Порядок проведения практикума

Необходимое оборудование: лабораторный стенд "Схемотехника цепей ввода цепей и шин данных интерфейсов", осциллограф, частотомер;

1) Вставьте микросхему 155ЛА8 в сокету стенда. Соберите схему рисунок 6.1 (перемычка П1 в положение 1-1. Кнопка будет подключена к счетчику).

2) Проведите цикл измерений в следующей последовательности:

а) сбросьте содержание счетчика нажатием кнопки КН 2 ("Сброс") в "0";

б) нажимайте с интервалом времени 2-4с кнопку КН1 ("Ввод"), считая число нажатий кнопки. Одновременно следите за показаниями двоичного счетчика после каждого нажатия кнопки КН1. Доведите показания счетчика до 10-15;

в) запишите в таблицу число нажатий кнопки (mi) и показания счетчика (ni); кнопкой КН2 сбросьте содержимое счетчика в "0".

3) Повторите измерения в соответствии с п.2 не менее пяти раз и составьте таблицу, отразив в ней суммарное число нажатий кнопки КН1 и показаний счетчика. Вычислите отношение:

g1 = åmi / åni,

где: åmi - суммарное число нажатий кнопки;

åni-сумма показаний счетчика.

4) Соберите схему рисунка 6.1. с R-S триггером (перемычка П1 в положении 2-2, кнопка КН1 подключена к RS- триггеру). Проведите измерения в соответствии с п.п. 2, 3.

5) Найдите отношение g2 для измерений по п.4. Сравните g1 и g2 и объясните разницу в результатах.

6) Соберите схему рисунка 6.2 а) (перемычка П1 и П2 в положениях соответственно 1-2 и 1-1). Проведите измерения согласно п.п. 2, 3. и определите g1.

7) Соберите схему рисунка 6.2 а) с интегрирующей цепочкой (фильтром нижних частот), замкнув двумя перемычками контакты 1-1 и 2-2. Повторите измерения по п.п. 2, 3 и определите g2. Изменяя параметры RC-цепочки добейтесь, чтобы g1 и g2 были равны.

8) Соберите схему рисунка 6.2б) с одновибратором, переключив перемычку П2 из положения 1-1 в положение 2-2. Повторите измерения по п.п. 2, 3 и определите g2.Сравните также g1 (п. 6) и g2.

9) Составьте отчет.

6.2 Практикум "Шины передачи данных"

Целью практикума является изучение схемотехнических приемов согласования маломощных выходных цепей БИС с шинами данных с учетом физических свойств длинных линий.

При передаче цифровых данных с достаточно высокой скоростью и на относительно большие расстояния возникают специфические проблемы. На форму высокочастотного сигнала при этом существенно влияют: емкостной характер нагрузки вентилей, синфазные перекрестные помехи и эффекты "длинной линии" (отражения от несогласованной нагрузки). Некоторые из перечисленных проблем могут возникать даже на отдельной печатной плате. Для обеспечения надежной передачи цифровых сигналов обычно применяют специальные методы и соответствующие интегральные схемы.

Действиям помех наиболее подвержен маломощный сигнал. Особенно, если он передается на значительное расстояние. Источниками помех могут являться как внешнее электромагнитное излучение, так и внутренние переходные процессы в системе. Чтобы уверенно выделять полезный сигнал среди помех необходимо, прежде всего, обеспечить уровень сигнала существенно превосходящий средний уровень помех. Для защиты от электромагнитных помех при передаче сигналов применяют также “витые пары” или экранированный кабель для прокладки шин. Шины, выполненные таким образом, обладают повышенной емкостью. Емкостной характер нагрузки (при сохранении высокой скорости передачи данных) требует в свою очередь повышенной мощности выходных вентилей. Работа же мощных и быстродействующих вентилей сопряжена с большими импульсными токами при переключениях. Это ведет к кратковременным выбросам напряжения в цепях питания этих элементов. Таким образом, выходные вентили, работающие на шины, становятся сами мощными источниками помех, распространяющихся как по цепям шин передачи данных, так и внутрь системы по цепям питания. Избавиться от этих помех крайне сложно.

