Лабораторный практикум по курсам “Физические основы электроники” и ”Силовая электроника” (стр. 4 )

Работа № 8

ГЕНЕРАТОРЫ ИМПУЛЬСОВ

Цель работы: экспериментальное определение амплитудно-временных параметров мультивибраторов на транзисторах и логических элементах И-НЕ, одновибратора и генератора импульсов на логических элементах.

1.  Краткие теоретические сведения

Мультивибратор – это релаксационный автоколебательный генератор импульсов, близких по форме к прямоугольным.

Мультивибратор реализуется на базе усилительного устройства с цепью положительной обратной связи.

Схема мультивибратора на транзисторах приведена на рис. 8.1.

 

Она построена на транзисторах VT1 и VT2 по схеме с коллекторно - базовыми связями по переменному току, что определяет два квазиустойчивых состояния равновесия. В этих состояниях схема может находиться строго фиксированное время, зависящее от переходных процессов, протекающих во времязадающих цепях. Работа мультивибратора сводится к постоянной смене этих состояний, что сопровождается формированием на коллекторах транзисторов выходных напряжений UK1 и UK2 , близких по форме к прямоугольным.

Будем считать транзистор безынерционным элементом, а схему мультивибратора – симметричной (RK1 = RK2 = RK ; C2 = C4 = C; R1 = R2 = R). Предположим, что в момент t0 происходит очередное переключение мультивибратора, и транзистор VT1 попадает в режим насыщения, а VT2 – в режим отсечки. С этого момента в схеме начинают протекать два самостоятельных процесса, связанные с перезарядкой конденсаторов C2 и C4.

Процессы перезарядки конденсаторов C2 и C4 при работе мультивибратора рассмотрим с помощью приведенных на рис. 8.2. временных диаграмм.

 

Рис. 8.2

К моменту t = t0 конденсатор C4 полностью разряжен и после насыщения транзистора VT1 начинается заряд этого конденсатора через резистор RK2. Поскольку конденсатор C4 через эмиттерный переход насыщенного транзистора VT1 шунтирует коллектор-эмиттерные выводы транзистора VT2, то процесс его заряда определяет скорость изменения коллекторного напряжения транзистора VT2. Этот процесс заканчивается в момент t1, когда UC4 = 0,9 EK. В момент t0 ток базы транзистора VT1 складывается из постоянного тока резистора R2 и импульсного тока заряда конденсатора C4. Поэтому сразу после насыщения ток базы VT1 существенно больше необходимого для его насыщения, и напряжение эмиттерного перехода транзистора VT1 имеет максимальное значение – UБ1И. По мере заряда конденсатора C4 напряжение UБ1 падает до величины UБ1Н, определяемой только током резистора R2.

Второй процесс в схеме связан с разрядом ранее заряженного почти до напряжения питания ЕK конденсатора С2. Этот разряд происходит через

насыщенный транзистор VT1, источник питания ЕK и резистор R1. Поскольку VT1 насыщен, то UБ2 близко к UC2 и VT2 надежно заперт. Процесс разряда конденсатора С2 заканчивается в момент t2 , когда UC2 = 0. В этот момент происходит очередное переключение транзисторов. Транзистор VT1 запирается, а транзистор VT2 насыщается. Далее процесс пойдет аналогично описанному, поэтому моменты времени t3 и t4 соответствуют моментам t0 и t2 .

Таким образом, длительность нахождения схемы мультивибратора в квазиустойчивом состоянии определяется процессами разряда, а длительность фронта коллекторного напряжения – процессами заряда соответствующих конденсаторов связи. Период колебаний выходного напряжения симметричного автоколебательного мультивибратора не зависит от напряжения питания и определяется параметрами его времязадающих элементов по формуле Т = 0,707 RC.

Схема мультивибратора на основе двух времязадающих конденсаторов и элементов И-НЕ приведена на рис. 8.3.

