Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ
Барсова Т.Г., Журавлёва И.Л., Филинов В.В., Шатерников В.Е.
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ
ПО ЭЛЕКТРОТЕХНИКЕ
И ЭЛЕКТРОНИКЕ
Москва-2007
Электротехника и электроника: лабораторный практикум // Составители: к.ф.-м.н. Барсова Т.Г., к.ф.-м.н. Журавлёв И.Л. д.т.н. Филинов В.В., д.т.н., профессор Шатерников В.Е. // Москва: МГУПИ, 2007 г.
Практикум содержит описание лабораторных работ по электротехнике и электронике, а также образцы лабораторных бланков для их выполнения.
В практикуме содержатся теоретические сведения, методика проведения лабораторных работ, описания лабораторных стендов и вопросы по лабораторным работам.
Целью данного пособия является помощь студентам в прохождении лабораторного практикума.
Консультант:
Барсова Т.Г., к.ф.-м.н. (Московский университет приборостроения и информатики)
© Московский университет приборостроения и информатики, 2007
|
Лабораторная работа № 2б. Исследование усилителя низкой частоты с резистивно-емкостной связью................................................... |
4 |
|
Лабораторная работа № 4 Исследование операционного усилителя............................................................................................................. |
13 |
|
Лабораторная работа № 6а. Исследование источников питания электронных устройств.......................................................................... |
21 |
|
Лабораторная работа № 10. исследование импульсных устройств на операционных усилителях............................................................... |
32 |
|
Лабораторная работа № 11. Исследование логических элементов и импульсных схем................................................................................ |
45 |
Цель работы: ознакомление с принципом работы и основными характеристиками многокаскадных усилителей с резиствно-емкостной связью.
Усилители – это устройства, предназначенные для усиления переменных сигналов. Такое преобразование осуществляется за счет энергии постоянного источника питания.
Усилители широко применяются в науке и технике.
Простейшим усилителем является усилительный каскад, содержащий усилительный элемент (биполярный или полевой транзистор), пассивные элементы (резисторы и конденсаторы) и постоянный источник питания, которые обеспечивают нужный режим работы каскада.
На рис. 1, приведён наиболее распространенный усилительный каскад с общим эмиттером (ОЭ) на основе биполярного транзистора n-p-n типа VT. Назначение элементов каскада: источник питания Ек (включается между клеммой +Ек и «землёй» ┴) обеспечивает режим каска да но постоянному то ку («режим покоя»), т.е. величины токов Iбо, Iк и напряжений Uбэ0, Uкэ0, на которые накладываются переменные составляющие токов и напряжений. За счёт энергии посто янного источника осуществляется усиление переменного сигнала Uвх, снимаемого с генератора синусоидальных колебаний, в усиленный сигнал Uвых, поступающий, в нагрузку Rн. Величина резистора Rб определяет значение «тока покоя» в цепи базы Iбо, Rк – нагрузочный резистор, определяет значение переменного выходного напряжения Uвых. Разделительные конденсаторы Ср1 и Ср2 исключают прохождение постоянных составляющих токов и напряжений каскада в генератор или нагрузку (или из генератора и нагрузки в каскад).
Усилительный каскад, изображенный на рис. 1, является усилителем напряжения. Он характеризуется коэффициентом уси ления по напряжению
k =,
который составляет величину порядка 10...100.
С целью получения большого коэффициента усиления усили тельного устройства несколько каскадов объединяются в много каскадный усилитель. Его коэффициент усиления равен произве дению коэффициентов усиления всех каскадов устройства:
k = k1•k2•...•kN,
где N – число каскадов.
При этом выходное напряжение предыдущего каскада пода ется на вход последующего. Соединение каскадов производится через элементы связи (конденсаторы, резисторы либо трансфор маторы), которые определяют тип усилителя.
На рис. 2 изображена, принципиальная схема двухкаскадного усилителя с резистивно-емкостной (RC) связью, являющейся наиболее распространенным типом связи. Каскады соединены через разделительный конденсатор Ср2. Элементы Rэ и Сэ в цепях эмиттеров транзисторов VТ1 и VТ2 обеспечивают температурную стабилизацию режима усиления. Делители напряжения R1-R2 и R3-R4 задают величину постоянного напряжения на базах тран зисторов VТ1 и VТ2 каждого каскада.
