Differences

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

--- statnice:bakalar:b4b38nvs [2026/05/17 07:49] – [Operační zesilovač (OZ), jeho vlastnosti a použití; symetrické a nesymetrické napájení OZ, neinvertující zesilovač s OZ.] mates1n
+++ statnice:bakalar:b4b38nvs [2026/06/06 18:31] (current) – [Obvyklé vstupní a výstupní napěťové úrovně] mates1n
@@ Line 1: / Line 1: @@
 ====== Návrh vestavných systémů ======
@@ Line 140: / Line 139: @@
 ====== Operační zesilovač (OZ), jeho vlastnosti a použití; symetrické a nesymetrické napájení OZ, neinvertující zesilovač s OZ. ======
+=== Operační zesilovač ===
 Operační zesilovač je integrovaný obvod, který zesiluje rozdíl napětí mezi svými dvěma vstupy:
     * invertující vstup: V−
@@ Line 151: / Line 151: @@
 V embedded systémech se operační zesilovače používají nejčastěji s jedním (a tedy nesymetrickým) napájecím napětím (+3 nebo +5V).
-**Virtuální nula** (Virtual Ground): pro zapojení ve zpětné vazbě (tj. invertující vstup je z obvodu za OZ) nemá invertující vstup přímou referenci na 0, tj. 0 je rozdíl napětí mezi vstupy. Díky tomu lze, při dostatečném napětí zátěže, udělat např. emitorový sledovač NPN, který reguluje proud na zátěži (na kolektoru) pouze přes napětí na vstupu a rezistor na emitoru (a díky velkému zesílení vyloučí působení napětí $U_{BE}).
+**Virtuální nula** (Virtual Ground): pro zapojení ve zpětné vazbě (tj. invertující vstup je z obvodu za OZ) nemá invertující vstup přímou referenci na 0, tj. 0 je rozdíl napětí mezi vstupy ($U_{-} = U_{+}$). Díky tomu lze, při dostatečném napětí zátěže, udělat např. emitorový sledovač NPN, který reguluje proud na zátěži (na kolektoru) pouze přes napětí na vstupu a rezistor na emitoru (a díky velkému zesílení vyloučí působení napětí $U_{BE}$).
 === Neinvertující zesilovač s OZ. ===
@@ Line 162: / Line 162: @@
 === Obvyklé vstupní a výstupní napěťové úrovně ===
-  * Vstup typicky 0-3.3V
+== Vstup ==
-  * někdy 5V tolerantní - v datasheetu pin označen **FT**
+Typicky 0-3.3V, někdy 5V tolerantní (v datasheetu pin označen **FT**)
-  * log 0 -  Uin < 0.3 * Ucc
+  * log 0 -  $U_{in} < 0.3 * U_{cc}$
-  * log 1 -  Uin > 0.7 * Ucc
+  * log 1 -  $U_{in} > 0.7 * U_{cc}$
   * má ochrané diody (většinou)
-  * výstup 0-3.3V
+== Výstup ==
+  * log 0 - 0V
+  * log 1 - 3,3V
+  * Na DAC pinech možné regulovat napětí (0-3,3V)
+=== Vstupní a výstupní brány ===
+General Purpose Input and Output (GPIO).
-=== MCU s jádrem ARM Cortex M3, základní vlastnosti ===
+==Vstup==
+  * **Floating** (Plovoucí) - bez připojeného potenciálu - napětí se volně pohybuje vlivem šumu, nepředvídatelná logická úroveň
+  * **PULL-UP** - rezistor na $U_{dd}$, pokud je pin bez signálu → HIGH
+  * **PULL-DOWN** - rezistor na GND, pokud je pin bez signálu → LOW
+==Výstup==
+  * **PUSH-PULL** - používá dva tranzistory na přepínání mezi GND a $U_{dd}$
+  * **OPEN-DRAIN** - tranzistor na GND - tranz. sepnut→ LOW, rozepnut→ undefined, připnuto GND - pro log. 1 potřebuje pull-up rezistor na ${U_{dd}}$
+U výstupu lze zvolit rychlost: low, medium, high, very high - tvrdost buzení výstupu. Pokud je zbytečně vysoká, vznikají napěťové špičky přes indukčnost cesty na PCB nebo kabelu.
+=== 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. ===
@@ Line 218: / Line 233: @@
-== Typické řady log. obvodů CMOS používaných ve vestavných systémech ==
+=== Typické řady log. obvodů CMOS používaných ve vestavných systémech ===
-  * Typické řady:
+== 4000 series (např. 4011, 4040, 4093)==
-    * 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)
+==74HCxxx (High-speed CMOS)==
       * Napájení: typicky 2–6 V.
