi iz enačbe (9). Z odvajanjem enačbe (9) po U GS dobimo g di ( U ) = D = GS U P du GS () β. ()

Jarc, Babič: ELEKTRONIKA Laboratorijske vaje za program računalništva in informatike 5 Notranja izmenična upornost r je U DS r =. (3) I D UGS = B N-MOS invertor. Z N-MOS tranzistorjem sestavite osnovni logični element invertor. Z osciloskopom posnemite njegovo prenosno (preklopno) karakteristiko. Vezalno shemo prikazuje slika.33. Na vhod vezja priključite sinusni izmenični signal s frekvenco Hz tako, da bo amplituda signala v mejah napajalne napetosti od do 5 V. To nastavite z enosmerno prednapetostjo (OFF SET). u G u T BS7 R k D u U BAT 5V X Y OSC Popis instrumentov, naprav in elementov: u G - funkcijski generator HM 83, OSC - osciloskop HM 57, U BAT - napajalnik HM 74, T - N-MOS tranzistor BS7, R D - upor. u [V] 5 4 Slika.33: N-MOS invertor 3 3 4 5 u [V] Slika.34: Prenosna (preklopna) karakteristika N-MOS invertorja

6 Jarc, Babič: ELEKTRONIKA Laboratorijske vaje za program računalništva in informatike. Izmerite izhodni napetosti za oba napetostna nivoja. U visoka = U OHIGH = U nizka = U OLOW = 3. Iz preklopne karakteristike odčitajte pragovno napetost (U P ) MOSFET tranzistorja. U P C NIN vrata z N-MOS tranzistorjema. Sestavite NIN vezje z N-MOS tranzistorjema po sliki.35. Izmerite pravilnostno tabelo NIN vezja. R k D U BAT S A S B u A u B T BS7 T u V U BAT 5V 5V BS7 Slika.35: NIN vezje Popis instrumentov, naprav in elementov: U BAT, U BAT - napajalnik HM 74, V - digitalni univerzalni instrument HM 8, T, T - N-MOS tranzistorja, R D - upor, S A, S B - stikali. U A [V] U B [V] U [V] 5 5 5 5 Tabela.: Izmerjena pravilnostna tabela. Kako bi sestavili IN vezje z N-MOS tranzistorjema? Narišite ga.

Jarc, Babič: ELEKTRONIKA Laboratorijske vaje za program računalništva in informatike 7 Slika.36: IN vezje 3. Narišite NALI vezje z N-MOS tranzistorjema. Slika.37: NALI vezje 4. Narišite CMOS invertor z N-MOS in P-MOS tranzistorjema. Slika.38: CMOS invertor

8 Jarc, Babič: ELEKTRONIKA Laboratorijske vaje za program računalništva in informatike 3. ANALOGNA ELEKTRONSKA VEZJA 3. Operacijski ojačevalnik Vaja seznanja študente z operacijskim ojačevalnikom, ki je danes temeljni ojačevalni gradnik. Spoznali bodo osnovne parametre izmeničnega nadomestnega vezja, prenosno karakteristiko in frekvenčno odvisnost samega operacijskega ojačevalnika in neinvertirajočega ojačevalnega vezja z operacijskim ojačevalnikom. A Osnovni parametri, simbol, prenosna karakteristika in izmenično nadomestno vezje. Poiščite in zapišite kataloške vrednosti za ojačenje, vhodno in izhodno upornost ter mejne vrednosti napajalne napetosti operacijskega ojačevalnika (OPA) µa74. Narišite njegovo izmenično nadomestno vezje. A = R VH = R IZH = U = V CC = V BAT BAT U = V CC- = V Slika 3.: Razporeditev priključkov Slika 3.: Izmenično nadomestno vezje OPA 74. Preverite pravilnost delovanja OPA. Z osciloskopom posnemite in narišite prenosno karakteristiko u IZH = f(u VH ) ter izmerite obe napetosti nasičenja U SAT, U SAT. Vezalno shemo prikazuje slika 3.3. Vezje napajajte simetrično z U = -U = V. U BAT BAT BAT u OPA 3 7 µa74 6 u G 4 - U BAT u X Y OSC Slika 3.3: Meritev prenosne karakteristike

