Politechnika Białostocka

Wydział Elektryczny

Katedra Automatyki i Elektroniki

Instrukcja

do

ć

wicze

ń

laboratoryjnych z przedmiotu:

ELEKTRONIKA ENS1C300 022

UKŁADY CZASOWE

Białystok 2013

1. Cele

ć

wiczenia

Celem

ć

wiczenia jest badanie układów odmierzaj

ą

cych czas oraz generuj

ą

cych

przebiegi dwustanowe .

Działanie wi

ę

kszo

ś

ci tych układów oparte jest na procesie ładowania lub

rozładowania

kondensatora

lub

wykorzystaniu

drga

ń

rezonatora

kwarcowego.

W niektórych zastosowaniach wa

ż

na jest dokładno

ść

odmierzanego czasu. Uzyskanie

długich czasów (godziny, doby) na bazie pojedynczego procesu ładowania kondensatora
jest niemo

ż

liwe (dlaczego? - przeprowadzi

ć

analiz

ę

). W tych przypadkach stosuje si

ę

układy licznikowe, zawieraj

ą

ce generator impulsów o stosunkowo du

ż

ej cz

ę

stotliwo

ś

ci

i liczniki dziel

ą

ce t

ą

cz

ę

stotliwo

ść

. Układy licznikowe umo

ż

liwiaj

ą

odmierzanie długich

czasów z wysok

ą

dokładno

ś

ci

ą

(baz

ą

mo

ż

e by

ć

rezonator kwarcowy).

Przedmiotem badania b

ę

d

ą

układy: czasowy 555 oraz licznikowy 4541.

Szczegółowy zakres bada

ń

okre

ś

la prowadz

ą

cy

ć

wiczenie.

2. Zadanie do przygotowania w domu

Przed przyst

ą

pieniem do

ć

wiczenia nale

ż

y odszuka

ć

w literaturze lub przypomnie

ć

z wykładów budow

ę

oraz zasady działania układów 555 i 4541.

Nale

ż

y zapozna

ć

si

ę

z danymi katalogowymi tych układów i funkcj

ą

wyprowadze

ń

.

Dane katalogowe zał

ą

czone s

ą

w postaci plików PDF, doł

ą

czonych do instrukcji.

2.1 Układ czasowy 555

Układ 555 przeznaczony jest do wytworzenia pojedynczego impulsu (od mikrosekund

do kilkunastu minut) lub generacji impulsów prostok

ą

tnych (od 1 MHz do 0.01Hz).

Oprócz podstawowych zastosowa

ń

cz

ę

sto wykorzystywany jest do ró

ż

nych nietypowych i

ciekawych funkcji (przetwornik napi

ę

cie - cz

ę

stotliwo

ść

, pomiar pojemno

ś

ci itp.). Wyszukaj

w Internecie informacje na ten temat.

Na zał

ą

czonym wyci

ą

gu z danych katalogowych (rys.1) przedstawione s

ą

typowe

zastosowania układu 555: przerzutnik astabilny i przerzutnik monostabilny.

Układ 555 zawiera dwa komparatory: dolny generuj

ą

cy sygnał „set” (wł

ą

cz), gdy

napi

ę

cie na jego wej

ś

ciu spada poni

ż

ej 1/3 Uzas i górny generuj

ą

cy sygnał „reset”

(kasuj) gdy napi

ę

cie na jego wej

ś

ciu przekroczy 2/3 Uzas . Sygnały te wł

ą

czaj

ą

i wył

ą

czaj

ą

przerzutnik R-S. Stan przerzutnika, poprzez bufor (układ zwi

ę

kszaj

ą

cy

obci

ąż

alno

ść

pr

ą

dow

ą

do ok. 100mA), jest przekazywany na wyj

ś

cie układu.

W stanie „reset” przerzutnika do bazy tranzystora rozładowuj

ą

cego wpływa pr

ą

d

i wprowadza go w stan nasycenia (kolektor jest praktycznie zwarty z mas

ą

).

