Politechnika Białostocka

Transkrypt

1 Politechnika Białostocka Wydział Elektryczny Katedra Automatyki i Elektroniki Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych z przedmiotu: ELEKTRONIKA EKS1A UKŁADY CZASOWE Białystok 2015

2 1. Cele ćwiczenia Celem ćwiczenia jest badanie układów odmierzających czas oraz generujących przebiegi dwustanowe. Działanie większości tych układów oparte jest na procesie ładowania lub rozładowania kondensatora lub wykorzystaniu drgań rezonatora kwarcowego. W niektórych zastosowaniach ważna jest dokładność odmierzanego czasu. Uzyskanie długich czasów (godziny, doby) na bazie pojedynczego procesu ładowania kondensatora jest niemożliwe (dlaczego? - przeprowadzić analizę). W tych przypadkach stosuje się układy licznikowe, zawierające generator impulsów o stosunkowo dużej częstotliwości i liczniki dzielące tą częstotliwość. Układy licznikowe umożliwiają odmierzanie długich czasów z wysoką dokładnością (bazą może być rezonator kwarcowy). Przedmiotem badania będą układy: czasowy 555 oraz licznikowy Szczegółowy zakres badań określa prowadzący ćwiczenie. 2. Zadanie do przygotowania w domu Przed przystąpieniem do ćwiczenia należy odszukać w literaturze lub przypomnieć z wykładów budowę oraz zasady działania układów 555 i Należy zapoznać się z danymi katalogowymi tych układów i funkcją wyprowadzeń. Dane katalogowe załączone są w postaci plików PDF, dołączonych do instrukcji. 2.1 Układ czasowy 555 Układ 555 przeznaczony jest do wytworzenia pojedynczego impulsu (od mikrosekund do kilkunastu minut) lub generacji impulsów prostokątnych (od 1 MHz do 0.01Hz). Oprócz podstawowych zastosowań często wykorzystywany jest do różnych nietypowych i ciekawych funkcji (przetwornik napięcie - częstotliwość, pomiar pojemności itp.). Wyszukaj w Internecie informacje na ten temat. Na załączonym wyciągu z danych katalogowych (rys.1) przedstawione są typowe zastosowania układu 555: przerzutnik astabilny i przerzutnik monostabilny. Układ 555 zawiera dwa komparatory: dolny generujący sygnał set (włącz), gdy napięcie na jego wejściu spada poniżej 1/3 Uzas i górny generujący sygnał reset (kasuj) gdy napięcie na jego wejściu przekroczy 2/3 Uzas. Sygnały te włączają i wyłączają przerzutnik R-S. Stan przerzutnika, poprzez bufor (układ zwiększający obciążalność prądową do ok. 100mA), jest przekazywany na wyjście układu. W stanie reset przerzutnika do bazy tranzystora rozładowującego wpływa prąd i wprowadza go w stan nasycenia (kolektor jest praktycznie zwarty z masą). Aby układ wytwarzał pojedynczy impuls wykorzystujemy ładowanie kondensatora przez opornik, kontrolując napięcie na kondensatorze (do kondensatora podłączone jest wejście górnego komparatora reset ). Do kondensatora podłączony jest także tranzystor rozładowujący kondensator. Wejście komparatora set poprzez rezystor podciągający podłączone jest do +Uzas. Aby rozpocząć pracę należy na chwilę obniżyć potencjał na tym wejściu poniżej 1/3 Uzas co spowoduje stan set i zablokowanie tranzystora rozładowującego i pozwoli na ładowanie kondensatora. Proces będzie trwał do czasu aż napięcie na kondensatorze osiągnie poziom 2/3 Uzas i pojawi się reset na wyjściu górnego komparatora.