Jarc, Babič: ELEKTRONIKA Laboratorijske vaje za program računalništva in informatike 9 Popis instrumentov, naprav in elementov: U BAT, U BAT - napajalnik HM 74, u G - funkcijski generator HM 83, f = Hz, U g = mv, OSC - osciloskop HM 57, OPA - operacijski ojačevalnik µa74. u [V] 5 5-5 - -5 - - u [V] Slika 3.4: Izmerjena prenosna karakteristika 3. Na sliki 3.4 označite aktivno področje in področji nasičenja. 4. Slika 3.5 prikazuje frekvenčni potek ojačenja OPA 74 brez zunanje povratne vezave (to je ojačenje odprte zanke). Slika 3.5: Frekvenčni potek ojačenja odprte zanke Kakšno je ojačenje in frekvenčno območje operacijskega ojačevalnika brez povratne vezave? A = A = f sp = f zg = Odčitajte tranzitno mejno frekvenco ojačevalnika, to je tisto frekvenco, pri kateri pade ojačenje na db (A U = ): f T = MHz. Zapišite zmnožek A f zg = f T =

3 Jarc, Babič: ELEKTRONIKA Laboratorijske vaje za program računalništva in informatike B Napetostni ojačevalnik (napetostno napetostni pretvornik). Sestavite neinvertirajoči napetostni ojačevalnik (napetostno napetostni pretvornik). Vezalno shemo prikazuje slika 3.6. Vezje napajajte simetrično z U BAT = -U BAT = V. Z osciloskopom posnemite in narišite prenosno karakteristiko ojačevalnega vezja. Izmerite napetostno ojačenje vezja. Primerjajte izmerjeno in izračunano vrednost. 3 U BAT 7 OPA µa74 6 4 - U BAT u G u R R k k u X Y OSC Slika 3.6: Meritev prenosne karakteristike nap. nap. ojačevalnika Popis instrumentov, naprav in elementov: U BAT, U BAT - napajalnik HM 74, u G - funkcijski generator HM 83, f = Hz, U g =,3 V, OSC - osciloskop HM 57, OPA - operacijski ojačevalnik µa74, R, R - upora. u [V] 5 5-5 - -5 -,5 - -,5,5,5 u [V] Slika 3.7: Izmerjena prenosna karakteristika nap. nap. ojačevalnika meritev u A Um = u =

Jarc, Babič: ELEKTRONIKA Laboratorijske vaje za program računalništva in informatike 3 izračun R AUi = = R A Ui Um relativni pogrešek A (%) = % = U. Izmerite in narišite frekvenčni potek ojačenja ojačevalnika s slike 3.6. A A Um f [Hz] A [db], A U = db A U A U -3 A U -6 A U - Tabela 3.: Izmerjeno ojačenje A [db] - 3 4 5 6 7 f [Hz] Slika 3.8:Izmerjeni frekvenčni potek ojačenja Za kolikokrat se je povečala zgornja frekvenčna meja ojačevalnika? Odg.: Zapišite zmnožek A u f zg = 3. Vezje na sliki 3.6 spremenite v napetostni sledilnik (glej sliko 3.9). Z osciloskopom posnemite prenosno karakteristiko in izmerite zgornjo mejno frekvenco f zg = f -3dB. Zaradi primerjave prenosno karakteristiko in frekvenčni potek ojačenja vrišite v sliki 3.4 in 3.8.

3 Jarc, Babič: ELEKTRONIKA Laboratorijske vaje za program računalništva in informatike U BAT 3 7 OPA µa74 6 u G 4 U - BAT u u X Y OSC Slika 3.9: Napetostni sledilnik Popis instrumentov, naprav in elementov: U BAT, U BAT - napajalnik HM 74, u G - funkcijski generator HM 83, f = Hz, U g =,5 V, OSC - osciloskop HM 57, OPA - operacijski ojačevalnik µa74. f [Hz] A [db], A U = db A U A U -3 Tabela 3.: Izmerjeno ojačenje

