Untitled Quiz

Hardver alapok

• Az Arduino Uno, Raspberry Pi 3 és Parallax Basic Stamp 2 (SumoBot) kártyák be- és kimeneti lábainak áttekintése
• A digitális logika alapjai: digitális és analóg jelek, Boole-algebra, kombinációs logika (kapuk), szekvenciális logika (kapcsolók, flip-flopok)
• Logikai családok: TTL és CMOS jellemzői, speciális kimenetek, az Open collector és Open drain
• Elektronikus komponensek: ellenállások, kondenzátorok, diódák, tranzisztorok, LED-ek, műveleti erősítők, komparátorok stb.
• Bemenetek: kapcsolók használata digitális bemeneteken, jelugrás és megoldása
• Kimenetek: LED-ek csatlakoztatása a kimenetekhez, szervómotorok vezérlése PWM-mel
• Tápfeszültség: mikrokontrollerek táplálása, több tápfeszültségű áramkörök összekapcsolása, nagy áramú/feszültségű áramkörök vezérlése, alacsony akkumulátorfeszültség-jelző műveleti erősítővel és Zener diódával
• 3,3V és 5V logikák összekapcsolása
• Perifériák és más mikrokontrollerek közötti kommunikáció: UART, I2C, SPI
• Analóg bemenet és kimenet: DAC, ADC, példák

Arduino Uno kártya lábkiosztása

• 5V és 3,3V szabályozott kimenő tápfeszültség
• 6 analóg bemenet
  • 10 bites felbontású ADC-kkel
• 14 digitális bemenet/kimenet
  • 5V tápfeszültség
  • 0-0,8V: logikai 0
  • 2-5V: logikai 1
  • max 20mA/láb kiadás/elnyelés
  • max 200mA/összes láb
  • PWM-képes lábak
• Kommunikációs portok
  • Soros
  • SPI
  • I2C

Raspberry Pi 3 Model B+ kártya lábkiosztása

• 5V és 3,3V szabályozott kimenő tápfeszültség
• 40-pin GPIO fejléc (általános célú bemenet/kimenet)
• 26 digitális I/O láb
  • 3,3V tápfeszültség
  • max 16mA/láb kiadás/elnyelés
  • max 50mA/összes láb
  • PWM-képes lábak
• Nincsenek analóg bemenetek
• Kommunikációs portok
  • Soros
  • SPI
  • I2C

Parallax Basic Stamp 2 (SumoBot) I/O lábak

• Vin = 6V, Vdd = 5V
• 16 digitális I/O láb
  • 5V tápfeszültség
  • Forrás/elnyelő áram I/O-nként: 20mA/25mA
  • Forrás/elnyelő áram egységenként: 40mA/50mA 8 I/O lábon
  • PWM-képes
  • Pszeudo szinuszhullám kimenet
  • RC áramkör időmérése
• Dedikált csatlakozók
  • 2 szervómotorhoz (Vin a tápellátáshoz)
  • 2 fényszenzorhoz
  • 2 infravörös közelségérzékelőhöz
• Soros/I2C kommunikáció

Analóg és digitális jelek

• Analóg jel: folytonos jel, amely fizikai méréseket ábrázol
  • Folytonos értékkészletet használ az információk ábrázolására
• Digitális jel: folytonos jel, amely diszkrét értékek sorozatának ábrázolása
• Logikai jel: digitális jel, amelynek két lehetséges értéke van
  • A pontos feszültségértékek nem lényegesek, csak a kategóriájuk (1 vagy 0)
  • Egyszerűen „digitálisnak” hívják

Digitális logikai áramkörök

• Kombinációs logika (időtől független logika): a kimenet kizárólag a jelenlegi bemenet függvénye
• Szekvenciális logika: a kimenet nemcsak a jelenlegi bemenettől függ, hanem a bemenet történetétől is

Boole-algebra

• Két értéket felvevő változók: 0 (hamis), 1 (igaz)
• Alapvető műveletek: kötőszó (ÉS), diszjunkció (VAGY), tagadás (NEM)
• Törvények: kommutativitás, asszociativitás, disztributivitás, De Morgan-törvények
• Axiomákk: A·0 = 0; A·1 = A; A + 0 = A; A + 1 = 1; A·A = 0; A + A = 1; A' = A

