ATR0110 ANALOOG- JA DIGITAALTEHNIKA

Väljavõte

1 ATR0110 ANALOOG- JA DIGITAALTEHNIKA Kevad 2020 Sissejuhatus, passiivkomponendid Martin Jaanus NRG Õppetöö : Õppematerjalid :

2 Kes ma olen? Lõpetanud Jõhvi Gümnaaiumi Lõpetanud Tallinna Tehnikaülikooli doktoriõppe Õppejõud, kõrgtasemel elektroonikainimene.

3 Kes teine kassi saba ikka tõstab.. kui kass ise. Kuigi kursus on minu koostatud, kuulub mu siiras tänu kahele Inimesele. Vello ja Kadri, ilma teie eeltöö, abi ja toetuseta ei oleks selline asi võimalik! Päriselt.

4 Kes teine kassi saba ikka tõstab.. Aga mõnikord tõstavad ka teised

5 Teemad selles õppeaines Sissejuhatus, passiivkomponendid (R, L,C) RLC aeg ja sagedus, filtrid. Pooljuhid (dioodid, transistorid jne) Transistori (BJT, MOS) kasutamine (aktiiv, lülitusrežiim, nõrk-tugevvool), karakteristikud, ühendusviisid. Transisorskeemide disain (võimendi, vooluallikas, difaste, klassid A,B,C,D) Tagasiside,OV, mis on selle sees. Generaatorid. Nii analoog kui ka digitehnika jaoks. OV kasutusvõimalused, skeem ja disainiinäited. Sekundaartoiteallikad (tööpõhimõte, lineaarsete skeemide disain) Analoogseadmete disain (trükkplaadid, koostamise reeglid jms) Digitaal+Analoog, muundamine, omavaheline ühendamine Digitaaltehnika loogikaavaldistest skeemideni, teisendamine elementbaasile (NING-EI,VÕI-EI), kombinatsiooniloogika Digitaaltehnika mäluga elemendid. Automaadid, koostamise ideed Digitaaltehnika mikroprotsessorid (kontrollerid) Üldine tööpõhimõte. Digitaaltehnika arvuti sisene aritmeetika, assemblerkeel. Digitaaltehnika keerukamate süsteemide disain

6 M.J Elektroonikapüramiid Tipptehnoloogia Nutiseadmed Sotsiaalmeedia Videomängud Iseautod Laiskus. Hiina.. Jne. Meie hea elu

7 Teadmised,oskused,disain Mugavus,lihtsus,kasutamine Elektroonikapüramiid Tipptehnoloogia Nutiseadmed Sotsiaalmeedia Videomängud Iseautod Laiskus. Hiina.. Jne. Lihtloogika f(x) Operatsioonvõimendi Loogikafunktsioonid Opsüs Kõrgkeeled Programmeeritav automaat(arvuti,asm) Loogika ja aja funksioonid (automaat) f(x) Meie hea elu Toiteseadmed = 220 V 5V Generaatorid, filtrid, analoogarvuti Raadioside Juhtmega side Võimendid, kolmklemmid Ideaalkomponendid, kaksklemmid Füüsikaseadused, suuruste omavahelised seosed (Maxwell, Newton, Ohm..) Loodus : füüsikalised suurused ( jõud, pinge, rõhk,mass ), Mõõtmine!!! M.J. 2020

8 Digitaaltehnika Digitaalne ( ladina keeles digitis sõrm, inglise keeles digit- number) tähendab numbriline. Kasutusel (erinevalt pidevsüsteemist ehk analoogsüsteemist) kindlad, kokkulepitud signaali väärtused. Digisignaal saab muutuda astmete kaupa, lõplikud väärtused. Põhiline kasutus on kahendsüsteem, sest seda on lihtne kasutada (signaal kas on või ei ole) Reeglina digitaalelektroonikas on digitaalne (kindlate väärtustega) ka aeg.

