Laboratóriumi gyakorlatok Fehér Gyula Kóré László Logikai áramkör családok GYAKORLATOK
TARTALOMJEGYZÉK 1. BEMUTATÓ VIZSGÁLATOK... 4 1.1 INVERTER ÁTVITELI FÜGGVÉNYÉNEK MEGHATÁROZÁSA... 4 1.2 KÜSZÖBFESZÜLTSÉG MEGHATÁROZÁSA... 5 1.3 TIPIKUS H ÉS L FESZÜLTSÉGSZINTEK MEGHATÁROZÁSA... 6 1.4 A BEMENETEN MEGENGEDETT H SZINTTARTOMÁNYOK MEGHATÁROZÁSA... 8 1.5 ZAJTARTALÉK MEGHATÁROZÁSA... 8 1.6 AZ I BE =F(U BE ) BEMENETEI FESZÜLTSÉG-ÁRAM JELLEGGÖRBE VIZSGÁLATA... 9 1.7 SZTATIKUS ÁRAMFELVÉTEL MEGHATÁROZÁSA... 10 1.8 J(/7(5-('e6,,' 0e5e6( *<%5%6 26=&,//È7255$/... 11 1.9 NYITOTT KOLLEKTOROS KIMENET VIZSGÁLATA... 12 1.10 A LASSÚ BEMENETI JELVÁLTOZÁSOK HATÁSÁNAK VIZSGÁLATA... 13 1.11 H,6=7(5e=,6(6 È79,7(/, )h**9e1<%,19(57(5(. 9,=6*È/$7$... 14 2. BEMUTATÓ GYAKORLATOK... 16 2.1 KAPUHÁLÓZATOK JELSZINTJEINEK MEGHATÁROZÁSA... 16 2.2 KÉTSZINTES HÁLÓZAT VIZSGÁLATA... 18 2.3 A +0e56e./(79È/72=È6 +$7È6È1$. 9,=6*È/$7$... 19 2.4 DINAMIKUS TELJESÍTMÉNYFELVÉTEL MEGHATÁROZÁSA... 21 2.5 KAPUKBÓL KIALAKÍTOTT KVARC-OSZCILLÁTOR VIZSGÁLATA... 22 2.6 KAPUKBÓL KIALAKÍTOTT JELFORMÁLÓK VIZSGÁLATA... 26 2.7 KAPUKBÓL FELÉPÍTETT ÓRAGENERÁTOR VIZSGÁLATA... 27 3
LOGIKAI ÁRAMKÖR-CSALÁDOK 1. BEMUTATÓ VIZSGÁLATOK A vizsgálat tárgya: A vizsgálat célja: /RJLNDLiUDPN UFVDOiGRNDODSMHOOHP]LQHN bemutatása A digitális áramkörök néhány fontosabb P&N GpVLSDUDPpWHUpQHNPHJKDWiUR]iVD Az állományok helye: C:\MC5DEMO\LACS\BV\ 1.1 Inverter átviteli függvényének meghatározása $] 0& LQGtWiViW N YHWHQ töltse be a BV_01.CIR állományt. A EHW OWpV HUHGPpQ\HNpQW D NpSHUQ\Q PHJMHOHQLN D] iwylwhol I JJYpQ\ felvételére szolgáló kapcsolás: 3. lépés $]RQRVtWVD D EH pv D NLPHQHWL YiOWR]yNDW HOHPH]]H D P&N GpVW $] LQYHUWHU EHPHQHWL IHV] OWVpJpW D 9 MHO& JHQHUiWRU V]ROJiOWDWMD D] 5 MHO]pV& HOOHQiOOiV D] LQYHUWHU NLPHQHWL WHUKHOpVH $] U ki =f(u be ) átviteli függvény U be I JJHWOHQ YiOWR]yMiW D %( MHO& SRQWRQ D] U ki I JJ YiOWR]yWSHGLJD.,MHO&SRQWRQPpUM N$EDOIHOVVDURNEDQOpYIHOLUDW arra hívja fel a figyelmet, hogy a be- és a kimeneti feszültségek közötti függvénykapcsolatot DC analízissel kell vizsgálni! (Az átviteli függvény a be- és a kimeneti feszültség állandósult állapotú értékei közötti kapcsolatot írja le!) Válassza ki a DC analízist! Vizsgálja meg az ennek eredményeként PHJMHOHQ '& $QDO\VLV OLPLWV DEODN WDUWDOPiW )LJ\HOMH PHJ PLO\HQ YL]VJiODWLSDUDPpWHUHNYDQQDNEHiOOtWYD$]RQRVtWVDPLO\HQNH]GpV végérték között változtatjuk a bemeneti feszültséget, hány 4
Gyakorlatok feszültségértékkel vesszük fel az U ki =f(u be ) MHOOHJJ UEpW PLO\HQ MHO& PpUSRQWRNRQ PLO\HQ IHV] OWVpJWDUWRPiQ\EDQ PpUpVKDWiUEDQ PLO\HQ N UQ\H]HWLKPpUVpNOHWHWEHiOOtWYDPpUM NDYL]VJiOWIHV] OWVpJHNHW 4. lépés +D V] NVpJHV SO D PpUSRQWRN D]RQRVtWiVD pughnpehq D] ) JRPE lenyomásával visszatérhet a kapcsolási rajzot tartalmazó ablakba. $EHiOOtWiVRNiWWHNLQWpVpWN YHWHQD581JRPEUDNDWWLQWiVVDOindítsa el a szimulációt! Az eredmény : 1.2 Küszöbfeszültség meghatározása Az U K küszöbfeszültség az átviteli függvénynek az a pontja, ahol U be = U ki. Ha az U ki =f(u be ) átviteli függvény koordinátarendszerébe berajzoljuk az U ki =U be egyenest, a két görbe metszéspontja éppen U K. Az egyenes berajzolását a szimulátor rajzoló eszközeit használva FpOV]HU&HOYpJH]QL.DWWLQWVRQD JRPEUDpVDNpSHUQ\QPHJMHOHQ 5
LOGIKAI ÁRAMKÖR-CSALÁDOK UDM]ROy PHQ EO YiODVV]D NL D /LQH PHQ SRQWRW ÈOOtWVD D NHUHV]W alakúvá váló kurzort a koordinátarendszer origójába, nyomja le az egér bal gombját, majd mozgassa úgy az egeret, hogy a 0,0 pontból induló egyenes másik végpontja az U be =5V, U ki =5V pontba kerüljön: A U K küszöbfeszültség pontos értékét a nyomógombbal aktivált és a görbék metszéspontjára állított kurzor segítségével határozza meg! 1.3 Tipikus H és L feszültségszintek meghatározása Határozza meg azt az U be értéket, amely alatt U ki már nem változik, majd azt az U be értéket, amely felett U ki puwpnhioodqgyqdnwhnlqwkhw $]iwylwholi JJYpQ\HO]HNEHQOHtUWPyGRQW UWpQPHJKDWiUR]iVD 6
