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/

Pracownia Elektroniczna Informacje o programie ćwiczeń: http://zefir.if.uj.edu.pl/spe/

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

Klasyfikacja układów elektronicznych Układy przebiegów sinusoidalnych: filtry, wzmacniacze, generatory, modulatory Układy impulsowe: układy elektroniki cyfrowej, wzmacniacze impulsowe, przetworniki analogowo-cyfrowe, dyskryminatory Układy zasilające: układy służące do zasilania i sterowania pracą innych układów

Układ pomiarowy komputer czujnik układ analogowy przetwornik analogowo-cyfrowy

Prawo Coulomba W 1785 roku w oparciu o doświadczenia z ładunkami Charles Augustin Coulomb doszedł do następującego sformułowania: Waga Skręceń Prawo coulomba F - przyciągająca dla ładunków przeciwnych (+/-) a odpychająca dla jednakowych (+/+), (-/-) i działa wzdłuż linii łączącej ładunki.

1C 1C 1m 1 kg 1 kg 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 ładunku 1 kulomba w odległości 1m od siebie, to stosunek siły kulombowskiej do siły grawitacji ma się jak 1019: 1. 1C 1C 1m 1 kg 1 kg

Prąd elektryczny I(A) – natężenie prądu U(V) – napięcie Nośniki prądu: elektrony (-) jony (+,-) dziury (+)

U – napięcie = praca/ładunek Prąd elektryczny 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. U – napięcie = praca/ładunek

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. R – opór elektryczny

Prąd elektryczny I U R U=RI – prawo Ohma

I prawo Kirchhoffa I2 I1 węzeł I4 I3

II prawo Kirchhoffa U1 U5 U4 U3 U2 oczko sieci

Łączenie oporników R1 R2 R3 szeregowe R1 równoległe R2

Dzielnik napięcia I R1 U R2 U2 Przykład: U= 12 V R1= 4 k, R2= 8 k I = 1 mA, U2= 8 V

Tablica twórnych jednostek miar  - 10-6 n - 10-9 p - 10-12 f - 10-15 G - 109 M - 106 k - 103 1 nA = 10-9 A

Prąd przemienny (ang. alternating current, AC) I(A) 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)

Sygnał – przebieg (zmiana w czasie) dowolnej wielkości fizycznej, będącej nośnikiem informacji Sygnał analogowy – zmieniający się w sposób ciągły w czasie Sygnał sinusoidalny: U0 - amplituda T – okres zmienności f=1/T - częstotliwość U(V) T t (s) częstotliwość kołowa

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.

Sygnał cyfrowy t (s) U(V) 5V 1

Oscyloskop Budowa lampy oscyloskopowej: Elektrody odchylające Działo elektronowe Wiązka elektronów Cewka skupiająca Pokryta luminoforem wewnętrzna strona lampy.

Oscyloskop

Liczby zespolone Często zamiast i wystepuje symbol j Im a   wzór Eulera   Re

Prąd zmienny U I t

Prąd zmienny U I t

Prąd zmienny Re Im U I U I

Kondensator +Q -Q U C Pojemność kondensatora

Kondensator Pojemność kondensatora +Q -Q U C

Cewka indukcyjna L U I L – indukcyjność cewki

Cewka indukcyjna L U I L – indukcyjność cewki H - henr

Dwójniki - układ posiadający dwa zaciski elektryczne L C R Typowy przykład dwójnika: czujnik mierzący określoną wielkość fizyczną R

Parametry wejściowe – wymuszenie Parametry wyjściowe – odpowiedź układu na określone wymuszenie parametr wyjściowy parametr wejściowy Pi – wielkość fizyczna od których może zależeć odpowiedź układu np.: temperatura, oświetlenie, ciśnienie.

Dwójniki liniowe i stacjonarne Ogólnie U =U(t0) może zależeć od zmiany parametrów w czasie dla -  t  t0 t0 t 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)

Realnie istniejące elementy elektroniczne tylko w przybliżeniu 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 przybliżeniu liniowe i stacjonarne

Rozważmy wymuszenie postaci: Dla elementów liniowych mamy odpowiedź: Dla małych t0 rozwijamy U(t+t0) w szereg Taylora w otoczeniu punktu t:

Porównując (*) i (**) dostajemy:

Możemy teraz zdefiniować funkcje odpowiedzi Dla wymuszeń sinusoidalnych przyjmujemy p w postaci częstość kołowa f - częstość T - okres wymuszenia Możemy też zapisać