3 Analiza działania w trybie generatora impulsów jest podobna i ćwiczący przeprowadzą ją samodzielnie. 2.2 Układ 4541 Układ zawiera wewnętrzny generator impulsów o częstotliwości zależnej od podłączonych do wyprowadzeń 1,2,3 rezystorów i kondensatora (patrz dane katalogowe). Częstotliwość jest dzielona przez wewnętrzne liczniki binarne na 256, a następnie, w zależności od stanu na wejściach programujących A (12) i B(13), dodatkowo przez 1, 4, 32 lub 256 co daje stopień podziału 256, 1024, 8192, Po zliczeniu zadanej ilości impulsów kasowany jest (ustawiany po włączeniu zasilania) przerzutnik R-S kończąc odmierzanie czasu. Wejście SELECT Q/Q (9) odwraca polaryzację sygnału na wyjściu (1 lub 0). W zależności od stanu na wejściu MODE (10) po zakończeniu zliczania przerzutnik jest na stałe kasowany (MODE=0) lub przepuszcza sygnały z licznika powtarzając cykle (MODE=1). Jeżeli na wejściu AUTO RESET (5) jest podane 0 (połączenie wyprowadzenia z masą) po załączeniu zasilania następuje zerowanie liczników i start układu. Układ 4541 pozwala na odmierzanie zarówno krótkich (0.1sek) jak i długich (24godz.) czasów i ma szerokie zastosowanie w automatach i urządzeniach sterujących maszyn jako przekaźniki czasowe lub tak zwane czasówki, których działanie rozpoczyna się po podaniu zasilania). 3. Przebieg ćwiczenia 3.1 Badanie układu 555 Wstawić układ 555 w przygotowaną podstawkę. Podać na oba (zwarte ze sobą ) wejścia komparatorów (2,6) napięcie z potencjometru regulacyjnego. Zdjąć charakterystykę STAN = f (U) (STAN może przyjmować wartości 1 lub 0 ). Sprawdzić działanie wejścia RESET (4). Połączyć układ do pracy astabilnej dobierając kondensator i rezystory Ra i Rb aby uzyskać zadaną przez prowadzącego częstotliwość. Po uruchomieniu układu określamy parametry generowanego sygnału: częstotliwość, współczynnik wypełnienia impulsów, poziom niski, poziom wysoki. 3.2 Zastosowanie 555 jako czujnika pojemnościowego Jako kondensator zadający czas stosujemy kondensator ok. 20pF i małą płytkę z laminatu. Zbliżając i oddalając rękę obserwujemy zmiany częstotliwości. 3.3 Badanie układu 555 jako przerzutnika monostabilnego W przygotowaną podstawkę wstawiamy układ 555 i tworzymy konfigurację przerzutnika monostabilnego (uniwibratora), podłączając rezystor i kondensator dobrane tak aby uzyskać zadaną przez prowadzącego długość impulsu.

4 Zademonstrować działanie układu za pomocą oscyloskopu lub za pomocą dołączonej do wyjścia układu diody LED (w przypadku wystarczająco długich czasów trwania impulsu). 3.4.Badanie układu 4541 Do wejść oscylatora podłączamy R T C T dobrane tak, aby uzyskać częstotliwość około 2 khz. Wstawiamy układ w podstawkę i sprawdzamy działanie, obserwując przebiegi na końcówkach oscylatora. Podając na odpowiednie wejścia stany logiczne 0 lub 1 obserwujemy działanie układu. Wnioski z obserwacji należy zamieścić w tabeli Prezentacja i analiza wyników badań. Na podstawie przeprowadzony badań i pomiarów należy opracować wnioski i uwagi, jakie nasunęły się podczas wykonywania ćwiczenia. 4. Wymagania BHP Warunkiem przystąpienia do ćwiczenia jest zapoznanie się z instrukcją BHP stosowaną w Laboratorium i przepisami porządkowymi. Instrukcje te powinny być podane studentom podczas pierwszych zajęć laboratoryjnych i dostępne do wglądu w Laboratorium. Pracownia powinna odpowiadać ogólnym wymaganiom BHP przewidzianym dla laboratorium. 5. Sprawozdanie studenckie Sprawozdanie z ćwiczenia powinno zawierać: stronę tytułową zgodnie z obowiązującym wzorem; cel i zakres ćwiczenia; schemat zaprojektowanego układu pomiarowego z obliczeniami elementów projekt płytki drukowanej lub schemat montażowy opis przebiegu ćwiczenia z wyszczególnieniem wykonywanych czynności; tabele i wykresy ilustrujące osiągnięte wyniki i parametry wnioski i uwagi. Sprawozdanie powinno być wykonane i oddane na zakończenie ćwiczenia, najpóźniej na zajęciach następnych. Sprawozdania oddane później będą oceniane niżej. 6. Literatura U.Tietze CH. Schenk. Układy półprzewodnikowe, WNT, 2009 S. Soclof. Zastosowania analogowych układów scalonych, WKiŁ, 1991 Dane katalogowe układów 555 i 4541 są zamieszczone na stronie internetowej KAiE.

5 a) b) Rys.1 Typowe zastosowania układu 555: przerzutnik monostabilny (a) oraz przerzutnik astabilny (b).

6 Rys.2 Uproszczona struktura wewnętrzna układu 4541.