Gyakorlatok A funkció alkalmazásával jelölje meg a meghatározott pontokat! A NXU]RUP&YHOHWHN DODWW D MREE iwwhnlqwkhwvpj pughnpehq FpOV]HU& D raszterháló kirajzolását a gombbal letiltani. (A gomb ismételt lenyomásával a háló újra kirajzoltatható.) 1.3.1 A bemeneten megengedett L szinttartomány U blm IHOV KDWiUpUWpNpQHN meghatározása A C4000 (CMOS) család bemeneti L tartományának azon U blm IHOV KDWiUpUWpNpWNHOOPHJKDWiUR]QLDPHO\QpOD]LQYHUWHUHUVtWpVH A u = 1! Az U ki =f(u be ) iwylwhol I JJYpQ\W D] HO]HNEHQ OHtUW PyGRQ NHOO felvenni, majd a függvény U be <U K szakaszán meg kell keresni azt a pontot, ahol A u = 1. Ez utóbbit az jellemzi. hogy az ehhez a ponthoz K~]RWWpULQWPHUHGHNVpJHm = -1. m = -1PHUHGHNVpJ&HJ\HQHVDUDV]WHUKiOypVD gombbal aktiválható JUDILNDLHV]N ] NDONDOPD]iViYDOHJ\V]HU&HQEHUDM]ROKDWy(]WN YHWHQ már csak azt kell megkeresni, hogy az az átviteli függvény mely pontjára LOOHV]WKHW +D D gomb lenyomása után az egyenesre kattintunk, DNNRU D] QPDJiYDO SiUKX]DPRVDQ WHWV]OHJHV KHO\UH YRQV]ROKDWy illesztése könnyen megvalósítható. 3. lépés $] pulqw LOOHV]WpVH XWiQ D EHPHQHWL IHV] OWVpJ NHUHVHWW U blm értékét a kurzor segítségével lehet lemérni. A fenti ábrán a bal oldali kurzorhoz WDUWR]y QXPHULNXV NLMHO] U be = 0.8 V és U ki = 3.3 V értéket mutat. (OEELDEHPHQHWHQ/V]LQWNpQWPHJHQJHGHWWIHV] OWVpJWDUWRPiQ\IHOV határa: U blm, utóbbi pedig a kimeneti H szinttartomány alsó határa: U khm. Az U be = U blm feszültségnél az inverter A u = U be / U ki NLVMHO& HUVtWpVH HJ\VpJQ\L D] DODFVRQ\DEE U be értékeknél A u < 1. A 7
LOGIKAI ÁRAMKÖR-CSALÁDOK OHJURVV]DEEOHJPDJDVDEE/EHPHQHWLV]LQWKDWiViUDpUWHOHPV]HU&HQD OHJURVV]DEEOHJDODFVRQ\DEE+NLPHQHWLV]LQWiOOHO 1.4 A bemeneten megengedett H szinttartomány alsó határértékének meghatározása A bemeneti H tartomány azon U bhm alsó határértékét kell meghatározni, amelynél az inverter A u = U be / U ki NLVMHO&HUVtWpVH A u = 1! $IHODGDWD]HO]YHOWHOMHVHQDQDOyJD]RWWHOPRQGRWWDNQDNPHJIHOHOHQ oldható meg: $] pulqw LOOHV]WpVH XWiQ D EHPHQHWL IHV] OWVpJ NHUHVHWW U bhm értéke NXU]RU VHJtWVpJpYHO OHPpUKHW $ IHQWL ieuiq D EDO ROGDOL NXU]RUKR] WDUWR]yQXPHULNXVNLMHO]U be = 1.44 V és U ki = 0.1 V értéket mutat. (OEELDEHPHQHWHQ+V]LQWNpQWPHJHQJHGHWWIHV] OWVpJWDUWRPiQ\DOVy határa: U bhm XWyEEL SHGLJ D NLPHQHWL / V]LQWWDUWRPiQ\ IHOV KDWiUD U khm. Az U be = U bhm feszültségnél az inverter A u = U be / U ki NLVMHO& HUVtWpVHHJ\VpJQ\LPDJDVDEEU be értékeknél A u < 1. A legrosszabb OHJDODFVRQ\DEE + EHPHQHWL V]LQW puwhohpv]hu&hq D] / ioodsrw~ NLPHQHWOHJURVV]DEEOHJPDJDVDEEV]LQWMpWiOOtWMDHO 1.5 Zajtartalék meghatározása $] HO] YL]VJiODWRNNDO PHJKDWiUR]RWW NL pv EHPHQHWL V]LQW KDWiUpUWpNHNEOD]DMWDUWDOpNV]iPV]HU&pUWpNpWD] U ZL = U blm - U klm összefüggésekkel lehet kiszámolni. U ZH = U khm - U bhm 8
Gyakorlatok 1.6 Az I be =f(u be ) bemenetei feszültség-áram jelleggörbe vizsgálata Az I be =f(u be ) bemeneti karakterisztika a logikai áramkör terhelési MHOOHP]LQHNPHJKDWiUR]iViQDNDODSMD,GHiOLVHVHWEHQD]U be bemeneti feszültség változásának hatására az I be bemeneti áram nem változik. A CMOS áramkörcsaládoknál ez gyakorlatilag teljesül, a bipoláris EHPHQHW&HNQpOQHP(]XWyEELDNN ] OD)$6777/FVDOiGMHOOHP]LW vizsgáljuk. Töltse be a BV_02.CIR állományt. A kapcsolás alapján gondolja végig, hogyan, milyen analízist alkalmazva, milyen vizsgálati paraméterekkel venné fel a keresett