Verriegelungsschaltungen

Schützschaltung - Verriegelung von Schützen (Schützverriegelung) (Oktober 2018).

Anonim

Verriegelungsschaltungen

Digitale Schaltungen


Frage 1

Was denkst du, was dieses Logik-Puffer-Gate tun wird, mit dem Ausgangssignal "Rückkopplung" zum Eingang "// www.beautycrew.com.au//sub.allaboutcircuits.com/images/quiz/02896x01.png">

Was denken Sie, wird dieser Puffer tun, wenn jeder Eingabeschalter separat gedrückt wird?

Warum benötigt die zweite Pufferschaltung einen Widerstand in der Rückkopplungsschleife "# 1"> Antwort anzeigen Antwort ausblenden

Die erste Schaltung wird in jedem logischen Zustand, in dem sie sich einschaltet, "gespeichert". Die zweite Schaltung wird entsprechend dem betätigten Drucktastenschalter "eingestellt" oder "zurückgesetzt", dann in diesem Zustand verriegeln, wenn keiner der Schalter gedrückt wird. Der Widerstand verhindert, dass das Gate einen Kurzschluss an seinem Ausgang "sieht", wenn ein Druckknopfschalter betätigt wird, um Zustände zu ändern.

Challenge Frage: Wie würden Sie eine geeignete Größe für den Widerstand bestimmen? Erraten Sie nicht nur - basieren Sie Ihre Antwort auf bestimmten Leistungsparametern des Tors!

Anmerkungen:

Dies ist eine sehr grobe Art von Latch-Schaltung, aber es ist leichter zu verstehen als die typischen kreuzweise verbundenen NOR- oder NAND-Gatter-Latches, die üblicherweise in Schaltungen eingeführt werden. Eine der wichtigsten Ideen in dieser Frage ist das Konzept des positiven Feedbacks und wie diese Form des Feedbacks zu hysterischem Verhalten führt. Wenn es angebracht ist, verweisen Sie Ihre Schüler auf SCRs und andere Thyristoren als vorherige Beispiele für hysterische Geräte, die auf einer positiven Rückkopplung basieren.

Frage 2

Wenn Sie Latch-Schaltungen untersuchen, werden Sie viele Referenzen finden, um logische Zustände zu setzen und zurückzusetzen . Geben Sie für jeden dieser Begriffe eine einfache Definition im Zusammenhang mit Latch- und Flip-Flop-Schaltungen an.

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Ein Latch gilt als gesetzt, wenn sein Ausgang (Q) hoch ist, und zurückgesetzt, wenn sein Ausgang (Q) niedrig ist.

Anmerkungen:

Es ist wichtig, eine einheitliche Definition für "set" und "reset" zu haben, insbesondere, wenn die Schüler mehrere Latch-Schaltungstopologien und aktiv-niedrige Eingänge studieren!

Frage 3

Die hier gezeigte Schaltung wird SR-Latch genannt :

Vervollständige die Wahrheitstabelle für diese Verriegelungsschaltung:

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Folgefrage: Der Endzustand dieser Wahrheitstabelle (wo die Eingänge "Set" und "Reset" beide hoch sind) wird normalerweise als ungültig bezeichnet . Erkläre warum.

Anmerkungen:

Der "Latch" -Zustand ist in dieser Schaltung am interessantesten. Besprechen Sie, was das mit Ihren Schülern bedeutet, zumal es unmöglich ist, den "Latch" -Zustand in Form von festen 1 und 0 zu beschreiben.

Frage 4

Einige digitale Schaltungen werden als Aktiv-Niedrig- Eingänge angesehen, während andere Aktiv-Hoch- Eingänge haben. Erklären Sie, was jeder dieser Begriffe bedeutet und wie wir herausfinden können, welche Art von Eingang (en) eine digitale Schaltung hat.

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Ein "Aktiv-Niedrig" -Eingang ist einer, bei dem diese bestimmte Gatterfunktion bei einem niedrigen logischen Zustand aktiviert oder aufgerufen wird. Aktiv-Niedrig-Eingänge werden durch Inversionsblasen (oder Inversionskeile) identifiziert, die an den IC-Eingangsanschlüssen gezeichnet sind. Zum Beispiel ist der Enable-Eingang (EN) für die folgende integrierte Schaltung aktiv-niedrig, was bedeutet, dass der Chip aktiviert ist, wenn diese Eingangsleitung auf Massepotential gehalten wird:

Diese SR-Latch-Schaltung hat Eingänge für Aktiv-Niedrig-Voreinstellung ((PRE)) und Löschen ((CLR)), was bedeutet, dass die Latch-Schaltung voreingestellt und gelöscht wird, wenn jeder dieser Eingänge geerdet ist:

Aktiv-Hoch-Eingänge nehmen umgekehrt ihre jeweiligen Funktionen an, wenn sie auf das Potential der Stromversorgungsschiene (V DD oder V CC ) gebracht werden. Wie zu erwarten, wird eine aktiv-hohe Eingabe keine Inversionsblase oder einen Keil neben dem Eingabeterminal haben.

Herausforderungsfrage: Zur Überraschung vieler Studenten gibt es eine große Anzahl von digitalen Logikschaltkreistypen, die mit Aktiv-Niedrig-Eingängen aufgebaut sind. Erkläre warum. Hinweis: Die meisten dieser Schaltungstypen und -funktionen wurden mit TTL-Logik anstelle von CMOS-Logik entwickelt.

Anmerkungen:

Active-Low-Eingaben neigen dazu, viele Studenten zu verwirren, daher meine ungewöhnlich lange und beschreibende Antwort.

