Politechnika Białostocka Wydział Elektryczny Katedra Automatyki i Elektroniki Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych z przedmiotu: ELEKTRONIKA 2 Kod: ES1C400 026 UKŁADY UZALEŻNIEŃ CZASOWYCH Białystok 2014
1. Cele ćwiczenia Celem ćwiczenia jest badanie układów odmierzających czas oraz generujących w specjalny sposób 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 czasówki 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 czasowe 555 oraz licznikowe 4541. Szczegółowy zakres badań w określi prowadzący ćwiczenie 2. Zadanie do przygotowania w domu Przed przystąpieniem do ćwiczenia należy odszukać w literaturze lub przypomnieć z wykładów budowę, zasady działania układów czasowych bipolarnych 555 i CMOS 4541 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 sekund) lub generacji impulsów prostokątnych (od 1 MHz do 0.01Hz). Oprócz podstawowych zastosowań często wykorzystywany jest do różnych nietypowych i ciekawych funkcji (Przetwornik U/f, pomiar pojemności itp.) (Wyszukaj w internecie temat: 555+timer).
Na załączonym wyciągu z danych katalogowych przedstawione są podstawowe konfiguracje 555 Układ zawiera dwa komparatory : dolny generujący sygnał set (włącz) gdy napięcie na jego wejściu spadnie 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. W stanie reset przerzutnika do bazy tranzystora rozładowującego wpływa prąd i wprowadza go w stan nasycenia (kolektor 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 usuwając jego zwarcie i pozwoli na ładowanie kondensatora. Proces będzie trwał aż napięcie na kondensatorze osiągnie poziom 2/3 Uzas i pojawi się reset na wyjściu górnego komparatora. Analiza działania w trybie generatora impulsów jest podobna i ćwiczący przeprowadzą ją samodzielnie.
2.2 Układ CMOS 4541 Układ zawiera wewnętrzny generator impulsów o częstotliwości ustalonej przez podłączone do wyprowadzeń 1,2,3 opornika oraz kondensatora C T R T (patrz dane katalogowe). Częstotliwość jest dzielona przez wewnętrzne liczniki binarne na 256, a następnie w zależności od stanu na wejściach programujących A (12), B(13) dodatkowo przez 1, 4, 32, 256 co daje stopień podziału 256. 1024, 8192, 65536. 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 (po zał. 1 czy 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 (poł. 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 t.z. czasówki (działanie rozpoczyna 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 częstotliwość (2000Hz) i (1Hz). Po uruchomieniu określamy za pomocą częstościomierza (dla 2000Hz) i czasomierza (dla1hz) częstotliwość i okres a następnie prowadzimy analizę błędów. (N.p. jak podłączenie kabla oscyloskopu do kondensatora wpływa na dokładność, prądy polaryzacji komparatora i t d) 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 uniwibratora W przygotowaną podstawkę wstawiamy układ 555, tworzymy konfigurację uniwibratora podłączając rezystor i kondensator dobrane tak aby uzyskać czas ok. 1 minuty. Przyciskiem START Wyzwalamy układ. Podgrzewając układ sprawdzić stabilność czasu. Prowadzimy analizę błędów. 3.4.Badanie układu 4541 Do wejść oscylatora podłączamy R T C T dobrane tak aby uzyskać częstotliwość ok.2000hz. Wstawiamy układ w podstawkę i sprawdzamy działanie obserwując przebiegi na końcówkach oscylatora. Przełączając przełączniki podajemy na odpowiednie wejścia Stany 0 lub 1 i obserwujemy działanie układu. Wnioski z obserwacji należy zamieścić w tabelce. 3.5. Prezentacja i analiza wyników badań. Na podstawie przeprowadzony badań i pomiarów należy jakie nasunęły się podczas wykonywania ćwiczenia. opracować wnioski i uwagi,
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. WYKAZ LITERATURY [1] J. Baranowski i inni: Układy elektroniczne. WNT, Warszawa 1998. [2] J. Baranowski, G. Czajkowski.: Układy elektroniczne cz. II. Układy analogowe nieliniowe i impulsowe. WNT, Warszawa 1994. [3] A. Filipkowski: Układy elektroniczne analogowe i cyfrowe. WNT, Warszawa 1995. [4] P.Horowitz, W.Hill. Sztuka elektroniki. Część 1 i 2. WKŁ, Warszawa 1996. [5] Niedźwiecki M., Rasiukiewicz M. Nieliniowe elektroniczne układy analogowe, WNT, 1991. [6] W. Stepowicz. Elementy półprzewodnikowe i układy scalone. Gdańsk1999. [7] U.Tietze, Ch. Schenk. Układy półprzewodnikowe, WNT, Warszawa 1998. [8] W. Wawrzyński. Podstawy współczesnej elektroniki. WPW, 2003. dane katalogowe stosowanych układów - internet
Rysunek 1.
Rysunek 2. Opracował : Kazimierz Kierus