The wiki page is under active construction, expect bugs.

Differences

This shows you the differences between two versions of the page.

Link to this comparison view

Both sides previous revisionPrevious revision
Next revision		Previous revision
statnice:bakalar:b4b38nvs [2025/06/09 08:39] – [Operační zesilovač (OZ), jeho vlastnosti a použití; symetrické a nesymetrické napájení OZ, neinvertující zesilovač s OZ.] petrstepstatnice:bakalar:b4b38nvs [2025/06/09 09:57] (current) – [Typické řady log. obvodů CMOS používaných ve vestavných systémech (VS), jejich základní vlastnosti; dynamický proudový odběr MCU a logických obvodů CMOS. Blokování napájení MCU a log. obvodů - způsob, důvod, použité součástky.] petrstep
Line 3: Line 3:
  
  
 +[[https://docs.google.com/document/d/1bPFRbeaokgUqcW8S-D_R_vsQOx04oU8tlkJK3Pdzfa4/edit?tab=t.0#heading=h.b23rjn10aftd|Vypracované NVS]]
 ===== Elektronické obvody a prvky pro vestavné systémy. Mikrořadiče - struktura, vlastnosti a programování. Návrh vest. systémů s mikrořadiči a dalšími vstupně- výstupními obvody a bloky. Řešení jejich spolupráce. ===== ===== Elektronické obvody a prvky pro vestavné systémy. Mikrořadiče - struktura, vlastnosti a programování. Návrh vest. systémů s mikrořadiči a dalšími vstupně- výstupními obvody a bloky. Řešení jejich spolupráce. =====
  
Line 96: Line 96:
 ====== Mikrořadič – microcontroller (MCU) jako logický obvod CMOS, obvyklé vstupní a výstupní napěťové úrovně, vstupní napěťová tolerance. MCU s jádrem ARM Cortex M3, základní vlastnosti; periferie integrované na čipu:-GPIO, UART, SPI, IIC Bus,..; jejich vlastnosti a použití. ====== ====== Mikrořadič – microcontroller (MCU) jako logický obvod CMOS, obvyklé vstupní a výstupní napěťové úrovně, vstupní napěťová tolerance. MCU s jádrem ARM Cortex M3, základní vlastnosti; periferie integrované na čipu:-GPIO, UART, SPI, IIC Bus,..; jejich vlastnosti a použití. ======
  
 +
 +=== Obvyklé vstupní a výstupní napěťové úrovně ===
 +
 +  * Vstup typicky 0-3.3V
 +  * někdy 5V tolerantní - v datasheetu pin označen **FT**
 +  * log 0 -  Uin < 0.3 * Ucc
 +  * log 1 -  Uin > 0.7 * Ucc
 +  * má ochrané diody (většinou)
 +
 +  * výstup 0-3.3V
 +
 +
 +=== MCU s jádrem ARM Cortex M3, základní vlastnosti ===
 +
 +
 +  * Cortex-M3 je 32bitové RISC jádro od firmy ARM, navržené specificky pro vestavěné systémy
 +  * Thumb-2 instrukční sada - Kompaktní (16bit) + plné (32bit) instrukce → menší kód, rychlé provádění.
 +  * NVIC (Nested Vectored Interrupt Controller)
 +
 +
 +
 +=== Periferie integrované na čipu:-GPIO, UART, SPI, IIC Bus,..; jejich vlastnosti a použití. ===
 +
 +== GPIO ==
 +
 +  * Programovatelný pin – může být vstupem nebo výstupem.
 +  * Možnost pull-up / pull-down rezistorů (vnitřních)
 +  * LED, tlačítka, relé, spínače.S
 +  * Stavové signály, řízení periferií.
 +  * Detekce událostí na pinech (tlačítko → přerušení).
 +
 +== UART ==
 +
 +  * Asynchronní sériová komunikace (TX, RX).
 +  * Podpora rychlostí (např. 9600 – 115200 baud, klidně víc).
 +  * Možnost přenosu dat v 8/9 bitech, parita, stop bity.
 +  * Často podpora DMA.
 +  * Někdy více UART kanálů.
 +
 +== SPI ==
 +
 +  * Sériová synchronní komunikace (MOSI, MISO, SCK, SS).
 +  * Master/slave režim.
 +  * Rychlosti až jednotky Mbit/s (záleží na MCU).
 +  * Full-duplexní – zároveň odesílá a přijímá.
 +  * Možnost více slave zařízení (s více CS piny).
 +
 +== IIC Bus ==
 +
 +  * Sběrnice s dvěma vodiči: SDA (data), SCL (hodiny).
 +  * Master/slave komunikace, více zařízení na jedné sběrnici.
 +  * Adresace zařízení (7bit nebo 10bit).
 +  * Rychlosti: standardní (100 kHz), fast (400 kHz), fast+ (1 MHz).
 +  * Pull-up rezistory nutné na SDA a SCL.
  
