Laborationshandledning för mätteknik

Transkript

1 Laborationshandledning för mätteknik - digitalteknik och konstruktion TNE094 LABORATION 2 Laborant: E-post: Kommentarer från lärare: Institutionen för Teknik och Naturvetenskap Campus Norrköping, augusti 2013 Ole Pedersen 1

2 Innehållsförteckning 1. Laborationsuppgifter till andra laborationen Mätningar på pulsformad spänning Funktionskontroll av TTL-grinden Inkoppling av lysdiod på utgången Mätning av omslagsnivåer Mätning av grindfördröjningar Förberedelseuppgifter till andra laborationen 7 2

3 1. Laborationsuppgifter till andra laborationen I den här andra laborationen ska du mäta på pulsformade spänningar. I data- och digitalteknik sammanhang, är enskilda pulser eller hela pulståg (flera pulser efter varandra) den vanligaste kurvformen på signaler. Digitalteknikens ettor och nollor representeras av pulser där logiskt sant (etta), ofta motsvarar +5 V. Logiskt falskt (nolla) motsvaras då av 0 V. Det finns även andra tänkbara representationssätt för sant / falskt, dvs andra spänningsnivåer. Men vi ska använda oss av det ovan nämnda. 1.1 Mätningar på pulsformad spänning Uppgift 1: Koppla upp en signalgenerator (utgången) till ett oscilloskop (valfri ingång). Ställ in signalgeneratorn så att den visar fyrkantvåg, amplitud 1 V, ingen offset och frekvensen 100 Hz. Kurvformen på oscilloskopet bör se ut enligt figur Figur 1. Kurvformen på pulståget från signalgeneratorn. Puls och pulslucka ska vara lika stora. Tiden i sekunder på horisontell axel. Spänningen i Volt på vertikal axel. Anslut därefter en Fluke multimeter och en ABB Metrawatt multimeter parallellt med utgången från signalgeneratorn. Kopplingen ska vara identisk med den du hade under slutet av laboration 1. 3

4 Uppgift 2: Ställ in båda multimetrarna för mätning av effektivvärde (symbolen V med vågform) och anteckna resultaten. Förklara också ev. avvikelser. Uppgift 3: Ställ in multimetrarna för mätning av likriktat medelvärde (symbolen V med rakt streck) och anteckna resultaten. Förklara ev. avvikelser. Uppgift 4: Ställ om signalgeneratorn så att pulstågets offset blir 1 V, dvs pulserna ska börja vid 0 V och gå upp till 2 V (se figur 2) Figur 2. Pulståget förskjutet 1 V uppåt. 4

5 I de här läget är det bara en av multimetrarna som klarar av att visa rätt effektivvärde. Ställ in Fluke voltmetern på effektivvärde och ABB Metrawatt på sant effektivvärde (symbolen V med rakt streck och vågform). Anteckna resultaten och förklara skillnaderna. 1.2 Funktionskontroll av TTL-grinden 7400 För att bygga digital elektronik utnyttjas flera olika s.k. grindelement. Ett exempel är NAND-grinden (eller icke och på svenska). Flera grindelement av samma typ, byggs samman till en kapsel med vanligtvis 14 eller 16 anslutningsben (s.k. pinnar). Med 14 anslutningsben kan man få plats med 4 stycken NAND-grindar. Två anslutningsben (nämligen ben 7 och 14) går åt till energiförsörjningen av kapseln. Ben 7 kallas GND (ground) och ansluts till 0 V. Ben 14 kallas Vcc och ansluts till +5 V. Se figur 3. Till vänster i figuren ses sanningstabellen för grinden. Sanningstabellen visar vilka kombinationer av insignaler som ger sann respektive falsk utsignal. Till höger i figuren ses vilka anslutningsben som är anslutna till respektive grind. Vcc Figur 3. NAND-grindar i en 14-pinnars kapsel. GND 5