I be =f(u be ) függvényt.,qgtwvdhod'&dqdot]lvw$v]lpxoiflyhowwyl]vjiomdphjd]$qdo\vlv Limits ablak beállításait. Vesse össze azokat az Ön által kigondoltakkal!,qgtwvdhodyl]vjiodwrwpdmghohph]]hd PHJMHOHQ J UEpW +DWiUR]]D PHJ D J UEH MyO HON O Q O V]DNDV]DLKR] WDUWR]y I be,,u be párokat (bemeneti munkapontokat), majd ennek alapján a munkapontokhoz tartozó R be = Ube/ I be bemeneti-ellenállás értékeket. A munkapontok meghatározásához használja a kurzor-funkciókat: a 3. lépés kurzort a gombbal aktiválható ablakkal állítsa pontosan a vizsgálni kívánt U be értékre. Látható, hogy a jelleggörbe lineáris szakaszokból áll. Ezeken belül R be állandó. A fenti ábrán U be1 = 0V és az U be2 = 1V értékeket állítottunk be. A mért értékek alapján R be = Ube/ I be 1V/0.1mA=10k. A karakterisztika másik jellegzetes (és szintén lineáris) szakasza szemmel láthatóan jóval ideálisabb. Az U be feszültség változásakor I be gyakorlatilag nem változik: U be1 =2V és U be2 = 4V, azaz U be = 2V esetén mindössze Ibe = 2µA az áramváltozás. Ez R be = 1M bemeneti ellenállást jelent! A két tartományt elválasztó, U be =1.56V IHV] OWVpJHQ NLDODNXOy I JJOHJHV J UEHUpV] D ORJLNDL iudpn U átkapcsolását mutatja. Ez a feszültség a bemeneti L és H feszültségtartományokat elválasztó küszöbfeszültség. 9
LOGIKAI ÁRAMKÖR-CSALÁDOK 1.7 Sztatikus áramfelvétel meghatározása 7 OWVH EH D %9B&,5 ioorpiq\w (OHPH]]H D PpUNDSFVROiV P&N GpVpW*RQGROMDYpJLJKRJ\DQP&N GLND]PLNHWpVKRJ\DQNHOO mérni, milyen vizsgálati paramétereket kell beállítani! Válassza ki a tranziens analízist és vizsgálja meg a Transient Analysis /LPLWVDEODNEDQPHJMHOHQYL]VJiODWLSDUDPpWHUHNHW9HVVH VV]HH]HNHW DPpUNDSFVROiVHOHP]pVHNRUgQiOWDONLJRQGROWDNNDOpVNHUHVVHPHJD] eltérések lehetséges okait! Indítsa el az analízist! euwpnhomh D PHJMHOHQ HUHGPpQ\HNHW )LJ\HOMH PHJ D] LQYHUWHU WiSiUDP 3. lépés LGI JJYpQ\pQHNDODNXOiViWKDVRQOtWVD VV]HD]iWNDSFVROiVLWUDQ]LHQV HOWWL pv D] D]W N YHWHQ IHQQiOOy iudppuwpnhnhw 0pUMH OH H]HN SRQWRV amplitúdóját! Hogyan határozná meg az átlagos áramfelvétel értékét? 1 0
1.8 -HOWHUMHGpVLLGPpUpVHJ\&U&VRV]FLOOiWRUUDO Gyakorlatok 7 OWVH EH D %9B&,5 ioorpiq\w (OHPH]]H D PpUNDSFVROiV P&N GpVpW*RQGROMDYpJLJKRJ\DQP&N GLND]PLNHWpVKRJ\DQNHOO mérni, milyen vizsgálati paramétereket kell beállítani! A kapacitások az VV]HWHWWGLJLWiOLVUHQGV]HUEHQ ]HPHOLQYHUWHUHNWHUKHOpVpWPRGHOOH]LN Válassza ki a tranziens analízist és vizsgálja meg a Transient Analysis /LPLWVDEODNEDQPHJMHOHQYL]VJiODWLSDUDPpWHUHNHW9HVVH VV]HH]HNHW DPpUNDSFVROiVHOHP]pVHNRUgQiOWDONLJRQGROWDNNDOpVNHUHVVHPHJD] eltérések lehetséges okait! Indítsa el a vizsgálatot. $NDSRWWLGI JJYpQ\HOVKDUPDGDDJ\&U&RV]FLOOiFLyMiQDNEHLQGXOiVL IRO\DPDWiW PXWDWMD $ PpUpVW FVDN D PiU ioodqgyvxowqdn WHNLQWKHW állapot jelein szabad elvégezni! Az eredmények pontosságát növeli, ha 11
LOGIKAI ÁRAMKÖR-CSALÁDOK D] LGI JJYpQ\ pughnhv UpV]pW D JRPE OHQ\RPiViW N YHWHQ D] egérrel körülhatároljuk. Az egér bal gombját elengedve a kijelölt terület WHOMHV NpSHUQ\PpUHWUH QDJ\tWYD MHOHQLN PHJ ËJ\ D MHOHN PpUHQG SRQWMDLQDNNLMHO OpVHSRQWRVDEEDQpVHJ\V]HU&EEHQPHJYDOyVtWKDWy 3. lépés A t pdp SiUNpVOHOWHWpVDNLUDM]ROWNpWLGI JJYpQ\ EiUPHO\ D]RQRV Ii]LV~ SRQWSiUMDN ] WWPpUKHW+DDNpWSRQWRWDPHO\HNN ] WWDNpVOHOWHWpVW mérjük, a funkcióval jelöljük ki, akkor az eredmény a görbékhez NDSFVROyGYDMHOHQLNPHJDNpSHUQ\Q 1.9 Nyitott kollektoros kimenet vizsgálata 7 OWVHEHD%9B&,5iOORPiQ\W(OHPH]]HDPpUNDSFVROiVW. 1 2