Длинные шины и сами по себе могут стать причиной искажения сигнала. Это связано с эффектом "длинных линий", который приводит к тому, что несогласованная линия отражает высокочастотный сигнал от концов шины (и от других неоднородностей) и сигнал многократно накладывается сам на себя. В результате чего искажается форма сигнала.

Для того, чтобы избежать перечисленных неприятностей шинную схемотехнику организуют специальным образом. Для формирования выходного сигнала используют специальные шинные формирователи - мощные ключи, способные в целях согласования по волновому сопротивлению и для быстрого перезаряда емкостной нагрузки работать на низкоомные цепи. Во входных цепях принимающей стороны используют обычно триггеры Шмитта. Для компенсации помех, распространяющихся вдоль шин, часто используют дифференциальные структуры и токовые петли.

Рассмотрим, к примеру, шину передачи данных стандарта RS-232C, который является наиболее подходящим при относительно медленной передаче сигналов (порядка сотен и тысяч бит в секунду, рисунок 6.4). Этот стандарт определяет уровни сигналов обеих полярностей. Выходной формирователь согласно стандарту должен иметь двухполярное питание.

Входные цепи должны иметь гистерезис. Для этих целей имеются стандартные микросхемы: 1488 - выходной формирователь и 8Т16 - входной формирователь с триггером Шмитта. В этом случае при емкостной нагрузке линии не более 330 пФ фронты нарастания и спада импульсов обеспечиваются на уровне менее 1 мкс.

Рисунок 6.4 – Шина стандарта RS – 232С и временная диаграмма сигналов шины

Содержание практикума

Необходимо исследовать характеристики трех наиболее распространенных схем передачи цифровых данных, приведенных на рисунках 6.5, 6.6, 6.7: коэффициенты передачи линий, искажения фронтов, спадов и вершин входного и выходного сигналов.

Для работы с линиями средней длины при достаточно высоком быстродействии применяют несимметричные схемы с ТТЛ вентилями (рисунок 6.5).

Рисунок 6.5 – Несимметричная линия с ТТЛ вентилями

Рисунок 6.6 – Симметричная линия с дифференциальным приемником

Схема, приведенная на рисунке 6.6, отличается очень высокой помехоустойчивостью. Помехоустойчивость достигается, благодаря передаче парафазного сигнала по витой паре в сочетании с дифференциальным приемником. Схема обеспечивает высокую степень подавления синфазных помех и хорошо восстанавливает логические уровни сигналов, искаженные при передаче по линии связи. Форма сигналов, показанных на рисунке, позволяет понять, за счет чего обеспечивается относительно неискаженная передача. Если в качестве выходных формирователей использовать коммутируемые токовые вентили (рисунок 6.7), то получится шина "токовая петля".

Данная схема использует симметричный коаксиальный кабель или низкоомную витую пару. При импедансе 50 Ом такая "токовая петля" обеспечивает скорость передач 1 Мбит в 1 с на расстояние до 500 м или 10 Мбит/с на расстояние до 100 м.

Рисунок 6.7 – Линия типа "токовая петля"

Выполнение практикума

Необходимое оборудование: лабораторный стенд "Схемотехника интерфейсов", осциллограф, частотомер, омметр. Проведите цикл измерений в следующей последовательности:

1) подключите осциллограф к выходу "f" генератора стенда и измерьте основные параметры выходных импульсов генератора: амплитуду, задний и передний фронты, спад вершины импульса. Зарисуйте осциллограмму импульсов генератора. Подключите к генератору длинную линию;

2) измерьте волновое сопротивление длинной линии, а также параметры входных и выходных импульсов на линии и ее коэффициент передачи. Для этого соберите на стенде схему рисунка 6.8, предварительно установив с помощью омметра сопротивление на переменном резисторе R2 равным 200-300 Ом;