  
Line 101: Line 155:
  
  
 +== Typické řady log. obvodů CMOS používaných ve vestavných systémech ==
 +  * Typické řady:
 +    * 4000 (např. 4011, 4040, 4093)
 +      * Starší řada, vhodná pro široký rozsah napájení (3–15 V).
 +      * Nízký statický odběr, vhodné pro bateriová zařízení.
 +      * Pomalejší než řady 74xx.
 +  * 
 +    * 74HCxxx (High-speed CMOS)
 +      * Napájení: typicky 2–6 V.
 +      * Rychlejší než 4000, kompatibilní s TTL logikou.
 +      * Nízký proudový odběr, ideální pro spojení s MCU.
 +  * 
 +    * 74HCTxxx (High-speed CMOS, TTL compatible)
 +      * Stejné jako 74HC, ale vstupní úrovně přizpůsobeny TTL (log. 1 od cca 2 V).
 +      * Použití tam, kde je potřeba propojení CMOS a TTL.
 +  * 
 +    * 74AC / 74ACT (Advanced CMOS / TTL Compatible)
 +      * Ještě rychlejší, větší odběr.
 +      * Vhodné pro vysokorychlostní aplikace.
 +  * 
 +
 +
 +
 +== Proudový odběr CMOS obvodů a MCU ==
 +  * Statický odběr (v klidu):
 +    * Velmi malý (nA až μA), když nejsou přechody.
 +    * Vhodné pro nízkopříkonové aplikace.
 +  * 
 +  * Dynamický odběr:
 +    * Proud teče hlavně při přechodu logických stavů (0 ↔ 1).
 +    * Odběr závisí na:
 +      * frekvenci přepínání (vyšší frekvence → vyšší odběr),
 +      * zatížení výstupů (větší kapacita → vyšší proud),
 +      * napětí – vyšší Vdd → vyšší proud.
 +  * 
 +  * MCU:
 +    * Spotřeba MCU se odvíjí hlavně od:
 +      * frekvence hodinového signálu (CPU, sběrnice, periferií),
 +      * aktivních periferií (např. ADC, USART),
 +      * neoptimalizovaného kódu (např. polling místo přerušení),
 +      * použití spánkových režimů (sleep, stop, standby). 
 +
 +
 +
 +
 +
 +== Blokování napájení MCU a logických obvodů ==
 +
 +
 +  *     Blokování napájení je klíčové pro stabilní a spolehlivý chod mikrořadiče a připojených digitálních obvodů.
 +  *     Hlavní účel blokování je zajistit:
 +    *  stabilitu napětí,
 +    *  potlačení rušení,
 +    * omezení špiček při spínání logických stavů,
 +    * ochranu před chybami způsobenými kolísáním napájení.
 +  *     Při náběhu napájecího napětí může dojít k nestabilitám, které mohou způsobit špatnou inicializaci MCU – blokovací prvky tomuto zabraňují.
 +  *     V blízkosti každého napájecího pinu MCU by měl být umístěn keramický kondenzátor s kapacitou přibližně 100 nF. Umisťuje se co nejblíže k pinu.
 +  *     Pro vyrovnání větších změn v odběru napájení a filtrování nižších frekvencí se používají elektrolytické kondenzátory o kapacitách v řádu 10 až 100 µF. Ty se dávají na vstup nebo výstup stabilizátoru, případně na hlavní napájecí větev.
 +  *     Ferritové tlumivky nebo ferritové perle se vkládají do napájecí větve, kde slouží jako vysokofrekvenční filtr, který odfiltruje šum z napájení.
 +  *     Ochranné součástky, jako jsou Zenerovy diody, TVS diody nebo klasické diodové ochrany, slouží k ochraně před přepětím nebo elektrostatickým výbojem.
 +  *     V systémech s citlivým napájením (např. analogové měření nebo RTC) je vhodné použít LDO stabilizátor s nízkým výstupním šumem, který zajistí konstantní napětí 3,3 V nebo 1,8 V.
 +  *     Při návrhu PCB je důležité správně rozmístit blokovací prvky tak, aby tvořily krátké smyčky mezi napájecím a zemním vodičem – tím se dosáhne co nejvyšší účinnosti filtrace.
 +  *     Nedostatečné blokování může způsobit:
 +    * samovolné restarty,
 +    *  poruchy v komunikaci (např. UART, I2C),
 +    * chybnou činnost periferií,
 +    * zvýšený šum v analogových částech obvodu.
 ====== Podpůrné a dohlížecí bloky MCU (hodinový generátor, Reset, POR, BOR , RTC, Watch Dog,..); čítačové jednotky v MCU (PWM, „input capture“, output compare,..) jejich funkce a využití. Vstupy a výstupy VS, bloky komunikace s obsluhou ve VS, tlačítka, klávesnice a zobrazovače, vstupy a výstupy s posuvnými registry. ====== ====== Podpůrné a dohlížecí bloky MCU (hodinový generátor, Reset, POR, BOR , RTC, Watch Dog,..); čítačové jednotky v MCU (PWM, „input capture“, output compare,..) jejich funkce a využití. Vstupy a výstupy VS, bloky komunikace s obsluhou ve VS, tlačítka, klávesnice a zobrazovače, vstupy a výstupy s posuvnými registry. ======