Gyakorlatok *RQGROMDYpJLJKRJ\DQP&N GLNDNDSFVROiVPLUHV]ROJiO" $EHiOOtWRWWDXWRPDWLNXVOpSWHWpVS)NH]GpUWpNUOLQGXOYDS)HV lépésközzel négy lépésben végezte el a bemeneti egységugrásra adott válasz meghatározását. Jól látható, hogy még a legkisebb WHUKHONDSDFLWiVHVHWpQLVODVV~DNLPHQHWLMHOYiOWR]iVLVHEHVVpJH *RQGROMD YpJLJ PLO\HQ OHKHWVpJHLQN YDQQDN D NLPHQHWL iwndsfvroivl sebesség növelésére! Változtassa meg a felhúzó-ellenállás értékét és PpUMH OH HQQHN KDWiViW 0LO\HQ DOVy pv IHOV NRUOiWR]y WpQ\H]NHW NHOO figyelembe venni? Mi lehet a következménye a lassú jelváltozásnak? 1.10 A lassú bemeneti jelváltozások hatásának vizsgálata 13
LOGIKAI ÁRAMKÖR-CSALÁDOK 3. lépés 4. lépés 7 OWVH EH D %9B&,5 ioorpiq\w (OHPH]]H D PpUNDSFVROiVW Gondolja végig, milyen frekvenciájú és milyen amplitúdójú szinuszos jeleket állítana be a generátorokon, ha a lassan változó hasznos jelekre szuperponálódott zavarójelek hatását szeretné vizsgálni. )RJDOPD]]D PHJ PLO\HQ PyGRQ RNR]KDW KLEiV ORJLNDL P&N GpVW D ODVVDQ YiOWR]y EHPHQHWL MHOOHO VV]HJ]G WW QDJ\IUHNYHQFLiV ]DYDUMHO Milyen bemeneti jel-amplitúdók a leginkább veszélyesek? $ NDSXNRQ EHO O PLO\HQ PyGRQ ioo HO D IHQW HPOtWHWW N U OPpQ\HN között a hibás kimeneti jel? Tervezze meg, milyen mérési módszerrel KDWiUR]QiPHJDNLPHQHWLMHOWRU]XOiVMHOOHP]LW$V]LPXOiWRUUDOPLO\HQ vizsgálati beállítást alkalmazna a feladat megoldására? Ezeket az HONpV] OHWHNHW tumd OH KRJ\ D P&N GPpUNDSFVROiVEDQ DONDOPD]RWW megoldásokkal és beállításokkal össze tudja hasonlítani!,qgtwvdhod]dqdot]lvwpvdphjmhohq7udq]lhqv $QDO\VLV /LPLWV DEODN EHiOOtWiVDLWYHVVH VV]HD]HO]OHJU J]tWHWWWHUYHLYHOHONpS]HOpVHLYHO 5. lépés Elemezze a kapott eredményeket! Módosított vizsgálatokkal határozza PHJDEHPHQHWPLQGNpWLUiQ\~iWPHQHWHNRUHOiOOyNLPHQHWLMHOWRU]XOiV SRQWRVOHIXWiViW+RJ\DQHO]QpPHJDKLEiVP&N GpVW" 1.11 +LV]WHUp]LVHViWYLWHOLI JJYpQ\&LQYHUWHUHNYL]VJiODWD [1] 4.6.4. $] HOEEL YL]VJiODW HUHGPpQ\HL PXWDWMiN KRJ\ D ODVVDQ YiOWR]y bemeneti jel viszonylag hosszú ideig tartózkodik a kapu küszöbfeszültségének környezetében. Itt, az átviteli függvény közel OLQHiULV V]DNDV]iQ D NDSX PLQGHQ PXQNDSRQWEDQ QDJ\ HUVtWpVW SURGXNiODNLVEHPHQHWLIHV] OWVpJYiOWR]iVRNDNLPHQHWHQ IHOHUV GYH MHOHQQHN PHJ $ NLPHQHWHQ tj\ PHJMHOHQ ]DYDUMHOFVRPDJRN NRPRO\ P&N GpVL KLEiNDW SURGXNiOQDN *RQGROMXQN DUUD KRJ\ KD D ODVVDQ 1 4
Gyakorlatok változó jel egy számláló órajele: a kimeneti zavarok miatt a számláló tartalma a bemeneti impulzusok számánál lényegesen többet mutat! Töltse be és indítsa el a BV_07.CIR állományt. 3. lépés *RQGROMD YpJLJ KRJ\DQ KDV]QiOQi D YL]VJiODW WiUJ\iW NpSH] KLV]WHUp]LVHViWYLWHOLI JJYpQ\&LQYHUWHUWDODVV~pV]DYDUMHOHNNHOWHUKHOW bemeneti jelek fogadására! Töltse be és indítsa el a BV_08.CIR állományt. Vizsgálja meg a beállításokat, majd gondolja végig és rögzítse a várható eredményt. 4. lépés Hasonlítsa össze elképzelését a kapott erdményekkel. Keresse meg az esetleges eltérések okait! 15
LOGIKAI ÁRAMKÖR-CSALÁDOK 2. BEMUTATÓ GYAKORLATOK A gyakorlat tárgya: A vizsgálat célja: Digitális áramkörök vizsgálata $P&N GpVLPHFKDQL]PXVEHPXWDWiVDD MHODODNRNYL]VJiODWDDODSYHWGLJLWiOLVWHFKQLNDL mérési feladatok megoldása Az állományok helye: C:\MC5DEMO\LACS\BG\ 2.1 Kapuhálózatok jelszintjeinek meghatározása U ki U ki1 U B U ki2 U be1 = $ NDSXOiQFRW PRGHOOH] LQYHUWHUOiQF PLQGHQ HOHPpQHN NLPHQHWH D N YHWNH] HOHP EHPHQHWpUH NDSFVROyGLN (QQHN HUHGPpQ\HNpQW D OiQF HOV WDJMiQDN U ki1 kimeneti feszültsége egyben a második elem U be2 bemeneti feszültsége is (U be2 = U ki1 ) $ YL]VJiODWRW HJ\V]HU&VtWL KRJ\ minden láncelem az egységinverter tulajdonságait hordozza (az inverterek átviteli függvényei azonosak): U be1 U ki1 =U be2 U ki2 U A 1 2 U B 1 U A U ki = f(u be ) 2-1. ábra 2 U be2 =U ki1 U be f 1 f 2 f n..pwhohp& OiQF NLPHQHWL IHV] OWVpJpQHN meghatározása (1. módszer): Ha az U ki = f(u be ) grafikus formában adott, akkor DUUyO WHWV]OHJHV