LABORATORIUM UKŁADÓW ELEKTRONICZNYCH

Ćwiczenie 8

GENERATORY ZEGAROWE

Ćwiczenie 8 /wkładki DM241A, DM241B, DM241C/

GENERATORY ZEGAROWE

1. WSTĘP

Tematem ćwiczenia są podstawowe generatory przebiegów zegarowych, stosowane w układach i systemach cyfrowych. Ćwiczenie polega na obserwacji i pomiarach stałości częstotliwości sześciu różnych układów generatorów. Czynnikiem destabilizującym częstotliwość są zmiany napięcia zasilania układów. W pierwszej części ćwiczenia badane są trzy generatory, zbudowane z linearyzowanych bramek logicznych. Mierzone są parametry generatora wykonanego w technologii CMOS oraz TTL z dwoma rodzajami sprzężenia zwrotnego.

W drugiej części ćwiczenia badaniu podlega układ generatora z linearyzowanych bramek NAND z możliwością dołączenia rezonatora kwarcowego. W trzeciej części ćwiczenia układami badanymi są dwa generatory typu integrator- przerzutnik.

Celem ćwiczenia jest eksperymentalne porównanie właściwości różnych układów generatorów przebiegów zegarowych, stosowanych w układach cyfrowych.

2. OPIS TECHNICZNY UKŁADÓW BADANYCH

8.2.1.Układy generatorów z linearyzowanych bramek

Logicznych /wkł. DM241A/

Wkładka DM241A zawiera trzy niezależne układy generatorów, przedstawionych na rys. 8.1:

1. generator zbudowany z linearyzowanych bramek CMOS,

2. generator zbudowany z linearyzowanych bramek TTL pracujących w układzie wzmacniacza z dodatnim sprzężeniem zwrotnym,

3. generator zbudowany z linearyzowanych bramek TTL z podwójnym sprzężeniem zwrotnym.

Na płytce drukowanej znajdują się zaciski przeznaczone do monitorowania elementów projektowanych przed lub dobieranych w trakcie ćwiczenia. Dla układów z rys. 8.1. a i b są to odpowiednio:

-rezystory linearyzujące R₁ i R₂

-kondensatory sprzęgające C₁ i C₂

Dla układu generatora z podwójnym sprzężeniem zwrotnym /rys. 8.1.c/ są to rezystory linearyzujące R₃, R₄ i kondensator sprzęgający C₃.

Rys.8.1. Schemat układów wkładki DM241A

Rys.8.2 Schemat układów wkładki DM241B

Ponadto na płytce drukowanej umieszczony jest przełącznik suwakowy, służący do przełączania napięć zasilających wszystkie układy. Napięcia te wynoszą odpowiednio +5V i +5,7V. Wyjścia generatorów dołączone są do gniazd na płycie czołowej oznaczonych symbolami: „1”, „2”, i „3”. Rozmieszczenie elementów i zacisków na płytce drukowanej DM341A przedstawia rys. 8.4.

8.2.2. Układ generatora kwarcowego /wkł. DM241B/

Wkładka DM241B zawiera układ generatora zbudowanego z 2 linearyzowanych bramek TTL - NAND. Bramki, linearyzowane niezależnymi rezystorami, są połączone w układzie wzmacniacza z dodatnim sprzężeniem zwrotnym /rys.8.2./.

Rys.8.3. Schemat układów wkładki DM241C

Na płytce drukowanej znajdują się zaciski służące do montowania elementów projektowanych przed lub dobieranych w trakcie ćwiczenia. Elementy te są następujące:

• rezystory linearyzujące R₁ i R₄,

• rezystory zwiększające rezystancję wejściową bramek R₂,R₃

• 
  kondensator filtrujący C₁,

• kondensatory sprzęgające C₂ i C₃.

Rys.8.4. Rozmieszczenie elementów i zacisków montażowych

Na wkładce DM241A

Na płytce drukowanej wkładki DM241B umieszczone są również dwa przełączniki hebelkowe. Jeden z nich służy do zastąpienia kondensatora sprzęgającego C₂ kwarcem sprzęgającym Q₁, o częstotliwości rezonansowej 1MHz. Drugi przełącznik przełącza napięcia zasilające układ generatora. Napięcia te równe są odpowiednio +5V i +5,7V. Wyjście generatora doprowadzone jest do gniazda umieszczonego na płycie czołowej.

Rozmieszczenie elementów i zacisków montażowych jest przedstawione na rys. 8.5.