Frage 5

Die hier gezeigte Schaltung wird SR-Latch genannt :

Identifizieren Sie, welche der zwei Eingangsleitungen die Menge ist, und welche die Rückstellung ist, und schreiben Sie dann eine Wahrheitstabelle, die die Funktion dieser Schaltung beschreibt.

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Folgefrage: Warum werden die Eingaben als (Set) und (Reset) bezeichnet, anstatt nur "Notizen ausgeblendet" zu setzen und zurückzusetzen> Hinweise:

Der "Latch" -Zustand ist in dieser Schaltung am interessantesten. Besprechen Sie, was das mit Ihren Schülern bedeutet, zumal es unmöglich ist, den "Latch" -Zustand in Form von festen 1 und 0 zu beschreiben. Bitten Sie auch Ihre Schüler, den "ungültigen" Zustand dieser Verriegelungsschaltung zu identifizieren und zu erklären, warum sie "ungültig" genannt wird.

Diskutieren Sie die Aktiv-Low-Art der Eingänge dieser Latch-Schaltung. Erklären Sie Ihren Schülern, dass viele digitale Funktionen aktiv-niedrig-Eingänge haben, und dass es üblich ist, diese Eingänge zu bezeichnen, indem Sie einen booleschen Komplementationsbalken über den Namen der Eingabe schreiben.

Frage 6

Latch-Schaltungen werden oft als vollständige Einheiten in ihren eigenen Blocksymbolen gezeichnet und nicht als eine Sammlung einzelner Gatter:

Dies vereinfacht schematische Zeichnungen, in denen Zwischenspeicher verwendet werden, ähnlich wie die Verwendung von Gattersymbolen (im Gegensatz zum Zeichnen einzelner Transistoren und Widerstände) die Diagramme einfacherer digitaler Schaltungen vereinfacht.

Von den Blocksymbolen, die in dieser Frage gezeigt werden, gibt es eine Möglichkeit zu bestimmen, welches der SR-Latches mit NOR-Gattern aufgebaut ist und welches mit NAND-Gattern aufgebaut ist. "# 6"> Antwort anzeigen Antwort verbergen

Das ist eine kleine Frage. Wenn NOR und NAND die einzigen verfügbaren Gatterauswahlmöglichkeiten sind, dann wird das linke Latch aus NOR-Gattern und das rechte Latch aus NAND-Gattern hergestellt. Es ist jedoch möglich, SR-Verriegelungen aus anderen Gattern als NOR oder NAND zu machen.

Herausforderungsfrage: Können Sie sich andere Gate-Typen vorstellen, die zum Aufbau von SR-Latch-Schaltungen verwendet werden könnten? Tipp: Es gibt mindestens zwei Alternativen zu NOR und NAND!

Anmerkungen:

Wenn die Schüler bei der Herausforderung bleiben, flüstern sie einfach "DeMorgans Theorem" und beobachten, was passiert!

Frage 7

Die folgende Relais-Logikschaltung dient zum Starten und Stoppen eines Elektromotors:

Zeichnen Sie das CMOS-Logikgatter, das dieser Motor-Start-Stopp-Schaltung entspricht, indem Sie diese beiden Drucktasten als Eingänge verwenden:

Stellen Sie sicher, dass Ihr Schaltplan vollständig ist, und zeigen Sie, wie das Logikgatter den Elektromotor antreibt (durch den gezeigten Leistungstransistor).

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Folgefrage: Warum ist der "Stop" -Schalter in Motorsteuerkreisen immer stromlos geschlossen, sei es Relaislogik oder Halbleiterlogik "Notizen versteckt"> Hinweise:

Besprechen Sie die Folgefragen mit Ihren Schülern. Warum ist der "Stop" -Schalter immer normal geschlossen, wenn wir die Möglichkeit haben, normalerweise offene Kontakte zu wählen? Warum nicht die Druckschalter standardisieren, so dass sie beide vom gleichen Typ sind? Die Antwort hat mit Schaltungsfehlern zu tun, und was als die sicherste Art des Versagens gilt.

Ich vermute, dass viele Studenten den Basiswiderstand in ihren Entwürfen vernachlässigen werden. Dieser Widerstand ist jedoch wichtig für das antreibende Tor. Vielleicht möchten Sie sogar etwas Zeit mit Ihren Schülern verbringen, um einen angemessenen Widerstandswert zu berechnen, wenn Sie folgende Parameter angeben:

Motor "Lauf" Strom = 300 mA
Transistor β = 50
V DD = 6 Volt Gleichstrom

Die Herausforderung Frage möglicherweise zu weit fortgeschritten für Studenten, die noch nicht die Schmerzen erlebt haben versucht, Power-Geräte und Logik-Geräte aus dem gleichen DC-Bus zu betreiben. Es genügt zu sagen, dass es eine gute Entwurfsregel ist, separate DC-Stromversorgungen für Logik- und Lastschaltkreise zu behalten, selbst wenn sie die exakt gleiche Spannung haben!

Frage 8

Eine praktische Anwendung von SR-Latch-Schaltungen ist die Schalterentprellung . Erkläre, was "Bounce" in mechanischen Schaltern bedeutet und erkläre auch, wie diese Schaltung es eliminiert:

Zeigen Sie auch, wo ein Oszilloskop angeschlossen werden könnte, um jeden Schalter "Bounce" anzuzeigen, und erklären Sie, wie das Oszilloskop konfiguriert werden müsste, um dieses vorübergehende Ereignis zu erfassen.