U be1 -hez tartozó U ki1 HJ\V]HU&HQ OHROYDVKDWy $ OiQF elemének kimenetén az U be1 =U A hatására PHJMHOHQ U ki2 =U B feszültség meghatározásához az átviteli függvényt NpWV]HU NHOO KDV]QiOQXQN (OV] U D] inverteren kialakuló összetartozó U be1,u ki1 IHV] OWVpJSiUWD]LQYHUWHUMHO& munkapontját) kell meghatározni, majd HQQHN LVPHUHWpEHQ D LQYHUWHU MHO& munkapontjának meghatározása adja a keresett U B eredményt. Az ehhez V] NVpJHV P&YHOHWHNHW D] 2-1. ábra szemlélteti: Az U be1 =U A -hoz tartozó U ki1 puwpn D I JJYpQ\J UEpUO közvetlenül leolvasható. Figyelembevéve, hogy U be2 =U ki1, az U ki1 értéket U be2 független változóként a vízszintes tengelyre kell másolni. (]W N YHWHQ D LQYHUWHU MHO]pV& PXQNDSRQWMD pv tj\ D] U ki2 =U B értéke is leolvasható..pwhohp&oiqfnlphqhwlihv] OWVpJpQHNPHJKDWiUR]iVDPyGV]HU Az U ki1 érték leolvasása és vízszintes tengelyre másolása kihagyható, így D] HJpV] IRO\DPDW OHHJ\V]HU&VtWKHW KD D VRUV]iP~ LQYHUWHU iwylwhol J UEpMpW D] HOVMpYHO PHJHJ\H] OpSWpNEHQ GH IHOFVHUpOW I JJ pv független-változókkal megrajzolva az 2-2. ábran látható módon az 1. inverter görbéje mellé helyezzük. Az ábra az 1. sorszámú inverter bemenetére kapcsolt U be1 =U A feszültség hatására a 2. sorszámú inverter 1 6
Gyakorlatok NLPHQHWpQPHJMHOHQU ki2 =U B feszültség leolvasását mutatja be. Az így NDSRWWPHJROGiV VV]HVHOQ\pWPHJWDUWyWRYiEELHJ\V]HU&VtWpVpUKHWHO a két különálló koordinátarendszer "egymásba tolásával", a két görbe egyetlen, közös koordináta-rendszerben való ábrázolásával. Ez -egy kicsit precízebben megfogalmazva- azt jelenti, hogy ugyanabba a koordinátarendszerbe, amelyben az U ki = f(u be ) átviteli függvény adott, H]WDI JJYpQ\WI JJpVI JJHWOHQYiOWR]yLWIHOFVHUpOYHLVEHUDM]ROMXN (UHGPpQ\NpQW D NpW LQYHUWHUEO iooy OiQF HUHG iwylwhol MHOOHP]LW összevontan leíró ábrázolást kapunk (2-3. ábra). U ki1 U be1 U ki1 =U be2 U ki2 U A 1 U ki1 = f(u be1 ) U be2 2 U ki2 = f(u be2 ) U B 1 2 U K U K B U A U K U be1 U B U K U ki2 2-2. ábra 2.1.1.pWHOHP&OiQF VV]HYRQWiEUi]ROiV.pWHOHP&OiQFNLPHQHWLIHV] OWVpJpQHNPHJKDWiUR]iVDPyGV]HU Az 1. és a 2. sorszámú inverter munkapontjai nem függetlenek egymástól. A kölcsönhatást leíró U be1 U ki1 =U be2 1 2 U be1a U ki2 U ki1 = f(u be1 ) U ki1 = f -1 (U ki2 ) 2 1 U egyenletek grafikus megoldása ugyanazt ki1 = f(u be1 ) az eredményt adja, mint amit a 2. módszerrel kaptunk. (Az f -1 függvény az f U ki2 = f(u be2 ) iwylwhol I JJYpQ\ I JJ pv I JJHWOHQ YiOWR]yLQDN FVHUpMpYHO HOiOOtWRWW függvény, f inverz függvénye.) Az U B U A U K U be1 U ki2 eddigieket úgy lehet összefoglalni, hogy ha az U ki = f(u be ) átviteli függvényt V]RNiVRVDQ pv D I JJYpQ\ I JJ pv független-változóit felcserélve is berajzoljuk egy közös koordinátarendszerbe, akkor a koordináta-rendszer 2-3. ábra PLQGNpWWHQJHO\HNHWWVV]HUHSHWNDS$] HJ\V]HU&VpJPLDWWHJ\HOUHFVDNNpWHOHP&OiQFRWYL]VJiOXQN$I JJ U K U be2 U ki1 U ki = U be 17
LOGIKAI ÁRAMKÖR-CSALÁDOK pv I JJHWOHQ YiOWR]yN IHOFVHUpOpVpYHO HOiOOW J UEH U be2 független YiOWR]yMD D I JJOHJHV WHQJHO\UH U ki2 I JJYiOWR]yMD SHGLJ D vízszintesre kerül. Így a vízszintes tengelyen az U be1 és U ki2 feszültségek, DI JJOHJHVHQSHGLJD]U ki1 és U be2 értékek olvashatók le. 2.2 Kétszintes hálózat vizsgálata $] HO] SRQWRNEDQ LVPHUWHWHWW PyGV]HUHN HJ\UpV]W IHOWpWHOH]LN D] inverterek átviteli függvényeinek ismeretét, másrészt szerkesztést igényelnek. Az alábbi kapcsolással ezek nélkül határozzuk meg az VV]HNDSFVROW LQYHUWHUHN NL pv EHPHQHWpQ IHOOpS U be,u ki feszültségpárokat (munkapontokat): $]RQRVtWVD D EH pv D NLPHQHWL YiOWR]yNDW HOHPH]]H D P&N GpVW $] HOVLQYHUWHUEHPHQHWLIHV] OWVpJpWD9,1MHO&JHQHUiWRUV]ROJiOWDWMD$] U ki1 =f(u be ) átviteli függvény U be I JJHWOHQYiOWR]yMiWD%(MHO&SRQWRQ az U ki I JJYiOWR]yNDWSHGLJD.,pVD.,MHO&SRQWRNRQPpUM N$ EDOIHOVVDURNEDQOpYIHOLUDWDUUDKtYMDIHODILJ\HOPHWKRJ\DEHpVD kimeneti feszültségek közötti függvénykapcsolatot tranziens analízissel kell vizsgálni! (Az átviteli függvény a be- és a kimeneti feszültség állandósult állapotú értékei közötti kapcsolatot írja le. Ez a feltétel akkor LV WHOMHV O KD D EHPHQHWL IHV] OWVpJ D] iudpn U N P&N GpVL sebességéhez képest lassan változik!) 