Vypracované NVS

• Základy el. obvodů: odporový dělič, Theveninův teorém, zatížený odporový dělič, měření proudu ve vestavném systému. V/A charakteristika diod Si a LED, diferenciální (dynamický) odpor, bipolární tranzistory a jejich základní vlastnosti, tranzistor jako spínač, tranzistory MOS s kanálem N a kanálem P, prahové napětí.
• Operační zesilovač (OZ), jeho vlastnosti a použití; symetrické a nesymetrické napájení OZ, neinvertující zesilovač s OZ.
• 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.
• 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.
• 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.

• Théveninova poučka (Théveninův teorém) o náhradním zdroji napětí tvrdí, že lze libovolně složitý lineární obvod nahradit obvodem skutečného zdroje napětí, připojeným k libovolným dvěma svorkám.

• Prostě se paralelní odpor co vznikne připojením zátěže k děliči převede na jeden odpor podle paralelního vzorečku

• LED

• Si dioda

• Diferenciální (dynamický) odpor rd​
  • Udává lokální odpor diody při daném pracovním bodě.
  • Je definován jako derivace:
    • rd=dU/dI

• Jinými slovy: Jak moc se změní napětí při malé změně proudu.

• Tranzistor zesiluje proud – malý proud bází řídí větší proud mezi kolektorem a emitorem.
  • Ic=β⋅Ib

• Tranzistor je buzen malým proudem do báze, čímž umožní průchod většího proudu mezi kolektorem a emitorem. V režimu spínače pracuje ve dvou stavech:
  • Vypnuto (cut-off) - Do báze neteče proud → tranzistor zavřený (nevede)
  • Zapnuto (saturace) - Do báze teče dostatečný proud → tranzistor plně sepnutý (vede jako uzavřený spínač)

• Prahové napětí je minimální napětí mezi gate (G) a source (S), při kterém se tranzistor začne otevírat – tzn. vytvoří se vodivý kanál mezi drain (D) a source (S).

• Operační zesilovač je integrovaný obvod, který zesiluje rozdíl napětí mezi svými dvěma vstupy:
  • invertující vstup: V−
  • neinvertující vstup: V+
  • výstup: VOUT

• Symetrické - třeba +15V a -15V
• Nesymetrické - 0V a 5V

• 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

• 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)

• 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).

• 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.

• 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).

• 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.

• 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.

• 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 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.

• 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).

• 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).

• 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.

• 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.

• 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.

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).