Oefenopgaven Signaalverwerking 5 VWO

PRACTICUMOPGAVEN Fysische Informatica SYSTEEMBORD

Naam:

Introductie: Het eerste, tweede en derde deel behoren tot de lesstof, het vierde deel is extra. Gebruik voor de opgaven steeds een blad papier waar twee systeemborden op staan, teken daar de aansluitingen op en maak aan de zijkant of achterkant daarvan de rest van de opgave zoals waarheidstabellen en omschrijvingen. Lever het pakketje ingevulde bladen met onderstaande lijst tijdens de laatste practicumles in, dit telt mee voor de Practische Opdracht in deze periode. Deel 1. De onderdelen 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

Drukknop, invertor, LED Drukknoppen, EN-poort, zoemer OF-poort Teller Variabele spanning Comparator Geheugencel AD-omzetter Pulsgenerator Relais Geluidsensor Temperatuursensor Lichtsensor Transistor Deel 2. Eenvoudige combinaties Invertor en EN-poort EN-poort en OF-poort Invertor en OF-poort Alarmsignaal Hoe werkt dit (1) Hoe werkt dit (2) Hoe werkt dit (3) Temperatuurregeling Nachtverlichting Zoemer op schakeling (1) Zoemer op schakeling (2)

Deel 3. Moet je kunnen 26

Reacietijdmeting

27

Bezoekers tellen

28 29 30 31 32 33 34

Voetgangersoversteekplaats Insluiper-alarm Stoplicht (1) Galerijverlichting Instabiel systeem Twee grenzen Dubbel alarm

Deel 4. Extra lastig 35 Temperatuurcontrole 36 Stoplicht (2) 37 Transistor 38 Tel tot 99 39 Nieuwe opgave

Eerste deel. Kennismaking met de onderdelen. 1 Drukknop, invertor, LED Meet met een voltmeter de uitgangsspanning van een drukknop. (Als tweede aansluiting van de voltmeter neem je een "aarde", een van de zwart gemerkte aansluitingen, bijv. bij de sensoren). Die spanning kan "laag" zijn, die waarde noemen we "0" Die spanning kan "hoog" zijn, die waarde noemen we "1" Sluit een drukknop aan op de ingang van een invertor. Sluit de uitgang van de invertor aan op een LED. Teken de aansluitingen op een bijlage. Omschrijf de werking in woorden en maak een "Waarheidstabel" volgens het voorbeeld hiernaast. Uitgang drukknop is "a"; uitgang invertor is "Q" 2 Drukknoppen, EN-poort, zoemer De eerste drukknop noemen we "a1" De tweede drukknop noemen we "a2" Sluit ze aan op de ingangen van een EN-poort. Sluit de uitgang van de EN-poort aan op de zoemer. Teken de aansluitingen op een bijlage. Omschrijf de werking in woorden en maak een "Waarheidstabel" volgens het voorbeeld hiernaast. Uitgang van de EN-poort noemen we "Q"

a

Q

0

1

a1

a2

0

0

0

1

1

0

1

1

Q

3 OF-poort De eerste drukknop noemen we "a1". De tweede drukknop noemen we "a2" Sluit ze aan op de ingangen van een OF-poort. Sluit de uitgang van de OF-poort aan op een LED. Teken de aansluitingen op een bijlage. Omschrijf de werking in woorden en maak een "Waarheidstabel" zoals bij opgave 2. Uitgang van de OF-poort is "Q" 4 Teller Sluit een drukknop aan op de "tel pulsen" ingang van de teller. Sluit de andere drukknop aan op de "reset" van de teller. Sluit de vier uitgangen van de teller (Q1, Q2, Q3 en Q4) aan op vier LED's. Q1 is uitgang "8"; de MSB Q2 is uitgang "4" Q3 is uitgang "2" Q4 is uitgang "1", de LSB.

teller

Q1

Q2

Q3

0 1 2 3 4 5 6

Onderzoek de werking van de teller. Onderzoek ook de werking van de "reset" Beschrijf de werking in woorden en vul ook de tabel in. Wat betekent MSB en LSB?