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Die "Verriegelungs" -Fähigkeit der SR-Latch-Schaltung hält den Ausgangszustand während des Prellens des mechanischen Schalters stabil, wodurch ein "sauberer" Ausgangsübergang stattfinden kann.

Wenn der Eingangstastkopf eines Oszilloskops an den S- oder R-Eingang des Latch angeschlossen wird, zeigt dies einen Bounce-Effekt. Um dieses Ereignis zu erfassen, müsste das Oszilloskop für den Single-Sweep-Modus konfiguriert und die Trigger-Steuerelemente ordnungsgemäß eingestellt sein. Ein digitales Speicheroszilloskop ist für diese Art von Arbeit unerlässlich!

Follow-up-Frage: Wie empfehlen Sie die Auswahl geeigneter Pull-Down-Widerstand Größen für diese Schaltung, oder jede CMOS-Schaltung für diese Angelegenheit "Notizen versteckt"> Hinweise:

In vielen Lehrbüchern wird das Entprellen der Schalter als praktisches Beispiel für die SR-Latch-Funktion verwendet, so dass ich keine Hinweise geben werde, wie diese Schaltung funktioniert. Lassen Sie die Schüler selbst recherchieren und lassen Sie sie Ihnen bei der Diskussion erklären.

Wenn die Schüler praktische Beispiele dafür brauchen, wie das "Prellen" des Schalters schlecht sein kann, schlagen Sie digitale Zählerschaltungen vor, bei denen ein mechanischer Schalter bewirkt, dass ein Zähler einmal pro Betätigung inkrementiert (oder dekrementiert) wird. Wenn der Schalter springt, wird der Zähler mehr als einmal pro Schalterbetätigung inkrementieren (oder dekrementieren), was unerwünscht ist.

Die Oszilloskop-Triggerung ist eine dieser Funktionen, die Neueinsteiger von den Scope-Benutzern von den kompetenten Scope-Benutzern unterscheidet. Jeder kann lernen, eine sich wiederholende Wellenform auf einem Oszilloskop mit einem Minimum an Anpassung anzuzeigen. Viele moderne Digitaloszilloskope haben sogar "Auto-configure" -Funktionen, um solche Wellenformen für die Anzeige zu sperren. Um Trigger für einmalige Ereignisse einzurichten, muss der Benutzer jedoch nicht nur die Funktionen des Oszilloskops verstehen, sondern auch die Art des Ereignisses, das erfasst werden soll.

Hinweis für Ihre Schüler, wie der (Q) -Ausgang des Latchs nirgendwohin geht. Oft haben wir Anwendungen, bei denen der zweite Ausgang eines Latchs nicht benutzt wird. Fragen Sie Ihre Schüler, ob dies ein Problem darstellt oder nicht. (Wenn Sie diese Frage mit leeren Blicken beantworten, erinnern Sie die Schüler daran, dass unbenutzte CMOS-Eingänge geerdet oder mit V DD verbunden sein müssen, sonst kann es zu Schäden kommen. Fragen Sie sie, ob die gleiche Regel für Gate-Ausgänge gilt.) eine gute Übersicht über den Aufbau interner Gatterschaltungen.

Frage 9

Vervollständigen Sie das Zeitdiagramm, das den Status des Q-Ausgangs über die Zeit zeigt, während die Set- und Reset-Schalter betätigt werden. Angenommen, Q beginnt beim Hochfahren im niedrigen Zustand:

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Follow-up-Frage: Vervollständige ein schematisches Diagramm, das zeigt, wie der (Q) -Ausgang des Signalspeichers einen elektrischen Motor durch einen Bipolartransistor einschalten könnte. Stellen Sie außerdem fest, ob die Latch-Schaltung bei laufendem Motor Strom an den Transistor liefert oder abgibt :

Anmerkungen:

Nichts Besonderes hier in dieser Frage. Vielleicht liegt der Hauptpunkt darin, die Schüler mit dem Konzept eines Zeitdiagramms vertraut zu machen und die Wahrheitstabelle einer bestimmten Logikschaltung in eine Zeitbereichsdarstellung zu übertragen.

Frage 10

Ein Student erstellt dieses einfache SR-Latch für sein Laborexperiment:

Als die Schülerin diese Schaltung einschaltet, bemerkt sie etwas Seltsames. Manchmal läuft der Latch in dem gesetzten Zustand hoch (Q hoch und (Q) niedrig) und zu anderen Zeiten läuft er in dem zurückgesetzten Zustand hoch (Q niedrig und (Q hoch)). Der Einschaltzustand ihrer Schaltung scheint unberechenbar zu sein.

Welchen Zustand sollte ihre Schaltung in "# 10" einschalten? Antwort anzeigen Antwort ausblenden

Die Schaltung ist in Ordnung und funktioniert ordnungsgemäß. Der normale Einschaltzustand einer Verriegelungsschaltung ist nicht vorhersagbar, solange beide Eingänge inaktiv sind.

Anmerkungen:

Obwohl die Schaltung selbst einfach ist, ist das Phänomen nicht. Erklären Sie Ihren Schülern, dass es sich hier um eine sogenannte Race Condition handelt, bei der zwei oder mehr Gates versuchen, sich gegenseitig zu "rasen", um einen bestimmten logischen Zustand zu erreichen. Analysieren Sie den Einschaltzustand dieser Schaltung mit Ihren Schülern und sie werden sehen, dass ein instabiler Zustand vorliegt, wenn beide Eingänge inaktiv sind!