+        * log. $0 - V_{IL} \le 0,3 \cdot V_{in}$
+        * log. $1 - V_{IH} \ge 0,7 \cdot V_{in}$
       * Rychlejší než 4000, kompatibilní s TTL logikou.
       * Nízký proudový odběr, ideální pro spojení s MCU.
-  *
-    * 74HCTxxx (High-speed CMOS, TTL compatible)
+==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**.
-      * Použití tam, kde je potřeba propojení CMOS a TTL.
+      * Stejné jako 74HC, **vstupní úrovně přizpůsobeny TTL**
-  *
+        * log. 0 - max. 0,8V
-    * 74AC / 74ACT (Advanced CMOS / TTL Compatible)
+        * log. 1 - min. 2V
+==74AC / 74ACT (Advanced CMOS / TTL Compatible)==
       * Ještě rychlejší, větší odběr.
       * Vhodné pro vysokorychlostní aplikace.
-  *
+=== Proudový odběr CMOS obvodů a 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).
-== Proudový odběr CMOS obvodů a MCU ==
+==Statický odběr (v klidu)==
-  * Statický odběr (v klidu):
     * Velmi malý (nA až μA), když nejsou přechody.
     * Vhodné pro nízkopříkonové aplikace.
-  *
+==Dynamický odběr==
-  * Dynamický odběr:
+Proud teče hlavně **při přechodu logických stavů** (0 ↔ 1)
-    * 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).
+Napájecí proud CMOS - $I_{CC} = f\cdot U_{CC}\cdot \sum{C}$
+Ztrátový výkon CMOS $P = f\cdot U_{CC}^2\cdot \sum{C}$
+Odběr závisí na:
+    * frekvenci přepínání (f) - vyšší frekvence → vyšší odběr
+    * zatížení výstupů (větší kapacita → vyšší proud)
+    * napětí – vyšší Vdd → vyšší proud
 == 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. V **kombinaci** s nimi **ferritové tlumivky** nebo **ferritové perle**, ty slouží jako vysokofrekvenční **filtr**, který odfiltruje šum z napájení (nedávají se mezi napájení a zem, ale **pouze na napájecí větev**).
+Pro **ochranu před přepětím**, nebo elektrostatickým výbojem, se používají **ochranné součástky**, jako jsou **Zenerovy diody, TVS diody** nebo klasické **diodové ochrany**. 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.
-  *     Blokování napájení je klíčové pro stabilní a spolehlivý chod mikrořadiče a připojených digitálních obvodů.
+Nedostatečné blokování může způsobit:
-  *     Hlavní účel blokování je zajistit:
+    * samovolné restarty
-    *  stabilitu napětí,
+    * poruchy v komunikaci (např. UART, I2C)
-    *  potlačení rušení,
+    * chybnou činnost periferií
-    * omezení špiček při spínání logických stavů,
+    * zvýšený šum v analogových částech obvodu
-    * 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. ======
 === Hodinové signály ===
-  * Slouží k taktování CPU a periferií.
+Slouží k taktování CPU a periferií, generovány pomocí oscilátorů (RC nebo krystalických).
-  * Typy:
+  * Interní RC oscilátor – levný, nízký odběr, méně přesný.
-    * Interní RC oscilátor – levný, nízký odběr, méně přesný.
+  * Externí krystal (XTAL) – vysoká přesnost, např. 8 MHz.
-    * Externí krystal (XTAL) – vysoká přesnost, např. 8 MHz.
-    * Krystal pro RTC – 32.768 kHz (2¹⁵ Hz → snadné dělení na 1 Hz).
+V MCU je Real Time Clock (RTC) blok, který slouží k měření reálného času. Jeho krystal generuje frekvenci 32,768 Hz (2$^{15}$), dá se tak snadno dělit na 1 Hz. Mikrokontrolery obsahují také Phase-Locked Loop (PLL) obvod, který násobí nižší frekvenci racionálním číslem (např. 8 MHz → 72 MHz). Více o PLL na stránce [[statnice:bakalar:b0b35lsp|LSP]].
-    * PLL (Phase-Locked Loop) – násobí frekvenci (např. 8 MHz → 72 MHz).
 === RESET ===
-  *     Může být vyvolán tlačítkem (manuálně), nebo automaticky jiným obvodem.
+Může být vyvolán RESET tlačítkem (manuálně), nebo automaticky jiným obvodem. Po resetu se mikrořadič vrátí do výchozího stavu (spustí se inicializace a start programu od začátku).
-  *     Výsledek: mikrořadič se vrátí do výchozího stavu (spustí se inicializace a start programu od začátku).
-  *     Reset může být aktivován:
+Reset může být aktivován:
     * tlačítkem „RESET“,
     * watchdogem,
@@ Line 308: / Line 324: @@
 === POR – Power-On Reset ===
-  * Aktivuje se automaticky při zapnutí napájení.
+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.
-  * 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 ===
+Automatický reset v případě, že napětí během běhu programu klesne pod bezpečnou (předem konfigurovanou) hranici (např. 2.0V).
-  * Sleduje, zda napětí neklesne pod bezpečnou hranici během běhu.
+Chrání před:
-  * Pokud ano → provede automatický reset, aby se zabránilo:
+    * neplatnými zápisy do paměti
-    * neplatnému zápisu do paměti,
+    * chybnými výpočty
-    * chybnému výpočtu,
+    * zablokování systému
-    * 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.
-  * 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.
+Dohlíží na běh programu – pokud se program zacyklí/zasekne a neobnoví watchdog, provede reset.
-  * Použití:
+Použití:
     * Zabezpečení proti zamrznutí aplikace.
     * Obnovení systému po chybě.
-  * Dva druhy:
+Druhy:
     * Interní (součást MCU) – často připojen na systémové hodiny.
     * Externí – připojený k MCU zvenčí, spolehlivější.
-  * Signály:
+Signály:
     * WDI – vstupní impuls, kterým se watchdog „krmí“.
     * WDO – výstup reset, pokud impuls dlouho nepřijde.
@@ Line 342: / Line 353: @@
 ==== Čítačové jednotky v mikrořadiči (MCU) ====
-== Režimy čítače ==
+=== Režimy čítače ===
-**Input Capture**
+==Input Capture==
-    * Při příchodu určité události (např. hrany na pinu) se aktuální hodnota čítače uloží do registru.
+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.
+Využití:
+    * měření délky pulsu,
+    * zaznamenání času události,
+    * určování střídy (duty cycle).
-**Output Compare**
+Možnosti: náběžná/spádová/jakákoli hrana.
-    * Čítač běží a porovnává se s hodnotou v registru.
-    * Při shodě: výstupní pin změní stav:
+Přenos hodnoty buď **programově**, nebo pomocí **DMA**.
-      * SET – nastaví na 1,
-      * RESET – vynuluje,
+Analogie: Stopky – když někdo běží, zmáčkneš tlačítko → uloží se čas mezičasu, ale stopky běží dál.
-      * TOGGLE – překlopí (změní stav).
-    * Možné i přerušení nebo událost pro jinou jednotku (např. DMA, ADC...).
+==Output Compare==
-    * Využití:
-      * generování signálu (např. PWM),
+**Čítač** běží a **porovnává se s hodnotou v registru**, při shodě změní výstupní pin stav, nebo vygeneruje přerušení či událost (DMA, ADC,...)
-      * řízení výkonových prvků (IGBT, tyristory),
+    * SET – nastaví na 1
-      * pulzní řízení motorů.
+    * RESET – vynuluje
-  *
+    * TOGGLE – překlopí (změní stav)
-** PWM – Pulse Width Modulation**
-    * Speciální režim čítače, kde:
+Využití:
-      * nastavená hodnota duty cycle (střída),
+      * generování signálu (např. PWM)
-      * čítač opakuje cyklicky pulzy.
+      * řízení výkonových prvků (IGBT, tyristory)
-    * Využití:
+      * pulzní řízení motorů
-      * řízení servomotorů,
+      * periodické události v kódu
-      * stmívání LED,
-      * řízení rychlosti motorů (např. BLDC).
+==Pulse Width Modulation (PWM)==
+Speciální režim čítače, kde **čítač opakuje cyklické pulzy** podle nastavené hodnoty **duty cycle** (střída). Střída je podíl z délky cyklu, kdy je pin v log. 1 (0-100 %)
+Využití:
+    * řízení servomotorů
+    * stmívání LED
+    * řízení rychlosti motorů (např. BLDC)

Trace: • b4b38nvs

Differences

Search

Navigation

Print/export

Tools

QR Code