9iODVV]D NL D WUDQ]LHQV DQDOt]LVW 9L]VJiOMD PHJ D PHJMHOHQ "Transient Analysis Limits" ablak tartalmát! Figyelje meg, milyen YL]VJiODWL SDUDPpWHUHN YDQQDN EHiOOtWYD $]RQRVtWVD D I JJ pv I JJHWOHQYiOWR]yNDWDIHV] OWVpJHNNH]GpVYpJpUWpNHLW)LJ\HOMHPHJ PLO\HQ MHO& PpUSRQWRNRQ PLO\HQ IHV] OWVpJWDUWRPiQ\EDQ PpUpVKDWiUEDQ PLO\HQ N UQ\H]HWL KPpUVpNOHWHW EHiOOtWYD KiQ\ méréssel vesszük fel az U ki =f(u be ) jelleggörbéket (vizsgálatai során változtassa meg ezt és figyelje a hatást!): 1 8
Gyakorlatok Különösen figyelmesen vizsgálja meg a felvenni kívánt függvények I JJpVI JJHWOHQYiOWR]yLQDNEHiOOtWiViW$EHiOOtWiVRNHOOHQU]pVHpV értelmezése után indítsa el a szimulációt! Az eredmény : [1] 5.2. A sorbakapcsolt inverterek közös ki- és bemenetein az A ill B MHO& U be, U ki stabil feszültségpárok (munkapontok) tudnak kialakulni. Ezek az áramkörcsalád tipikus feszültségszintjei. 2.3 $KPpUVpNOHWYiOWR]iVKDWiViQDNYL]VJiODWD Figyelem! $YL]VJiOQL NtYiQW N UQ\H]HWL KPpUVpNOHWWDUWRPiQ\ KDWiUDLW iootwvd EH D] $QDOt]LV /LPLW DEODNEDQ HUUH V]ROJiOy PH] NLW OWpVpYHO (QQHN formátuma: IHOVKDWiU, alsó határ, lépésköz. A 0 o C -70 o C tartományt és 10 o C lépésközt választva indítsa el a vizsgálatot. 7 EEOpSpVWEHiOOtWYDDYL]VJiODW LGHMH DUiQ\RVDQ Q H]pUW IRNR]DWRVDQ ILQRPtWVXN D OpSpVN ]W pv D] HUHGPpQ\WO I JJHQ PyGRVtWVXN D YL]VJiODW SDUDPpWHUHLW &VDN D]RNRQ D KPpUVpNOHWHNHQ pughphv NLV OpSpVN ]WDONDOPD]QLDKRODYL]VJiOWSDUDPpWHUHNYiOWR]iVDMHOHQWV,QGtWVD HO D YL]VJiODWRW pv ILJ\HOMH D] HUHGPpQ\W $ NpSHUQ\Q OiWKDWy KRJ\D]pSSHQIXWyDQDOt]LVPHO\LNEHiOOtWRWWKPpUVpNOHWLpUWpNHQYpJ]L DYL]VJiODWRW+DQHPHOpJNLIHMH]HNDPHJMHOHQJ UEpND gomb 19
LOGIKAI ÁRAMKÖR-CSALÁDOK [1] 5.2. EHQ\RPiViYDO D YL]VJiODW IHOI JJHV]WKHW D YL]VJiODWL SDUDPpWHUHN PyGRVtWKDWyNÒMUDLQGtWiVNRUHJ\WHOMHVHQ~MYL]VJiODWLFLNOXVNH]GGLN 3. lépés U be (k) U K U H U ki (k)* U L Általánosítá s U L A 74ALS04 inverterek vizsgálatának eredménye jól mutatja, hogy az összekapcsolt inverterek U K küszöbfeszültsége és az inverterek kölcsönhatásával kialakuló U L és U H MHOV]LQWHN KPpUVpNOHWI JJHN $ függés mértékét a kurzorok segítségével kell meghatározni. $NpW HOHP& OiQF YL]VJiODWDNRU EHYH]HWHWW JUDILNXV ieui]roiv HJ\V]HU& A 0 U ki = U be U ki0 =U be1 U ki = f(u be ) páratlan sorszámúak k * U K C 1 U ki1 = U be2 2-4. ábra 2 U ki2 = U be3 U ki = f(u be )páros sorszámúak k U H B 3 U ki3 U be (k)* U ki (k) továbbfejlesztésével a kapuhálózatok jelfolyamatai is N QQ\HQ N YHWKHWN $] általánosítás lényege az, hogy a láncon továbbhaladó jel egymást N YHW NLPHQHWHNUH J\DNRUROW hatása (2-4. ábra DNNRU N YHWKHW ha az összes inverter átviteli függvényét egyazon koordinátarendszerben ábrázoljuk. Ha ezt (a NpWHOHP& OiQF YL]VJiODWDNRU PiU alkalmazott módszert) úgy valósítjuk meg, hogy a k *, (k+1) *, (k+2) * (páratlan sorszámú) inverterek átviteli függvényét a megszokott (vízszintes tengelyen a I JJHWOHQYiOWR]y I JJOHJHVHQ D I JJYiOWR]yPyGRQiEUi]ROMXND k, (k+1), (k+2) (páros sorszámúak)- ét pedig felcserélve (vízszintes 2 0
Gyakorlatok WHQJHO\HQ D I JJYiOWR]y I JJOHJHVHQ D I JJHWOHQ YiOWR]y DNNRU PHJMHOHQpVpW WHNLQWYH HJ\ D NpWHOHP& OiQFQiO EHYH]HWHWWHO WHOMHVHQ PHJHJ\H]iEUiWNDSXQN2-4. ábra). 2.4 Dinamikus teljesítményfelvétel meghatározása 3. lépés 7 OWVH EH D %9B&,5 ioorpiq\w (OHPH]]H D PpUNDSFVROiV P&N GpVpW*RQGROMDYpJLJKRJ\DQP&N GLND]PLNHWpVKRJ\DQNHOO mérni, milyen vizsgálati paramétereket kell beállítani! Válassza ki a tranziens analízist és vizsgálja meg a Transient Analysis /LPLWVDEODNEDQPHJMHOHQYL]VJiODWLSDUDPpWHUHNHW9HVVH VV]HH]HNHW DPpUNDSFVROiVHOHP]pVHNRUgQiOWDONLJRQGROWDNNDOpVNHUHVVHPHJD] eltérések lehetséges okait! Figyeljen az átlagértékmérés megoldására!,qgtwvd HO D] DQDOt]LVW pv puwpnhomh D PHJMHOHQ HUHGPpQ\HNHW )LJ\HOMH PHJ D] LQYHUWHU iowdo IHOYHWW iudp LGI JJYpQ\pQHN DODNXOiViW KDVRQOLWVD VV]H D] iwndsfvroivl WUDQ]LHQV HOWWL pv D] D]W N YHWHQ fennálló áramértékeket. Mérje le ezek pontos értékét! Mi az indoka ha ezek elhanyagolhatóan alacsonyak? 4. lépés 5. lépés 6. lépés A 10 khz kapcsolási gyakorisághoz tartozó áramértékeket ismerve határozza meg a felvett teljesítmény átlagértékét! Ismételje meg a mérést egy nagyságrenddel megnövelt kapcsolási frekvenciával, mérje az áramértékeket, határozza meg a felvett WHOMHVtWPpQ\W PDMG YHVVH VV]H D] HUHGPpQ\W D] HO] PpUpVVHO kapottakkal. Indokolja meg az eltérést!,vppwhomh PHJ D] HO] OpSpVHNHW ~J\ KRJ\ N ]EHQ IRNR]DWRVDQ (nagyságrendenként) növelje a C T WHUKHONDSFLWiVpUWpNpW,QGRNROMDD kapott mérési eredményeket. 21
LOGIKAI ÁRAMKÖR-CSALÁDOK 2.5 Kapukból kialakított kvarc-oszcillátor vizsgálata Töltse be a BV_10.CIR állományt! Elemezze a kapcsolást! Irja le, KRJ\DQP&N GLNH]D]RV]FLOOiWRUPLUHV]ROJiOQDNNRPSRQHQVHL" [1] 4.4.3. $YL]VJiODWVRUiQDEEyOFpOV]HU&NLLQGXOQLKRJ\Q\XJDOPLiOODSRWEDQD] RV]FLOOiWRUEHLQGXOiVDHOWWD]LQYHUWHUHNEHpVNLPHQHWHLWDNDSDFLWiVRN pv D NYDUFNULVWiO\ D N UQ\H]HWWO OHYiODV]WMiN H]HN D] DONDWUpV]HN egyenfeszültségen szakadásként viselkednek)! 9L]VJiOMDPHJDNDSFVROiVDOiEELLQYHUWHUEOYLVV]DFVDWROyHOOHQiOOiVEyO és bemeneti leválasztó kondenzátorból álló kiemelt részének (mint oszcillátor részegységnek) a DC és AC viselkedését: 3. lépés $'&P&N GpVYL]VJiODWD$]LQYHUWHUHNNLpVEHPHQHWHLW VV]HN W 2 2
Gyakorlatok 1 kω puwpn& HOOHQiOOiVKR] NpSHVW D] LQYHUWHUEHPHQHW R be ellenállása nagy, nem terheli a kimenetet. Az U=I be 1k feszültség is elhanyagolható, ezért az ellenállás jó közelítéssel U be U ki U K feszültségeket állít be. Az inverterek munkapontja az átviteli függvény legmeredekebben változó OHJQDJ\REEHUVtWpV&V]DNDV]iUDNHU O 4. lépés $] $& P&N GpV YL]VJiODWD $ IRNR]DWRN RO\DQ OLQHiULV HUVtWNpQW P&N GQHNDPHO\QHN'&HUVtWpVHA u = U ki / U be. A u nagy értéke miatt D] LQYHUWHUEHPHQHWHNHQ LV ioodqgydq MHOHQ OpY N UQ\H]HWL YDJ\ EHOV ]DMRN D NLPHQHWHNHW QDJ\ VHEHVVpJJHO D + YDJ\ D] / V]LQW IHOp mozgatják. Ezek a feszültségváltozások olyan magas szinuszos felharmónikus tartalmú jelek, amelyek esetében a kapacitások és a NYDUFNULVWiO\PiUPHVV]HQHPWHNLQWKHWV]DNDGiVQDN 5. lépés 23
LOGIKAI ÁRAMKÖR-CSALÁDOK Vizsgálja meg a fokozatok közé beékelt kvarc-kristály impedanciájának frekvenciafüggését! Ehhez töltse be a BV_11.CIR állományt: 6. lépés $YL]VJiODWHOWWLVPHUHWHLDODSMiQUDM]ROMDOHPLO\HQJ UEpWYiU9HJ\H figyelembe, hogy (a kapcsolási rajzon látható módon) az oszcillátor 1 MHz névleges frekvenciát produkál. Az AC analízissel végzett vizsgálat IRQWRV FpONLW&]pVH D NYDUFNULVWiO\ VRURV pv SiUKX]DPRV UH]RQDQFLD frekvenciájának meghatározása. Mint ismeretes, a mechanikai méretei által meghatározott f s soros rezonancián a kvarc-kristály rövidzárként viselkedik, a párhuzamos rezonancia-frekvencián pedig szakadást mutat. 2V]FLOOiWRUFpO~DONDOPD]iVKR]PLQGNHWWKDV]QiOKDWy A vizsgálattal kapott amplitúdó- és fázismenet görbék szerint a keresett soros rezonancia-frekvencia értéke: 1 MHz. 2 4
Gyakorlatok 7. lépés 7 OWVHEHD%9B&,5iOORPiQ\WpVYL]VJiOMDPHJDNpWLQYHUWHUEOD] H]HN N ] WW HOKHO\H]NHG 22nF puwpn& NDSDFLWiVEyO pv D NYDUF NULVWiO\EyOiOOyKXURNHUVtWpVpQHNIUHNYHQFLDPHQHWpW Az oszcillátort alkotó komponensek visszacsatolt rendszert alkotnak. &VDNDWHOMHVKXURN HUHG IUHNYHQFLDPHQHWH DODSMiQ OHKHW PHJPRQGDQL KRJ\PLO\HQIHOWpWHOHNPHOOHWWM KHWOpWUHIRO\DPDWRVpVVWDELOP&N GpV gqihqqwduwy UH]JpV FVDN DNNRU WXG NLDODNXOQL KD D NpW LQYHUWHUEO iooy HUHGEHQ Ii]LVW QHP IRUGtWy HUVtW YLVV]DFVDWROiVD IRO\DPDWRVDQ pótolja a kapcsolás veszteségeit. Ha ez a visszacsatolás csak a kvarckritály f s VRURVUH]RQDQFLDIUHNYHQFLiMiQM KHWOpWUHDNNRUD]HOiOOyMHO IHUHNYHQFLiMDFVDND]]DOPHJHJ\H]OHKHW $NLVMHO&V]LQXV]RVMHOOHOYpJ]HWWYL]VJiODWPXWDWMDKRJ\zárt hurok és folyamatos rezgés csak a kvarc-kristály soros rezonancia frekvenciáján tud kialakulni. Mivel f s értéke rendkívül stabil, a kialakuló rezgés is az! 25
LOGIKAI ÁRAMKÖR-CSALÁDOK Vizsgálja meg a kialakuló jelalakokat, mérje meg a kimeneti jel 8. lépés IUHNYHQFLiMiW$P&N GpVLHOYHWLVPHUYHLQGRNROMDPHJDNLDONXOW jelalakok formáját. Ha a t=0lgsrqwwyo YpJ]L D YL]VJiODWRW D NDSRWW LGI JJYpQ\HND]RV]FLOOiFLyEHLQGXOiVLIRO\DPDWiWLVPXWDWMiN 9. lépés Több lépésben, széles tartományban változtassa meg a környezeti KPpUVpNOHW puwpnpw pv LO\HQ IHOWpWHOHN PHOOHWW LVPpWHOMH PHJ D PpUpVW Indokolja az erdményt! 2.6 Kapukból kialakított jelformálók vizsgálata Töltse be a BV_13.CIR állományt! Gondolatkisérletekkel elemezze a NDSFVROiVP&N GpVpWU J]tWVHD]HUHGPpQ\W 2 6
Gyakorlatok 0LHOWW HOLQGtWDQi D YL]VJiODWRW JRQGROMD YpJLJ PLO\HQ EHiOOtWiVRNNDO YpJH]Qp HO D]W $] LQGtWiVNRU PHJMHOHQ $QDO\VLV /LPLWV DEODN tartalmát vesse egybe elképzeléseivel. Keresse meg az eltérések okait! 3. lépés 4. lépés 5. lépés Hasonlítsa össze gondolatkísérleteinek eredményeit a vizsgálat által szolgáltatottakkal. Keresse meg az eltérések magyarázatát! $NDSFVROiVpVDNLVpUOHWLHUHGPpQ\HNDODSMiQHOHPH]]HPLO\HQV]pOV puwpnhnhwyhkhwqhnihod]lg]twpvwphjkdwiur]ydondwhohphn (OHPH]]H PLO\HQ WpQ\H]N KDWiUR]]iN PHJ D] HOiOOtWRWW LPSXO]XV MHOOHP]LWPLO\HQSRQWRVViJ~LG]tWpViOOtWKDWyHODNDSFVROiVVDO 2.7 Kapukból felépített óragenerátor vizsgálata Töltse be a BV_14.CIR állományt! Gondolatkísérletekkel elemezze a P&N GpVWU J]tWVHD]HUHGPpQ\W 27
LOGIKAI ÁRAMKÖR-CSALÁDOK $P&N GpVLPHFKDQL]PXVPHJpUWpVpWKDWiUR]RWWDQVHJtWLKDUpV]OHWHLUH bontva próbálja megérteni a kapcsolást. $ NDSFVROiVL UDM]RQ V] UNH KiWWpUEH KHO\H]HWW NpW LQYHUWHUEO pv NpW ellenállásból kilakított áramkör egy kapukból megvalósított Schmitt- WULJJHU0pUMHOHHQQHND]DOVypVIHOVNDSFVROiVLIHV] OWVpJpW 3. lépés 4. lépés 0pUMH OH D] HOiOOtWRWW LPSXO]XVVRUR]DW MHOOHP]LW 0DJ\DUi]]D PHJ D NDSDFLWiVLGI JJYpQ\pQOiWKDWyHOVQ\~MWRWWV]DNDV]NLDODNXOiViW Elemezze, mik lesznek az R és C komponensek minimális és maximális puwpnpw PHJKDWiUR]y WpQ\H]N PHNNRUiN OHKHWQHN H]HN D] puwpnhn" 0LO\HQWpQ\H]NNRUOiWR]]iNDNDSFVROiVIUHNYHQFLDVWDELOLWiViW 2.7.1 (J\HWOHQKLV]WHUp]LVHVEHPHQHW&LQYHUWHUUHOIHOpStWHWWyUDJHQHUiWRU 2 8
Gyakorlatok 9L]VJiOMD PHJ HQQHN D] HO]QpO OpQ\HJHVHQ HJ\V]HU&EE IHOpStWpV& GH D]]DO WHOMHVHQ PHJHJ\H] P&N GpV& NDSFVROiVQDN D MHOOHP]LW $ vizsgálathoz töltse be a BG_6,CIR állományt. A vizsgálat feladatai és V]HPSRQWMDLD]HO]YHOD]RQRVDN 2.7.2 Indítható és leállítható óragenerátor vizsgálata $] HO] NDSFVROiV HJ\V]HU& WRYiEEIHMOHV]WpVH DPLNRU QHP LQYHUWHUW KDQHP HJ\ OHJDOiEE NpW EHPHQHW& KLV]WHUp]LVHV iwylwhol I JJYpQ\& NDSXWpStW QNEHD]HO]PHJROGiVLQYHUWHUpQHNKHO\pUH 7 OWVH EH D %9B&,5 ioorpiq\w iootwvd ioodqgy + puwpn&uh D 9 JHQHUiWRU MHOpW KDWiUR]]D PHJ D] yudmho MHOOHP]LW ÈOOtWVRQ EH D 9 JHQHUiWRURQPHJIHOHOLGtWyMHOHWpVLVPpWHOMHPHJDYL]VJiODWRW 29