Jarc, Babič: ELEKTRONIKA Laboratorijske vaje za program računalništva in informatike 33 4. DIGITALNA ELEKTRONSKA VEZJA 4. Osnovni logični elementi Vaja seznanja študente z osnovnimi digitalnimi elementi kombinacijske logike in povezuje binarni spremenljivki informacijskega prostora "" in "" z napetostnima spremenljivkama fizikalnega prostora U LOW in U HIGH. Slušatelji se seznanijo z napajalnimi napetostmi in preklopnimi logičnimi nivoji pri obstoječih digitalnih vezjih. Iz elementov kombinacijske logike sestavijo sekvenčno logično vezje in ga uporabijo za elektronsko stikalo. A Kombinacijska vezja. Na sliki 4. so prikazani grafični simboli osnovnih logičnih elementov. Pod simbole pripišite oznake in napišite odgovarjajoče pravilnostne tabele. 3 & 3 3 = 4 4 477 4584 3 & 3 3 = 47 48 47 Slika 4.: Grafični simboli logičnih elementov (po ICE standardih) X X ALI NALI IN NIN XALI NXALI Tabela 4.: Pravilnostne tabele posameznih logičnih elementov. Na sliki 4. so narisana območja napajalnih napetosti za logična vezja iz vrst bipolarne tehnologije 54/74LS in komplementarne MOS tehnologije 4xxxB, 54/74HC in 54/74HCT. Na sliko 4. pripišite ustrezne vrste logičnih vezij glede na dovoljeno območje napajalnih napetosti.

34 Jarc, Babič: ELEKTRONIKA Laboratorijske vaje za program računalništva in informatike U BAT [V] 8 8 6 4 8 6 5,5 6 5,5 4 4,75 3 4,5 Slika 4.: Območja napajalnih napetosti različnih vrste logičnih vezij 3. Kolikšna je delovna napajana napetost jedra najnovejših procesorjev? Pentium III (Intel): U JEDRA = U CORE = V K7 (AMD): U JEDRA = U CORE = V 4. Slika 4.3 prikazuje dovoljena območja vhodnih (U VH, v angleški literaturi U I ) in izhodnih (U IZH, v angleški literaturi U O ) napetostnih nivojev logičnih vezij glede na podatke proizvajalcev. Prikazana so območja napetostnih nivojev vrst bipolarne tehnologije 54/74LS in komplementarne MOS tehnologije 4xxxB, 54/74HC in 54/74HCT, kadar jih napajamo s petimi volti. Na sliko 4.3 pripišite za posamezen par napetosti U VH, U IZH, pripadajočo vrsto logičnih vezij. U BAT [V] 5 4 4,5 9% U BAT 4, 4, 3,4,4,8 % U BAT,5 3,5 7% U BAT 3% U BAT,5 I IZH = 4 ma,33 3,5 I IZH = 4 ma,33.8 U IZH U VH U IZH U VH U IZH U VH U IZH U VH Slika 4.3: Območja vhodnih in izhodnih napetostnih nivojev različnih vrst logičnih vezij pri napajanju U BAT = 5 V Ali lahko z vidika vhodnih in izhodnih napetostnih nivojev vezje vrste LSTTL zamenjamo s vezjem vrste HC? DA NE

Jarc, Babič: ELEKTRONIKA Laboratorijske vaje za program računalništva in informatike 35 Ali lahko z vidika vhodnih in izhodnih napetostnih nivojev vezje vrste LSTTL zamenjamo s vezjem vrste HCT? DA NE Kolikšna je šumna razdalja logičnih vezij vrste HCT? U ŠRN = U NML = U ŠRV = U NMH = 5. Sestavite vezje po sliki 4.5 in z osciloskopom posnemite prenosno karakteristiko NIN logičnih vrat vrste CMOS 4xxxB in HCT (4B in 74HCT). Vezji napajajte s petimi volti, U BAT = 5 V. Za vhodni funkcijski generator nastavite trikotni signal z enosmerno prednapetostjo (OFF DET) tako, da bo napetost vhodnega signala vselej znotraj območja napajalne napetosti 5 V. U BAT 4 8 UD 3 & UA 3 & UC 9 8 & UB 4 5 6 & 7 GND 4B 74HCT Slika 4.4: Funkcionalni diagram z razporeditvijo priključkov u G UA & 3 4B u 74HCT u X Y OSC Slika 4.5: Meritev prenosne karakteristike Popis instrumentov, naprav in elementov: U BAT - napajalnik HM 74, U BAT = 5 V u G - funkcijski generator HM 83, f = Hz, u G =,5(sinωt) [V], OSC - osciloskop HM 57, UA - integrirano vezje 4B ali 74HCT.

36 Jarc, Babič: ELEKTRONIKA Laboratorijske vaje za program računalništva in informatike u [V] 5 4 3 u [V] 3 4 5 Slika 4.6: Izmerjena prenosna karakteristika NIN vrat 4xxxB in 74HCTxx 7. Iz izmerjene prenosne karakteristike določite oba izhodna napetostna nivoja! 4xxxB: U IZHV = U OH = V, U IZHN = U OL = V 74HCTxx: U IZHV = U OH = V, U IZHN = U OL = V Ali se nahajata znotraj dovoljenega območja izhodnih napetosti glede na podatke proizvajalcev? DA NE 8. S pomočjo vezja na sliki 4.5 izmerite preklopne čase logičnih vrat 4B in 74HCT. Poiščite njihove kataloške vrednosti in jih primerjate z izmerjenimi. Slika 4.7 prikazuje primer določitve preklopnih časov. Slika 4.7: Določitev preklopnih časov 4B katalog meritev t PLH [ns] t PHL [ns] t TLH [ns] t THL [ns] Tabela 4.: Preklopni časi vrat 4B 74HCT katalog meritev t PLH [ns] t PHL [ns] t TLH [ns] t THL [ns] Tabela 4.3: Preklopni časi vrat 74HCT

Jarc, Babič: ELEKTRONIKA Laboratorijske vaje za program računalništva in informatike 37 Na osnovi kataloških podatkov zaključite, kako povečanje napajalne napetosti vpliva na preklopne čase. Preklopni časi se: POVEČAJO ZMANJŠAJO B Obremenljivost. Slika 4.8 prikazuje maksimalne vrednosti izhodnih tokov (I IZHV, I IZHN ) logičnih vezij vrst 54/74 LSTTL, CMOS 4xxxB, CMOS 54/74HC-HCT in za vezja 54/74HC-HCT z gonilnikom (BUFFER). I [ma] 6 6 6 5 4 3 4 I IZHN oz. IOL I IZHV oz. I OH 4 4,4,36,36 LSTTL CMOS B HC/HCT STANDARD HC/HCT BUFFER Slika 4.8: Tokovna zmogljivost izhodov logičnih vezij različnih vrst. Sestavite vezje po sliki 4.9. Napajalna napetost naj bo 5 V (U BAT = 5 V). Izmerite izhodno U-I karakteristiko vrat 4B in 74HCT. UA & 3 4B U 74HCT U I V A POT Slika 4.9: Meritev obremenljivosti logičnih vrat Popis instrumentov, naprav in elementov: U BAT - napajalnik HM 74, U BAT = 5 V V - digitalni univerzalni instrument HM 8, A - univerzalni instrument UNIVO ali UNIMER, UA - integrirano vezje 4B ali 74HCT, POT - drsni upor 33 Ω.

38 Jarc, Babič: ELEKTRONIKA Laboratorijske vaje za program računalništva in informatike 4B I [ma] U [V],5 4,5 Tabela 4.4: Izhodna karakteristika vrat 4B 74HCT I [ma] U [V] 4, Tabela 4.5: Izhodna karakteristika vrat 74HCT U [V] 5 4 3 3 4 5 6 7 8 I [ma] Slika 4.: Izhodni U-I karakteristiki 3. Iz kataloških podatkov zaključite, kako povečanje napajalne napetosti vpliva na obremenljivost izhoda. Obremenljivost se: POVEČA ZMANJŠA C Sekvenčno vezje (pomnilniška celica). Sestavite sekvenčno vezje - RS vezje, kot to prikazuje slika 4.. Izmerite pravilnostno tabelo RS vezja. Napajalna napetost naj bo 5 V (U BAT = 5 V). S R U R R UA 3 Q U BAT S S U S S 4 UB Q U Q 5 6 4 V Slika 4.: RS vezje

Jarc, Babič: ELEKTRONIKA Laboratorijske vaje za program računalništva in informatike 39 Popis instrumentov, naprav in elementov: U BAT - napajalnik HM 74, U BAT = 5 V V - digitalni univerzalni instrument HM 8, U - integrirano vezje 4B ali 74HCT, S R, S S - stikali. U R [V] U S [V] U Q [V] 5 5 5 5 Tabela 4.6: Izmerjena pravilnostna tabela Katera vhodna kombinacija je nedovoljena za normalno delovanje RS vezja in zakaj? Odg.:. Slika 4. prikazuje uporabo RS vezja kot elektronsko stikalo. Opazujte in primerjate dogajanje na izhodu običajnega (mehanskega) stikala MS (u ) in na izhodu elektronskega stikala ES (u ). Napajalna napetost naj bo 5 V (U BAT = 5 V). S spominskim osciloskopom posnemite časovna odziva napetosti u in u. S števcem preštejte število vklopov mehanskega stikala MS in pripadajoče število vklopov na izhodu elektronskega stikala ES. MS UA 3 ES R k 4 Q ŠT 8888 U BAT u 5 6 UB 4 R u k Q X OSC Y Slika 4.: Elektronsko stikalo Popis instrumentov, naprav in elementov: U BAT - napajalnik HM 74, U BAT = 5 V OSC - osciloskop LeCroy 936, ŠT - števec HM 8, U - integrirano vezje 4B ali 74HCT, R, R - upora, MS - mehansko stikalo.

4 Jarc, Babič: ELEKTRONIKA Laboratorijske vaje za program računalništva in informatike u, u [V] 5 4 3 t [ ] Slika 4.3: Časovni odziv u, u n u n u Tabela 4.7: Število vklopov

Jarc, Babič: ELEKTRONIKA Laboratorijske vaje za program računalništva in informatike 4 5. OBLIKOVANJE IN GENERIRANJE SIGNALOV 5. Primerjalnik in primerjalno vezje s histerezo (Schmittovo preklopno vezje) Vaja prikazuje načrtovanje in primerjavo dveh vezij za oblikovanje pravokotnih signalov, navadnega primerjalnika in Schmittovega preklopnega vezja, ki imata različni preklopni karakteristiki. Schmittovo preklopno vezje omogoča v določenih pogojih popolno izločitev šuma iz koristnega signala. A Primerjalnik. Sestavite primerjalno vezje s komparatorjem NE55 ali z operacijskim ojačevalnikom µa74 po vezalnem načrtu na sliki 5.. Vezje napajajte simetrično z U BAT = -U BAT = V. Izračunajte U R. Z osciloskopom posnemite in narišite prenosno (preklopno) karakteristiko primerjalnika. U BAT R k NE55 ali µa74 u G u R k U UR - u U BAT X Y OSC Slika 5.: Primerjalnik Popis instrumentov, naprav in elementov: U BAT, U BAT - napajalnik HM 74, U BAT = V, u G - funkcijski generator HM 83, f = Hz, U g =,5 V, OSC - osciloskop HM 57, U - komparator NE55 ali operacijski ojačevalnik µa74. Izračun in meritev referenčne napetosti Izračun: U R = Meritev: U R =

4 Jarc, Babič: ELEKTRONIKA Laboratorijske vaje za program računalništva in informatike u [V] 5 5-5 - -5 -,5 - -,5,5,5 u [V] Slika 5.: Preklopna karakteristika primerjalnika. Narišite vezje za prilagoditev izhodnega nivoja z Zener diodo (U Z = 4,7 V). Z vezjem za prilagoditev nivoja želimo nivo napetosti izhodnega signala primerjalnika u prilagoditi vhodu logičnega CMOS vezja, napajanega s 5 V. Slika 5.3: Vezje za prilagoditev nivoja napetosti B Schmittovo preklopno vezje. Sestavite Schmitovo preklopno vezje s komparatorjem NE55 ali z operacijskim ojačevalnikom µa74 po sliki 5.4. Določite vrednost upora R tako, da bosta preklopni napetosti U p = U p =,9 V. Napajalna napetost vezja naj bo U BAT = - U BAT = V. Z osciloskopom posnemite in narišite preklopno karakteristiko. Vhodni signal u G naj bo sinusne oblike frekvence Hz in amplitude U a = V. Popis instrumentov, naprav in elementov: U BAT, U BAT - napajalnik HM 74, u G - funkcijski generator HM 83, f = Hz, U g =,5 V, OSC - osciloskop HM 57, U - komparator NE55 ali operacijski ojačevalnik µa74, R, R - upora.

