VEILEDNING TIL LABORATORIEØVELSE NR 8 «DIGITALVOLTMETER» FY-IN 204 Revidert utgave 98-03-05 Veiledning FY-IN 204 : Oppgave 8
8 Digital voltmeter Litteratur: Skjema på fig. 1, Millmann side 717-720 Oppgave: Kople opp et to-siffret digitalvoltmeter etter beskrivelse. Kontrollere og kalibrere kretsen. Justere og finne maksimalt avvik fra linearitet. Kretsbeskrivelse. Den sentrale enheten i kretsen er digital-analog omformeren som består av 7-bits binær teller med R-2R veienettverk. Den gir en spenning som starter nær null, og øker med en fast verdi for hver klokkepuls. "Komparatoren" sammenligner den spenningen som skal måles med den økende spenningen fra digital-analog omformeren, og gir en kort puls i det øyeblikk de er like store. Denne pulsen går til utlese-enhetens "Enable" inngang, og sørger for at utlese-enheten viser hvor mange klokkepulser som har gått inn på digital-analog omformeren i det øyeblikk spenningen fra den ble like stor som den ukjente spenningen. Utlese-enheten består av 2 dekadetellere i serie, hver med tilhørende latch-dekode-driver og LED siffer-indikator. Den kan følgelig telle 100 klokkepulser før den går tilbake til null. Når den gjør det, danner en differensieringskrets en kort puls som nullstiller digital-analog omformeren. Dermed starter både binærtelleren og dekadetelleren fra samme klokkepuls. Forsterkeren er en ikke-inverterende operasjonsforsterker med variabel forsterkning. Den gjør det mulig å justere følsomheten slik at skalaen viser den ukjente spenningen direkte i hundredels volt. Spenningstilførsel TTL pakkene skal ha +5 volt, mens operasjonsforsterkeren må ha +12 og -12 volt. Midtpunkts-uttaket på 12 voltkilden må koples til 0 på +5 voltkilden. TTL - kretsene tåler hverken pluss eller minus 12 volt! Kopling En slik kopling blir fort uoversiktlig, og man må regne med å gjøre feil. Det er derfor viktig å kople opp de enkelte elementene i kretsen i en slik rekkefølge at man kan prøve dem etterhvert som de blir ferdige. Lag målsatte skisser av kurveformene og skriv kommentarer etterhvert som koplingen skrider frem. Veiledning FYS 204 : Oppgave 8 2
1. Klokkeoscillator og digital-analog omformer. Klokkeoscillatoren og digital-analog omformeren tilsvarer den koplingen som ble brukt i øvelse nr. 5. For å spare tid er dette ferdig koplet på et separat brett. Telleren er en 7-bits CMOS krets, som gir en trappekurve med 128 nivåer. Brettet skal ha +5 volts spenningstilførsel. Det har utgang for analogsignal og klokkepulser, og inngang for nullstilling av telleren. Mål frekvens og amplitude på klokkepulsene. Undersøk om det er noen uregelmessigheter i trappekurven, og mål maksimal og minimal spenning med oscilloskopet. 2. Dekadeteller. 74LS390 har to separate dekadetellere med separate innganger for "Clear" og "Clock". De skal brukes i BCD mode. På samme måte som for 74LS90 som ble brukt i øvelse nr. 5, må "divisjon med 2"-delen derfor koples foran "divisjon med 5"-delen. Telleren skifter på negativtgående kant av klokkepulsen, og de to tellerne i pakken seriekoples ved å ta Q D1 til klokkeinngangen (A-inngangen) på neste teller. Den teller bare når "Clear" ligger lav. Kontroller at telleren virker som ventet, med klokkepulser inn fra klokkeoscillatoren. (Inverteringskretsen mellom klokkeoscillatoren og binærtelleren gjør at binærtelleren skifter tilstand et klokkepuls-mellomrom før dekadetelleren. Dette er nødvendig for at skalaen skal kunne vise null.) Kople deretter opp kretsen som skal gi nullstillingspuls til binærtellleren idet dekadetelleren skifter fra 99 til 00. Q D2 på dekadetelleren skifter da fra "høy" til "lav", og vi ønsker en kort puls når dette skjer. Vi bruker 2 av de 4 Schmitt NAND portene i 74LS132. På den ene koples begge inngangene sammen, slik at den virker som inverteringskrets. Utgangen på NAND porten er bare "lav" når begge inngangene er "høye" samtidig. Når Q D2 går "lav", går den inverterte inngangen på NAND porten "høy" med det samme. Spenningsforandringen på den andre inngangen forsinkes litt av RC-leddet, slik at den holder seg "høy" et øyeblikk. Vi får derfor en kort negativt-gående puls på utgangen, med pulsvarigheten bestemt av tidskonstanten til RC-leddet. Kontroller at trappekurven fra digital-analog omformeren nullstilles når Q D2 på 74LS390 går lav. (Du får 10 ganger høyere repetisjonsfrekvens og dermed et behageligere oscilloskopbilde hvis du kopler differensieringskretsen til Q D1 mens du måler pulslengde og amplitude.) 