Frage 11

Die hier gezeigte Schaltung ist ein Gated SR Latch. Schreibe die Wahrheitstabelle für diese Verriegelungsschaltung und erkläre die Funktion des "Aktivieren" (E) -Eingangs:

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Wenn der Eingang Enable Low (0) ist, ignoriert die Schaltung die Eingänge Set und Reset:

Anmerkungen:

Nur eine weitere Ebene der Gating-Funktion wurde zu einer SR-Latch-Schaltung hinzugefügt!

Frage 12

Hier ist eine SR-Latch-Schaltung, die aus NAND-Gattern aufgebaut ist:

Fügen Sie dieser Schaltung zwei weitere NAND-Gatter hinzu, wandeln Sie sie in einen Gated- SR-Latch mit einem Enable (E) -Eingang um und schreiben Sie die Wahrheitstabelle für die neue Schaltung.

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Follow-up-Frage: Erklären Sie, warum die Eingänge der Latch-Schaltung nicht aktiv-niedrig sind, wie sie vor dem Hinzufügen der zwei zusätzlichen NAND-Gatter waren. Mit anderen Worten, warum hat dieses Latch jetzt S- und R-Eingänge anstatt (S) und (R) Eingänge wie vor "Notizen versteckt"> Anmerkungen:

Fragen Sie Ihre Schüler, ob sie einen praktischen Vorteil für diese Latch-Schaltung gegenüber einem aus NOR-Gattern aufgebauten Gated Latch sehen. Was wäre, wenn sie eine Latch-Schaltung aus einzelnen Gates anstatt als eine vollständige integrierte Schaltung an und für sich aufbauen müssten? Wäre ein Entwurf gegenüber dem anderen vorzuziehen?

Fordern Sie dann Ihre Schüler auf, die Wahrheitstabellen der beiden verschiedenen Typen von Gated-Latches zu vergleichen. Gibt es irgendwelche Unterschiede im Betrieb zwischen dem mit NAND-Gattern aufgebauten Signalspeicher und dem mit NOR-Gattern aufgebauten Signalspeicher?

Frage 13

Hier wird ein Gate-SR-Latch verwendet, um die elektrische Energie zu einer starken UV-Lampe zu steuern, die für die Sterilisation von Instrumenten in einer Laborumgebung verwendet wird:

Basierend auf Ihrem Wissen, wie gated SR Latches funktionieren, was ist der Zweck des "Lockout" -Schalters "compact">

Die Lampe ist aus
Der "Lockout" -Schalter sendet ein "Low" -Signal an den Enable-Eingang des Latch

Ändern Sie diese Schaltung so, dass sie das Magnetventil für die Türverriegelung aktiviert und nur dann Zugang zur Kammer ermöglicht, wenn die oben genannten Bedingungen erfüllt sind.

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Der "Lockout" -Schalter deaktiviert effektiv die "Ein" - und "Aus" -Steuerungen, wenn er ein "Niedrig" -Signal an den Enable-Eingang des Latch sendet.

Diese Schaltung verwendet sowohl ein Festkörperrelais (SSR) als auch ein elektromechanisches Relais zum Einfügen zwischen dem Zwischenspeicher und der Lampe. Diese Vorrichtungen ermöglichen es, dass die Niederleistungs-Verriegelungsschaltung die Kontrolle über die Hochleistungslampe übernimmt.

Hier ist eine Möglichkeit für die Türschlosssteuerung:

Follow-up-Frage: Es gibt bessere (sichere) Wege, um dieselbe Funktion zu erreichen. Nehmen wir zum Beispiel an, der TRIAC innerhalb des SSR würde kurzgeschlossen werden, wodurch die Stromversorgung der Lampe aufrechterhalten wird, selbst wenn der Signalspeicher in den "Reset" -Modus geht. Würde die hier gezeigte Türverriegelungslogik verhindern, dass jemand die Tür öffnet und dem starken UV-Licht ausgesetzt wird, "vermerkt" Notizen:

Der Zweck des "Lockout" -Schalters ist ziemlich einfach und sollte für die Schüler leicht zu erklären sein. Auf der anderen Seite ist die Konstruktion und Implementierung eines Türschloss-Sicherheitsschaltkreises eine komplexere Frage, die eine Diskussion verdient, da sie mehrere wichtige und realistische Überlegungen beinhaltet:

Wie gehen wir von einer einfachen verbalen Beschreibung der logischen Bedingungen (Lampe aus, aktivieren niedrig) zu einer tatsächlichen Torschaltung?
Was ist die sicherste Strategie, um zu bestimmen, wann es sicher ist, die Tür zu öffnen?
Wie sollte die Türverriegelungslogik an den Magneten selbst angeschlossen werden (dies wird nicht in der Antwort gezeigt)?
Wie würden die Prinzipien der Aussperrung / Aussperrung für dieses System gelten, wenn wir das Problem aus der Perspektive des Wartungspersonals und nicht des Laborpersonals angehen würden?

Bei der Herausforderung werden die Schüler in Bezug auf die tatsächlichen Ströme und Spannungen und die Einschränkungen der einzelnen Geräte gefragt.

Frage 14

Eine Variation der Gated-SR-Latch-Schaltung ist etwas, das als D-Latch bezeichnet wird :

Vervollständigen Sie die Wahrheitstabelle für diese D-Latch-Schaltung, und identifizieren Sie, welche Zeilen in der Wahrheitstabelle die Setz-, Rücksetz- bzw. Latch- Zustände darstellen.

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Anmerkungen:

Da dieses Gatter nicht über die Eingänge "Set" und "Reset" verfügt, bitten Sie Ihre Schüler zu erklären, welche Bedingungen die Zustände "set" und "reset" definieren. Beachten Sie, dass diese Statusbeschriftungen für jede Art von Latch-Schaltung verwendet werden können.