Jarc, Babič: ELEKTRONIKA Laboratorijske vaje za program računalništva in informatike 43 U U BAT NE55 ali µ A74 u G u - U BAT u R k R X Y OSC Določitev preklopnih nivojev Slika 5.4: Schmittovo preklopno vezje U U p p Napetost histereze R = R R R = R R U U R H H = U p R = U U U - P R R BAT - SAT = R R R R R R R R R U U ( U U ) BAT BAT - BAT =,9V =,9V ( U U ) BAT SAT =,8V SAT (4) (5) u [V] 5 5-5 - -5 -,5 - -,5,5,5 u [V] Slika 5.5: Izmerjena preklopna karakteristika. Zakaj se izmerjeni preklopni napetosti razlikujeta od izračunanih?

44 Jarc, Babič: ELEKTRONIKA Laboratorijske vaje za program računalništva in informatike Odg.: 3. Narišite časovni odziv primerjalnika in Schmittovega preklopnega vezja na vhodni signal, pomešan s šumom, kot ga prikazuje slika 5.6. Za boljšo primerjavo upoštevajte, da je preklopna napetost primerjalnika pri U R = V. u [V],5,5 -,5 - -,5 u PR [V] 5 4 6 8 t [ms] t [ms] -5 4 6 8 u SCH 5 [V] t [ms] -5 4 6 8 Slika 5.6: Odziva primerjalnika in Schmittovega preklopnega vezja na vhodni signal u. 4. Kaj dosežemo s histerezo preklopnih napetosti? Kolika naj bo v primerjavi z nivojem šumnega signala? Odgovorite na osnovi odziva na sliki 5.6. Odg.: 5. Kvarčni oscilator Vaja prikazuje možnost generiranja visokofrekvenčnega pravokotnega signala s točno določeno frekvenco. Predstavljena je primerjava med načrtovanjem kvarčnega oscilatorja z logičnimi elementi in kvarcem ter s komercialno dosegljivim kvarčnim oscilatorjem. A Splošno o kvarcu. Kaj je kvarc? Odg.:

Jarc, Babič: ELEKTRONIKA Laboratorijske vaje za program računalništva in informatike 45. Kaj je piezoelektrični pojav? Odg.: 3. Slika 5.7 prikazuje teoretično idealno obliko kristala kvarca, kot ga najdemo v naravi, in posamezne kote za običajne tipe rezanja (AT, BT, ST in Y). Slika 5.7: Tipi rezanja kristala Slika 5.8: Oblike deformacij kvarca ob priključeni napetosti Slika 5.9: Pritrditev elektrod na ploščico kvarca in vgradnja v ohišje 4. Slika 5. prikazuje električno nadomestno vezje kvarca. Pod sliko vpišite simbole električnih elementov, ki ustrezajo posameznim mehanskim ekvivalentom.

46 Jarc, Babič: ELEKTRONIKA Laboratorijske vaje za program računalništva in informatike C L R C Slika 5.: Električno nadomestno vezje kvarca - zaporedna induktivnost ekvivalentna nihajoči masi, - zaporedna upornost ekvivalentna izgubam v kristalu, - zaporedna kapacitivnost ekvivalentna mehanični elastičnosti kristala, in - vzporedna statična kapacitivnost, kapacitivnost med priključnima elektrodama na kristalu, povezovalnima žicama in zunanjima priključkoma. B Kvarčni oscilator. Sestavite oscilator s kvarcem z nazivno frekvenco f NAZ =,59 MHz po vezalni shemi na sliki 5.. Ker potrebujemo izhodni signal s pravokotno obliko, lahko namesto ojačevalnih elementov uporabimo logične elemente. Napajalna napetost je U BAT = 5 V. Z osciloskopom posnemite in narišite obliko časovnega poteka izhodne napetosti oscilatorja, če uporabimo logične elemente iz družine CMOS HCT in iz družine CMOS 4xxxxB. R P 47k UA 3 Q & 74HCT R k UC 9 8 & 74HCT u X Y C 5pF C 59. khz 5pF Slika 5.: Kvarčni oscilator OSC Popis instrumentov, naprav in elementov: U BAT - napajalnik HM 74, U BAT = 5 V, OSC - osciloskop HM 57, U - integrirano vezje 4B ali 74HCT, R p, R - upora, C, C - kondenzatorja, Q - kvarc, f NAZ =,59 MHz.