Aby układ wytwarzał pojedynczy impuls wykorzystujemy ładowanie kondensatora

przez opornik, kontroluj

ą

c napi

ę

cie na kondensatorze (do kondensatora podł

ą

czone jest

wej

ś

cie górnego komparatora „reset”). Do kondensatora podł

ą

czony jest tak

ż

e tranzystor

rozładowuj

ą

cy kondensator. Wej

ś

cie komparatora „set” poprzez rezystor podci

ą

gaj

ą

cy

podł

ą

czone jest do +Uzas. Aby rozpocz

ąć

prac

ę

nale

ż

y na chwil

ę

obni

ż

y

ć

potencjał na

tym wej

ś

ciu poni

ż

ej 1/3 Uzas co spowoduje stan „set” i zablokowanie tranzystora

rozładowuj

ą

cego i pozwoli na ładowanie kondensatora. Proces b

ę

dzie trwał do czasu a

ż

napi

ę

cie na kondensatorze osi

ą

gnie poziom 2/3 Uzas i pojawi si

ę

„reset” na wyj

ś

ciu

górnego komparatora.

Analiza działania w trybie generatora impulsów jest podobna i

ć

wicz

ą

cy

przeprowadz

ą

j

ą

samodzielnie.

2.2 Układ 4541

Układ zawiera wewn

ę

trzny generator impulsów o cz

ę

stotliwo

ś

ci zale

ż

nej od

podł

ą

czonych do wyprowadze

ń

1,2,3 rezystorów i kondensatora (patrz dane katalogowe).

Cz

ę

stotliwo

ść

jest dzielona przez wewn

ę

trzne liczniki binarne na 256, a nast

ę

pnie,

w zale

ż

no

ś

ci od stanu na wej

ś

ciach programuj

ą

cych A (12) i B(13), dodatkowo przez 1, 4,

32 lub 256 co daje stopie

ń

podziału 256, 1024, 8192, 65536. Po zliczeniu zadanej ilo

ś

ci

impulsów kasowany jest (ustawiany po wł

ą

czeniu zasilania) przerzutnik R-S ko

ń

cz

ą

c

odmierzanie czasu.

Wej

ś

cie SELECT Q/Q (9) odwraca polaryzacj

ę

sygnału na wyj

ś

ciu (1 lub 0).

W zale

ż

no

ś

ci od stanu na wej

ś

ciu MODE (10) po zako

ń

czeniu zliczania przerzutnik

jest na stałe kasowany (MODE=0) lub przepuszcza sygnały z licznika powtarzaj

ą

c cykle

(MODE=1).

Je

ż

eli na wej

ś

ciu AUTO RESET (5) jest podane 0 (poł

ą

czenie wyprowadzenia

z mas

ą

) po zał

ą

czeniu zasilania nast

ę

puje 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 urz

ą

dzeniach steruj

ą

cych

maszyn jako przeka

ź

niki czasowe lub tak zwane czasówki, których działanie rozpoczyna

si

ę

po podaniu zasilania).

3. Przebieg

ć

wiczenia

3.1 Badanie układu 555
Wstawi

ć

układ 555 w przygotowan

ą

podstawk

ę

.

Poda

ć

na oba (zwarte ze sob

ą

) wej

ś

cia komparatorów (2,6) napi

ę

cie z potencjometru

regulacyjnego . Zdj

ąć

charakterystyk

ę

STAN = f (U) (STAN mo

ż

e przyjmowa

ć

warto

ś

ci

„1” lub „0”).
Sprawdzi

ć

działanie wej

ś

cia RESET (4).

Poł

ą

czy

ć

układ do pracy astabilnej dobieraj

ą

c kondensator i rezystory Ra i Rb aby

uzyska

ć

zadan

ą

przez prowadz

ą

cego cz

ę

stotliwo

ść

.

Po uruchomieniu układu okre

ś

lamy parametry generowanego sygnału: cz

ę

stotliwo

ść

,

współczynnik wypełnienia impulsów, poziom niski, poziom wysoki.