Аналогичная схема усилителя с RC-связью на микросхемах представлена на рис. 3, где в усилительных каскадах исполь зованы операционные усилители с большим коэффициентом усиле ния (М1 и М2). Назначение соединительных элементов схемы аналогично усилителю на транзисторах. Коэффициент усиления этого усилителя значительно выше, чем усилителя на дискретных элементах.
Основные характеристики усилителей – амплитудная и амплитудно-частотная. Амплитудная характеристика усилителя – это зависимость амплитудного значения выходного напряжения от амплитудного значения входного напряжения. Эта характерис тика представлена на рис. 4. Участок «ab» кривой соответ ствует линейному режиму работы усилителя (т.е. Uвых пропор ционально Uвх, и коэффициент усиления k = const). На участке «bc» при увеличении входного напряжения появляются искажения формы выходного напряжения, называемые нелинейными искажениями, и коэффициент усиления падает. Рабочим участком является линейный участок характеристики («ab»).
Амплитудно-частотная характеристика усилителя – это за висимость коэффициента усиления усилителя от частоты усили ваемого сигнала. Вид этой характеристики для усилителя с RC-связью показан на рис. 5.
Коэффициент усиления в области средних частот k0 посто янен. В области низких частот (при f→0) сопротивление конден сатора связи Ср2 растёт:
XCр2 =→∞
Напряжение на нём также растёт, следовательно, выходное напря жение первого каскада падает и k→0 при f→0. Так как выход первого каскада шунтируется входной ёмкостью второго каскада С0 то в области высоких частот при f→∞ соп ротивление ёмкости падает
XC0 =→0,
следовательно, напряжение на входе второго каскада падает и k→0 при f→∞.
Снижение коэффициента усиления в области нижних и верхних частот называют частотными искажениями. Они оцениваются коэффициентами частотных искажений на верхних частотах
Мв =
и на нижних частотах
Мв =
где kв и kн – коэффициенты усиления на верхних и нижних частотах. Очень часто допустимое значение коэффициента частот ных искажений М принимают равным . Частоты fн гр и fв гр, соответствующие допустимым значениям коэффициента частотных искажений, называют нижней и верхней граничными частотами, а диапазон частот
Δf = fн гр - fв гр
полосой пропускания усилителя.
На лицевой панели лабораторного стенда изображены две исследуемые схемы двухкаскадных усилителей с RC-связью (разделены горизонтальной чертой):
Переключатели, тумблеры и ручки потенциометров обеих схем локализованы около соответствующих усилителей.
Внизу под схемой усилителя на транзисторах расположены гнёзда Гн1 – Гн6, расположение которых указано в соответствующих точках на схеме рис. 6.
Блок питания Ек.
В правом верхнем углу стенда находится блок питания (Ек) усилителя: переключатель Ек напряжения для двух типов усилителей, потенциометр плавной регулировки напряжения Ек и вольтметр для измерения напряжения питания.
Верхнее положение тумблера Ек1 соответствует питанию усилителя на транзисторах.
Нижнее положение тумблера Ек2 соответствует питанию усилителя на микросхемах.
Регулировка ёмкости разделительного конденсатора цепи связи Ср3 – Ср4 осуществляется тумблером В3. В данной работе используется только одно положение тумблера В1 (нижнее), соответствующее значению Ср1 = 20,0 мкФ.
Верхнее положение тумблера В3 соответствует ёмкости Ср4 = 0,01 мкФ.
Нижнее положение тумблера В3 соответствует ёмкости Ср3 = 20,0 мкФ.
Переключатели В4 и В6 из схемы исключены, в цепях эмиттеров транзисторов Т1 и Т2 постоянно включены ёмкости Сэ = 20,0 мкФ.
Нагрузка усилителя регулируется переключателем В7.
Среднее положение B7 – холостой ход.
Правое положение – активная нагрузка. Величина нагрузки усилителя регулируется потенциометром Rн2.
Источником переменного входного сигнала является генератор синусоидальных колебаний, позволяющий регулировать вели чину и частоту сигнала (стандартный генератор располагается рядом с исследуемым стендом).
Величина усиленного выходного сигнала измеряется милливольтметром В3 41, а форма исследуется с помощью осциллографа (милливольтметр и осциллограф располагаются рядом с исследуемым стендом).
|
Номер опыта |
Значения разделительной ёмкости |
Положение тумблера В3 |
|
1 |
Ср = 0,01 мкФ |
В3 – вверх, |
|
2 |
Ср = 20,0 мкФ |
В3 – вниз, |
Результаты измерений записать в таблицу 1 бланка лаборатор ных работ.
Установить ёмкость Ср3 = 20,0 мкФ (тумблер В3 – вниз). На вход усилителя подать с генератора вход ной сигнал Uвх = 1 мВ на частоте f = 5 кГц. Последовательно измерить вольтметром выходное напряжение первого (Гн3, Гн4 – ┴) и второго (Гн5, Гн6 – ┴) каскадов.
Результаты записать в таблицу 2 бланка лабораторных ра бот.
Для этого установить частоту входного сигнала f = 5 кГц; величину входного сигнала Uвх изменять от 1 до 30 мВ.
Измерить значения Uвых (Гн5, Гн6 – ┴) и записать в таблицу 3 бланка лабораторных работ.
К выходным клеммам усилителя (Гн5, Гн6 – ┴) подсое динить осциллограф. Включить тумблер «сеть» и настроить осциллограф. Меняя величину входного напряжения, исследовать изменение формы выходного напряжения. Зарисовать на бланке (рис. 2 бланка) форму сигнала, наблюдаемого на экране осциллографа в линейном режиме работы усилителя (при отсутствии искажения формы выходного сигнала) и в нелинейном режиме (т.е. когда форма выходного сигнала искажается).
По данным таблицы 1 на рис. 3 бланка построить 2 амплитудно-частотные характеристики усилителя, определить Δf для М = .
По данным таблицы 2 рассчитать коэффициент усиления первого каскада k1, второго каскада k2 и их произведение k = k1•k2 и сравнить с измеренным коэффициентом усиле ния усилителя k =.
По данным таблицы 3 на рис. 4 бланка построить 2 амплитудные характе ристики усилителя. Выделить на них линейный участок.
На рис. 2 бланка зарисовать осциллограммы выходного сигнала усилителя в линейном и нелинейном режимах работы.
|
|
Группа |
Выполнено |
||||
|
Курс |
Сдано |
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2
Принципиальная схема
ОПЫТ 1
Получение зависимость К=F(f)
Таблица 1
|
при = 1 мВ |
|||||||||||
|
f, Гц |
20 |
2•102 |
1•103 |
2•103 |
5•103 |
1•104 |
2•104 |
5•104 |
1•105 |
2•105 |
|
|
1 |
Ср4 = 20 мкФ |
||||||||||
|
2 |
Ср3 = 0,01мкФ |
ОПЫТ 2
Измерение выходного напряжения первого (Гн3, Гн4) и второго (Гн5, Гн6) каскадов
Таблица 2
|
f=5кГц |
Uвх1, мВ |
Uвых1, (Т1), мВ |
Uвых2, (Т2) мВ |
Рассчитать |
|||
|
1 |
Таблица 3
|
f=5кГц |
Uвх1, мВ |
1 |
5 |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
|
Uвых, В (х.х) |
||||||||
|
Uвых, В (Rн) |
Осциллограммы
Рис. 2
Амплитудно-частотная характеристика (по данным Таблицы 1)
Амплитудная характеристика (по данным Таблицы 3)
Рис. 4
|
Выводы по работе: |
|
Цель работы: ознакомление с характеристиками операционного усилителя и применение его в качестве масштабного усилителя, избирательного усилителя и генератора.
Операционный усилитель (ОУ) — это усилитель с большим коэффициентом усиления (KU = 104...106) и входного сопротивления (Rвх = 104...109 Ом), имеющий непосредственные связями, применяемый в основном в качестве ак тивного элемента в схемах с обратными связями. При достаточном коэффици енте усиления операционного усилителя по напряжению передаточная характе ристика устройства вместе с цепями обратной связи может являться функцией только параметров цепей обратной связи, не зависящих от усилителя.
В настоящее время ОУ являются основой аналоговой техники и используются для преобразования электрических сигналов в широком диапазоне частот: от 0 до 105...107 Гц.
Современные ОУ выполняются в виде полупроводниковых интегральных микросхем. Принципиальные схемы интегральных ОУ содержат, как правило, несколько каскадов усиления напряжения, причём входной каскад всегда выполняется по дифференциальной схеме, а выходной – по схеме эмиттерного повторителя. Кроме того, схема содержит цепи согласования каскадов между собой и цепи защиты от перегрузок.
ОУ имеет два входа – инвертирующий и неинвертирующий и один выход.
