Politechnika Białostocka Wydział Elektryczny Katedra Automatyki i Elektroniki Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych z przedmiotu: UKŁADY ELEKTRONICZNE 2 (TS1C500 030) UKŁADY CZASOWE Białystok 2014
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. W tych przypadkach stosuje się układy czasowe 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 scalone NE555 oraz CD4541. Szczegółowy zakres badań określi prowadzący ćwiczenie. 2. Opis badanych układów 2.1 Układ czasowy 555 O książce Timer 555 w przykładach [1] napisano: Książka jest poświęcona jednemu z najdoskonalszych układów scalonych, jaki pojawił się w historii elektroniki. Jest on produkowany od ponad 30 lat, jest lub był w ofercie produkcyjnej blisko 40 firm i nadal nic nie zapowiada końca jego kariery. Od czasu ukazania się tej książki na rynku minęło 10 lat, a układ 555 w różnych odmianach ciągle jest produkowany. Układ 555 przeznaczony jest do wytworzenia pojedynczego impulsu (o długości od mikrosekund do godzin) lub generacji impulsów prostokątnych (od 0.01Hz do 1 MHz). Oprócz podstawowych zastosowań (przerzutnik monostabilny i przerzutnik astabilny) często wykorzystywany jest do różnych nietypowych i ciekawych funkcji [2]. Na rys. 2.1 przedstawiona jest uproszczona struktura blokowa układu. Rys. 2.1 Uproszczona struktura blokowa układu scalonego NE555 [3] Układ zawiera dwa komparatory: dolny, generujący sygnał set (włącz), gdy napięcie na jego wejściu trig spadnie poniżej 1/3 Vcc i górny, generujący sygnał reset (kasuj), gdy napięcie na jego wejściu thres" przekroczy 2/3 Vcc. Sygnały te włączają i wyłączają przerzutnik R-S,
ustalając stan wyjścia out układu i jednocześnie sterują tranzystorem. Bufor, dołączony do wyjścia przerzutnika zwiększa obciążalność prądową układu. 2.2 Układ CD4541 Uproszczona struktura blokowa układu przedstawiona jest na rys. 2.2. Rys. 2.2 Uproszczona struktura blokowa układu scalonego CD4541B [4] Układ zawiera wewnętrzny generator impulsów o częstotliwości zależnej od wartości elementów R TC i C TC, podłączonych do wyprowadzeń 1, 2 i 3 (patrz dane katalogowe). Częstotliwość generatora jest dzielona przez wewnętrzne liczniki binarne na 256, a następnie (w zależności od stanu na wejściach programujących A (pin 12) i B(pin 13)) dodatkowo przez 1, 4, 32 lub 256 co daje stopień podziału częstotliwości: 256, 1024, 8192 lub 65536. Po zliczeniu zadanej ilości impulsów kasowany jest (ustawiany po włączeniu zasilania) przerzutnik R-S kończąc odmierzanie czasu. W zależności od stanu na wejściu MODE (pin 10) po zakończeniu zliczania przerzutnik jest na stałe kasowany (MODE=0) lub przepuszcza sygnały z licznika powtarzając cykle (MODE=1). Wejście SELECT Q/Q (pin 9) odwraca polaryzację sygnału na wyjściu (po podaniu 1 czy 0). Jeżeli na wejściu AUTO RESET (pin 5) jest podane 0 (zwarcie do masy) to po załączeniu zasilania następuje zerowanie liczników i start układu. Układ CD4541 pozwala na odmierzanie zarówno krótkich (ułamki sekundy) jak i długich (24 godz.) czasów i ma szerokie zastosowanie w automatach i urządzeniach sterujących maszyn jako przekaźniki czasowe.