 

По идеологии схема такого мультивибратора повторяет схему транзисторного мультивибратора, роль транзисторов в которой выполняют инверторы DD1 и DD2. Заряд конденсаторов С1 и С2 при переключении достигает порога срабатывания логических элементов ТТЛ-типа, а выходные напряжения UВЫХ 1 и UВЫХ 2 достигают по амплитуде уровня логической единицы, находятся в противофазе и их форма близка к прямоугольной. Для защиты элементов ТТЛ-логики от действия напряжений отрицательной полярности в их входные цепи установлены обратно включенные диоды VD1 и VD2.

Одновибратором или ждущим генератором называется устройство, которое под воздействием внешнего запускающего сигнала временно выходит из устойчивого состояния равновесия в квазиустойчивое состояние,

формируя на своем выходе один импульс. Схема одновибратора может быть получена из мультивибратора элементах И-НЕ путем введения напряжения смещения на вход одного из элементов И-НЕ. Однако для формирования единственного импульса одну из времязадающих RC-цепей можно исключить и получить схему одновибратора на элементах И-НЕ, приведенную на рис. 8.4.

 

В исходном состоянии конденсатор С разряжен до напряжения лог.0 (U0), а на управляющем входе поддерживается напряжение UВХ = лог.1(U1). В результате инвертирования напряжения U0 элементом DD2 совпадение его выходного сигнала уровня U1 с входным обеспечивает устойчивое состояние выходного сигнала элемента DD1 (выходного сигнала одновибратора) на уровне U0. С приходом переднего фронта входного управляющего отрицательного импульса (перепада из состояния U1в состояние U0) элемент И–НЕ DD1 переключается и на его выходе формируется передний фронт выходного положительного импульса (перепад из состояния U0 в состояние U1).

Это напряжение через разряженный конденсатор С попадает на вход инвертора DD2, что вызывает появление на его выходе сигнала U0, поступающего на вход Элемент И–НЕ DD1 и поддерживающего его выходной сигнал на уровне U1даже после окончания действия входного управляющего сигнала UВХ. При этом начинается разряд конденсатора С через резистор R. Когда напряжение на конденсаторе С уменьшится до напряжения порога срабатывания UПОР элемента DD2, на выходе последнего появится сигнал U1, который вызовет изменение выходного сигнала элемента DD1 (перепад из состояния U1в состояние U0), то есть формирование заднего фронта выходного положительного импульса одновибратора. Длительность выходного импульса определяется следующим выражением:

tИ = RC ln [ UЛ П / (UЛ П + UПОР – U 1)],

где UЛП = U1ВХ min – U0ВХ max – напряжение логического перепада амплитудной передаточной характеристики элемента ТТЛ-логики.

Важным параметром одновибратора является время восстановления исходного состояния, под которым подразумевается интервал времени, необходимый для полного разряда времязадающего конденсатора С. Для уменьшения этого времени в схеме одновибратора использован диод, уменьшающий постоянную времени цепи разряда конденсатора С.

Автогенератор импульсов на инверторах также может быть построен с одной времязадающей емкостью. Схема такого генератора содержит три инвертора DD1, DD2 и DD3 и приведена на рис. 8.5.

 

Эту схему также можно представить усилителем, выполненным на каскадно соединенных инверторах DD1 и DD2, охваченных цепью положительной обратной связи, которая представлена параллельно соединенными инвертором DD3 и цепочкой RC. Особенностью схемы является использование в качестве токозадающего элемента при перезаряде конденсатора С выходных цепей инверторов ТТЛ-логики. При этом в процессе работы генератора напряжение на конденсаторе С не изменяет своей полярности и не превышает по амплитуде напряжения порога срабатывания UПОР логического элемента.

2. Задание на лабораторную работу

2.1. Исследовать мультивибратор на транзисторах:

а) снять осциллограммы работы мультивибратора;

б) измерить период колебаний мультивибратора.

2.2. Исследовать мультивибратор на элементах И-НЕ:

а) снять осциллограммы работы мультивибратора;

б) измерить период колебаний мультивибратора.

2.3. Исследовать одновибратор на элементах И-НЕ:

а) снять осциллограммы работы одновибратора;

б) измерить длительность выходного импульса одновибратора.

2.4. Исследовать генератор импульсов на элементах НЕ:

а) снять осциллограммы работы генератора;

б) измерить период колебаний генератора.