Jarc, Babič: ELEKTRONIKA Laboratorijske vaje za program računalništva in informatike 47 u [V] 5 4 3 45, 9,4 35,633 t [ns] Slika 5.: Oblika izhodnega signala kvarčnega oscilatorja. Z merilnikom frekvence izmerite frekvenco izhodnega signala. Frekvenco merite na osem mest natančno. Izračunajte relativno odstopanje med izmerjeno in podano vrednostjo. meritev f IZM = relativni pogrešek f IZM f NAZ f % = % f ( ) = NAZ 3. Komentirajte razliko med izhodnima signaloma oscilatorja z vrati vrst HCT in 4xxxB glede oblike izhodnega signala. Odg.: 4. Kolikšna je nazivna vrednost frekvence kristalov kvarca, ki se običajno uporabljajo v urah? f NAZ = 5. Podatek o frekvenčni stabilnosti lahko uporabimo za določitev relativne časovne spremembe. Izračunajte, za koliko sekund na leto bo prehitevala (zaostajala) ura izdelana s kristalom kvarca s frekvenčno stabilnostjo f/f = ± -6? f t = t = ± (6) f 5.3 Funkcijski generator Vaja prikazuje izvedbo funkcijskega generatorja z uporabo standardnega integriranega vezja. Vezje je hkrati napetostno krmiljeni oscilator (VCO), saj omogoča spreminjanje frekvence z zunanjo modulacijsko napetostjo.

48 Jarc, Babič: ELEKTRONIKA Laboratorijske vaje za program računalništva in informatike A Komercialni kvarčni oscilatorji. Tabela 5. prikazuje pomembnejše podatke nekaterih komercialnih kvarčnih oscilatorjev. Tabela 5.: Pomembnejši podatki nekaterih kvarčnih oscilatorjev. Za model TA4A zapišite napajalno napetost in tok. U BAT = V, I BAT = ma 3. Ali lahko na izhod izbranega oscilatorja priključimo 5 TTL vhodov? Odg.: 4. V kakšnem temperaturnem območju je zagotovljena podana frekvenčna stabilnost? Odg.: 5. Priključite kvarčni oscilator, kot to prikazuje slika 5.3. Razporeditev priključkov kvarčnega oscilatorja prikazuje slika 5.4. Napajalna napetost je U BAT = 5 V. Izmerite frekvenco in posnemite časovni potek izhodne napetosti u. Izmerite čas naraščanja t R in čas upadanja t F izhodne napetosti u. U BAT 4 8 OSCILATOR 7 u X Y OSC Slika 5.3: Meritev izhodnega signala kvarčnega oscilatorja Popis instrumentov, naprav in elementov: U BAT - napajalnik HM 74, U BAT = 5 V, OSC - osciloskop HM 57, OSCILATOR - kvarčni oscilator.

Jarc, Babič: ELEKTRONIKA Laboratorijske vaje za program računalništva in informatike 49 Slika 5.4: Razporeditev priključkov kvarčnega oscilatorja podana vrednost f POD = meritev f IZM = t R = t f = u [V] 5 4 3 Slika 5.5: Časovni potek izhodnega signala t [ ] B Funkcijski generator. Načrtajte in izdelajte generator signalov pravokotne, trikotne in sinusne oblike, izveden z integriranim vezjem ICL838. Uporabite vezje s slike 5.6. Napajanje vezja naj bo simetrično z U BAT = -U BAT = 5 V. Določite vrednosti uporov R A in R B tako, da bosta frekvenca izhodnih signalov f = khz in prevajalno razmerje pravokotnega signala enaka t /T = 5 %. Pri izračunu vrednosti si pomagajte z enačbami (7), (8) in (9).