Logikai kapuk

• Nem kapu (NOT): az inverz logikai értéket adja ki
• ÉS kapu (AND): csak akkor ad ki 1-et, ha mindkét bemenete 1
• VAGY kapu (OR): akkor ad ki 1-et, ha legalább egy bemenete 1
• XOR kapu (EXOR): akkor ad ki 1-et, ha a két bemenet különbözik

Atipikus kombinációs logika: 1 bites teljes összeadó

• A bináris osztályrendszerben való összeadás
• A kimenet () és a hatáseltolódás (Cout) kifejezése Boole-algebrával

Alapszinten szekvenciális logikai áramkörök: kapcsolók és flip-flopok

• S-R kapcsoló: két állapotú kapcsoló, amelyről az egyik állapotba lehet állítani, és a másikba visszaállítani
• D flip-flop: az órajel impulzus élén rögzíti a bemenet értékét a kimenetére
• J-K flip-flop: az órajel impulzus élén frissíti a kimenetet a bemenet alapján
• T flip-flop: az órajel impulzus élén a kimenetet megfordítja

Áramköri családok

• TTL (Transistor-Transistor Logic)
  • Bipoláris junction tranzisztorokkal készül
• CMOS (Komplementer Metal-Oxide Semiconductor)
  • Mezőhatású tranzisztorokkal (MOSFET-ekkel) készül

Bipolar junction tranzisztorok (BJT)

• A BJT-ket áramvezérelt kapcsolóként tekinthetjük a digitális elektronikában
• Az Ib áram sokkal kisebb, mint az IC vagy IE vezérelt áram
• NPN és PNP tranzisztorok működése

MOSFET-ek

• A MOSFET a metal-oxid-félvezető mezőhatású tranzisztor rövidítése
• A MOSFET feszültségvezérelt eszköz, szemben a BJT-vel, amely áramvezérelt
• Nagyon magas bemeneti impedancia
• Az elektrosztatikus kisülések károsíthatják a MOSFET-et
• N-csatornás: a forrás a földhöz van csatlakoztatva. A MOSFET bekapcsolásához fel kell emelni a feszültséget a kapun. A kikapcsoláshoz a kaput a földhöz kell csatlakoztatni.
• P-csatornás: a forrás a tápvonalhoz (Vcc) van csatlakoztatva. Annak érdekében, hogy az áram áramolhasson, a kaput a földhöz kell húzni. A kikapcsoláshoz a kaput a Vcc-hez kell húzni.
• Kimerülési mód: A bekapcsoláshoz negatív feszültség kell a kapura. A kikapcsoláshoz a kaput meg kell szabadítani a feszültségtől.
• Fokozási mód: A bekapcsoláshoz pozitív feszültség kell a kapura. A kikapcsoláshoz a kaput meg kell szabadítani a feszültségtől.
• A leggyakrabban használt típus az N-csatornás fokozódású MOSFET.

Áramköri családok

• TTL
  • • tápfeszültség: Vcc = 5V+-0,25V
  • • tápfeszültség (föld): Vee
• CMOS
  • • tápfeszültség: Vdd = 3-15V
  • • tápfeszültség (föld): Vss
  • Nagyobb feszültségtartomány: ideális akkumulátoros eszközökhöz
  • Nagyobb zajszint-immunitás

Áramköri családok

• TTL
  • A teljesítményfogyasztás hozzávetőlegesen állandó (néhány mW)
• CMOS
  • A teljesítményfogyasztás a frekvenciával növekszik, de nagyon alacsony változatlan körülmények között (10nW-)
  • Ezért nem szükséges a bekapcsológomb a TV távirányítóiban

Áramköri családok - következtetések, megjegyzések

• Ha nincsenek speciális követelmények (pl. nagy frekvencia), a CMOS jobb választás, mint a TTL
• A 3,3V áramkörök kevesebb energiát fogyasztanak, mint az 5V-os áramkörök, ezért a modern chipek 3,3V-ot (vagy annál kisebbet) használnak, de az 5V-os TTL szint I/O szabványként fennmaradt.
• A CMOS IC-k a 5V TTL szinten működnek, de a TTL és a CMOS áramköröket nem lehet közvetlenül összekötni, mert a feszültségtartományok különbözőek (lásd később)
• Létezik a 3,3V-os alacsony feszültségű TTL (LVTTL) is