Für viele Ihrer Schüler mag diese Latch-Schaltung ziemlich nutzlos erscheinen. Erklären Sie ihnen, dass dieses Grund-Latch verwendet werden kann, um Speicherzellen zu bilden, wobei jedes D-Latch 1 binäres Informationsbit speichert! Bitten Sie Ihre Schüler, mit ihren eigenen Worten zu erklären, wie die Selbsthaltung dieser Schaltung eine Gedächtnisfunktion darstellt. Unter welchen Bedingungen (n) wird die gespeicherte Information in einer D-Latch-Speicherzelle verloren gehen "worksheetpanel panel panel-default" itemscope>

Frage 15

Vervollständigen Sie das Zeitdiagramm, das den Zustand des Q-Ausgangs über die Zeit zeigt, während die Eingangsschalter betätigt werden. Angenommen, Q beginnt beim Hochfahren im niedrigen Zustand:

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Follow-up-Frage: Vervollständigen Sie ein schematisches Diagramm, das zeigt, wie diese Verriegelungsschaltung einen Motor über einen MOSFET ein- und ausschalten kann.

Beachte auch, ob dein MOSFET Strom zum Motor liefert oder Strom vom Motor abführt.

Anmerkungen:

Einige Schüler sind möglicherweise verwirrt über die Breite des letzten Impulses am Q-Ausgang. Erinnere sie daran, dass Q solange D folgt, wie der Enable-Eingang aktiviert ist!

Frage 16

Vervollständigen Sie das Zeitdiagramm, das den Zustand des Q-Ausgangs über die Zeit zeigt, während die Eingangsschalter betätigt werden. Angenommen, Q beginnt beim Hochfahren im niedrigen Zustand:

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Anmerkungen:

Lassen Sie Ihre Schüler genau erklären, wie sie die Lösung für die Ausgangswellenform gefunden haben. Verwenden sie eine Wahrheitstabelle für das SR-Latch, um herauszufinden, was passiert "worksheetpanel panel panel-default" itemscope>

Frage 17

Ein Analog-Digital-Wandler ist eine Schaltung, die eine variable (analoge) Spannung oder einen variablen Strom eingibt und mehrere Bits von Binärdaten entsprechend der Größe dieser gemessenen Spannung oder dieses gemessenen Stroms ausgibt. In der hier gezeigten Schaltung gibt ein ADC ein Spannungssignal von einem Potentiometer ein und gibt ein 8-Bit-Binärwort aus, das dann von einem Computer gelesen, digital über ein Kommunikationsnetzwerk übertragen oder auf digitalen Medien gespeichert werden kann:

Wenn sich die Eingangsspannung ändert, ändert sich auch die vom ADC ausgegebene Binärzahl. Angenommen, wir möchten eine Sample-and-Hold- Funktion zu dieser Datenerfassungsschaltung hinzufügen, um es uns zu ermöglichen, die Ausgabe des ADC nach Belieben "einzufrieren". Erklären Sie, wie die Verwendung von acht D-Latch-Schaltungen uns diese Fähigkeit gibt:

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Wenn der Sample / Hold-Schalter in der "Low" -Position ist, fallen die D-Latches alle in den "Latch" -Zustand und halten die letzten gültigen Eingangszustände an ihren Q-Ausgängen.

Anmerkungen:

Sample-and-Hold-Schaltungen sind in der modernen Datenerfassung und anderen Arten von elektronischen Systemen üblich. In diesem Fall zeigt Sample-and-Hold eine praktische Verwendung von D-Latch-Schaltungen. Wenn Ihre Schüler noch nicht von Analog-Digital-Wandlern gehört haben, ist es vielleicht eine gute Idee, einige ihrer allgemeinen Prinzipien zu diskutieren. Um die in der Frage gezeigte Schaltung zu verstehen, ist jedoch keine Kenntnis ihrer internen Abläufe erforderlich.

Frage 18

Gated Latch-Schaltungen kommen häufig in mehreren Mengen mit gemeinsamen Gate-Eingängen, so dass mehr als eine der Latch-Schaltungen in der integrierten Schaltung gleichzeitig aktiviert und deaktiviert werden. Untersuchen Sie dieses Logiksymbol, das für den 74AC16373 repräsentativ ist, einen 16-Bit-D-Typ-Latch mit Tristate-Ausgängen:

Beachten Sie, wie die sechzehn D-Latches in zwei Achtergruppen unterteilt sind. Erklären Sie die Funktionen der vier Eingänge ganz oben auf dem Symbol (1EN, C1, 2EN und C2). Welche dieser Eingangsleitungen entspricht den "Enable" -Eingängen, die an einzelnen D-Typ-Latch-Schaltungen zu sehen sind. "# 18"> Antwort anzeigen Antwort ausblenden

Die Eingänge C1 und C2 führen die Standardfunktion "Enabling" für die D-Latches innerhalb dieser integrierten Schaltung aus. Die Eingänge 1EN und 2EN steuern die Tristate-Ausgänge. Ihre "Keil" -Symbole bedeuten "ergänzt" und entsprechen den "Blasen", die auf traditionellen Torsymbolen zu sehen sind.