3. Komparator. LM358 inneholder to operasjonsforsterkere. Den må koples opp med + og - 12 volt. Husk å kople midtpunktet på 12 volt kilden til 0. I første omgang lønner det seg å sløyfe forforsterkeren. Den ukjente spenningen fra 1 kω potensiometeret koples direkte til 470Ω motstand på pluss-inngangen til komparatoren. Når komparatoren er koplet opp med 4,7 kω motstand og Zenerdiode som belastning, skal det være en kraftig firkantpuls på utgangen. Den negativtgående kanten av denne pulsen skal forskyve seg i tid med variasjon av inngangsspenningen. Prøv også uten tilbakekoplingskondensatoren på 0.022 µf. Skisser forskjellen i kurveform Veiledning FYS 204 : Oppgave 8 3
(På samme måte som under pkt. 2. kan du få et bedre bilde på oscilloskopet ved å ta nullstillingspulsen til binærtelleren fra den første BCD - telleren.) Kople deretter opp differensieringskretsen. Her, på overgangen mellom forholdsvis langsomme analoge kretser og TTL kretser, er det viktig å ha en port med Schmitt-trigger karakteristikk. Utgangssignalet fra differensieringskretsen skal være en kort puls som forskyver seg i tid med variasjon av inngangsspenningen. Hvis du tar inn trappekurven fra digital-analog omformeren på oscilloskopet samtidig med denne pulsen, skal pulsen hoppe fra trinn til trinn langs tidsaksen når inngangsspenningen varieres forsiktig. 4. Indikator Kople opp de to brettene med dekoder og LED siffer-indikator. De koples til hver sin BCD - teller, og pulsen fra komparatoren går til E ("Latch Enable"). Indikatorene skal vise klare tall som varierer med inngangsspenningen. 5. Forforsterker. Resten av LM 358 koples som vist, med en justerbar motstand i tilbakekoplingskjeden. Still den variable inngangsspenningen på 0,990 volt, og juster den variable motstanden til skalaen akkurat skifter fra 98 til 99. 6. Kontroll og finjustering. Mål inngangsspenningen med et nøyaktig digitalvoltmeter når den er justert slik at tallet i skala-enheten akkurat skifter fra en verdi til den neste. Gjør dette for fra 10 til 20 punkter jamnt fordelt mellom 0 og 1 volt. Tegn diagram over målt spenning som funksjon av skalaavlesningen. Legg inn en rett linje, og bestem det maksimale avviket fra den. Hvis den best tilpassede rette linjen ikke går gjennom origo kan justeringen forbedres ved å føre en passende "offset" spenning mellom punktet M i skjemaet (fig. 1) og jord. Hvis du har lyst og tid, kan dette gjøres ved å kople punktet M til en spenningsdeler som består av en motstand på 100 Ω og en på f.eks. 100 kω mellom pluss eller minus 12 volt og jord. Når delingsforholdet på spenningsdeleren er tilpasset slik at feilen nær 0 volt er minst mulig, kan følsomheten etterjusteres ved å justere inn et punkt nær 1 volt som ligger på den rette linjen. Slik justert skulle den maksimale målefeilen ikke bli større enn det maksimale avviket fra den rette linjen. Veiledning FYS 204 : Oppgave 8 4
Figur 1: Digitalvoltmeter som beskrevet i oppgaven Veiledning FYS 204 : Oppgave 8 5
MB74LS390 Clear / count function Output CLEAR Q D Q C Q B Q A H L L L L L Count Count operation BCD count (Note1) 5x2 count (Note 2) Output Count Output Q D Q C Q B Q A Q A Q D Q C Q B L L L L 0 L L L L L L L H 1 L L L H L L H L 2 L L H L L L H H 3 L L H H L H L L 4 L H L L L H L H 5 H L L L L H H L 6 H L L H L H H H 7 H L H L H L L L 8 H L H H H L L H 9 H H L L Notes 1. Output QA connects to input B for BCD count. 2. Output QD connectes to input A for 5x2 (decimal) 3. H = high level, L = low level, x = irrelevant MB74LS132 LM358 Figur 2: Relevante data for de aktuelle integrerte kretsene i fig. 1 Veiledning FYS 204 : Oppgave 8 6