9 Analoogtehnika Analoog (ingl - analogue ) on ese või nähtus, mida saab selle olemuslike tunnuste poolest suhestada või võrrelda mingi teise eseme või nähtusega. (wikipedia) Analoogsignaal on pidev signaal ehk signaal, millel on lõpmatu arv olekuid ning mis on igal hetkel määratud (s.t mida saab igal ajamomendil mõõta). Kuna enamik looduslikke ja tehislikke protsesse on pidevatoimelised, siis kajastavad analoogsignaalid neid vägagi adekvaatselt. Kõige laiemalt kasutatakse elektrilisi analoogsignaale, kuid kasutamist leiavad ka pneumaatilised, optilised jt. signaalid. (wikipedia)

10 Analoogtehnika Lühikokkuvõte opvõimendi (helivõimendi)

11 Analoogtehnika Lühikokkuvõte opvõimendi (helivõimendi) Selle õppeaine jaoks disainitud. Võimendi kui õppematerjal! Väljundvõimsus 4 W 4 oomil. Toitepinge umbes 9V AC Skeem on korratav. Saab muuta generaatoriks, Komparaatorks...aktiivfiltriks Aga ka kodutööde testimiseks

12 Analoogtehnika Eelmine slaid Hiinast tellides :

13 Analoogtehnika Ei usu?

14 Õppetöö korraldus Inimene Arvuti Inimene (õppejõud,juhendaja ) Inimene Eesmärk Juhendaja Õppija Tulemus Mõõtja Inimene Arvuti Mõõdetakse ära õppurite praktiliste ülesannete lahendamisoskused. Lõppkokkuvõttes tulemus peaks = eesmärk.

15 Õppetöö korraldus Mida külvad, seda lõikad (Eesti vanasõna). Mida mõõdame, seda saame (endiste automaatikute vanasõna). Ma kuulen - unustan ära, näen-jääb meelde, teen ise- oskan (Confucius) Õppimise põhieesmärk targemaks saada (see ei välista teisi eesmärke ). Te õpite iseendale! Spikerdamisel on siis mõte kui vajate hinnet kellegi teise jaoks (vanaema, ema, sponsor...) Natuke 14 aasta vanust juttu sel teemal

16 Õppetöö korraldus Kõik tegevused on veebipõhised (selles keskonnas on üppetegevus) Ise otsustate, millal teete, mida teete ja kus teete. Katsete arvu määrate ise (teete nii kaua kuni oskate) Kontrolltöö (mikroeksam -ei ole karistus, vaid teadmiste kinnitamine). Ärge kartke valesti vastata!.

17 Õppetöö korraldus Kõik selle veebikeskkonna ained koosnevad mikrooskustest kompetentsidest. Igal oskusel on tema osakaal kogumahust ning tase ( ) Iga ülesanne võib hõlmata mitut väikest oskust kompetentsi. Kompetents võetakse arvesse kui selle tase on suurem kui 77 Süsteem kasutab mälumudelit üritab ennustada Teie unustamist, sestap tuleb valdkonnaülesanded korduvalt lahendada.

18 Sügis 2018 Mis kell õpitakse

19 Sügis 2018 Mis kell õpitakse (laborikatsed)

20 Sügis 2018 Mis päeval õpitakse (228 aktiivset tudengit)

21 Veebikeskkond Keskkond on kakskeelne ekraanipildid on siin inglise keeles.

22 Kui ei ole varem registreerunud:

23 Kui ei ole varem registreerunud:...ning andmed puuduvad andmebaasist Täita tuleb hoolikalt!!!

24 Kui ei ole varem registreerunud: Õppejõud kinnitab andmed ja saabub selline e-kiri.

25 Kui ei ole varem registreerunud: Kui õppejõud on vastanud siis teine samm.

26 Kui ei ole varem registreerunud:

27 Kui ei ole varem registreerunud: Te saate parooli! Jätke see meelde! Seda ei saa muuta. Kui unustate selle küsige.

28 Kui ei ole varem registreerunud: Tuleb nõustuda teatud asjadega..

29 Kursuse lisamine

30 Kursuse lisamine

31 Tehtud! Keskkonna kasutusjuhend:

32 Õppekeskkond Ülesanded Result OK Result NOT OK Küsimus õppejõule.

