SLO - NAVODILO ZA NAMESTITEV IN UPORABO Št. izd. : 192297 www.conrad.si POSEBNI UČNI KOMPLET ZA DIGITALNO ELEKTRONIKO Št.
KAZALO 1 UVOD..........................................................................................................................................3 1.1 Preizkusna ploščica............................................................................................................4 1.2 Baterija................................................................................................................................5 1.3 Svetilne diode.................................................................
1 UVOD Digitalna elektronika je podlaga moderne računalniške tehnike. »Digitalno« pomeni, da obstajajo samo jasna stanja vklopa ali izklopa v vezju in ne vmesne stopnje, kot je polovica ali tri četrtine, kot to poznamo v analogni elektroniki. Na prvi pogled imamo torej manj možnosti. Pri istočasni uporabi veliko digitalnih napeljav, obstaja skupaj zelo veliko stanj. Vsako stanje označujemo kot bit. 8 bitni sistem lahko istočasno prikazuje 256 stanj, 16 bitni sistem že 65.636 (= 2 na 16) stanj.
1.1 Preizkusna ploščica Vsi poskusi bodo narejeni na preizkusni ploščici. Stično polje s skupno 270 kontakti v 2,54 mm rasterju skrbi za varne povezave elementov. Slika 1: Preizkusna ploščica Preizkusna ploščica ima v srednjem območju 230 kontaktov, ki so skozi vertikalne proge s 5 kontakti prevodno povezani. Dodatno je na robu 40 kontaktov za napajanje, ki so sestavljeni iz dveh vodoravnih kontaktnih vzmeti z 20 kontakti. Stično polje s tem razpolaga z dvema neodvisnima oskrbovalnima zbiralkama.
1.2 Baterija Sledeč pregled prikazuje gradbene dele v realnem videzu in kot simbole vezave, kot bodo uporabljeni na vezalnih načrtih. Namesto baterije lahko uporabite tudi npr. napajalnik. Slika 3: baterija in njen simbol vezave Ne uporabite alkalnih baterij in akumulatorjev, temveč uporabite samo preproste cinkovo-ogljikove baterije. Alkalna baterija sicer nakazuje na daljšo življenjsko dobo, vendar pa v primeru napake, npr.
1.4 Upori Upori v učnem kompletu so ogljikovi upori s tolerancami ±5%. Uporovni material je nanesen na keramično palico in prevlečen z zaščitno plastjo. Označitev sledi v obliki barvnih obročev. Poleg vrednosti upora je naveden tudi razred natančnosti. Slika 5: upor Upornosti s toleranco ±5% so v vrednostih vrste E24, pri čemer je vsaka dekada 24 vrednosti enakomerno oddaljena od sosednje vrednosti.
1.5 Kondenzatorji Kondenzator je sestavljen iz dveh kovinskih ploskev in ene izolacijske plasti. Pri prisotnosti električne napetosti se med ploščama kondenzatorja naredi električno polje sil, v katerem je shranjena energija. Kapaciteta kondenzatorja je merjena v Faradih (F). Izolirni material poveča kapaciteto v primerjavi z zračno izolacijo. Keramični ploščati kondenzatorji imajo poseben keramičen material, z katerim so desežene večje kapacitete pri majhni obliki izdelave.
1.7 4 NAND vrata 4011 Integrirano vezje (9) vsebuje veliko elementov v enem ohišju. Pri 4011 gre za CMOS IC s štirimi NAND vrati. IC je dobro zaščiten pred elektrostatičnimi izpraznitvami in z njim ni potrebno zelo previdno ravnati. Pazite na to, da bo obratovalna napetost pravilno priključena. Če boste IC napačno vgradili, se močno segreje in bo uničen. Pri prvi vstavitvi v preizkusno ploščico mora biti 14 priključnih nogic vzporedno poravnanih. Slika 8: CMOS IC 4011 1.