3.2 Zastosowanie 555 jako czujnika pojemno

ś

ciowego

Jako kondensator zadaj

ą

cy czas stosujemy kondensator ok. 20pF i mał

ą

płytk

ę

z

laminatu. Zbli

ż

aj

ą

c i oddalaj

ą

c r

ę

k

ę

obserwujemy zmiany cz

ę

stotliwo

ś

ci.

3.3 Badanie układu 555 jako uniwibratora
W przygotowan

ą

podstawk

ę

wstawiamy układ 555 i tworzymy konfiguracj

ę

uniwibratora,

podł

ą

czaj

ą

c rezystor i kondensator dobrane tak aby uzyska

ć

zadan

ą

przez prowadz

ą

cego

długo

ść

impulsu.

Zademonstrowa

ć

działanie układu za pomoc

ą

oscyloskopu lub za pomoc

ą

doł

ą

czonej do wyj

ś

cia układu diody LED (w przypadku wystarczaj

ą

co długich czasów

trwania impulsu).

3.4.Badanie układu 4541
Do wej

ść

oscylatora podł

ą

czamy R

T

C

T

dobrane tak, aby uzyska

ć

cz

ę

stotliwo

ść

około

2 kHz. Wstawiamy układ w podstawk

ę

i sprawdzamy działanie, obserwuj

ą

c przebiegi na

ko

ń

cówkach oscylatora.

Podaj

ą

c na odpowiednie wej

ś

cia stany logiczne „0” lub „1” obserwujemy działanie układu.

Wnioski z obserwacji nale

ż

y zamie

ś

ci

ć

w tabeli.

3.5. Prezentacja i analiza wyników bada

ń

.

Na podstawie przeprowadzony bada

ń

i pomiarów nale

ż

y opracowa

ć

wnioski i uwagi, jakie

nasun

ę

ły si

ę

podczas wykonywania

ć

wiczenia .

4. Wymagania BHP

Warunkiem przyst

ą

pienia do

ć

wiczenia jest zapoznanie si

ę

z instrukcj

ą

BHP

stosowan

ą

w Laboratorium i przepisami porz

ą

dkowymi . Instrukcje te powinny by

ć

podane

studentom podczas pierwszych zaj

ęć

laboratoryjnych i dost

ę

pne do wgl

ą

du w

Laboratorium.

Pracownia

powinna

odpowiada

ć

ogólnym

wymaganiom

BHP

przewidzianym dla laboratorium .

5. Sprawozdanie studenckie

Sprawozdanie z

ć

wiczenia powinno zawiera

ć

:

•

stron

ę

tytułow

ą

zgodnie z obowi

ą

zuj

ą

cym wzorem;

•

cel i zakres

ć

wiczenia;

•

schemat zaprojektowanego układu pomiarowego z obliczeniami elementów

•

projekt płytki drukowanej lub schemat monta

ż

owy

•

opis przebiegu

ć

wiczenia z wyszczególnieniem wykonywanych czynno

ś

ci;

•

tabele i wykresy ilustruj

ą

ce osi

ą

gni

ę

te wyniki i parametry

•

wnioski i uwagi.

Sprawozdanie powinno by

ć

wykonane i oddane na zako

ń

czenie

ć

wiczenia,

najpó

ź

niej na zaj

ę

ciach nast

ę

pnych. Sprawozdania oddane pó

ź

niej b

ę

d

ą

oceniane ni

ż

ej.

6. Literatura

U.Tietze CH. Schenk . Układy półprzewodnikowe, WNT, 2009
S. Soclof. Zastosowania analogowych układów scalonych, WKiŁ, 1991
Dane katalogowe układów 555 i 4541 s

ą

zamieszczone na stronie internetowej KAiE.

Rys.1 Typowe zastosowania układu 555.

Rys.2 Uproszczona struktura wewn

ę

trzna układu 4541.