 +
 +=== Hodinové signály ===
 +
 +  * Slouží k taktování CPU a periferií.
 +  * Typy:
 +    * Interní RC oscilátor – levný, nízký odběr, méně přesný.
 +    * Externí krystal (XTAL) – vysoká přesnost, např. 8 MHz.
 +    * Krystal pro RTC – 32.768 kHz (2¹⁵ Hz → snadné dělení na 1 Hz).
 +    * PLL (Phase-Locked Loop) – násobí frekvenci (např. 8 MHz → 72 MHz).
 +
 +=== RESET ===
 +
 +  *     Může být vyvolán tlačítkem (manuálně), nebo automaticky jiným obvodem.
 +  *     Výsledek: mikrořadič se vrátí do výchozího stavu (spustí se inicializace a start programu od začátku).
 +  *     Reset může být aktivován:
 +    * tlačítkem „RESET“,
 +    * watchdogem,
 +    * poklesem napájení (BOR),
 +    * programově (v SW).
 +
 +
 +=== POR – Power-On Reset ===
 +  * Aktivuje se automaticky při zapnutí napájení.
 +  * MCU zůstává ve stavu „držení v resetu“, dokud se napájecí napětí dostatečně neustálí.
 +  * Zabrání rozběhnutí procesoru v nestabilních podmínkách (např. napětí roste pomalu → procesor by mohl začít běžet s chybami).
 +  * U STM32 se aktivuje, když VDD překročí definovanou mez.
 +
 +
 +=== BOR – Brown-Out Reset ===
 +
 +  * Sleduje, zda napětí neklesne pod bezpečnou hranici během běhu.
 +  * Pokud ano → provede automatický reset, aby se zabránilo:
 +    * neplatnému zápisu do paměti,
 +    * chybnému výpočtu,
 +    * zablokování systému.
 +  * U STM32 může být aktivován například pod 2.0 V (hodnota závisí na konfiguraci).
 +  * Typicky se používá v systémech s mechanickými akčními členy – tam je bezpečnost kritická.
 +  *     
 +    
 +    
 +=== Watchdog (WDT – Watchdog Timer) ===
 +  * Dohlíží na běh programu – pokud se program zacyklí/zasekne a neobnoví watchdog, provede reset.
 +  * Použití:
 +    * Zabezpečení proti zamrznutí aplikace.
 +    * Obnovení systému po chybě.
 +  * Dva druhy:
 +    * Interní (součást MCU) – často připojen na systémové hodiny.
 +    * Externí – připojený k MCU zvenčí, spolehlivější.
 +  * Signály:
 +    * WDI – vstupní impuls, kterým se watchdog „krmí“.
 +    * WDO – výstup reset, pokud impuls dlouho nepřijde.
 +
 +
 +
 +==== Čítačové jednotky v mikrořadiči (MCU) ====
 +
 +== Režimy čítače ==
 +
 +**Input Capture**
 +    * Při příchodu určité události (např. hrany na pinu) se aktuální hodnota čítače uloží do registru.
 +    * Využití:
 +      * měření délky pulsu,
 +      * zaznamenání času události,
 +      * určování střídy (duty cycle).
 +    * Možnosti: náběžná/spádová/jakákoli hrana.
 +    * Přenos hodnoty:
 +      * programově,
 +      * pomocí DMA.
 +    * Analogie: Stopky – když někdo běží, zmáčkneš tlačítko → uloží se čas mezičasu, ale stopky běží dál.
 +
 +
 +**Output Compare**
 +    * Čítač běží a porovnává se s hodnotou v registru.
 +    * Při shodě: výstupní pin změní stav:
 +      * SET – nastaví na 1,
 +      * RESET – vynuluje,
 +      * TOGGLE – překlopí (změní stav).
 +    * Možné i přerušení nebo událost pro jinou jednotku (např. DMA, ADC...).
 +    * Využití:
 +      * generování signálu (např. PWM),
 +      * řízení výkonových prvků (IGBT, tyristory),
 +      * pulzní řízení motorů.
 +  * 
 +** PWM – Pulse Width Modulation**
 +    * Speciální režim čítače, kde:
 +      * nastavená hodnota duty cycle (střída),
 +      * čítač opakuje cyklicky pulzy.
 +    * Využití:
 +      * řízení servomotorů,
 +      * stmívání LED,
 +      * řízení rychlosti motorů (např. BLDC).
  
  

Trace: • b0b36dbs

Navigation

Playground

QR Code
QR Code statnice:bakalar:b4b38nvs (generated for current page)