33 Interaktiivsed laborid Laborikatsed kuuluvad kontrolltöö koosseisu, kohvreid saab laenutada ja teha katseid kodus!

34 Interaktiivsed laborid (2) Koht on NRG 323, ajad täpsustuvad lähiajal. Igaühe katsete arv on erinev. Saab ka konsultatsiooni tulla (küsija suupihta ei lööda) Siin saab ka kontrolltööd teha.

35 Kodutööd (1) Tuleb üles laadida pdf faili kujul samasse keskkonda. Kodutöö tuleb õppejõule ära kaitsta!

36 Kodutööd (2) Transistorvõimendi disain (500 map) Digitaalskeemi (koodimuunduri ) süntees (500 map) Koodimuunduri programm assembleris (600 map) Valikulised: Transistorvõimendile trükkplaadi disain ja valmistamine (500 map) Digitaalskeemile trükkplaadi disain ja valmistamine (500 map) Jootmiskoolitus (500mAP) Et saada lõpphinnet > 1, on vaja ära teha vähemalt 1 kodutöö. Hinde >4 saamiseks vähemalt kolm esimest kodutööd! Kodudtööde edukas kaitsmine enne kontrolltöö sooritust vähendab selle mahtu (sõltub teemast )!

37 Kontrolltöö Ülesannete ja laborikatsete tegemine valve all Võib kasutada kõiki mittebioloogilisi abivahendeid Ka internetist õige vastuse leidmine on vajalik oskus! Arvuti pakub lahendamiseks ülesandeid tuleb arvutile tõestada oma oskuseid. Ülesanded tulevad sarnased nendele mida teinud olete Igal ülesandel on erinev kaal Kõik kogutud punktid tuleb kinnitada. Need punktid viivad teid lähemale hindele. Kodutööd ei kuulu kontroltöö hulka, neid tuleb kaitsta eraldi. Aga kodutöö tulemusena võib saada kinnitused ka teemadele, mis tulevad kontrolltöösse!

38 Hinde võtmine Hinde võtate te ise, pärast kontrolltööd, sellise, mis teile sobib! Hinne võib ka langeda, kui kõrgemaks tegemise lootuses selgub, et oskused ei ole piisavad. Kõik tegevused on aktiivsed kuni 13 juuni 2020! Muud tähtajad puuduvad!

39 Natuke ajaloost Elektroonika sünniaastaks loetakse aastat 1906, mil USA insener Lee De Forest leiutas Audioni (võimendava elektronlambi trioodi). Kahe elektroodiga lamp diood 1904) Avanes võimalus väikese energiahulgaga kontrollida suurema hulga energia liikumist. Pilt- wikipedia (Audion 1906)

40 Natuke ajaloost (2) Pooljuhtdiood (kristalldiood ) pärineb aastast 1874, kus saksa teadlane Ferdinand Braun avastas pooljuhtefekti kristallides. Dioodi omapära avaldada erisuunas liikuvale laengutele erinevat vastupanu. Pilt- wikipedia (Crystal detector)

41 Natuke ajaloost (3) Transistori sünniaastaks loetakse aastat 1947, mil John Bardeen, William Shockley ja Walter Brattain demonstreerisid bipolaartransistorit. Väljatransistor patenteeriti 1925 aastal aga ideest kaugemale ei jõutud sai transistore poest osta esimene transistorarvuti ränitransistor 1958 esimene integraallülitus (mikroskeem) miljonit transistori ruutsentimeetrile Pilt- wikipedia (Transistor)

42 Natuke ajaloost (4) 1705 Binaarsüsteem (0,1) Gottfried Wilhelm Leibniz 1886 Georg Boole algebra (loogikatehted), releeloogika 1907 Audioni (elektronlambi) kasutamine NING-EI tehtes tänapäevase loogikaelementide eelkäijad Esimene elektrooniliselt programmeeritav automaat (Konrad Zuze, Z3), kasutas elektronlampe Esimene täispooljuhtarvuti Esimene loogikamikroskeem. Tööstusautomaatika digijuhtmoodul (1973) NSVL

43 PASSIIVKOMPONENDID

44 Miks on kasulik lihtsustada? Oluline on olulist ebaolulisest eristada. Ka elus on sedasi! Saame eemaldada selle, mis meid segab. Lihtsatest asjadest saab teha alati keerulisemat. Kõige lihtsam komponent on kaksklemm. Sisu võib olla suvaline, aga maailma näeb läbi kahe klemmi!