В данной работе исследуются ОУ на микросхеме К284УД1, цоколёвка и условное графическое изображение которой показаны на рис. 1.
Назначение выводов К284УД1:
1 – неинвертирующий вход; 13 – инвертирующий вход, 8 – выход; 10, 7 – «+» и «-» напряжения питания; 3, 11 – балансировка; 5 – частотная коррекция;, 15, 12 – «общий»; 2, 4, 14 – внешнее управление.
Основные электрические параметры микросхемы К284УД1:
|
KU |
при f = 1000 Гц > 20000; |
|
Rвх |
при f = 1000 Гц > 5 МОм; |
|
Rвых |
при f = 1000 Гц < 200 Ом; |
На основе ОУ могут быть реализованы устройства, выполняющие самые различные операции, например, инвертирующий и неинвертирующий усилители, повторитель, избирательный усилитель, интегратор, дифференциатор, компаратор, генераторы импульсов различных форм и гармонических колебаний и многое другое. Выполнение ОУ указанных аналоговых операций осуществляется благодаря использованию различных внешних обратных связей (ОС), как положительных (ПОС), так и отрицательных (ООС).
В настоящей работе исследуются три схемы включения ОУ: инвертирующий усилитель, избирательный усилитель и автогенератор колебаний гармонической формы.
На рис. 2 приведена принципиальная схема инвертирующего усилителя. Резисторы R1 и R2 передают часть выходного напряжения усилителя на его инвертирующий вход, образуя цепь отрицательной ОС по напряжению. Наличие цепи ООС приводит к уменьшению коэффициента усиления, но стабильность работы возрастает. Коэффициент усиления данного усилителя определяется по формуле KU = -R2/R1. Знак «-» говорит об инвертировании сигнала, KU не зависит от свойств ОУ и частоты сигнала, поэтому такой усилитель часто называют «масштабным».
Для создания на основе ОУ избирательного усилителя необходимо охватить его частотно-избирательной цепью ООС, коэффициент передачи которой β = Uос/Uвых в узкой полосе частот снижается практически до нуля.
Широкое применение в таких усилителях низкой и средней частоты нашёл двойной Т-образный мост, схема и амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) которого показаны на рис. 3.
На очень низких частотах (f → 0), коэффициент передачи моста β → 1, так как сопротивления конденсаторов становятся очень большими и всё напряжение почти без потерь передаётся через «верхний» одинарный мост R-2C-R. На сравнительно высоких частотах сопротивления конденсаторов малы и всё напряжение передаётся через «нижний» одинарный мост C-R/2-C на выход, следовательно, и в этой области частот β → 1. На квазирезонансной частоте f0 = коэффициент передачи моста β → 0.
Схема избирательного усилителя с двойным Т-образным мостом в цепи ООС и его АЧХ приведены на рис. 4.
В данной схеме независящая от частоты цепь ООС R1-R2 определяет величину KUmax и стабилизирует работу усилителя. Цепь ООС с двойным Т-образным мостом обеспечивает избирательные свойства усилителя. При условии R1 « R обе цепи ОС практически независимы.
Если частота входного сигнала близка к f0, то цепь ООС с двойным Т-образным мостом оказывается практически разорванной (β = 0), в схеме действует только ООС, созданная резисторами R1-R2, и коэффициент усиления достигает своего максимального значения KUmax = -R2/R1. На всех других частотах β цепи с мостом стремится к 1, поэтому в схеме действует глубокая ООС, что приводит к резкому уменьшению коэффициента усиления усилителя.
Для создания генератора на основе ОУ необходимо существование положительной ОС (ПОС). В схеме генератора, приведён ной на рис. 5, ПОС создаётся резисторами R3, R4.Поскольку данный автогенератор со держит частотно-избирательную цепь – двойной Т-образный мост, то условия са мовозбуждения: баланс амплитуд kβ ≥ 1 и баланс фаз φус + φос = 0 (φус и φос – сдвиг фаз в усилителе и в цепи ОС соответст венно) – будут выполняться только на од ной – квазирезонансной – частоте f0.
Следовательно, возникающие колебания будут гармоническими.
Лабораторная работа выполняется на лабораторном стенде, на передней панели которого изображена исследуемая схема (рис. 6).
Исследуемая схема включает в себя операционный усилитель (ОУ) типа К284УД1, двойной Т-образный мост, выполненный на элементах R и С, а также резисторы R1 и R2 цепи ООС ОУ и резисторы R3 и R4 цепи ПОС ОУ. Переключения в различные режимы работы ОУ осуществляется переключателями В1, В2, В3, В4 и переменным резистором R4, помещённым на лицевую панель лабораторного стенда.