3. Порядок выполнения работы

В данной работе все исследования проводятся на основе осциллографирования процессов в контрольных точках схем, изображенных на накладной панели «8 ». При нажатой кнопке «7, 8 » переключателя «Номер работы» необходимо наблюдать на экране осциллографа одновременно три-четыре процесса в различных точках исследуемой схемы. При этом следует использовать вход осциллографа «Y1(I)» на панели стенда как приоритетный для внешней синхронизации.

3.1. Исследование мультивибратора на транзисторах:

3.1.1. Для снятия  осциллограммы в контрольных точках схемы необходимо выполнить следующие действия:

–  установить одинаковое усиление каналов осциллографа С1-93 (2 В/дел);

– используя ручки вертикального отклонения осциллографа, а также ручку стенда «® », расположить на экране и снять диаграммы сигналов в контрольных точках Х1, Х2, Х3 и Х4 схемы.

3.1.2. Для измерения с помощью осциллографа период колебаний Т1 мультивибратора необходимо выполнить следующие действия:

– нажать кнопки S1 и S2 и зафиксировать новое значение периода колебаний;

– отжать кнопку S1 и снять осциллограммы для случая несимметричного мультивибратора, используя рекомендации п. 3.1.1.

– сравнить экспериментальное и расчетное значения периода колебаний Т1 мультивибратора, для чего определить расчетное значение периода колебаний из соотношения Т1 = 0,707RC, где R = R1 = R2 = 10 кОм; С – времязадающий конденсатор (С1 = С2 = С3 = С4 = C = 0,027 мкФ).

3.2. Исследование мультивибратора на элементах И-НЕ:

3.2.1. Для снятия осциллограммы в контрольных точках Х6, Х7, и Х5 схемы необходимо использовать указания п. 3.1.1.

3.2.2. Для экспериментального измерения с помощью осциллографа и последующего расчета периода колебаний мультивибратора необходимо выполнить действия в соответствии с п. 3.1.2.

Данные схемы для расчета: R1 = R2 = 1,5 кОм; С1 = С2 = 0,47 мкФ.

3.3. Исследование одновибратора на элементах И-НЕ:

3.3.1. Для снятия осциллограммы на входе (Х8) и выходе (Х9) схемы, необходимо использовать указания п. 3.1.1 по регулировкам.

3.3.2. Измерить с помощью осциллографа длительность выходного импульса одновибратора и сравнить его с расчетным значением.

Данные схемы для расчета: R1 = 910 Ом; С1 = 0,22 мкФ.

3.4. Исследование генератора импульсов на элементах НЕ:

Снять осциллограммы в контрольных точках схемы Х12, Х11 и Х10, используя указания п.  3.1.1 по регулировкам.

4. Контрольные вопросы

1. Дайте определение мультивибратора и укажите условия построения симметричного мультивибратора.

2. Чем определяется длительность нахождения схемы мультивибратора в квазиустойчивом состоянии и длительность фронта коллекторного напряжения?

3. Какие элементы схемы мультивибратора на логических элементах И–НЕ предназначены для защиты элементов ТТЛ-логики от действия напряжений отрицательной полярности?

4. Дайте определение одновибратора и укажите, чем определяется длительность формируемых им импульсов.

5 В какой момент времени по отношению к входному управляющему сигналу формируется передний фронт выходного импульса одновибратора?

6. Что является отличительной особенностью схемы автогенератора импульсов на инверторах?

Работа № 9

ЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ НА ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМАХ

Цель работы: исследование логического элемента И-НЕ и реализации логических функций на его основе.

1. Краткие теоретические сведения

Самыми распространенными в схемотехнике цифровых устройств являются интегральные микросхемы транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) и ее разновидностей. Интегральные схемы ТТЛ-типа обладают средним быстродействием (Fmax = 20…50 МГц) и средней потребляемой мощностью. Большинство микросхем, входящих в состав серий ТТЛ, выполнено на основе комбинаций двух базовых схем: элемента И-НЕ и расширителя по ИЛИ.

Схема двухвходового элемента И-НЕ (2И-НЕ) показана на рис. 9.1.

 

X1	X2	Y
0	0	1
1	0	1
0	1	1
1	1	0

Значениям логических переменных и логических функций от них в электрических схемах ставятся в соответствие различные характеристики токов или напряжений. В положительной потенциальной логике значению лог.1 ставят в соответствие большее, а значению лог.0 – меньшее значение напряжения.

Эта характеристика имеет ряд типовых точек, по которым оцениваются устойчивые состояния выходного сигнала и помехоустойчивость логического элемента. Напряжение UКВ называется напряжением порога квантования, которое делит передаточную характеристику на две области, соответствующие зонам отображения сигналов лог.0 и лог.1.

Работа элемента 2И-НЕ как электронного устройства описывается передаточной характеристикой UВЫХ = f (UВХ), имеющей вид, приведенный на рис. 9.2.

Рис. 9.2

Если напряжение UВХ больше UКВ, то оно воспринимается как сигнал лог.1 (U1), если напряжение UВХ меньше UКВ, то оно воспринимается как сигнал лог.0 (U0). Точка UКВ является точкой неустойчивого равновесия, и любое сколь угодно малое отклонение напряжения от значения UКВ приведет к формированию на выходе логического элемента сигнала U0 или U1.

Поскольку даже кратковременное искажение входного сигнала может привести к потере истинности при формировании выходного сигнала, логический элемент характеризуется показателями помехоустойчивости. Зона помехоустойчивости определяется по передаточной характеристике. Для отдельного логического элемента и комбинационных схем на его основе допустимые уровни входной помехи по сигналам лог.0 и лог.1 находятся из соотношений:

U0ПОМ К = |UКВ – U0|, U1ПОМ К = |UКВ – U1| (9.1).

Последовательные цепочки логических элементов для устойчивой работы требуют меньшей амплитуды помехи на входе, поэтому допустимый диапазон помехи определяется следующими отношениями:

U0ПОМ П = |U0П – U1|, U1ПОМ П = |U1П – U0| (9.2),

где U0П и U1П – входные напряжения, соответствующие точкам передаточной характеристики, для которых dUВЫХ/dUВХ = –1.

При построении цифровых устройств, реализующих требуемую логическую функцию, обычно не пользуются функционально полной системой логических элементов, а применяют только базовые элементы,

выполняющие операции И-НЕ и ИЛИ-НЕ. Для перехода от произвольной логической функции к базису элементов И-НЕ или ИЛИ-НЕ используют теоремы булевой алгебры, которые отображают связи, существующие между логическими операциями. Наиболее важными из них являются следующие теоремы:

1., – теоремы Де-Моргана;

2. , – теоремы поглощения;

3. , – теоремы склеивания.

Например, для реализации логической функции на элементах И–НЕ следует ее представить, используя двойную инверсию и теорему Де-Моргана:

.

Затем на базе элементов 2И-НЕ можно составить функциональную схему реализации заданной логической функции. Эта схема приведена на рис. 9.3.

2. Задание на лабораторную работу

2.1. Исследовать логический элемент 2И-НЕ (ТТЛ):

а) снять и построить передаточную характеристику UВЫХ = f(UВХ) элемента 2И-НЕ (DD1);

б) исследовать работу элемента 3И-НЕ (DD3) и построить таблицу истинности его работы;

в) определить параметры логического элемента 2И-НЕ: выходные напряжения U0 и U1 логических уровней, пороговые напряжения U0П и U1П, а также статическую помехоустойчивость для комбинационных (U0ПОМ К и U1ПОМ К) и последовательных (U0ПОМ П и U1ПОМ П) схем на логических элементах.

2.2.Составить таблицу истинности и реализовать на логических элементах одну из логических функций от трех переменных по указанию преподавателя.

3. Порядок выполнения работы

Перед началом работы необходимо ознакомиться со структурой накладной панели и органами управления стендом. В работе используются кнопки «СБР» и «ПУСК», расположенные на панели управления. На накладной панели «9,10» приведено поле управления и поле логических эле-

ментов. На поле управления слева расположен генератор Г входных переменных Х1, Х2 , Х3 и их инверсных значений , и . При нажатии кнопки «СБР» устанавливаются нулевые значения для всех переменных. При нажатии кнопки «ПУСК» происходит поочередная смена набора входных переменных, индикация которых осуществляется с помощью светодиодов «Х3, Х2, Х1». Кроме этого, в поле управления входит гнездо «V» со светодиодной индикацией для фиксации состояния выхода микросхем, а также гнезда «1» и «0» для подачи логических уровней на входы микросхем. Источник «UВХ» служит для снятия передаточной характеристики элемента.

Поле логических элементов И-НЕ состоит из элементов серии К155 (ТТЛ). Элемент DD1 используется для снятия передаточной характеристики, элементы DD2–DD6 используются для реализации простейших комбинационных схем.

3.1. Исследование логического элемента 2И-НЕ (ТТЛ):

3.1.1. Для снятия и построения передаточной характеристики элемента 2И-НЕ (DD1) UВЫХ = f (UВХ) необходимо:

– устанавливая входной сигнал ручкой «UВХ», измерить и занести в таблицу значения выходного напряжения. При измерениях зафиксировать два-три значения выходного напряжения при переходе от U0 до U1;

– по табличным данным построить график передаточной характеристики UВЫХ = f (UВХ) в удобном для графического анализа масштабе.

3.1.2. Для исследования работы элемента 3И-НЕ (DD5) необходимо выполнить следующие действия:

– с помощью соединительных проводников подключить на входы элемента DD5 выходы Х1, Х2, Х3 генератора Г, а к его выходу – индикатор «Y»;

– нажать кнопку «СБР» для установки исходных значений переменных;

– нажимая кнопку «ПУСК», фиксировать по индикаторам и заносить в таблицу истинности значения входных переменных и выхода элемента (свечение индикатора означает уровень лог.1).

3.1.3. Для определения параметров логического элемента 2И-НЕ необходимо:

– на графике передаточной характеристики UВЫХ=f (UВХ) провести требуемые вспомогательные линии;

– с помощью вспомогательных линий определить: выходные напряжения U0 и U1 логических уровней, пороговые напряжения U0П и U1П, соответствующие моментам переключения;

– по формулам (9.1) определить статическую помехоустойчивость для комбинационных (U0ПОМ К и U1ПОМ К), а по формулам (9.2) – для последовательных (U0ПОМ П и U1ПОМ П) схем на логических элементах.

3.2. Для составления таблицы истинности и реализации логической функции от трех входных переменных, указанной преподавателем, необходимо:

– путем перебора всех значений переменных, входящих в заданную функцию, составить таблицу истинности, содержащую все комбинации входных переменных и соответствующее им значение логической функции. Перебор начинать со значения 000 для переменных Х3, Х2, Х1 и заканчивать значением 111;

– представить в базисе И–НЕ заданную логическую функцию, используя двойную инверсию функции и теорему де Моргана;

– собрать схему на элементах И-НЕ и проверить ее функционирование на соответствие таблице истинности.

4. Контрольные вопросы

1. Какие логические элементы составляют базис цифровой микросхемотехники?

2. Приведите вид передаточной характеристики логического элемента 2И-НЕ с указание ее характерных точек.

3. Перечислите основные теоремы булевой алгебры.

4. Какие показатели помехоустойчивости характерны для комбинационных и последовательностных схем на логических элементах?

5. Расскажите порядок проверки схемы, реализующей требуемую логическую функцию.

Работа № 10

ДЕШИФРАТОР И МУЛЬТИПЛЕКСОР

Цель работы: исследование работы дешифратора и мультиплексора цифровых сигналов.

1. Краткие теоретические сведения

Дешифратором называется комбинационное логическое устройство, предназначенное для преобразования двоичного кода в напряжение логического уровня, появляющееся только на том выходе дешифратора, десятичный номер которого соответствует двоичному коду.

Схема дешифратора трехразрядного двоичного кода, имеющая восемь выходов, и его условное обозначение представлены на рис. 10.1.

Если входной код дешифратора содержит n разрядов, то дешифратор содержит 2n выходов, на одном из которых при данном входном коде появляется сигнал лог.0. Например, при входном коде 000 сигнал появляется на выходе Y0, при коде 001– на выходе Y1 и так далее до значения входного кода 111, при котором сигнал появляется на выходе Y7.

Мультиплексором называется комбинационное логическое устройство, предназначенное для управляемой передачи данных от нескольких источников двухпозиционных цифровых сигналов на один выходной канал.

 

Схема мультиплексора, имеющего восемь информационных входов, и его условное обозначение представлены на рис. 10.2.

По своей структуре мультиплексор включает в себя дешифратор, на дополнительные входы элементов совпадения которого подаются коммутируемые информационные сигналы, а выходы всех элементов совпадения подключены к входам элемента ИЛИ, выход которого и является выходом мультиплексора. Для выбора информационного входа Di (i = 0,1…,7), под-

ключаемого к выходу мультиплексора Y , используются управляющие (адресные) входы Х1, Х2 и Х3, на которые подается двоичный код номера соответствующего входа.

 

2.Задание на лабораторную работу

2.1. Исследовать работу дешифратора и составить временную диаграмму его работы по тактам.

2.2. Исследовать работу мультиплексора при поочередной коммутации информационных входов.

2.3. Исследовать работу мультиплексора в качестве преобразователя параллельного кода в последовательный.

3. Порядок выполнения работы

В данной работе исследуется полный дешифратор (DD7) на три входа и восемь выходов. Выходы дешифратора инверсные, т. е. при подаче на входы определенного двоичного кода на одном из выходов появляется низкий уровень (лог.0), а на остальных выходах будут высокие уровни (лог.1). Кроме этого исследуется также мультиплексор (DD8) на три адресных входа и восемь информационных входов D0 – D7. Адресные входы мультиплексора и дешифратора подключены к выходам Х1, Х2, Х3 генератора переменных Г.

При выполнении данной работы используются органы управления, описанные в работе № 7. Работа микросхем по тактам осуществляется в ручном режиме при нажатии кнопки «ПУСК».

3.1. Для исследования работы дешифратора и построения временной диаграммы его работы по тактам необходимо:

– нажать кнопку «СБР»;

– нажимая кнопку «ПУСК» и подключая поочередно с помощью соединительного проводника индикатор «У» к выходам дешифратора, фиксировать по индикаторам и заносить в таблицу истинности состояние входов Х3 ,Х2, Х1 и выходов 1–7 дешифратора;

– по табличным данным построить временную диаграмму работы дешифратора по тактам (сигналы «ПУСК», сигналы Х3, Х2, Х1 и выходные сигналы 1–7 дешифратора).

3.2. Для исследования функционирования мультиплексора при коммутации информационных сигналов необходимо:

– составить таблицу истинности (табл. 10.1);

– поочередно подавать сигнал лог.0 (низкий уровень напряжения) на информационные входы и, нажимая кнопку «ПУСК», фиксировать по индикаторам и заносить в таблицу состояние входов Х3,Х2,Х1 в момент появления сигнала лог.0 на выходе мультиплексора.

ПРИМЕЧАНИЕ: для серии ТТЛ свободное состояние входов эквивалентно подаче на них сигнала лог.1 (высокого уровня напряжения), поэтому для свободных входов D0 – D7 мультиплексора их коммутация не приводит к явному изменению выходного сигнала.

3.3. Для исследования работы мультиплексора в качестве преобразователя параллельного кода в последовательный необходимо:

– установить по указанию преподавателя восьмиразрядный двоичный код на входах D0 – D7, используя гнезда «1» и «0» и соединительные проводники;

– нажать кнопку «СБР»;

– нажимая кнопку «ПУСК», фиксировать последовательное прохождение на выход мультиплексора восьмиразрядного кода при смене состояний на входах Х3, Х2, Х1 от 000 до 111;

– построить временную диаграмму работы преобразователя по тактам

(по нажатиям кнопки «ПУСК»).

Таблица 10.1.

№ сигнала «Пуск»	Код адреса канала	Входные сигналы	Выход Y
X3	X2	X1	D0	D1	D2	D3	D4	D5	D6	D7
0	0	0	0	0	1	1	1	1	1	1	1	0
1	0	0	1	1	0	1	1	1	1	1	1	0
…	…	…	…	…	…	…	…	…	…	…	…	…
6	1	1	1	1	1	1	1	1	1	0	1	0
7	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	0	0

4. Контрольные вопросы