45 Lineaarne kaksklemm I + V V V I I autonoomne av+bi+c=0 mitteautonoomne

46 Suunad Kui ei ole märgitud teisiti siis: Voolu kokkuleppeline suund on positiivselt klemmilt miinusele (võime suunda muuta, aga siis muutub ka märk! Pinge on määratud potentsiaalide vahega + klemmil klemmi suhtes (suuna muutmisel muutub märk!) + V I

47 Lineaarne kaksklemm I I I s V V I s a=0 I=const V o + b=0 V=const Ideaalne vooluallikas Ideaalne pingeallikas

48 c=0 Lineaarne kaksklemm I V I + V V=RI V = A I=GV oom S siimens A = V R=0 - lühis G=0 - tühis

49 Takistus ja juhtivus Takistuseks ehk elektritakistuseks nimetatakse juhi omadust avaldada elektrilaengute liikumisele takistavat mõju. Elektritakistuse (tähis R) mõõtühik SI-süsteemis on oom( Ω). 1 Ω on takistus, millel 1 A voolu läbimisel tekib pinge 1 V. Elektritakistuse pöördväärtus on elektrijuhtivus (tähis G), ühik siimens (S). G=1/R ja R=1/G Püsitakisti (resistor) Tähtsaim omadus takistus! (muude omaduste tähtsus sõltub olukorrast) Pilt:Facebook

50 Alalisvool (ja pinge) Alalissignaal (DC, Direct current ), (vool või pinge) aeglaselt muutuv signaal. Märgiga suurus. Signaal mõõtmise ajahetkel ei muutu. Staatiline olek. V4 V t 0 t

51 Vahelduvvool (ja pinge) Vahelduvsignaal (AC, Alternative current ), (vool või pinge) Vaadeldava aja jooksul muutuv signaal. Muutub voolu suund Erinevad väärtused. 350 V V Perioodiline t -20 Mitteperioodiline t

52 Vahelduvvool (ja pinge) V p-p Perioodiline signaal, amplituud, tipust tippu, periood Näiteks: u(t)=a*sin(2πt+φ) Amplituud (A) Max (V) Perood (T) Amplituud (A) Min (V) Signaalil on mitu väärtust Amplituudväärtus Tippväärtus (max,min) Keskväärtus: U0 = 1 T න u t dt 0 Mooduli keskväärtus Umk = 1 T න 0 Efektiivväärtus (rms, (root mean square) T T Umk = 1 T න 0 u t dt T u 2 t dt -350 t

53 Kondensaator Kondensaator Füüsikaline suurus - mahtuvus C, ühik farad (F) Pilt:wikipedia

54 Kondensaator Mahtuvus näitab elektrilist inertsi, diferentsiaalvõrrandit saab võrrelda Newtoni seadusega Kondensaatori pinge on pidev (ei saa muutuda hetkeliselt!) Integreerib voolu, pinge jääb voolust veerand perioodi maha. Juhtivus on reaktiivne Yc = jωc Zc = 1 jωc i C dv = C dt ω = 2πf ω nurksagedus (rad/s) Juhtivus on võrdeline sagedusega. Kondensaatorite jada ja paralleelühendusel kasutada juhtivusi! C F dv = m dt C=C1+C2+C3+...Cn 1/C=1/C1+1/C2+1/C3+1/Cn

55 Kondensaatori energia Kondensaator on energiasalvesti! Laadides kondensaatort konstantse vooluga I, kasvab selle pinge ja (ka laeng ) lineaarselt: Energia on võrdeline pinge ruuduga!