5 Jarc, Babič: ELEKTRONIKA Laboratorijske vaje za program računalništva in informatike R L U BAT U - BAT U R A 7 8 C nf 4 5 6 9 R B ICL838 3 8k 4.7k u u u u x PR TR SIN X Y OSC Slika 5.6: Funkcijski generator Popis instrumentov, naprav in elementov: U BAT, U BAT - napajalnik HM 74, OSC - osciloskop HM 57, U - integrirano vezje ICL838, R A, R B, R L - upori, C - kondenzator. f = T = t t (7) RAC t =, RA = (8),66 RA RBC t =, RB = (9),66 ( R R ) A. Iz kataloga prepišite pomembnejše podatke funkcijskega generatorja ICL838 ali MAX38. napajalna napetost enojno napajanje U BAT = V dvojno napajanje U BAT = ± ± V frekvenčno območje f = Hz khz območje spremenljivega prevajalnega razmerja (razmerje impulz-perioda). t /T = d [%] = % oblike izhodnih signalov B območje spreminjanje frekvence z modulacijsko napetostjo

Jarc, Babič: ELEKTRONIKA Laboratorijske vaje za program računalništva in informatike 5 harmonična popačenja sinusnega signala (Total Harmonic Distortion) THD = % 3. Meritve opravite z osciloskopom. Izhodne signale vrišite v sliko 5.7. u xx [V] 5 5-5 - -5 5 5 t [µs] Slika 5.7: Izmerjeni poteki izhodnih napetosti 4. Izmerite frekvenco in prevajalno razmerje izhodnih signalov. Meritev opravite na pravokotnem signalu. meritev frekvenca f IZM = khz prevajalno razmerje t /T = % 5. Z merilnikom popačenj izmerite harmonična popačenja izhodnega sinusnega signala. Enačba () prikazuje izračun harmoničnih popačenj signala, če bi poznali amplitudne komponente v frekvenčnem spektru izhodnega signala. Z u je označena efektivna vrednost napetosti signala osnovne frekvence ( khz) in z u n efektivne vrednosti napetosti višjih harmonikov (n khz). izračun n= n n n u u n= n= THD = () u u meritev THD = % 6. Frekvenco izhodnih signalov povečajte na khz (zmanjšajte R A in R B ) in ponovno izmerite harmonična popačenja. Komentirate rezultat. R A = R B = THD = %

5 Jarc, Babič: ELEKTRONIKA Laboratorijske vaje za program računalništva in informatike Odg.: 7. Integrirano vezje ICL838 ali MAX38 je tudi napetostno krmiljeni oscilator (VCO). S priključitvijo napetosti na priključno sponko 8 (ICL838) lahko v zelo širokem območju spreminjamo frekvenco. f Slika 5.8: Primer prenosne funkcije napetostno krmiljenega oscilatorja u m

Jarc, Babič: ELEKTRONIKA Laboratorijske vaje za program računalništva in informatike 53 6. PRETVORNIKI SIGNALOV 6. Digitalno-analogni in analogno-digitalni pretvorniki Vaja omogoča spoznavanje pretvorbe analognega signala v digitalno obliko in nazaj, seznanja s prenosno karakteristiko A/D in D/A pretvornika ter s pomembnejšimi parametri pretvornikov. A D/A pretvornik. Sestavite 8-bitni D/A pretvornik za pretvorbo digitalnega signala v analogno obliko. Uporabite komercialni pretvornik ZN48. Vezje prikazuje slika 6.. Napajalna napetost je U BAT = 5 V. Izmerite notranjo referenčno napetost U REF =. Izmerite in narišite prenosno karakteristiko za tri najbolj utežne bite. Za primerjavo vrišite še prenosno karakteristiko idealnega tribitnega D/A pretvornika. b b b3 b4 b5 b6 b7 b8 3 4 5 6 4 9 B7 (MSB) B6 OUTPUT 5 B5 B4 B3 AGND 8 B B B (LSB) EN REF IN 6 DGND REF OUT 7 ZN48 U REF 39 4.7µ u IZH U BAT Slika 6.: Osem bitni D/A pretvornik Popis instrumentov, naprav in elementov: U BAT - napajalnik HM 74, U BAT = 5 V, V - digitalni univerzalni instrument HM 8, model D/A pretvornika. b b b 3 b 4 b 5 b 6 b 7 b 8 u IZH [V] xxxxx xxxxx xxxxx xxxxx xxxxx xxxxx xxxxx xxxxx Tabela 6.: Izmerjena karakteristika