2 PRETVORNIK CMOS IC 4011 vsebuje štiri neodvisna NAND vrata s po dvema vhodoma. Prvi poskus prikazuje uporabo IC-ja na 9V obratovalni napetosti in priključitvi LED. Pri vgradnji morate nujno paziti na pravilno polarnost. Plus priključek je označen tudi kot Vcc, minus priključek kot GND. Pri vseh CMOS IC-jih je potrebno upoštevati, da bodo neuporabljeni vhodi dani ali na Vcc ali na GND. Odprti vhodi lahko vodijo k povečani porabi toka in k nepravilnim delovanjem vezja. Odprti izhodi pa so dovoljeni.
Vezje uporablja samo dve izmed štirih NAND vrat (NAND 1 in NAND 4). Oba vhoda sta vsakokrat povezana. S tem bodo NAND vrata postala pretvornik. Na izhodu je vsakokrat priključena ena LED z njenim pred uporom. Pri tem poskusu leva LED sveti, desna pa ostane izklopljena. Slika 12: NAND vrata kot pretvornik Delovanje vezja je lahko prikazano s tako imenovano tabelo verjetnosti. Pri spodnjih vratih (NAND 1) leži vhod na GND (0), izhod je zaradi tega vklopljen (1).
3 STIKALO NA DOTIK Ta poskus uporablja vrata kot pretvornik z odprtim vhodom. Vhod prejme 100KΩ zaščitno upornost in se ga lahko dotaknemo s prstom. Če ste močno naelektreni, zaščitna upornost omeji tok izpraznitve. Stanje izhoda tega vezja ne more biti napovedano vnaprej, ker je vhod zelo visoko ohmski in lahko nosi naključno polnjenje. Če vhodna napetost leži bistveno nad polovično obratovalno napetostjo (4,5V), velja stanje kot 1, bistveno pod tem kot 0.
Slika 14: Izdelava z kontaktom dotika 4 OSNOVNO DELOVANJE NAND V tem poskusu bo preiskano dejansko delovanje NAND pretvornika. Pri tem gre za IN funkcijo s sledečim pretvarjanjem. Za funkcijo IN (AND) velja: Samo ko sta vhod 1 IN vhod 2 vklopljena, je tudi izhod vklopljen. Ustrezno velja za funkcijo NAND: Samo ko sta vhod 1 IN vhod 2 vklopljena, je tudi izhod izklopljen. To prikazuje tudi tabela verjetnosti NAND vrat.
Slika 16: Stikalo na vhodih Slika 17: Izdelava stikal 13
5 AND VRATA S sledečim pretvornikom lahko iz NAND vrat nastane AND vezje. Tokrat se pravilo glasi: LED se vklopi samo, ko sta obe stikali zaprti.
6 OR VEZJE Če bosta najprej pretvorjena oba vhoda NAND vrat, nastanejo OR vrata. Funkcija ALI (OR) se glasi: Ko je vhod 1 ALI vhod 2 ALI oba vklopljena, je izhod vklopljen.
7 NOR VEZJE Nadaljnji pretvornik zadaj za OR vrati naredi funkcijo NE-ALI (NOR). Za nastanek NOR vrat, bodo potrebna vsa štiri NAND vrata 4011.
8 RS FLIPFLOP Flipflop je vezje, ki lahko samodejno obdrži enega izmed dveh stanj. Digitalno stanje je lahko torej shranjeno. Z določenimi stanji vhoda je lahko izhod preklopljen. RS flipflop ima dva vhoda, Reset (R) in Set (S). V stanju mirovanja sta oba vhoda nastavljena (R = 1, S = 1). Izhod nato ni določen (X) in je odvisen od zgodovine. Pri preklopu R na 0, bo izhod izklopljen. Pri preklopu S na nič pa bo vklopljen.
Slika 28: Vezalni načrt RS flipflopa Slika 29: Izdelava s stikalom R in S 18
9 UTRIPAJOČE VEZJE Z dvojnimi NAND vrati, dvema uporoma in enim kondenzatorjem je lahko narejen stabilen flipflop, ki se samodejno preklaplja sem ter tja. Kot pri RS flipflopu bo tukaj nastalo povratno delovanje. Stanje pa je vsakokrat stabilno samo tako dolgo, kot bo kondenzator polnjen. Nato preklopi stanje izhoda. V ozkem pomeni to ni digitalno vezje, ker se vhodna napetost levih vrat postopoma spreminja. V končnem efektu pa na izhodu nastane digitalen signal, ki se periodično preklaplja.
