Elektronika cyfrowa
description
Transcript of Elektronika cyfrowa
Elektronika cyfrowa
Warunek zaliczenia wykładu:
•wykonanie sześciu ćwiczeń w Pracowni Elektronicznej
Część notatek z wykładu znajduje się na:
http://zefir.if.uj.edu.pl/planeta/wyklad_elektronika/
1
Pracownia Elektroniczna
Informacje o programie ćwiczeń:
http://zefir.if.uj.edu.pl/spe/2
Elektronika – zajmuje się zastosowaniem zjawisk elektromagnetycznych do przesyłania i przetwarzania sygnałów elektrycznych (informacji)
Układ elektroniczny – układ spełniający z góry założone zadanie w stosunku do sygnałów elektrycznych
3
Układy przebiegów sinusoidalnych:
filtry, wzmacniacze, generatory, modulatory
Klasyfikacja układów elektronicznych
Układy impulsowe:
układy elektroniki cyfrowej, wzmacniacze impulsowe, przetworniki analogowo-cyfrowe, dyskryminatory
Układy zasilające:
układy służące do zasilania i sterowania pracą innych układów
4
Układ pomiarowy
komputer
czujnik
układ analogowy
przetwornik
analogowo-cyfrowy
5
Prawo Coulomba
W 1785 roku w oparciu o doświadczenia z ładunkami Charles Augustin Coulomb doszedł do następującego sformułowania:
F - przyciągająca dla ładunków przeciwnych (+/-) a odpychająca dla jednakowych (+/+), (-/-) i działa wzdłuż linii łączącej ładunki.
rr
rQQ
kF
221
Waga Skręceń
6
Jednostką ładunku w układzie SI jest KULOMB (C).
Ciało posiada ładunek jednego kulomba jeśli na równy sobie działa
z odległości jednego metra siłą 9. 109 Newtona.
Jeśli umieścimy dwa ciała o masach 1 kilograma i ładunku1 kulomba w odległości 1m od siebie, to stosunek siłykulombowskiej do siły grawitacji ma się jak 1019: 1.
1m1C 1C
1 kg 1 kg
1910graw
kul
F
F
7
Prąd elektryczny
I(A) – natężenie prądu
U(V) – napięcie
Nośniki prądu:• elektrony (-)• jony (+,-)• dziury (+)
8
Prąd elektryczny
U – napięcie = praca/ładunek
Napięcie elektryczne – różnica potencjałów elektrycznych między dwoma punktami obwodu elektrycznego. Napięcie elektryczne jest to stosunek pracy wykonanej podczas przenoszenia ładunku elektrycznego między punktami, dla których określa się napięcie, do wartości tego ładunku.
W przypadku źródła napięcia elektrycznego napięcie jest jego najważniejszym parametrem i określa zdolność źródła energii elektrycznej do wykonania pracy.
9
Opornik (rezystor)
R – opór elektryczny
(z łac. resistere, stawiać opór)
Najprostszy element rezystancyjny obwodu elektrycznego. Jest elementem liniowym: spadek napięcia jest wprost proporcjonalny do prądu płynącego przez opornik. Przy przepływie prądu zamienia energię elektryczną w ciepło.
W obwodzie służy do ograniczenia prądu w nim płynącego.
10
Prąd elektryczny
C=Qe11 -10 1.60217733
sek
=A=I1
1C1
1C
1J1V ==U
1A
1V1 =Ω=R
R
I
U
U=RI – prawo Ohma
11
I prawo Kirchhoffa
węzełI1
I3
I4
I2
0=Ik
k
4312 I I I ++=I
12
II prawo Kirchhoffa
U1
U5
U4
U3
U2
oczko sieci
∑i
Ui=0
13
Łączenie oporników
R1 R2 R3
R=R 1+R 2+R3
R1
R221
111
R+
R=
R
szeregowe
równoległe
14
Dzielnik napięcia
UR1
R2
I
U2
I=U
R1+R2
U2=IR2=UR2
R1+R2
Przykład:
U= 12 V
R1= 4 k, R2= 8 k
I = 1 mA, U2= 8 V
15
Tablica twórnych jednostek miar
G - 109
M - 106
k - 103
m - 10-3
- 10-6
n - 10-9
p - 10-12
f - 10-15
1 nA = 10-9 A
16
Prąd przemienny (ang. alternating current, AC)
Prąd elektryczny okresowo zmienny, w którym wartości chwilowe podlegają zmianom w powtarzalny, okresowy sposób. Wartości chwilowe natężenia prądu przemiennego przyjmują naprzemiennie wartości dodatnie i ujemne (stąd nazwa przemienny). Najczęściej pożądanym jest, aby wartość średnia całookresowa wynosiła zero.