56 Induktor Induktor, füüsikaline suurus induktiivsus L, ühik henri H.

57 Induktor Induktor näitab elektrilist inertsi, diferentsiaalvõrrand: v L di = L dt L Induktori vool on pidev (ei saa muutuda hetkeliselt!) Integreerib pinget, vool jääb pingest veerand perioodi maha. Takistus on reaktiivne ZL= jωl YL = 1 jωl ω = 2πf Takistus on võrdeline sagedusega. Induktorite jada ja paralleelühendusel kasutada takistusi! ω nurksagedus (rad/s) L=L1+L2+L3+...Ln 1/L=1/L1+1/L2+1/L3+1/Ln

58 Induktori energia Induktor on energiasalvesti! Laadides induktorit konstantse pingega V, kasvab selle vool ja (ka magnetvoog ) lineaarselt: Pilt:wikipedia Energia on võrdeline voolu ruuduga!

59 Kondensaator ja induktor Energia, mis on sinna salvestatud, saame igal juhul kätte! Skeemide disainimisel tuleb sellega arvestada! Lülitit ei tohi vahetult ühendada Induktoriga jadamisi! Kondensaatoriga rööbiti! Kui see on möödapääsmatu, tuleb kasutada erilahendusi! Ekraanipilt videost

60 Kondensaatorid ja induktorid...on olemas ka siis kui me neid ei taha! Nagu ka takistus. Parasiitkomponendid Mida kõrgem on sagedus, seda rohkem annavad endast märku L Ja C! Seadmete disainil tuleb sellega arvestada! Ostate poest selle: Aga saate selle : Sobib suvalise reaalse R,C või L aseskeemiks!

61 Kondensaatorid (kasulik info) (Elektrolüüt)kondensaatoritel võib tänu valmistustehnoloogiale olla küllaltki suur parasiittakistus ja induktiivsus, selle kompenseerimiseks ühendatakse väiksema mahtuvusega kondensaator rööbiti. Elektrolüütkondensaatoritel on oluline polaarsus ning tööpinge. Pildid:wikipedia Elektrolüütkondensaatori aseskeem

62 Superkondensaatorid Väga suure mahtuvusega (kuni mitu tuhat faradit) Nanotehnoloogia Piiratud tööpinge Suur lekkevool Suur parameetrite hajuvus Kasutusel ajutise energiasalvestisena Grafeen (wikipedia)

63 Jagurid Jagunemine on üks tavalisemaid nähtusi (nt eurorahad, kasum, vool, pinge, vastutus, aupaiste,...) Jagunemine on võrdeline läbipaistvusega (juhtivusega) või läbipaistmatusega (takistusega)

64 Jagurid Ülesanne: Ema tõi poest kommikoti, milles on 27 kommi. Kuna Juku tegi ema äraolekul 2 korda vähem pahandust kui Juta, otsustas ema jagada kommid sedasi, et Juku saab kaks korda vähem kommi kui Juta. Mitu kommi saab Juku ja mitu kommi saab Juta? Vihje: ema otsustas, et annab Jukule 1 osa tervikust ja Jutale 2 osa tervikust.

65 Voolujagur

66 G1 Voolujagur Milline on IA? Oletame arvutustes, et ampermeeter On ideaalne (sisetakistus on 0). Järelikult pinge ampermeetril on 0. I in G2 A I A Vool Iin läbides juhtivusi G1 ja G2 tekitab nendel Ohmi seaduse järgi pinge: VG1=VG2= Iin G1+G2 Vool, mis läbib juhtivust G2, avaldub G2 pinge ja juhtivuse korrutisena: IG2=IA=VG2*G2. Asendades eelmisest sisse VG2 saame, et IA=G2 * Iin G1+G2, ehk ülekanne avaldub : K= IA Iin = G2 G1+G2 Arvestades, et G=1/R, võib ülekande avaldada ka nii: K= IA Iin = R1 R1+R2

67 Pingejagur

68 Pingejagur I= Vin R1+R2 R1 Milline on Vout? I=0! Oletame arvutustes, et allikas ja mõõtur on ideaalsed ( pingeaallikas on lühis ja voltmeeter tühis). Sellisel juhul voltmeetrit läbiv vool on 0. V in + V + R2 V out Ahelas tekkiv vool läbib mõlemat takistit ja avaldub Ohmi seaduse järgi : I= Vin R1+R2 Takistil R2 tekib pinge Vout : VR2=Vout=I*R2 Asendades sisse voolu, saame,et VR2=Vout=R2* Vin R1+R2 Ülekanne avaldub sellest: K= Vout Vin = R2 R1+R2

69 Superpositsioon Lineaarses ahelas on süsteemi reaktsioon mitmele mõjurile sama, mis üksikute mõjurite poolt tekitatud reaktsioonide summa. Kui lineaarne (!) ahel sisaldab mitut allikat, saame välja arvutada väljundi reaktsiooni iga allika kohta eraldi ning tulemused kokku liita. Allikad, mida ei kasutata, tuleb asendada nende sisetakistustega (pingeallikas=lühis, vooluallikas=tühis)

70 Superpositsioon (näide ) Kuidas sõltub väljundpinge sisendpingetest ja takistustest? R1 R2 I=0! V in1 + V in2 + V + R3 V out Lahenduskäike on erinevaid kuid peavad andma sama tulemuse! Superpositsiooni meetodil arvutatakse välja väljundpinge mõlemast allikast eraldi ning need liidetakse.

71 Superpositsioon (näide ) Kuidas sõltub väljundpinge sisendpingetest ja takistustest? R1 R2 I=0! R 2 R 3 V out = V in1 R 1 + R 2 R 3 Kui Vin2=0!!! Pingeallikas=lühis! V in1 + V in2 + V + R3 V out Võtame esialgu väljundi sõltuvuse pingest Vin1 Ehk asendame teise allika ekvivalenttakistusega. Tekib R2 ja R3 paralleelühendus ning pingejagur.

72 Superpositsioon (näide ) Kuidas sõltub väljundpinge sisendpingetest ja takistustest? R1 R2 I=0! R 1 R 3 V out = V in2 R 2 + R 1 R 3 Kui Vin1=0!!! Pingeallikas=lühis! V in1 + V in2 + V + R3 V out Võtame väljundi sõltuvuse pingest Vin2 Ehk asendame esimese allika ekvivalenttakistusega. Tekib R1 ja R3 paralleelühendus ning pingejagur.

73 Superpositsioon (näide ) Kuidas sõltub väljundpinge sisendpingetest ja takistustest? R1 R2 I=0! V in1 + V in2 + V + R3 V out Liidame reaktsioonid : V out = V in1 V out = V in1 R 2 R 3 R 2 R 3 R 1 + R 2 R 3 + V in2 (R 2 + R 3 )(R 1 + R 2 R 3 R 2 + R 3 ) R 1 R 3 R 2 + R 1 R 3 R 1 R 3 + V in2 (R 1 + R 3 )(R 2 + R 1 R 3 R 1 + R 3 )

74 Thévenin i teisendus (näide) Teeme Thévenini aseskeemi : R1 R2 + =? V R3 V in1 in2 V + V o R + V Vaja leida tühispinge ning sisetakistus

75 Thévenin i teisendus (näide) Tühispinge leidmine on eelnevatel slaididel R1 R2 I=0! V R3 V in1 in2 + V + V out V out = V in1 R 2 R 3 (R 2 + R 3 )(R 1 + R 2 R 3 R 2 + R 3 ) + V in2 R 1 R 3 (R 1 + R 3 )(R 2 + R 1 R 3 R 1 + R 3 )

76 Thévenin i teisendus (näide) Sisetakistus : Asendame kõik allikad nende sisetakistustega R1 R2 I=0! V R3 V in1 in2 + R 1 R 2 R 3 Tekib kolme takisti paralleelühendus R = R 1 R 2 R 3 = R 1 R 3 + R 1 R 2 + R 2 R 3

77 Thévenin i teisendus (näide) Lõpptulemus R1 R2 + =? V R3 V in1 in2 V + R = R 1 R 2 R 3 R 1 R 3 + R 1 R 2 + R 2 R 3 V o R + V V o = V in1 R 2 R 3 (R 2 + R 3 )(R 1 + R 2 R 3 R 2 + R 3 ) + V in2 R 1 R 3 (R 1 + R 3 )(R 2 + R 1 R 3 R 1 + R 3 )