6 Uppgift 5: Tryck fast en kapsel med NAND-grindar på kopplingsplattan på ett sätt så att pinnarna på ena långsidan av kapseln inte får elektrisk kontakt med pinnarna på den andra långsidan. Ställ in spänningskällan på utspänningen 5V och anslut den till banankontakterna på kopplingsplattan. Anslut spänningskällan till kapseln, dvs pinnarna 7 och 14. Därefter är kapseln klar att använda. Bekräfta sanningstabellen för en valfri grind på kapseln genom att helt enkelt prova alla kombinationer av insignaler som kan förekomma. För NAND-grinden finns det 4 olika varianter av insignalkombinationer, som du kan se i vänstra delen av figur 3. Kombinationerna är 0 och 0, 0 och 1, 1 och 0, 1 och 1. Det här betyder att du ansluter +5V till en ingång som ska ha logisk etta och 0 V till en ingång som ska ha logisk nolla. Mät därefter upp spänningsnivån för samhörande utgång. 1.3 Inkoppling av lysdiod på utgången Det är vanligt att man ansluter en lysdiod till en utgång på en grind. Det gör man för att enkelt kunna se vilket tillstånd utgången har. Det finns två möjligheter att ansluta en lysdiod till en utgång. Det mest naturliga är att lysdioden ska lysa när utgången har tillståndet sant och vara släckt när tillståndet är falskt. Men motsatsen kan också förekomma. Uppgift 6: Anslut en lysdiod i serie med ett litet motstånd (100 ) till en grindutgång enligt schemat nedan. 0 eller 1 Koppla ihop båda ingångarna 100 Lysdiod Valfri grind från en av fyra grindar i IC-kapseln 6

7 Verifiera funktionen för utgångslysdioden genom att prova med båda ingångarna låga och båda ingångarna höga. Uppgift 7: Försök nu att ansluta lysdioden på ett alternativt sätt så att lysdioden är släckt för logisk etta på ingångarna och lyser för logisk nolla på ingångarna. Rita kopplingsschema och verifiera funktionen. 1.4 Mätningar av omslagsnivåer Nivåerna för logisk etta och logisk nolla är inte exakt +5 V resp. 0 V. I själva verket är det ett spänningsintervall som gäller. Du ska i det här momentet ta reda på när en grind slår om från nolla till etta och tvärtom. Uppgift 8: Koppla in en spänningsdelare i form av ett vridmotstånd till båda ingångarna på en valfri grind. Variera spänningen ut från spänningsdelaren först från 0 till 5 V, därefter från 5 V till 0 V. Notera när utgången på grinden slår om. Se schemat här nedan. 5 V NAND-grind Vridmotstånd In A In B Mätpunkt 0 V 7

8 1.5 Mätningar av grindfördröjningar Alla digitala komponenter tar en viss tid på sig för att reagera. När ingångarna får ett visst värde (nolla/etta), tar det en liten tid innan utgången får rätt värde. Den här tiden är ganska kort men i komplicerade elektroniska apparater med många grindar som är kopplade efter varandra, kan fördröjningen bli betydelsefull. Du ska ta reda på hur stor grindfördröjningen är för en s.k. TTL-grind som är den äldsta (och också långsammaste) typen av logiska grindar. Uppgift 9: Ställ in signalgeneratorn så att den skapar en pulssignal som går från 0 V till 5 V. Frekvensen är inte kritisk men du kan välja t.ex. 100 Hz. Anslut signalgeneratorns utgång till båda ingångarna på en valfri grind. Försök nu att på lämpligt sätt, med hjälp av oscilloskopets båda kanaler (ingångar) studera hur lång tid det tar för NAND-grinden att slå om. Redovisa hur du kopplat och gjort mätningen. 8

9 1.6 Förberedelseuppgifter till andra laborationen Förberedelseuppgift 1: Beräkna effektivvärdet för pulståget enligt figur 1. Använd formeln i formelsamlingen (lab.1). Förberedelseuppgift 2: Beräkna effektivvärdet för pulståget enligt figur 2. Använd formeln i formelsamlingen (lab.1). 9