3. Stanowisko laboratoryjne Badane układy można łączyć na makiecie laboratoryjnej, przedstawionej na rys. 3.1 (tylko NE555) lub na uniwersalnej płytce łączeniowej GL-24 (rys. 3.2) lub GL-12F. Makieta zawiera tester, który pozwala szybko sprawdzić czy badany układ scalony jest sprawny. Rys. 3.1 Widok makiety laboratoryjnej do badania układów czasowych z układem NE555. Rys. 3.2 Widok uniwersalnej płytki łączeniowej GL-24
Do wykonania ćwiczenia potrzebne są ponadto: zasilacz laboratoryjny; oscyloskop cyfrowy; generator funkcyjny; częstościomierz; multimetr. 4. Przebieg ćwiczenia Przed przystąpieniem do ćwiczenia studenci powinni przypomnieć z wykładów lub odszukać w literaturze zasady działania układów czasowych NE555 i CD4541 oraz ich podstawowe aplikacje. Należy również zapoznać się z danymi katalogowymi tych układów i funkcją poszczególnych wyprowadzeń. 4.1. Badanie układu NE555 4.1.1 Zaprojektować i zbudować przerzutnik astabilny pracujący z niską (poniżej 2Hz), zadaną przez prowadzącego, częstotliwością. Do wyjścia układu dołączyć dwie diody LED: jedną między wyjściem a masą, a drugą między wyjściem a zasilaniem. Pamiętać o rezystorach ograniczających prąd włączonych szeregowo z każdą diodą. Zmierzyć częstotliwość przebiegu wyjściowego za pomocą oscyloskopu lub częstościomierza. 4.1.2 Zaprojektować i zbudować przerzutnik astabilny, generujący przebieg wyjściowy o zadanej przez prowadzącego częstotliwości (z zakresu 100Hz 100kHz) i zadanym współczynniku wypełnienia (z zakresu 0,55 0,95). Obejrzeć na oscyloskopie i zarejestrować napięcie wyjściowe układu oraz spadek napięcia na kondensatorze, decydującym o częstotliwości. Zmierzyć za pomocą oscyloskopu: częstotliwość, współczynnik wypełnienia, poziom niski i poziom wysoki przebiegu prostokątnego na wyjściu przerzutnika. 4.1.3 Zaprojektować i zbudować przerzutnik monostabilny o zadanej przez prowadzącego długości impulsu wyjściowego. W przypadku impulsów o długości mniejszej niż 1 sekunda do wygenerowania impulsów wyzwalających wykorzystać generator funkcyjny, a przebiegi napięć (impulsy wyzwalające i napięcie wyjściowe) obejrzeć na ekranie oscyloskopu i zarejestrować. W przypadku impulsów wyjściowych o długości większej niż 5 sekund można zastosować wyzwalanie ręczne chwilowe zwarcie wejścia wyzwalającego do masy (pamiętać o podpięciu tego wejścia za pomocą rezystora o wartości np. 1kΩ do zasilania wyjaśnić dlaczego). Długość impulsu wyjściowego można określić za pomocą czasu świecenia podłączonej do wyjścia diody LED (pamiętać o ograniczeniu prądu). 4.2. Badanie układu CD4541 4.2.1 Zaprojektować i zbudować układ, pracujący jako programowany dzielnik częstotliwości. Prowadzący podaje czy układ ma pracować z generatorem wewnętrznym czy zewnętrznym oraz podaje współczynnik podziału częstotliwości. Po uruchomieniu układu obejrzeć na ekranie oscyloskopu i zarejestrować odpowiednie przebiegi napięć. 4.2.2 Zaprojektować i zbudować układ, generujący impulsy o długości zadanej przez prowadzącego. Po uruchomieniu układu obejrzeć na ekranie oscyloskopu i zarejestrować odpowiednie przebiegi napięć.
5. Wymagania BHP Warunkiem przystąpienia do praktycznej realizacji ćwiczenia jest zapoznanie się z instrukcją BHP, obowiązującą w Laboratorium oraz przestrzeganie zasad w niej zawartych. 6. Literatura 1. K. Górski, Timer 555 w przykładach, Wydawnictwo BTC, 2004 2. K. Górski, 100 projektów na 555, Wydawnictwo BTC, 2011 3. Precision Timers NA555, NE555, SA555, SE555. SLFS022H September 1973 Revised June 2010, Texas Instruments, www.ti.com 4. CD4541B CMOS Programmable Timer High Voltage Types (20V Rating), SCHS085E Revised September 2003, Texas Instruments, www.ti.com 5. U. Tietze, Ch. Schenk, Układy półprzewodnikowe, WNT, 2009