Áramköri családok - legnépszerűbbek

• TTL
  • 74xx (eredeti)
  • 74LSxx (alacsony fogyasztású Schottky)
• CMOS
  • 74HCxx
  • 40xx

Kiszűrés

• S-R kapcsolóval és SPDT kapcsolóval
• RC aluláteresztő szűrővel és Schmitt-trigger inverterrel
• A kondenzátort feltöltjük, ha a kapcsoló nyitott, és kisütjük, ha a kapcsoló zárva van -> ez simítja a jelet
• A Schmitt-trigger inverter különböző szinteken kapcsol be/ki -> ez eltávolítja a fennmaradó zajt

Szoftveres kiszűrés

• A Basic Stamp „Button” parancsát használva
• Saját megoldás készítése Arduino vagy Rasberry Pi esetén: időszakosan ellenőrizze a kapcsolót, a beolvasások között nagyobb időtartam legyen, mint a maximálisan várható ugrási idő. Várjon addig, amíg az ugrás eltűnik, amikor a kapcsoló megváltoztatja az állapotát.

Kimenet

LED-ek használata

• Nem szabad közvetlenül a táphoz csatlakoztatni a LED-et áramkorlátozó ellenállás nélkül! Ez egy dióda, nem egy belső ellenállással rendelkező lámpa.

• A „továbbító feszültség” mértéke változik, amikor egy bizonyos áram folyik rajta.

• Az ellenállás kiszámítása: V = 5V ILed,tip = 20mA VLed,tip = 2V VR = (5V-2V) = 3V / 20mA = 0.02A = 150Ω

• Biztonság érdekében válassza a 220Ω-ot

• Vagy próbáljon ki egy online kalkulátort

Ellenállás színkódjai

• Az első két sáv az ellenállás értékét jelzi
• A harmadik szín a multiplikátort jelzi
• A negyedik szín a tolerancia (pontosítási rang)

Szabványos ellenállási értékek

• E12 sorozat
  • 10% tolerancia
  • 1.0, 1.2, 1.5, 1.8, 2.2, 2.7, 3.3, 3.9, 4.7, 5.6, 6.8, 8.2
  • x1Ω, x10Ω, x100Ω stb.
• E24 sorozat
  • 5% tolerancia
  • 1.0, 1.1, 1.2, 1.3, 1.5, 1.6, 1.8, 2.0, 2.2, 2.4, 2.7, 3.0, 3.3, 3.6, 3.9,
  • 4.3, 4.7, 5.1, 5.6, 6.2, 6.8, 7.5, 8.2, 9.1
  • x1Ω, x10Ω, x100Ω stb.

Több tápfeszültség - normál esetek

• Ha több tápfeszültségforrás használatos (függetlenül attól, hogy a feszültségek egyeznek-e vagy sem)
  • Tartsa szét a pozitív tápvonalakat
  • Csatlakoztassa a földvezetékeket minden tápfeszültségforráshoz

Több tápfeszültség - extrém esetek

• Ha teljesen le kell választani a vezérlő és a vezérelt áramköröket (pl. nagy áram miatt), akkor válassza szét a földeket is, és használjon opto-izolátort

240V vezérlés

• 240V-os eszköz bekapcsolásához használjon relét vagy szilárdtest relét (SSR)
  • Nagy feszültség keletkezik a tekercsben, amikor az átfolyó áram megszakad.
  • A dióda megakadályozza a tranzisztor károsodását (elengedi az áramot)

Akkumulátor alacsony feszültség szint jelző

• Nyitott hurkú műveleti erősítő: 2 telített állapot között kapcsol: +Vcc és –Vcc
• A Zener dióda a fordított polaritásban üzemelve vezet, amikor eléri az előre meghatározott feszültségét (VZ) -> fenntartja a VZ-t.

Interfész

3,3V és 5V áramkör összekapcsolása

• Különböző szabványos feszültségszintek a bemeneteken/kimeneteken

3,3V és 5V áramkör összekapcsolása

• A bemenet megfelelően olvassa le a kimenet állapotát, ha
• A bemenet magas tartománya magában foglalja a kimenet magas tartományát
• A bemenet alacsony tartománya magában foglalja a kimenet alacsony tartományát
• A 3,3V-os kimeneteket közvetlenül csatlakoztathatja a 5V TTL bemenetekhez…
• De más esetekben ellenőriznie kell a szinteket…
• És szükség esetén meg kell változtatnia őket.
• Számos módja van ennek.