Slika 32: Izdelava izmenične utripalke 10 DVOJNA UTRIPALKA S štirimi vrati sta lahko istočasno narejeni dve neodvisni utripajoči vezji. Teoretično naj bi delovali z isto frekvenco. Vendar pa praktično tolerance elementov vodijo k temu, da obe vezji ne delujeta točno sinhrono. Če se boste s prstom dotaknili enega izmed kondenzatorjev, vodi rahlo segretje k majhnem zmanjšanju kapacitete. Ustrezna utripalka utripa nato nekoliko hitreje.
Slika 34: Neodvisen takt utripanja 11 SPREMENLJIVA FREKVENCA Frekvenco obeh utripalk se lahko spreminja v širokih mejah, ko bo zunanji upor vzporedno vezan k 2,2MΩ uporu v vezju. Tukaj bo uporabljena upornost kože. Rahel dotik obeh koncev žic vodi k povečanju frekvence. Z oscilatorji se lahko primerjajo upornosti kože dveh oseb.
Slika 36: Izdelava z kontakti prstov 12 DELILNIK FREKVENCE CMOS IC 4027 vsebuje dva neodvisna JK flipflopa. JK flipflop je relativno kompleksno in vsestransko uporabljivo vezje. Pri prvem poskusu bo IC uporabljen kot Toggle flipflop. Vhoda R in S morata biti za to položena na GND, vhoda J in K na Vcc. »Toggle« pomeni preklop. Stanje izhoda se spremeni pri vsakem preklopu stanja 0-1 na vhodu takta (Clock, C), torej pri vsakem pozitivnem boku takta.
Slika 38: Uporaba Toggle flipflopa S tem poskusom bo na LED pri prikazan tako signal takta kot tudi izhodni signal flipflopa. Jasno vidimo, da se stanje izhoda spremeni samo pol tako hitro kot signal takta.
13 DELILNIK S ŠTIRI Dva preklopna (Toggle) flipflopa sta lahko zaporedno vezana. Izhod Q prvega flipflopa krmili vhod C drugega flipflopa. Skupaj bo pri tem vhodna frekvenca deljena s štiri. Slika 40: Dva delilnika zaporedoma Takt 0 1 0 1 0 1 0 1 0 Izhod 2 0 1 1 1 1 0 0 0 0 Izhod 1 0 1 1 0 0 1 1 0 0 Stanje števca 0 3 3 2 2 1 1 0 0 Obenem je lahko vezje gledano tudi kot števec, če stanja izhoda upoštevamo kot bite digitalnega števila. Stanje na izhodu 1 mora biti nato na desni poziciji.
Slika 42: Izdelava binarnega števca To vezje iz zaporedno vezanih flipflopov je označeno tudi kot sinhroni števec ali Ripple Counter. Vsakokratna naslednja stopnja se preklopi šele z zakasnitvijo nekaj nano sekund, kar pa za oko ni vidno.
14 STOP AND GO Namesto 10kΩ upora vstavite dve žici z odprtimi konci. Upor Rx bo nato narejen npr. z dotikom. Signal takta vklopite in izklopite z dotikom s prstom. S tem lahko števec zaženete in ustavite. Izhode poskuse ustaviti točno pri stanju 1. Nadaljnja možnost je, da se dotaknete samo vhoda takta. Pri tem bo večina kot takt učinkovit 50Hz brneč signal. Ta frekvenca bo skupaj deljena s 4. zadnji izhod miglja z 12,5 Hz dobro vidno. To vezje je lahko uporabljeno kot naključni generator, kot kocka.
15 NASTAVITEV IN POVRNITEV Vhodi R in S so lahko uporabljeni kot pri flipflopu. Tukaj bodo upravljani z dvema stikaloma. Dodatno so vhodi opremljeni z upori proti GND, ki določijo nivo mirovanja ničlo. Prva stopnja štetja je lahko poljubno izbrisana (R) ali nastavljena (S). Dokler bo eno izmed stikal pritisnjeno, ostane števec v ustreznem stanju. S tem se tudi več ne spremeni stanje druge stopnje štetja. Generator takta je bil v tem vezju nadgrajen za nadaljnjo stopnjo v obliki pretvornika z NAND 3.
