MĚŘENÍ HRADLA 1. ZADÁNÍ: 2. POPIS MĚŘENÉHO PŘEDMĚTU: 3. TEORETICKÝ ROZBOR. Poslední změna

Transkript

1 MĚŘENÍ HRADLA Poslední změna ZADÁNÍ: a) Vykompenzujte sondy potřebné pro připojení k osciloskopu b) Odpojte vstupy hradla 1 na přípravku a nastavte potřebný vstupní signál (Umax, Umin, offset, f, tvar) a následně zapojte dvouvstupové hradlo NAND jako hradlo NOT, které budete následně měřit. c) Změřte pro hradlo 1 rozsah vstupního napětí, při kterém dochází k zakmitání (zakázaná oblast) výstupu hradla. Porovnejte s katalogovými údaji a vyznačte hodnoty logických úrovní vstupního a výstupního signálu, při nichž dochází k zakmitání, na oscilogramu. d) Změřte zpoždění hradla 2 pro náběžnou i sestupnou hranu a základní parametry výstupního signálu. Naměřené hodnoty porovnejte s katalogovými údaji. Měření proveďte pro různé nastavení odporové a kapacitní zátěže. Uložte jednotlivé zobrazené oscilogramy a vysvětlete jejich případné rozdíly. e) Změřte závislost odebíraného proudu hradla 1 (snímací rezistor 100 ) na průběhu výstupního signálu. Měření proveďte při nastavení různé velikosti zátěže (odporové a kapacitní zadané vyučujícím) a filtračního kondenzátoru napájení. Oscilogramy uložte a vysvětlete průběhy. Určete velikost proudu na dílek osciloskopu. f) Změřte závislost spotřeby obvodu na frekvenci vstupního signálu při kapacitní zátěži 100 pf a vysvětlete tuto závislost. 2. POPIS MĚŘENÉHO PŘEDMĚTU: Zapište označení měřeného hradla a z katalogu jeho základní parametry: -použitá technologie a typ logiky -napájecí napětí -úrovně vstupního a výstupního napětí pro jednotlivé logické stavy (logická nula L, logická jednička H, zakázaná oblast) 3. TEORETICKÝ ROZBOR Základní logická hradla jsou NOT, AND a OR. Vzájemným propojováním těchto hradel vznikají složitější logické obvody s různými funkcemi. Z pohledu technologie výroby mají logická hradla několik vnitřních architektur. Nejzákladnější dělení je podle technologie použitých tranzistorů na hradla s bipolární a unipolární technologií. Jestliže porovnáváme CMOS technologie s bipolární technologií TTL, tak CMOS má menší příkon, neboť její napájecí proudy jsou až o dva řády nižší. Při vyšších kmitočtech však roste spotřeba. Pracovní rychlost (rychlost překlápění hradla) je u CMOS obvykle nižší než u bipolárních obvodů a klesá s kapacitní zátěží. Proto je možné tranzistory MOS spojovat navzájem přímo především uvnitř jednoho pouzdra (IO), ale pro přenos signálu do dalších obvodů po vedeních, která představují kapacitní zátěž, je lépe použít bipolární oddělovací stupeň. Původně nejrozšířenější bipolární technologie logických obvodů TTL byla tedy kvůli vysoké spotřebě nahrazena technologií CMOS. Touto technologií se vyrábí několik řad, jedna z nich je HC. Z důvodu nižší rychlosti technologie CMOS vznikla technologie BiCMOS kombinující obě technologie.

2 Každá z použitých technologii má určitý rozsah napájecího napětí a rozsah napětí pro logické úrovně označované logická jednička H (high) a logická nula L (low). Klasická (původní) technologie TTL má tyto úrovně, stejně jako napájecí napětí, pevně definované. U technologií CMOS jsou úrovně napětí odvozované od napájecího napětí. Úrovně napájecího a vstupního napětí logických hradel pro různé technologie jsou na následujícím obrázku. Základní typy logických hradel, jejich značky a pravdivostní tabulky jsou na následujícím obrázku. V našem případě budeme měřit vlastnosti logického hradla zapojeného jako NOT neboli logická negace na přípravku zobrazeném a popsaném na následujícím obrázku.

3 a) Kompenzování sondy Abychom správně měřili s osciloskopem, je potřeba použít osciloskopickou sondu. Před vlastním měřením je potřeba připojit sondu na kalibrační obdélníkový generátor na osciloskopu a nastavit kompenzačním kondenzátorem v sondě pomocí speciálního šroubováku pravoúhlý průběh na displeji. b) Nastavení vstupního signálu V katalogu k danému hradlu je potřeba nalézt povolený rozsah napájecího napětí a v tomto rozsahu si stanovit napájecí napětí pro vaše měření. Podle volby napájecího napětí hradla a jeho konkrétní technologie je potřeba při odpojeném vstupu do hradla nastavit vhodné úrovně vstupního signálu. Při překročení minimální a maximální hodnoty napětí může dojít k poškození hradla. Až po nastavení signálu připojte tento signál na vstup hradla. Pozor: dané hradlo je potřeba nastavit tak, aby realizovalo logickou funkci NOT. c) Rozsah vstupního napětí pro jednotlivé stavy vstupu hradla Abychom mohli určit rozsah jednotlivých stavů (úrovní), musíme na vstup hradla přivést trojúhelníkový signál. Ten nám zajišťuje plynulou změnu vstupního napětí v povoleném rozsahu a my kontrolujeme stav výstupu. Protože hradlo NOT, které měříme, má jasně definován vztah mezi vstupem a výstupem, můžeme určit úrovně vstupního napětí pro stavy L a H. Zakázaný stav můžeme určit pouze na základě nevhodného chování hradla. Pokud vstupní signál nepřeběhne rozsah vstupního napětí v oblasti zakázaného stavu do určité doby, dochází následně k zakmitání na výstupu. Protože trojúhelníkový signál podmínku rychlosti přeběhu nesplňuje, dojde k zakmitání, na jehož základě můžeme stanovit zakázanou oblast (danou úroveň vstupního napětí). Měření musíme provádět na hradle č. 1, protože na vstupy ostatních hradel přípravek neumožňuje trojúhelníkový signál přivést.