Stosunkowo największe znaczenie praktyczne mają prąd i napięcie o przebiegu sinusoidalnym. Dlatego też, w żargonie technicznym często nazwa prąd przemienny oznacza po prostu prąd sinusoidalny. .
t (s)
I(A)
17
Sygnał – przebieg (zmiana w czasie) dowolnej wielkości fizycznej, będącej nośnikiem informacji
Sygnał analogowy – zmieniający się w sposób ciągły w czasie
t (s)
U(V)
T
Sygnał sinusoidalny:
U0 - amplituda
T – okres zmiennościf=1/T - częstotliwość
f 2 częstotliwość kołowa
)sin(*0 tUU
18
Szum - jest nieodłącznym towarzyszem sygnałów użytecznych i jest czymś niepożądanym w układach elektronicznych. Najczęstszym rodzajem szumów jest szum pochodzenia termicznego wytwarzany przez rezystory.
Sygnał prostokątny - podobnie jak sygnał sinusoidalny można go opisać dwoma parametrami, czyli amplitudą i częstotliwością. Często zamiast częstotliwości używa się pojęcia okres T, który jest równy T=1/f.
Sygnał piłokształtny - przypomina zęby piły. Jest to sygnał o przebiegu liniowym, czyli takim, w którym napięcie rośnie lub opada ze stałą prędkością do określonej wartości i powtarzany jest okresowo.
19
Sygnał cyfrowy
t (s)
U(V)
5V1
0
20
Oscyloskop
21
Budowa lampy oscyloskopowej:
1.Elektrody odchylające2.Działo elektronowe3.Wiązka elektronów4.Cewka skupiająca5.Pokryta luminoforem wewnętrzna strona lampy.
Oscyloskop
22
Liczby zespolone
a= α+ iβ i2=−1
Często zamiast i wystepuje symbol j
Im
Re
a
θ)i+θρ(=a sincos
e iz= cos z+i sin zwzór Eulera
a=ρeiθ
23
Prąd zmienny
U I
t
u
uu
i
tiiti
u
eUU
eeUeUU
tUU
0
00
0 cos
24
I
II
i
tiiti
I
eII
eeIeII
tII
0
00
0 cos
U I
t
Prąd zmienny
25
Prąd zmienny
Re
Im
U
I
U
I
26
Kondensator
C=QU
+Q
-Q
UC
Pojemność kondensatora
27
Kondensator
C=QU
U=QC
= 1C∫ Idt
1V
1C1F==C
+Q
-Q
UC
Pojemność kondensatora
28
Cewka indukcyjna
L U
I
U=LdIdt
L – indukcyjność cewki
29
Cewka indukcyjna
L U
IU=L
dIdt
1A
1Vs1H ==L
H - henr
L – indukcyjność cewki
30
Dwójniki
- układ posiadający dwa zaciski elektryczne
R
L
C
R
Typowy przykład dwójnika: czujnik mierzący określoną wielkość fizyczną
31
Parametry wejściowe – wymuszenie
Parametry wyjściowe – odpowiedź układu na określone wymuszenie
iPIFU ,
parametr wyjściowy
parametr wejściowy
Pi – wielkość fizyczna od których może zależeć odpowiedź
układu np.: temperatura, oświetlenie, ciśnienie.
32
Ogólnie U =U(t0) może zależeć od zmiany parametrów w
czasie dla - t t0
t
t0
Dwójniki liniowe i stacjonarne
U =U(t) odpowiedź na wymuszenie I =I(t)
-liniowy gdy:
a*U(t) odpowiedź na wymuszenie a*I(t)
U(t) = a1*U1(t) + a2*U2(t) odpowiedź na wymuszenie
I(t) = a1*I1(t) + a2*I2(t)
33
-stacjonarny:
Jeśli U(t) odpowiedzią na wymuszenie I(t) to dla
chwili t+t0 U(t+t0) jest odpowiedzią na wymuszenie I(t+t0)
Realnie istniejące elementy elektroniczne tylko w przybliżeniuliniowe i stacjonarne
34
)()( 00
0 tIeeAettI
AetIptptpt
pt
Rozważmy wymuszenie postaci:
Dla elementów liniowych mamy odpowiedź:
00 1)( 0 pttUpt
etUttU
Dla małych t0 rozwijamy U(t+t0) w szereg Taylora w otoczeniu
punktu t:
tUttUttU 00 )(
ip
35
Porównując (*) i (**) dostajemy:
00 pttUtUtUttU
pCC
CeeU
CptUptCpt
ln
∫
/pdtU
dU
tpUdt
dU
tpUtU
36
Możemy teraz zdefiniować funkcje odpowiedzi
A
pC
Ae
epC
tI
tU
wymuszenie
odpowiedźpT
pt
pt
Dla wymuszeń sinusoidalnych przyjmujemy p w postaci
f
j
jp
2
1
tjAejTtU
f - częstośćT
f1
T - okres wymuszenia
Możemy też zapisać
częstość kołowa
37