8.2.3. Układy generatorów typu integrator- przerzutnik

/wkł. DM241C/

Wkładka DM241C zawiera dwa układy generatorów /rys. 8.3./:

1. bramka z charakterystyką histerezową z zewnętrzną pętlą opóźnienia /74132/

2. układ generatora scalonego 555

Na płytce drukowanej wkładki DM241C znajdują się również zaciski służące do montowania elementów projektowanych przed lub dobieranych w trakcie ćwiczenia. Są to:

• rezystor R₁ i kondensator C₁ realizujące pętle opóźnienia dla bramki z wejściem Schmitta,

• zewnętrzne elementy R₂, R₃ i C₂, C₃ generatora 555.

Ponadto na płytce umieszczony jest przełącznik suwakowy, służący do przełączania napięć +5V i +5,7V zasilających układy generatorów. Wyjścia generatorów dołączone są do gniazd na płycie czołowej oznaczonych odpowiednio symbolami :132” i „555”. Rozmieszczenie elementów i zacisków montażowych jest przedstawione na rys. 8.6.

Rys.8.5. Rozmieszczenie elementów i zacisków montażowych

na wkładce DM241B

1. WYKAZ APARATURY POMOCNICZEJ

Do wykonania ćwiczenia używane są wyłącznie wkładki badane D.

2. ZAGADNIENIA WSTĘPNE I PROJEKTOWE

1. Opracować i narysować w protokóle schematy pomiarowe do wszystkich eksperymentów omawianych w p. 8.5.

2. Wybrać z tabeli wartości rezystorów R₁, R₂, R₃, R₄, dla układów z rys. 8.1. /wkł. DM241A/. Obliczyć wartości kondensatorów C₁, C₂, C₃ dla częstotliwości 100kHz przy napięciu zasilania 5V.

R1	R2	R3=R4
1M, 500k, 100k	220, 430, 1k	240, 560, 760k

3. Zaprojektować układ i obliczyć wartości elementów

generatora ze sprzężeniem pojemnościowym oraz generatora kwarcowego, umieszczonego na wkładce DM241B /rys.8.2./. Częstotliwość generacji przyjąć równą 1MHz, napięcie zasilania +5V, R₁ = R₄=270

4. Obliczyć wartości elementów R₁, C₁, oraz R₂, R₃, C₂, C₃ generatorów z rys. 8.3. /wkł. DM241C/ dla częstotliwości 500kHz.

Rys.8.6. Rozmieszczenie elementów i zacisków montażowych

na wkładce DM241C

1. OBSERWACJE I POMIARY

8.5.1. Badanie wrażliwości częstotliwości

Zamontować we wkładce DM241A elementy obliczone w p.8.4.2. Sprawdzić, czy generowana częstotliwość równa jest 100kHz (+\- 10/ w razie potrzeby dobrać właściwe wartości kondensatorów. Zmierzyć generowaną częstotliwość przy napięciu zasilania +5V i +5,7V. Obliczyć współczynnik względnej zmiany częstotliwości. Na oscyloskopie zaobserwować i zmierzyć współczynnik wypełnienia generowanych przebiegów. Zamontować w układach generatorów około dwukrotnie mniejszą wartość pojemności i powtórzyć pomiary, zachowując wartości pojemności dobranej wg p.8.4.2. zamontować rezystory o około dwukrotnie mniejszej wartości. Powtórzyć pomiary.

Zagadnienia:

1. wyjaśnić ewentualną różnicę pomiędzy pojemnościami obliczonymi i dobranymi,

2. na podstawie uzyskanych wyników pomiarów oszacować wpływ pojemności sprzęgających i rezystorów linearyzujących na wrażliwość częstotliwości na zmiany napięcia zasilania,

3. uzasadnić otrzymane wartości współczynnika wypełnienia

8.5.2. Badanie generatora kwarcowego

Zamontować we wkładce DM241B elementy obliczone w p.8.4.3. dla generatora ze sprzężeniem pojemnościowym. Sprawdzić, czy generowana częstotliwość równa jest 1MHz (+\-10). W razie potrzeby dobrać właściwe wartości elementów. Zmierzyć częstotliwość i obliczyć wartość współczynnika względnych zmian częstotliwości przy zmianie napięcia zasilania z 5V na5,7V.

Zmierzyć częstotliwość i obliczyć współczynnik względnych zmian częstotliwości dla generatora kwarcowego.

Zagadnienia:

1. wyjaśnić ewentualne różnice między elementami obliczonymi i dobranymi,

2. uzasadnić otrzymane wartości współczynników zmian częstotliwości.

8.5.3. Pomiary stałości częstotliwości generatorów z pętlą

opóźnienia

We wkładce DM241C zamontować elementy obliczone wg p.8.4.4., w razie potrzeby skorygować ich wartości i obliczyć współczynniki względnych zmian częstotliwości przy zmianach zasilania z 5V na 5,7V. Zaobserwować na oscyloskopie i zmierzyć współczynniki wypełnienia otrzymanych przebiegów.

---