Um alle 16 Latchs als einen zu aktivieren und zu deaktivieren, überbrücken Sie die Enable-Eingänge als solche:

Anmerkungen:

Diese Frage führt die Studenten nicht nur zu dem Konzept der Mehrfachverriegelung in einer einzigen integrierten Schaltung ein, sondern zeigt auch ein Beispiel der IEEE / ANSI- "Block" -Symbolik. Ihre Studenten, die sich inzwischen gut an die Idee der unabhängigen Forschung gewöhnt haben, sollten das Datenblatt für diese Schaltung (74AC16373) als Teil ihrer Studie erhalten haben. Die in dem Datenblatt enthaltenen Informationen sollten sich als ziemlich informativ erweisen, wenn sie ihre Fragen über Aktivierungseingabefunktionen, Tristate-Ausgaben und dergleichen beantworten. Wenn sie keine Datenblätter erhalten haben und die Antworten auf die Frage (n) nicht verstehen können, sagen Sie ihnen nicht einfach - lassen Sie sie selbst nachschlagen!

Frage 19

In vielen Arten von digitalen Systemen ist ein Satz von Rechteckwellen um 90º zueinander phasenverschoben. Eine solche Phasenbeziehung wird Quadratur genannt .

Bestimmen Sie den Ausgang eines D-Typ-Latch für dieses Paar von Quadratursignalen, die an die D- und E-Eingänge im Laufe der Zeit angelegt werden:

Dann bestimmen Sie den Ausgang eines D-Latch, wenn die Phasenbeziehung umgekehrt wird (D führt E um 90 o, anstatt E um 90 o ).

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Anmerkungen:

Insbesondere bei Latch-Schaltkreisen (und später mit Flip-Flops) müssen die Studierenden in der Lage sein, Pulsdiagramme zu analysieren, da diese Arten von Schaltungen häufig in pulsgetriebenen Systemen Anwendung finden.

Frage 20

Diese Einbahnstraße ist mit einem Alarm ausgestattet, um Fahrern zu signalisieren, dass sie in die falsche Richtung fahren. Die Sensoren arbeiten, indem Lichtstrahlen gebrochen werden, wenn ein Automobil zwischen ihnen hindurchfährt. Die Entfernung zwischen den Sensoren ist kleiner als die Länge eines normalen Autos, was bedeutet, wenn ein Auto vorbeifährt, wird zuerst ein Strahl gebrochen, dann werden beide Strahlen gebrochen, dann wird nur der letzte Strahl gebrochen, dann wird kein Strahl gebrochen. Die Sensoren sind Fototransistoren, die nur für das schmale Spektrum des von den Laserlichtquellen emittierten Lichts empfindlich sind, so dass das Sonnenlicht der Umgebung sie nicht "täuscht":

Beide Sensoren sind mit den Eingängen eines D-Typ-Latch verbunden, der dann mit einer anderen Schaltung verbunden ist, um einen Alarm auszulösen, wenn ein Auto die Straße falsch fährt:

Die erste Frage lautet: Welcher Weg ist der richtige Weg, diese Straße hinunterzufahren? "# 20"> Antwort anzeigen Antwort ausblenden

Von links nach rechts ist die richtige Fahrtrichtung für diese Straße.

Wenn die Lichtquelle von Sensor A ausfällt, wird der Alarm niemals aktiviert. Eine fehlerhafte Lichtquelle für den Sensor B wird unterschiedliche Auswirkungen auf das System haben, abhängig davon, ob der Sensor A ein "Hoch" - oder ein "Niedrig" -Signal zum Zeitpunkt B der Lichtquelle an die Latch-Schaltung gesendet hat. Ich werde dich herausfinden lassen, welcher Weg den Alarm auslöst!

Anmerkungen:

Diese Frage ist eine großartige Problemlösungsübung. Die Schüler müssen herausfinden, wie man sie einrichtet, so dass sie die Regeln von Latch-Schaltungen und Gate-Schaltungen anwenden können, dann müssen sie sie richtig analysieren! Widmen Sie viel Unterrichtszeit einer Diskussion dieses Problems.

Die Schüler können sich widersetzen, ein Zeitdiagramm zu zeichnen, wenn sie sich diesem Problem nähern, selbst wenn sie den Nutzen eines solchen Diagramms erkennen. Stattdessen werden viele versuchen, die Schaltung herauszufinden, indem sie sie betrachten. Beachten Sie die Betonung des Wortes "try". Diese Schaltung ist ohne ein Timing-Diagramm viel schwieriger herauszufinden! Halten Sie Ihre Erklärung dieser Schaltung zurück, bis jeder Student Ihnen ein Zeitdiagramm dafür zeigt. Betonen Sie die Tatsache, dass dieser Schritt, obwohl er ein wenig Zeit verbraucht, tatsächlich eine Zeitersparnis am Ende ist.

Es ist leicht, sich als Dozent so intensiv auf das Lehren der elektronischen Theorie zu konzentrieren, dass andere praktische Dinge vernachlässigt werden. Elektroniker und Ingenieure arbeiten nicht nur an Schaltungen; Sie arbeiten an Systemen, die elektronische Schaltungen verwenden. Letztendlich wird fast jede elektronische Schaltung, mit der sie arbeiten, eine Beziehung zur physischen Welt haben. Problemlösungsübungen in der Schule müssen realitätsnahe Szenarien umfassen, in denen andere Bedingungen und Funktionen als die Elektronik eine Rolle bei der Lösungsfindung spielen. Nur wenn man die Schüler Problemen aussetzt, die sie dazu zwingen, über die reine Elektronik hinaus zu denken, werden sie angemessen auf die Herausforderungen ihrer zukünftigen Karriere vorbereitet sein.

Frage 21

Identifizieren Sie mindestens einen Komponentenfehler, der dazu führen würde, dass die LED "(Q)" immer ausgeschaltet bleibt, unabhängig davon, was mit den Eingangsschaltern geschehen ist.