В лабораторной работе используются следующие контрольно-измеритель ные приборы: генератор напряжения низкой частоты ГЗ-109 с аттенюатором 40 дБ и нагрузкой 50 Ом, двухлучевой осциллограф С1-93, вольтметр переменного тока В3-41.
Структурная схема установки представлена на рис. 7.
Напряжение на исследуемую схему лабораторного стенда подаётся с генератора ГЗ-109 через аттенюатор 40 дБ, ослабляющий его выходное напряжение в 100 раз, и согласующую нагрузку 50 Ом. Величина выходного напряжения генератора определяется по его вольтметру.
Выходное напряжение исследуемой схемы лабораторного стенда измеряется вольтметром В3-41. Кроме того, частота, форма и величина измеряемых напряжений определяется с помощью осциллографа С1-93.
1. Ознакомиться с описанием лабораторного стенда.
2. Исследовать работу ОУ в режиме инвертирующего масштабного усилителя.
2.1. Отключить от ОУ двойной Т-образный мост, поставив переключатели В1 и В2 в положение «1», подключить к ОУ цепь ООС, поставив переключатель В4 в положение «150к» и соединить неинвертирующий вход ОУ с общим проводом, поставив переключатель В3 в положение «2».
Соединить выход «1» генератора Г3-109 через аттенюатор 40 дБ и нагрузку 50 Ом со входом исследуемого усилителя (гнёзда Гн 15, Гн 18 – общ.). К выходу исследуемого усилителя (гнёзда Гн 16, Гн 17, Гн 19 – общ., Гн 20 – общ.) подключить вольтметр переменного тока В3-41 и вход первого канала осциллографа С1-93.
После проверки схемы преподавателем включить питание лабораторного стенда и приборов соответствующими тумблерами «сеть».
2.2. Снять амплитудные характеристики масштабного усилителя Uвых = f(Uвх) в режиме холостого хода при двух значениях сопротивления R2 в цепи ООС ОУ: 150 кОм и 75 кОм.
Опыт проводить при частоте входного сигнала равной 1 кГц и изменении напряжения на входе усилителя от 10 до 100 мВ. Результаты записать в таблицу 1 бланка.
2.3. Снять амплитудно-частотную характеристику инвертирующего масштабного усилителя КU = f(f) при R2 = 150 кОм в диапазоне частот входного сигнала от 200 Гц до 15 кГц. Величину входного сигнала поддерживать равной 10 мВ. Убедиться, что Uвых ОУ, а, следовательно, и его коэффициент усиления КU не зависит от частоты входного сигнала. Записать вывод в таблицу 2 бланка и выключить лабораторный стенд тумблером «сеть».
3. Исследовать двойной Т-образный мост.
Установить переключатель В2 в положение «2», подключить вход моста (Гн 15, Гн 19 – общ.) к выходу генератора, выход моста (гнёзда Гн 14, Гн 18 – общ.) – к вольтметру переменного тока. Установить Uвх = 100 мВ и, плавно изменяя частоту входного сигнала от 200 Гц, по минимуму Uвых определить резонансную частоту fрез1 исследуемого двойного Т-образного моста.
Последовательно устанавливая значения частот сигнала:
fрез1 - 800 Гц; fрез1 - 300 Гц; fрез1 - 100 Гц; fрез1; fрез1 + 100 Гц; fрез1 + 300 Гц; fрез1 + 800 Гц;
снять амплитудно-частотную характеристику исследуемого моста.
Результаты записать в первую строку таблицы 3 бланка.
4. Исследовать работу ОУ в режиме инвертирующего избирательного усилителя.
Установить переключатель В1 в положение «2», дополнительно включить в цепь ООС двойной Т-образный мост. Подключить к выходу ОУ вольтметр переменного тока, установить Uвх = 10 мВ и включить лабораторный стенд. Плавно изменяя частоту входного сигнала от 200 Гц, по максимуму Uвых ОУ определить резонансную частоту избирательного усилителя fрез2.
Последовательно устанавливая значения частот сигнала:
fрез2 - 800 Гц; fрез2 - 300 Гц; fрез2 - 100 Гц; fрез2; fрез2 + 100 Гц; fрез2 + 300 Гц; fрез2 + 800 Гц;
снять амплитудно-частотную характеристику избирательного усилителя.