16 JK FLIPFLOP Vhodi J in K dajo JK flipflopu njegovo ime. Sedaj bodo natančneje preiskani. Za to povežite oba stikala s pripadajočimi upori z vhodi J in K zgornjega flipflopa. S prisotnim taktom so lahko sedaj preverjena vsa stanja J in K. Delovanje je znano že iz predhodnih poskusov: Z J = 1 in K = 1 se preklopi izhod pri vsakem pozitivnem boku takta. Sedaj preverite tudi druga stanja. Z J = 0 in K = 0 obdrži izhod Q njegovo stanje, flipflop torej ne reagira na impulze takta.
Slika 49: Stikalo na J in K 17 POMIČNI REGISTER Pomični register potisne stanja vhoda z vsakim impulzom takta za eno stopnjo naprej. S 4027 sta lahko narejeni dve stopnji. Signal takta bo sedaj vzporedno položen na oba Clock vhoda. Na vhodu imamo spet dve stikali na J in K. Odločilna je povezava k naslednji stopnji. Q vodi na J in / Q na K. Pri pozitivnem boku takta prvi flipflop prevzame neenaka stanja na J in K.
Slika 51: Testno vezje za pomični register Slika 52: Poizkus izdelave pomičnega registra 30
18 FAZNI PREMIK 90 STOPINJ Signale izhoda dvostopenjskega pomičnega registra dovedite nazaj na vhod. Pri tem pa zamenjajte J in K. Rezultat je, da prvi flipflop vsakokrat sprejme obrnjeno stanje drugega flipflopa. Drugi sledi prvem kot do sedaj z zakasnitvijo enega takta. V končnem rezultatu se sedaj oba izhoda vsakokrat izmenično preklopita. Nastaneta dva simetrična pravokotna signala z četrtino frekvence takta in z časovno zakasnitvijo enega takta.
Slika 55: Izdelava poskusa za fazni premik Vezje spremenite tako, da pri povratnem delovanju J in K ne bo zamenjan. Rezultat je negotov, ker je odvisen od stanja flipflopa po vklopu. Možno je, da oba izhoda stalno ostaneta vklopljena ali izklopljena ali pa da se preklapljata proti fazno.
19 BIT DEKODER Pri prejšnjem poskusu sta obe LED svetili za dva takta. Sedaj bodo posamezne faze preklopa dekodirane in prikazane. To uspe tako, da vežete dve nadaljnji LED z pred uporom med izhodi obeh flipflopov. Obe levi LED svetita samo, ko imata oba Q izhoda ravno neenako stanje. Ker sta vzporedno vezana, nastanejo izmenične faze svetenja.
20 ENA OD ŠTIRIH Da vedno vsakokrat sveti samo ena od štirih LED, je potrebno obe LED desno na vezalnem načrtu na isti način vezati med oba flipflopa. Da sta lahko obe preostali fazi preklopa dekodirani, bo sedaj pri spodnjem flipflopu uporabljen preklopljen izhod / Q.
21 SINHRONI ŠTEVEC Večstopenjski sinhroni števec načeloma posreduje iste rezultate kot večstopenjski Ripple števec. Razlika je, da bodo izhodi sedaj preklopljeni točno ob istem času. Za to morajo vse stopnje delovati z istim taktom. Signal takta bo položen vzporedno na vse C vhode flipflopa. Flipflop pri tem ne more počakati na rezultat prejšnje stopnje, temveč mora že prej vedeti, če se naj pri naslednjem taktu preklopi. Izhod Q povežemo z J in K sledeče stopnje.
Slika 62: Utripanje v krogu 36
Conrad Electronic d.o.o. k.d. Ljubljanska c. 66, 1290 Grosuplje Fax: 01/78 11 250, Tel: 01/78 11 248 www.conrad.si, info@conrad.si GARANCIJSKI LIST Izdelek: Posebni učni komplet za digitalno elektroniko Kat. št.: 192297 Garancijska Izjava: Proizvajalec jamči za kakovost oziroma brezhibno delovanje v garancijskem roku, ki začne teči z izročitvijo blaga potrošniku. Garancija velja na območju Republike Slovenije. Garancija za izdelek je 1 leto.