7 8 9

(De werking van de "teller aan/uit" ingang van de teller onderzoek je bij opgave 9).

Q4

5

Variabele Spanning Stand

spanning

Meet met een voltmeter (zoals bij opgave 1) de spanning van de variabele spanning bij verschillende standen van de draaiknop. Vul de tabel in.

6. Comparator Sluit de variabele spanning aan op de comparator. Sluit de variabele spanning tevens aan op een LED. Sluit de uitgang van de comparator aan op een andere LED. Onderzoek de werking van deze schakeling door de draaiknoppen van de variabele spanning en de comparator in diverse standen te zetten. Beschrijf de werking in woorden. 7 Geheugencel Sluit een drukknop aan op de "set" van de geheugencel. Sluit de andere drukknop aan op de "reset" van de geheugencel. Sluit de uitgang van de geheugencel aan op een LED. Beschrijf de werking in woorden. Waarom kun je nu geen waarheidstabel maken? 8 AD-omzetter Sluit de variabele spanning aan op een voltmeter (zoals bij opgave 5). Sluit de variabele spanning tevens aan op de AD-omzetter. Sluit de uitgangen van de ADomzetter aan op vier LED's. Q1 is uitgang "8" Q2 is uitgang "4" Q3 is uitgang "2" Q4 is uitgang "1" Stel nu (met hele kleine stapjes) de variabele spanning in op diverse waarden en onderzoek zodoende de werking. Vul de tabel in. Beschrijf de werking ook in woorden. 9 Pulsgenerator Sluit de pulsgenerator aan op een LED of de zoemer en draai aan de knop. Beschrijf de werking. Sluit hem vervolgens aan op de "tel pulsen" ingang van de teller. Sluit ook een drukknop aan op de "teller aan/uit" ingang van de teller. Onderzoek en beschrijf de werking.

minimale maximale spanning spanning 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Q1

Q2

Q3

Q4

10 Relais Op diverse plaatsen op het systeembord komt een spanning van 5 V voor. Toch kun je hier niet een gewoon lampje van 5 V op laten branden. (Probeer dit maar). De spanning van 5 V op het systeembord is alleen geschikt als "informatie", niet als energiebron, er kan namelijk geen stroomsterkte van enige betekenis gaan lopen. Toch wil men vaak apparaten aan- en uitzetten die wel flink wat stroom gebruiken. Daarvoor dient het relais. Gebruik een voedingskastje en stel dat in op 5 V. (Zoals bij elektriciteitspractica in afgelopen jaren). Neem een 6V-0,5A lampje (en een houder) en controleer of het werkt. Sluit de + en de - van het voedingskastje aan op de bovenste twee (zwarte) aansluitingen van het relais. Sluit het lampje aan op de onderste twee (zwarte) aansluitingen van het relais. Sluit een drukknop aan op de (witte) ingang van het relais. Onderzoek en beschrijf de werking. 11 Geluidsensor Sluit de geluidsensor aan op de comparator en de comparator op een LED. Onderzoek (door geluid te maken) de werking en beschrijf die. Gebruik bij die beschrijving de termen: "geluidssterkte"; "continu signaal" en "tweewaardig signaal" 12 Temperatuursensor Haal een temperatuursensor uit de la met sensoren en sluit die aan op een sensor-aansluiting. Meet met een voltmeter het uitgangssignaal. Plaats de temperatuursensor in een warme en koude omgeving en beschrijf de werking. Op welke onderdelen van het systeembord zou je de uitgang van de sensor op zinvolle wijze kunnen aansluiten en op welke niet? (leg uit.) 13 Lichtsensor Haal een lichtsensor uit de la met sensoren en sluit die aan op een sensor-aansluiting. Laat een LED continu branden (bijv. door die op de invertor aan te sluiten waarvan de ingang niet aangesloten is). Sluit de lichtsensor aan op de comparator en de comparator op een LED. Houd de lichtsensor bij de brandende LED en onderzoek zo de werking. 14. Transistor. Wacht met het onderzoeken van de transistor tot je aan de extra opgaven van deel 4 toe bent.

Tweede deel. Eenvoudige combinaties. 15. Invertor en EN-poort Bouw de schakeling, teken hem zoals hij er op een systeembord uit ziet op een bijlage en maak een waarheidstabel. a1 en a2 zijn drukknoppen, Q is een LED. (zoals bij opgave 2). a1

&

Q

16. EN-poort en OF-poort Bouw de schakeling, teken hem zoals hij er op een systeembord uit ziet op een bijlage en maak een waarheidstabel.

a1 a2

a2

1

&

≥1

Q

17. Invertor en OF-poort Sluit een drukknop aan op een ingang van de OF-poort. Sluit de andere drukknop via de invertor aan op de andere ingang van de OF-poort. Sluit de uitgang van de OF-poort aan op een LED. Teken de aansluitingen op een bijlage. Maak een waarheidstabel. 18 Alarmsignaal Sluit de pulsgenerator aan op de teller. Sluit de "1"-uitgang en de "4"- uitgang van de teller aan op de EN-poort. De EN-poort vervolgens op de zoemer.

19 Hoe werkt dit (1) Bouw de schakeling, teken hem over op een bijlage en beschrijf de werking. Het lampje brandt als . . . . .

20 Hoe werkt dit (2) Bouw de schakeling, teken hem over op een bijlage en beschrijf de werking. Het lampje brandt als . . . . .

21 Hoe werkt dit (3) Bouw de schakeling, teken hem over op een bijlage en beschrijf de werking. Het zoemer zoemt als . . . . .

Bij de hierna volgende opgaven mag je uitgaan van de volgende eigenschappen van sensoren. Draaihoeksensor Draaihoek naar spanning Bereik 0 graden (0 Volt) tot 240 graden (5 V) Gevoeligheid 0,02 (V/graad) Temperatuursensor Temperatuur naar spanning Bereik –22 C ( = 0 V) tot 110 C (= 2,4 V) Gevoeligheid 0,018 (V/graad) Lichtsensor Lichtsterkte naar spanning Bereik 0 ( = 0 V) tot 300 lux ( = 4,5 V) Gevoeligheid 0,015 (V/lux)

Geluidssensor

Geluidssterkte naar spanning Bereik 0 Pa (= 0 V) tot 2,50 Pa (= 0,5 V) Gevoeligheid 0,2 (V/Pa) Je mag tijdens het practicum de sensoren vervangen door een variabele spanning. Let wel: op de toets moet je wel weten hoe het met een echte sensor zit! 22 Temperatuurregeling Een (fictief) verwarmingselement dat kan worden aangesloten op het relais moet aangaan als de temperatuur onder de 60oC is en weer uit gaan als de tempetaruur boven de 60oC komt. 23 Nachtverlichting 's Avonds bij schemering (I < 50 lux) moet de straatverlichting aangaan en overdag weer uit. 24 Zoemer op schakeling (1) Een zoemer moet werken zolang iemand een schakelaar ingedrukt houdt of zolang uit een zaklantaarn licht met een sterkte van meer dan 150 lux op een lichtsensor valt. 25 Zoemer op schakeling (2) Een zoemer aan gaan wanneer een deur meer dan 30 graden opendraait. De zoemer moet daarna aan blijven, zelfs als de deur weer dichtgaat, totdat iemand op een schakelaar drukt.

Derde deel. Schakelingen die behoort te kunnen. 26 Reacietijdmeting Meet in tienden van seconden elkaars reactietijd. Degene wiens reactie getest wordt houdt zijn handen op zijn rug. Degene die de test afneemt drukt onopvallend op een drukknop zodat een LED gaat branden. Degene wiens reactie getest wordt moet dan snel de andere drukknop indrukken. De teller moet dan de reactietijd aangeven. 27 Bezoekers tellen Bij de ingang van een gebouw moet het aantal bezoekers geteld worden. Maak met een geschikte lamp (vraag aan mijnheer Rood) en een lichtsensor een echte lichtsluis bij de ingang van het practicumlokaal. Het aantal personen dat langs gelopen is moet worden geteld en de teller moet op nul kunnen worden gezet. 28 Voetgangersoversteekplaats Telkens wanneer een voetganger de schakelaar indrukt, moet het licht van de autoweg (LED1) 8 seconden lang op rood gaan. Na deze tijd moet het voetgangerslicht (LED2) weer op rood komen te staan. 28b Baby-alarm Een LED moet aangaan wanneer een baby meer dan 4 seconden aaneengesloten huilt. De LED moet blijven branden totdat iemand de baby sust en op een schakelaar drukt. 29 Insluiper-alarm Wanneer de voordeur meer dan 30 graden opendraait wordt een zoemer gestart, die beurtelings 1 seconde aan en 1 seconde uit is. De zoemer wordt alleen uitgeschakeld door de deur te sluiten en daarna een schakelaar in te drukken.

30 Stoplicht (1) De hoofdweg staat normaal op groen (LED1). Als een auto in de zijstraat over een druksensor rijdt, of als een voetganger op een knop drukt, moet de hoofdweg 8 seconden op rood (LED2) en alle andere lichten (LED3 en 4) op groen gaan. 31 Galerijverlichting Op de galerijen van een flat moeten de lichten aangaan wanneer het daglicht minstens 4 seconden minder is dan 40 lux. Als er weer voldoende daglicht is kunnen de lampen meteen weer uit. Hiermee voorkomt met dat de lampen meteen aangaan als er overdag iemand langs de sensor loopt. 32 Instabiel systeem Sluit de geluidsensor via de comparator en de invertor aan op de zoemer. Hoe werkt dit? 33 Twee grenzen Als een variabele spanning een waarde heeft tussen 1,3 (V) en 3,1 (V) moet een led branden. N.B. Gebruik een systeembord met maar één comparator. 34 Dubbel alarm Wanneer ’s nachts op een bepaalde plaats in huis licht of geluid wordt waargenomen moet een zoemer worden gestart die beurtelings 1 seconde aan en 1 seconde uit is. De zoemer gaat hierna alleen uit als het licht én het geluid er niet meer zijn en men daarna op een drukschakelaar drukt.

Vierde deel. Lastige opgaven voor doorzetters 35 Temperatuurcontrole Een led moet branden zolang het in een broedmachine warmer dan 30 C is. Wanneer het kouder wordt moet de zoemer 4 seconden lang gaan, zodat iemand de kachel aan kan gaan zetten. 36 Stoplicht (2) Maak een stoplicht dat normaal op rood (LED1) staat. Als er een auto aan komt rijdt die over een drukknop en dan gaat het stoplicht 4 seconden op groen (LED2), vervolgens 2 seconden op oranje (LED3) en dan weer op rood. 37 Transistor Onderzoek hoe de transitor werkt. Op het systeembord maar ook de theorie er achter. Wat zijn de "collector", de "basis" en de "emitter"? Is op het systeembord sprake van een "PNP" of een "NPN" transistor? 38 Tel tot 99 Maak met twee systeemborden (aarde met elkaar verbinden) een teller die tot 99 kan tellen. 39 Nieuwe opgave Verzin zelf een nieuwe opdracht (die wel uitvoerbaar is!) en formuleer die zorgvuldig. Probeer of een medeleerling (of je docent) er uit kan komen. Volgend jaar voegen we die er dan aan toe.

EINDE