Erläutern Sie für jeden Ihrer vorgeschlagenen Fehler, warum dies das beschriebene Problem verursacht.

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Der Widerstand R3 ist ausgefallen.
Das Ausgangssignal des NOR-Gatters U 1 ist niedrig ausgefallen.
Der Widerstand R 1 ist nicht geöffnet (vorausgesetzt, dass genügend elektrisches Umgebungsrauschen vorhanden ist, um einen Floating-Gate-Eingang zu aktivieren).
"Setzen" -Schalterkontakte sind kurzgeschlossen.

Anmerkungen:

Verriegelungsschaltungen können aufgrund ihrer positiven Rückkopplung verwirrend sein. Fragen wie diese sind wichtige Werkzeuge, um das Verständnis der Schüler für die Latch-Schaltungen zu verbessern.

Frage 22

Identifizieren Sie mindestens einen Komponentenfehler, der dazu führen würde, dass die "Q" -LED immer an bleibt, egal was mit den Eingangsschaltern gemacht wurde.

Erläutern Sie für jeden Ihrer vorgeschlagenen Fehler, warum dies das beschriebene Problem verursacht.

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Das Ausgangssignal des NOR-Gatters U2 ist ausgefallen.
Drahtbruch zwischen "Reset" -Schalter und Widerstand R 2 (obwohl, wenn dies der einzige Fehler war, kann es passieren, dass die Q-LED beim Einschalten aktiviert wird, aber erst nach dem Drücken der "Set" -Taste nicht abgeschaltet wird).

Folgefrage: Erklären Sie, warum die Art des Problems die Möglichkeit ausschließt, dass der einzige Fehler etwas mit den Rückkopplungsverbindungen zwischen U 1 und U 2 zu tun hat.

Anmerkungen:

Verriegelungsschaltungen können aufgrund ihrer positiven Rückkopplung verwirrend sein. Fragen wie diese sind wichtige Werkzeuge, um das Verständnis der Schüler für die Latch-Schaltungen zu verbessern.

Frage 23

Eine sehr übliche Form der Verriegelungsschaltung ist die einfache "Start-Stop" -Relaisschaltung, die für Motorsteuerungen verwendet wird, wobei ein Paar von Drucktasten mit momentanem Kontakt den Betrieb eines Elektromotors steuert. In diesem speziellen Fall zeige ich eine Niederspannungs-Steuerschaltung und einen 3-Phasen-Hochspannungsmotor:

Erläutern Sie den Betrieb dieser Schaltung von der Betätigung des Schalters "Start" bis zur Betätigung des Schalters "Stop". Der normalerweise offene Kontakt M1, der in der Niederspannungs-Steuerschaltung gezeigt ist, wird üblicherweise als Ein -Kontakt-Kontakt bezeichnet . Erläutern Sie, was dieser Kontakt bewirkt und warum er als "seal-in" -Kontakt bezeichnet werden könnte.

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Obwohl die "Start" - und "Stop" -Schalter momentan sind, bewirkt der "Einlauf" -Kontakt, dass die Schaltung in einem von zwei Zuständen einrastet: Entweder Motor erregt oder Motor nicht erregt.

Anmerkungen:

Motorstart-Stopp-Schaltungen sind in der Industrie weit verbreitet und gelten für Anwendungen jenseits von Elektromotoren. Fragen Sie Ihre Schüler, ob sie an eine solche Anwendung denken können.

Frage 24

Ein Schüler entscheidet sich dafür, eine Motor-Start / Stopp-Steuerschaltung basierend auf der Logik eines NOR-Gatter-SR-Latch anstatt der üblichen einfachen "dichte" Kontaktschaltung zu bauen:

Die Schaltung funktioniert gut, außer dass manchmal der Motor von selbst startet, wenn der Stromkreis zum ersten Mal eingeschaltet wird! Zu anderen Zeiten bleibt der Motor nach dem Einschalten ausgeschaltet. Mit anderen Worten, der Einschaltzustand dieser Schaltung ist nicht vorhersagbar.

Erklären Sie, warum dies so ist und was getan werden könnte, um zu verhindern, dass der Motor im Zustand "run" läuft.

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Was Sie hier haben, ist etwas, das als Race Condition bezeichnet wird, in dem sich zwei oder mehr Staffeln gegenseitig "rasen", um sich gegenseitig ausschließende Zustände zu erreichen. Dies ist ein schwer zu behebendes Problem, aber die Lösung (und ja, es gibt mehr als eine gültige Lösung!) Beinhaltet unweigerlich das "Rigging" des Rennens, so dass eines der Relais garantiert "gewinnt".

Anmerkungen:

Analysieren Sie die Einschaltzustände dieser Schaltung mit Ihren Schülern, und der Zustand "Rennen" wird offensichtlich. Solche Probleme können im wirklichen Leben sehr schwer zu lokalisieren und zu beheben sein, daher ist es gut, die Schüler ihnen früh in ihrer Ausbildung und in Kontexten zu zeigen, in denen die Schaltkreise nicht zu verwirrend sind.

Frage 25

Sitz nicht nur da! Baue etwas !!

Das Erlernen der Analyse von Relaisschaltungen erfordert viel Übung und Übung. Üblicherweise üben die Schüler, indem sie viele Beispielprobleme durcharbeiten und ihre Antworten mit denen des Lehrbuchs oder des Lehrers vergleichen. Während das gut ist, gibt es einen viel besseren Weg.