Рисунок 6.8 – Схема измерения волнового сопротивления длинной линии, согласованной на конце

3) подключите осциллограф к переменному резистору R2 и, плавным изменением сопротивления резистора R2, добейтесь на выходе линии минимальных искажений временных и амплитудных параметров импульсов, измерьте осциллографом эти параметры и зарисуйте осциллограмму. Также измерьте параметры импульсов на входе длинной линии (на выходе генератора "f"). Отключите R2 от линии и измерьте его сопротивление, значение которого будет равно волновому сопротивлению линии. Вычислите коэффициент передачи линии по формуле:

Кл = А2 / А1 ,

где: А2 и А1 -амплитуды импульсов соответственно на выходе и входе линии;

4) измерьте волновое сопротивление длинной линии и ее коэффициент передачи в случае согласования линии на входе и выходе. С этой целью соберите схему рисунка 6.9 и повторите измерения по п.3. При этом добивайтесь минимальных искажений входных и выходных импульсов на линии плавным изменением как R2, так и R1;

Рисунок 6.9 – Схема измерения волнового сопротивления длинной линии, согласованной в начале и конце линии

5) измерьте осциллографом параметры входных и выходных импульсов на линии, разомкнутой на конце, отключив резистор R2 в схеме рисунка 6.9.

6) измерьте осциллографом параметры входных и выходных импульсов на короткозамкнутой линии, закоротив перемычкой резистор R2 в схеме рисунка 6.9.

7) занесите результаты измерений по п.п. 1, 3, 4, 5, 6 в таблицу. Сравните параметры входных и выходных импульсов, измеренных по п.п. 3, 4, 5, 6 с параметрами импульсов с генератора, измеренных по п. 1, а также сравните коэффициенты передачи линии для всех схем включения. Объясните причины искажений формы импульсов и затухания амплитуды импульсов в линии.

8) измерьте осциллографом параметры входных и выходных импульсов и коэффициенты передачи линий, собирая последовательно схемы рисунков 6.5, 6.6, 6.7 и подавая на входы каждой из схем импульсы с генератора "f". Занесите результаты измерений в таблицу. Сравните параметры входных и выходных импульсов, измеренных в схемах рисунков 6.5, 6.6, 6.7 с параметрами импульсов с генератора, измеренных по п.1, а также сравните коэффициенты передачи линий для всех схем включения. Объясните причины искажений формы импульсов и затухания амплитуды импульсов в линии;

9) оформите отчет.

6.2.3 Контрольные вопросы

1 Чем обусловлен "дребезг"?

2 Раскройте понятие "электрическая помеха". Как влияет помеха на достоверность ввода информации?

3 Поясните работу RS- триггера и составьте таблицу истинности триггера?

4 Объясните работу антидребезговых схем: с RS- триггером, с RC-цепочкой, с пороговым устройством.

5 Дайте понятие “длинной линии” и определение волнового сопротивления линии, коэффициента передачи.

6 Назовите причины искажений сигналов в длинной линии.

7 Какие существуют способы согласования линий передачи данных?

8 Объясните работу схем передачи данных рисунков 6.5, 6.6, 6.7.

7 Практикум "Аналого-цифровые преобразователи и цифро-аналоговые преобразователи"

Практикум предназначен для изучения основных схемотехнических решений ацп и цап в микроэлектронном варианте исполнения и получения практических навыков работы с этими устройствами. В настоящее время ацп и цап широко используются в системах обработки данных и автоматизированных системах управления для преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму и наоборот из цифровой формы в аналоговую.

В разделе приведены методики выполнения практикумов:

- "Цифро-аналоговые преобразователи";

- "Аналого-цифровые преобразователи".

7.1 Практикум "Цифро-аналоговые преобразователи"

Поиск по сайту: