Sissejuhatus digitaaltehnikasse

ISBN 978-9949-83-021-3		Raamatu valmimise lugu 2010-2016
		Õppeaine arendamise kõrvalt andsin aastal 2014 samal teemal tunde Kohtla-Järvel Virumaa Kolledži õppeaines Mikroprotsessortehnika (vt blogipostitus). Tehnika kiire arenguga oli tõsiseks väljakutseks konspekti ja õppematerjali uuendamine ning lootusetult vananenud õppematerjali asendamine kaasaegsega. See paistis otseselt välja ka õppijate poolt õppetegevustele antud tagasisidest. Kolleegid Tanel Jalakas ja Indrek Roasto olid 2005 välja arendatud ja valmistanud mikrokontrolleri õppestendide seeria. Olemasolevate stendide kogus võimaldas neid kasutada ka suurtes bakalaureuseõppe rühmades. Arvutiriistvara oli aga võrreldes aastaga 2005 palju muutunud. Stendid tuli kohandada tööks keelega C ning USB-liidesega varasema assemblerkeele ja printeriliidese LPT asemel. Tekkis võimalus kasutada õppestende 32-bitiste mikrokontrolleritega varasemate 8-bitiste asemel. Tallinna Tehnikaülikoolis 1998-2004 rekonstrueeritud 28 trammi juhtimissüsteemides oli rakendatud 16-bitiseid mikrokontrollereid juba varem, jõuelektroonika teadlased olid juba aastaid spetsiifiliste muundurite juhtimiseks rakendanud FPGAsid. Sellegipoolest polnud uued, keerukad ja kallid seadmed bakalaureuseõppe praktikumidesse jõudnud. Koostöös Riia Tehnikaülikooli töötajate ja Tallinna Tehnikaülikooli jõuelektroonika uurimisrühma liikmetega astuti samme uute mikrokontrollerite ja FPGAde rakendamiseks õppes. Kodutööde jaoks võeti kasutusse vabalt kättesaadav tööstuslike kompaktkontrollerite tarkvara. Õppijate tööde esitamiseks ja neile tagasiside andmiseks võeti kasutusse e-õppe keskkond Moodle. Eelnenud aastakümne tormiline areng tehnikas tingis loengukonspekti uuesti läbitöötamise. Pingutused õppearendustöös ei jäänud tähelepanuta. Detsembris 2012 sain tänukirja Tallinna Tehnikaülikooli haridustehnoloogia keskuselt e-õppe propageerimise ja aktiivse kasutamise eest. Konspekt trükiti aastal 2016 Tallinna Tehnikaülikooli kirjastuses. Kaks aastat hiljem valisid raamatukogu töötajad raamatu 01.11–31.12.2018 klaasgaleriis toimunud näitusele „Sajandi 100 õpikut Tallinna Tehnikaülikooli õppejõududelt“.

NB! Kursuse sõnastikud - Course Terms by Topic

Teema 1: Elektrisignaalid (Electrical Signals)
Teema 2: Loogikafunktsioonid ja loogikalülitused (Logic Functions and Logic Circuits)
Teema 3: Koodid ja kodeerimine (Codes and Digital Information Encoding)
Teema 4: Kombinatsioonloogikalülitused (Combinatorial Logic Circuits)
Teema 5: Järjendloogikalülitused (Sequential Logic Circuits)
Teema 6: Pooljuhtmäluseadmed ja nende tööpõhimõte (Principles of Semiconductor Memory Circuits and Devices)
Teema 7: Andmevahetuslülitused sh andmesideliideste tööpõhimõte (Communication Circuits)
Teema 8: Programmeeritavad kontrollerid ja juhtimissüsteemide arendusprotsess (PLCs and Development Process of Control Systems)

Õpiku sisukord (NB! Materjali käsitlemise järjekord loengutes, harjutustundides ja praktikumides erineb veidi raamatu siskorrast.)
Õpiku aineregister

Praktikumid - Practical Laboratory Classes

Mikrokontrollerite õppeplaadid (autor Tanel Jalakas, 2005)

Programmeeritavate releede/kompaktkontrollerite tarkvarasimulatsioonid (Siemens Logo!, CoDeSys)

Kilbid Siemens Logo! kontrolleritega

Kilbikestad on vajalikud üksnes juhul kui kasutatakse ohtlikul 230V vahelduvpingel töötavaid kompaktkontrollereid.

Lülituste modelleerimine NI Multisim keskkonnas

Siin on näited juhtimisahelate elektroonikaosa modelleerimisest. Jõupooljuhtmuundurite jõuahelate elektroonikaosa modelleerimise kohta vt Elektroonikaseadmete raalprojekteerimine. Süsteemide tarkvara ja analoog ning digitaalelektroonika riistvara ühtlustatud funktsionaalsel tasemel modelleerimise kohta vt. MATLAB Simulink (Automaatjuhtimise alused).

Analoogsignaalid

Kombinatsioonloogikalülitused

Pärast Boole'i algebra põhitehetest aruasaamist saab hakata nendest koostama mitmesuguseid praktilisi plokke. Tänapäeva juhtimissüsteemides on nendeks nt aadressidekoodrid, koodikomparaatorid, kommutaatorid ehk multiplekserid ja demultiplekserid. Kombinatsiooniloogikaplokke saab matemaatiliselt osadeks jagada ehk de-komponeerida või teisendada teistest loogikaelementidest (või funktsioonidest) koosnevale kujule (erinevad normaalkujud erinevatel riistvaraplatvormidel kasutamiseks jms.).

Järjendloogikalülitused

Trigerid ja registrid on nüüdisaegsete juhtimissüsteemide olulisteks komponentideks. Nendest koosnevad mikrokontrollerite kiipidesse sisseehitatud taimerid, impulssmodulaatorid ja keerukamad järjendloogikalülitused. Järjendloogikalülituste kasutamiseks ja programmeerimiseks on vaja tunda nende tööpõhimõtet ja ehitust. Uute seadmete kavandamisel ja programmeerimisel ei piisa enamasti ainult valmisteekides olemasolevate funktsioonide kasutamisest. Eriti oluline on tööpõhimõttest aruasaamine kui kavandatakse uut lülitust - nt projekteerides uut spetsiifilist modulaatorit FPGA baasil.


raamatus joonisel 5.45.c	raamatus joonisel 10.3	raamatus joonisel 10.12

Makettlaual füüsilistest kiipidest koostamise asemel saab eeltoodud keerukaid skeeme sisestada valmisplokkidena FPGA loogikadisaini paketis Intel Quartus (varem Altera Quartus) või Xilinx Vivado Design Suite (varem Xilinx ISE).

Signaalimuundurid

Otsustamaks millisesse rakendussse sobib kohakaupa kodeeriva (Successive-Approximation) analoog-digitaalmuunduriga mikrokontrolleri kiip ja milline rakendus vajab pidevalt kodeerivat ja integreerivat delta-sigma tüüpi analoog-digitaalmuundurit, on vaja tunda erinevate analoog-digitaalmuundurite tööpõhimõtet. Raamatus illustreeritakse analoog-digitaalmuundurite tööd simulatsiooninäidetega.