Sie werden viel mehr lernen, indem Sie reale Schaltkreise erstellen und analysieren und Ihr Testgerät die "Antworten" anstatt eines Buches oder einer anderen Person liefern lassen. Führen Sie die folgenden Schritte aus, um erfolgreiche Übungen für den Schaltungsaufbau durchzuführen:

  1. Zeichnen Sie das schematische Diagramm für die zu analysierende Relaisschaltung.
  2. Bauen Sie diese Schaltung vorsichtig auf einem Steckbrett oder einem anderen geeigneten Medium auf.
  3. Überprüfen Sie die Genauigkeit der Schaltungskonstruktion, folgen Sie jeder Leitung zu jedem Verbindungspunkt und überprüfen Sie diese Elemente nacheinander in der Abbildung.
  4. Analysieren Sie die Schaltung und bestimmen Sie alle logischen Zustände für gegebene Eingangsbedingungen.
  5. Messen Sie diese Logikzustände sorgfältig, um die Genauigkeit Ihrer Analyse zu überprüfen.
  6. Wenn es Fehler gibt, überprüfen Sie sorgfältig die Konstruktion Ihres Schaltkreises gegen das Diagramm, dann analysieren Sie die Schaltung sorgfältig und messen Sie erneut.

Vergewissern Sie sich immer, dass die Spannungspegel der Stromversorgung den Spezifikationen der Relaisspulen entsprechen, die Sie verwenden möchten. Ich empfehle die Verwendung von PC-Platinen-Relais mit Spulenspannungen, die für eine Batterie geeignet sind (6 Volt ist gut). Relaisspulen ziehen viel mehr Strom als beispielsweise Halbleiter-Logikgatter. Verwenden Sie daher eine 6-Volt-Batterie der Größe "Laterne" für eine angemessene Betriebsdauer.

Eine Möglichkeit, Zeit zu sparen und Fehler zu reduzieren, ist zunächst eine sehr einfache Schaltung, die schrittweise Komponenten hinzufügt, um ihre Komplexität nach jeder Analyse zu erhöhen, anstatt für jedes Übungsproblem eine ganz neue Schaltung zu erstellen. Eine weitere zeitsparende Technik ist die Wiederverwendung der gleichen Komponenten in einer Vielzahl verschiedener Schaltungskonfigurationen. Auf diese Weise müssen Sie den Wert einer Komponente nicht mehr als einmal messen.

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Lassen Sie die Elektronen selbst Antworten auf Ihre eigenen "Übungsprobleme" geben!

Anmerkungen:

Es ist meine Erfahrung, dass Studenten viel Übung mit Schaltungsanalyse benötigen, um kompetent zu werden. Zu diesem Zweck stellen die Dozenten ihren Studenten normalerweise viele Übungsprobleme zur Verfügung und geben den Studenten Antworten auf ihre Arbeit. Während dieser Ansatz Schüler in der Schaltungstheorie kompetent macht, kann sie sie nicht vollständig ausbilden.

Studenten brauchen nicht nur mathematische Praxis. Sie brauchen auch echte, praktische Übungsschaltkreise und Testgeräte. Daher schlage ich den folgenden alternativen Ansatz vor: Schüler sollten ihre eigenen "Übungsprobleme" mit realen Komponenten aufbauen und versuchen, die verschiedenen logischen Zustände vorherzusagen. Auf diese Weise wird die Relay-Theorie "lebendig", und die Studenten erlangen praktische Kenntnisse, die sie nicht nur durch Lösen von Booleschen Gleichungen oder Vereinfachen von Karnaugh-Karten gewinnen würden.

Ein weiterer Grund für die Anwendung dieser Methode besteht darin, den Schülern eine wissenschaftliche Methode beizubringen: den Prozess des Testens einer Hypothese (in diesem Fall logische Zustandsvorhersagen) durch Ausführen eines echten Experiments. Die Schüler entwickeln auch echte Fähigkeiten zur Fehlersuche, da sie gelegentlich Schaltungsfehler machen.

Verbringen Sie einige Momente mit Ihrer Klasse, um einige der "Regeln" für den Aufbau von Schaltungen zu überprüfen, bevor sie beginnen. Besprechen Sie diese Probleme mit Ihren Schülern auf die gleiche sokratische Weise, dass Sie normalerweise die Arbeitsblattfragen diskutieren, anstatt ihnen einfach zu sagen, was sie tun sollten und was nicht. Ich bin immer wieder erstaunt darüber, wie schlecht die Schüler Anweisungen verstehen, wenn sie in einem typischen Vortragsformat (Instructor Monolog) präsentiert werden!

Ein Hinweis an die Dozenten, die sich über die "verschwendete" Zeit beschweren können, die erforderlich ist, damit die Schüler reale Schaltungen aufbauen können, anstatt nur theoretische Schaltkreise mathematisch zu analysieren:

Was ist der Zweck der Schüler, die Ihren Kurs belegen? "Worksheetpanel panel panel-default" itemscope>

Frage 26

Latch-Schaltungen wie der SR-Latch und der D-Latch werden oft als transparente digitale Geräte bezeichnet. Erläutern Sie, was dieser Begriff bedeutet und warum Latches als solche klassifiziert werden.

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Ein "transparentes" digitales Gerät ist eines, dessen Ausgänge unmittelbar und asynchron (transparent) dem (den) Eingangssignal (en) folgen, wenn es aktiviert ist. Im Gegensatz dazu sind viele andere digitale Geräte synchron, dh ihre Ausgänge folgen den Eingängen nur zu bestimmten Zeiten (auf Befehl eines "Takt" -Signals).

Anmerkungen:

Der Ausdruck "transparent" wird bedeutsamer, wenn Zwischenspeicher und Flip-Flops miteinander verglichen werden.

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