4 d) Měření zpoždění hradla Zpoždění hrany se měří podobně jako šířka pulzu, tj. na úrovni 50 % mezi úrovněmi L a H. Je to zpoždění mezi hranou na vstupu a odpovídající hranou na výstupu. Měření je potřeba provádět na hradle 2, neboť průběh výstupního signálu hradla 1 standardizuje průběh signálu dané technologie na vstup hradla 2. Zpoždění hradla je silně závislé na kapacitě zátěže, neboť s výstupním odporem R hradla vzniká RC článek (integračního charakteru DP) a tím dochází ke zpomalení nabíjení této kapacity. Odporová zátěž ovlivňuje pouze velikost výstupního napětí. e) Měření průběhu odběru (proudu) hradla Odebíraný proud CMOS hradla z napájecího zdroje se mění během jeho překlápění, tedy změny výstupního napětí. Pokud se hradlo nachází v logické nule L, hradlo neodebírá téměř žádný proud, neboť tranzistory jsou řízené pouze napětím a zátěž je zkratovaná na zem GND. Při překlápění do logické jedničky H se spodní tranzistor zavírá a horní otevírá. Proud ze zdroje je tedy ovlivněn velikostí zátěže, neboť proud prochází ze zdroje přes horní otevřený tranzistor do zátěže. Odporová zátěž ovlivňuje stálý proud procházející ze zdroje přes sepnutý tranzistor do zátěže ve stavu H. Během překlápění z logické nuly L do logické jedničky H je potřeba také nabít kapacitní část zátěže. Kapacitní část byla nejprve vybitá a nyní se nabíjí. Z toho lze usuzovat, že při překlápění z L do H bude docházet k proudovým špičkám, které jsou dány součtem proudu odporové a kapacitní částí zátěže. V případě ustáleného stavu v logické jedničce H je již kapacita nabitá a tato část neovlivňuje odebíraný proud ze zdroje. Proud ovlivňuje pouze odporová zátěž. Při překlápění hradla z H do L se horní tranzistor uzavírá a spodní otevírá. Náboj uložený v kapacitě se odvádí přes tranzistor do země a není tedy ze zdroje proud odebírán. Průběh proudu je potřeba měřit pomocí osciloskopu, neboť se během změny výstupního napětí rychle mění. Proud tedy měříme nepřímo jako úbytek napětí na rezistoru připojeném do série se zdrojem. Tento odpor simuluje i delší přívody a tenčí spojen na plošném spoji mezi zdrojem a hradlem. Proto je velmi důležitá funkce tzv. blokovacího kondenzátoru (umístěného těsně u IO), který zajišťuje, že se špičkový odebíraný proud neodebírá ze zdroje, ale právě z blokovacího kondenzátoru. Výhodou je, že nedochází k úbytku napětí na přívodech a tím je zajištěno konstantní napájecí napětí. Druhou výhodou je, že nedochází k rušení okolních součástek vznikající v důsledku proměnného magnetického pole vznikajícího v napájecí smyčce. Proud měřte při zapnutém 100 rezistoru SENSE mezi svorkami Isense a zemí GND. Změnu zátěže provádíte pomocí přepínače LOAD R a LOAD C. Filtrační (blokovací) kondenzátor na napájení se přepíná přepínačem FILTR. f) Měření spotřeby (odběr proudu) hradla v závislosti na frekvenci V okamžiku překlápění hradla z logické nuly L do logické jedničky H dochází při odběru k proudovým špičkám (nabíjení kapacitní zátěže) a po dobu logické jedničky H je odběr konstantní (dán odporem zátěže). Čím častěji dochází k překlápění (čím vyšší je frekvence), tím častěji se opakují proudové špičky a tím roste lineárně odběr hradla. Měření je potřeba provádět pomocí A-metru s integračním měřením zapojeného do série s napájením. Měření je lepší provádět při zapojeném blokovacím kondenzátoru, který vyhlazuje proudové špičky. 4. SEZNAM PŘÍSTROJŮ a) Osciloskopické sondy 1:10 stejného typu (stejná délka přívodů pro měření zpoždění).

5 b) Pro měření použijte digitální osciloskop RIGOL VS5202 s připojením na PC pomocí USB. Obecně: osciloskop pro tuto úlohu musí být digitální s co nejvyšší mezní frekvencí a pokud možno s automatickým měřením parametrů pulzu. c) Jako generátor použijte funkční generátor např. HP Funkční generátor musí mít možnost nastavení maximální a minimální hodnoty napětí pro obdélníkový a trojúhelníkový průběh. d) Pro měření proudu hradlem (jeho odběr) použijte multimetr Agilent 34410A. Obecně je potřeba přesný multimetr s rozsahem jednotky µa, vysokým frekvenčním rozsahem a integrační technologii měření. e) Jako napájecí zdroj nepoužívejte z důvodu rušení spínaný zdroj. 5. POSTUP MĚŘENÍ: 6. TABULKY A ZPRACOVÁNÍ NAMĚŘENÝCH DAT: 7. GRAFY a OSCILOGRAMY: 8. ZHODNOCENÍ: Porovnejte naměřené hodnoty s katalogovými a okomentujte naměřené průběhy. Literatura: