مقاله اندازه‌گيري الكتريكي

مقاله اندازه‌گيري الكتريكي در 29 صفحه ورد قابل ويرايش

كنتورهاي همگام و همزمان

ساختن كنتور ناهمگام يا ضربه اي (ripple) ، بسيار ساده است، اما به خاطر كار بسيار بالا، محدوديتي در اين مورد وجود دارد. اين نقطه ضعف، در كنتورهاي همگام با راه اندازي مدار دو ضربه اي هماهنگ با ساعت برطرف شده است. لذا دراين كنتور زمان قرار دادن مدار، برابر است با زمان تأخير انتشار يك مدار دو ضربه اي يك طرفه زمانيكه اين كنتور هر مدار دو ضربه اي، همزمان و هماهنگ با ساعت قرار داده شود آن كنتور همگام يا همزمان ناميده مي شود.

نمودار مدار كنتور همگام 3 ضربه اي در شكل نشان داده مي شود. در اين كنتور دو دريچة AND با سه مدار دو ضربه اي T مورد استفاده قرار مي گيرد. كلية مدارهاي دو ضربه اي، توسط سيگنال ساعت C به قرار داده مي شود. پايانه ورودي T مداد دو ضربه اي A ، با سيگنال سطح بالا تكلميل مي شود، لذا مدار دو ضربه اي A به انتهاي هر ضربه (پالس) متصل مي شود. ورودي T مدار دو ضربه اي A بالاست و تنها در اين مدت، مدار دو ضربه اين B متصل مي شود. مدار دو ضربه اي C به با دريچه AZ AND تأمين مي شود. دريچه AZ AND تنها در زمانيكه خروجي هاي مدار دو ضربه اي B و دريچه A AND بالا باشند، روشن مي شود و تنها در طول اين مدت مدار دو ضربه اي C متصل مي گردد.





شكل : نمودار مدار كنتور همگام 3 ضربه اي

در ابتدا كليه مدارهاي دو ضربه اي، در صفر تنظيم مي شوند، بنابراين خروجي ها عبارتند از: QC Q­B QA = 000 اما تنها در پايان اولين ضربه اي ادواري مدار دو ضربه اي A متصل مي شود وخروجي QA از 0 منطقي با 1 منطقي تغيير مي‌كند و همچنين دريچه AI AND را نيز روشن مي‌كند. اين امر هيچ تغييري در وضعيت خروجي مدار دو ضربه اي B و مدار دو ضربه اي C ايجاد نمي كند، زيرا ترمينال هاي ورودي T مدارها دو ضربه اي C,B قبل از رسيدن اولين ضربه اي ادواري در logic 0 منطقي بودند. بنابر اين QC Q­B QA ، 001 مي شود، البته پايان اولين ضربه ادواري ترمينال هاي ورودي T مدارهاي دو ضربه اي B,A در ligic 1 هستند. البته قبل از رسيدن دومين ضربة ادواري بنابراين آنها فقط در پايان دومين ضربه ادواري متصل مي شوند. لذا دريچه A1 AND خاموش مي شود و دريچه AZ خاموش ميماند. بنابراين در انتهاي دومين دومين ضربه ادواري، خروجي QC Q­B QA 010 مي شود. تنها در پايان سومين ضربة ادواري، مدار و ضربه اي A متصل مي شود و خروجي آن به logic 1 تغيير مي يابد. آن، دريچه A1 AND را روشن مي‌كند و همچنين AZ AND نيز روشن مي شود زيرا حالا ورودي دريچة AZ AND بالا هستند. لذا فقط در پايان ضربة سوم خروجي=011 QC Q­B QA تنها در پايان چهارمين ضربة ادواري،‌ وروديهاي T كلية مدارهاي دو ضربه اي بالاست بنابراين كليه مدارهاي دو ضربه اي، متصل هستند و خروجي QC Q­B QA از 011 به 100 تغيير مي‌كند و همچنين هر دو دريچة A2 , A1 AND را خاموش مي‌كند. تنها در پايان پنجمين ضربة ادواري، مدار دو ضربه اي A متصل مي شود و خروجي QC Q­B QA ، 101 مي شود. اين پروسه با هر ضربه ادواري جديد،‌ طبق جدول ادامه مي يابد. درست در پايان ضربة هفتم، خروجي هر مدار دو ضربه اي در logic 1 است و درست در پايان ضربة هشتم كليه مدارهاي دو ضربه اي مجدداً تنظيم مي شوند و خروجي QC Q­B QA ، 000 مي شود اين چرخه مجدداً تكرار مي گردد.

نكته شايان ذكر در اين مدار اين است ه درست در پايان هشتمين ضربة ادواري، كلية مدارهاي دو ضربه اي در يك زمان تنظيم مجدد مي شوند و لذا نصب كنتور برابر است با زمان تأخير انتشار هر مدار دو ضربه اي. اين امر نشان مي‌دهد كه كنتور همگام مي تواند با سيگنال ادواري فركانس بالاتر عمل كند و راه اندازي شود.

برخي تفاوتهاي جزئي در زمان تأخير انتشار مدارهاي دو ضربه اي و تأخير ايجاد شده توسط دريچه هاي AND مورد استفاده در مدار ممكن است،‌موجب انحراف از همگامي شود، اما اين انحراف آنقدر اندك و جزئي است كه مي توان آنرا ناديده گرفت. در اين كنتور، دريچه هاي AND بر خلاف كنتور ناهمگام مورد استفاده قرار مي گيرند، لذا مي توان گفت كه افزايش سرعت با افزايش هزينة سخت افزار حاصل مي گردد.

در كنترهاي ناهمگام، در زمان رمز گشايي دريچه ها، از آنها استفاده مي‌شود، به تأخير زماني بين سيگنال ادواري و خروجي، سيگنال هاي QAبين خروجي QA و خروجي QB و بين خروجي QB و خروجي QC ممكن است در خروجي رمز گشايي دريچه هاي نقايص جزئي را ايجاد سازد، اين نقايص و عيوب جزئي، در خروجي رمز گشايي دريچه ها و تنها به مدت چند نانو ثانيه مي شوند و حتي نمي توانند روي اسيلوسكوپ ديده شوند. زمانيكه كنتور تنها براي شمارش ضربات مورد استفاده قرار مي گيرد، اين نقايص جزئي هيچ مسئله و مشكلي ايجاد نمي كنند، اما زمانيكه رمز گشايي دريچه ها براي حركت دادن مدارهاي منطقي ديگر به كار رود اين نقايص ممكن است بواسطه واكنش سريع دستگاه هاي TTL مورد استفاده در مدارهاي منطقي، نتايج نادرستي را ايجاد سازند.

اين مسئله نقايص جزئي در كنتور همگام بر طرف شده اند، زيرا در اين كنتور كلية مدارهاي دو ضربه اي دريك زمان و هماهنگ با ساعت نصب مي شوند و لذا هيچ تأخير زماني بين سيگنال هاي خروجي QC Q­B QA وجود ندارد.


كنتورها يا شمارنده هاي حلقه اي

در اين كنتور، همانطور كه از نامشان پيداست، خروجي Q مدار دو ضربه اي و ورودي D مدار دو ضربه اي رديفي، به طريقي متصل مي شود كه به شكل يك حلقه به نظر مي رسد. نمودار مداري يك كنتور حلقه اي در شكل نشان داده مي شود. براي آغاز به كنتور حلقه اي، سيگنال Reset براي كنتور به كار مي رود كه مدار دو ضربه اي A را از پيش تنظيم مي‌كند و مدارهاي دو ضربه اي ديگر مجدداً تنظيم مي‌كند. حالا خروجي مدار دو ضربه اي براي QA بالاست و خروجي هاي ديگر، پائين هستند، لذا خروجي 0001 = QC Q­B QA QD حالا قبل از رسيدن ضربة ادواري اول تنها ورودي مدار دو ضربه اي B ، يعني DB بالاست و كلية وروديهاي ديگر، پائين هستند. در طول انتقال اولين ضربة ادواري، كلية سيگنالهاي ورودي مدارهاي دو ضربه اي به خروجي هايشان منتقل مي شوند، لذا خروجي QC Q­B QA QD ، 0010 مي شود، طول انتقال دومين ضربة ادواري، مجدداً كليه سيگنالهاي ورودي مدارهاي دو ضربه اي به خروجي هايشان منتقل مي شوند، لذا خروجي QC Q­B QA QD ،0100 مي شود، اين امر در مورد ضربة ادواري بعدي ادامه مي يابد و سيگنال ضربة بالا،‌ از اولين مدار دو ضربه اي به آخرين مدار دو ضربه اي و از آخرين مدار دو ضربه اي به اولين مدار دو ضربه اي و مجدداً به آخرين مدار دو ضربه اي حركت مي‌كند.

(طبق Truth Table در مورد كنترل حلقه اي).

سري CMOS

1- سري 14000/4000: سري CMOS 4000 ارائه شده توسط CRA و سري COME 4000 ارائه شده توسط Motorola اولين سريهاي CMOS بودند در حال حاضر سري 4000 با علامت A 4000 به نام سري معمولي (Convrntional) ارائه مي شود. و سري B 4000 با تغييرات پيشرفته نيرو وجود دارد كه داراي قابليتهاي جريان خروجي بالاتر بوده و دستگاه نوع buffered ناميده مي شود. اين سريها، موارد استفاده گسترده اي داشته و داراي كاربردهاي بسياري هستند كه در سريهاي ديگر قابل دسترس نيستند. نقطه ضعف اصلي اين سريها اين است كه در آنها پين به پين و كاربرد به كابرد سازگار با دستگاههاي TTL وجود ندارد.

2- سري C 74: اين سري توسط National Semi – Conductor Coporation ارائه شد و پين به پين و كاربرد به كاربرد (تابع به تابع) سازگار با دستگاههاي TTL داراي مشابه مي باشد. لذا اين مورد جايگزين دستگاههاي TTL با دستگاههاي CMOS معادل را امكانپذير مي سازد. ويژگيهاي عملكرد اين سري، مثل ويژگيهاي سري 4000 مي باشد.

3- سري C 54: اين سري به سري C 74 شباهت دارد با اين استثنا كه اين دستگاهها مي توانند در دماهاي بسياري به كار مي روند. اين سري معولاً بواسطه هزينه بالاتر به مقاصد بازرگاني مورد استفاده قرار نمي گيرد. اين دستگاهها معمولاً داراي كاربردهاي نظامي و فضايي هستند.

4- سري HC74 : اين سري، شكل پيشرفتة سري C 74 مي باشد. زمان تأخير انتشار اين سري در مقايسه با سري C 74 كمتر است، از اينرو اين سري مي تواند در مورد فركانس بالاتر مورد استفاده قرار گيرد. سرعت اين سري با سرعت سيري LSTTL 74 سازگار است. مزيت ديگر اين است كه داراي قابليت جريان خروجي بالاتري مي باشد.

5- سري HCT 74: اين سري نيز يك سري CMOS سرعت بالاست – تفاوت عمده ميان اين سري و سري HC74 اين است كه اين سري داراي ولتاژ سازگار با دستگاههاي TTL مي باشد. لذا اين دستگاهها مي توانند مستقماً توسط دستگاههاي TTL راه اندازي شود.

ويژگيهاي سري CMOS

برخي از ويژگيهاي عملكردي و عملياتي سري CMOS به شرح زير مي باشند:

1- ولتاژ منبع : سري 4000 و سري C74 با منبع نيروي 3 تا 15 ولت، و سري
HC 74 و HCT74 با منبع 2 تا 6 ولت عمل مي‌كنند.

زمانيكه سري TTL , CMOS با هم مورد استفاده قرار مي گيرند، معمولاً ولتاژ منبع، 5 ولت است، طوريكه يك منبع نيرو مي تواند براي هر دو نوع دستگاه به كار رود.

2- گسترة گرما : سري C 74 در دماي محيط با گستره اي از تا به خوبي كار مي‌كنند و اين امر براي اغلب كاربردهاي بازرگاني مناسب است. اما سري مي توانند در دمايي با گستره اي از تا عمل كنند.

3- مصرف (اتلاف) نيرو‌: زمانيكه مدار منطقي CMOS در وضعيت ثابتي باشد، مصرف نيرو در اين سري، بسيار كم است، التبه در زمانيكه در هر يك از وضعيتهاي خروجي دريچه، مقاومت بالا بين زمين و منبع موجود باشد. لذا مصرف نيروي CMOS تنها NW 5/2 در هر دريچه است. بهمين دليل CMOS بسيار كاربرد دراد. زمانيكه يك خروجي CMOS از وضعيت پائين به وضعيت بالا يا بالعكس تغيير مي‌كنند مصرف نيروي ميانگين افزايش مي يابد، ضمن اينكه در طول انتقال بين دو وضعيت، هر دو MOSFET در يك دورة كوتاه جريان مي يابند و اين امر Spike (سيگنال الكتريكي گذرا) جريان منبع ايجاد مي‌كند. در طول اين انتقال يك جريان متغيير، ظرفيت باري را تأمين مي‌كند كه متشكل از ظرفيت ورودي مركب هر يك از بارهاي حركت داده شده و ظرفيت خروجي خود دستگاه مي باشد. بديهي است ضمن اينكه فركانس راه اندازي افزايش مي يابد، در هر ثانيه، Spike هاي جريان بيشتري وجود خواهد داشت. لذا جريان ميانگين حاصل از منبع نيرو افزايش مي يابد. يك دريچه CMOS NAND هميشه نيروي nw10 را با جريان بيرون مي كشد (draw) و نيروي mw 1/0 را در زماني draw مي‌كند كه در فركانس KH2100 عمل مي‌كند. بنابراين CMOS در فركانس بالاتر، برخي از مزايايش بر TTL را از دست مي‌دهد.

4- زمان تأخير انتشار: يك دريچه CMOS استاندارد، داراي زمان تأخير اتنشار تقريباً 25 تا 100 نانو ثانيه بسته به ولتاژ عملياتي و عوامل ديگر مي باشد. دريچه NAND سري 4000 داراي سازمان تأخير انتشار ns 50 در =VDD 5 ولت و ns 25در 107 VDD = مي باشد. اين امر نشان مي‌دهد كه VDD بايد جهت عمل در فركانس بالاتر، حتي الامكان بالا باشد اما اين امر مصرف نيرو را در دستگاه افزايش خواهد داد.

دريچة NAND سري HCT74 يا HC74 داراي زمان تأخير انتشار 8ns در 57 VDD= مي باشد، كه قابل مقايسه با سرعت سري LS74 است.