Результаты записать во вторую строку таблицы 3 бланка.
5. Исследовать работу ОУ в режиме автогенератора гармонических колебаний (см. рис. 5). (Установить сопротивление обратной связи R2 = 75 кОм).
5.1. Подключить к ОУ цепь положительной обратной связи (ПОС), установив переключатель В3 в положение «1». Потенциометр R4 установить в крайнее правое положение, соответствующее максимальному сопротивлению и, следовательно, минимальной глубине ПОС. Подключить к выходу автогенератора вход первого канала осциллографа, на вход второго канала подать сигнал с генератора Г3-109.
5.2. Плавно уменьшая величину сопротивления потенциометра R4, то есть увеличивая глубину ПОС, получить режим автогенерации, при котором на выходе автогенератора наблюдается напряжение синусоидальной формы.
Изменяя частоту выходного напряжения генератора Г3-109, с помощью осциллографа определить частоту выходного напряжения автогенератора. Зарисовать форму выходного напряжения автогенератора в указанном выше режиме при некотором увеличении глубины ПОС, в результате чего условия самовозбуждения будут выполняться не только на частоте fрез, что приведёт к искажению формы возникающих колебаний.
6. Выключить контрольно-измерительные приборы и лабораторный стенд, отключить приборы от стенда.
Порядок оформления отчёта.
|
|
Группа |
Выполнено |
||||
|
Курс |
Сдано |
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4
Принципиальная схема
Рис. 1
ОПЫТ 1
Исследование масштабного усилителя
f=1кГц Таблица 1
|
Uвх, мВ |
0 |
5 |
10 |
20 |
40 |
60 |
80 |
100 |
120 |
|
Uвых, мВ |
|||||||||
|
Uвых, мВ |
Uвх=10 мВ Таблица 2
|
f, Гц |
2*102 |
||||||
|
Uвых, мВ |
Т-образный мост: fрез 1=__________ Избирательный усилитель fрез 2=__________
ОПЫТ 2
Исследование избирательного усилителя
Uвх1=100 мВ (Т-образный мост), Uвх2=10 мВ (избирательный усилитель) Таблица 3
|
f, Гц |
fрез - 800 |
fрез - 300 |
fрез - 100 |
fрез |
fрез+100 |
fрез+300 |
fрез+800 |
|
Uвых1, мВ |
|||||||
|
Uвых2, мВ |
ОПЫТ 3
Исследование генератора
Частота выходного напряжения автогенератора fген=_______
Осциллограммы выходного напряжения
|
синусоидальные автоколебания |
искажённая форма автоколебаний |
|||
Рис. 2
Амплитудные характеристики
Uвых
|
Рассчитать |
|||||||||
|
R2, кОм |
75 |
150 |
|||||||
|
Ku хх |
|||||||||
0 20 40 60 80 100 Uвх, мВ
Построить частотные характеристики
Uвых
f, Гц
Определить: fрез = fген=
Цель работы: изучение принципа работы и основных характеристик неуправляемых одно- и двухполупериодных выпрямителей.
Для питания большинства электронных устройств требуется постоянное напряжение, а первичным источником является промышленная сеть переменного напряжения частотой 50 Гц. В этих случаях прибегают к выпрямлению переменного напряжения с помощью устройств, называемых выпрямителями.
На рис. 1 представлена функциональная схема однофазного источника питания. Основой его является выпрямитель В, выполненный на одном или нескольких диодах, соединенных по одно- или двухполупериодным схемам. Схема также включает трансформатор Тр, согласующий напряжение сети UС с напряжением U2 на входе выпрямителя; сглаживающий фильтр Ф для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения Ud; стабилизатор Ст, обеспечивающий поддержание требуемой величины постоянного напряжения UdН на нагрузочном устройстве RН в условиях изменения напряжения сети и тока в RН.
Работа выпрямителя характеризуется:
Выпрямленное напряжение на выходе выпрямителя пульсирует. Его можно представить в виде суммы постоянной и переменной составляющих. Постоянную составляющую напряжения (тока) называют средним значением Ud(Id).
Существуют однополупериодная и двухполупериодная однофазные схемы выпрямления. Однополупериодная схема выпрямления показана на рис. 2а, а временные диаграммы тока iН и напряжения uН на нагрузочном устройстве RН – на рис. 2б.
Рассмотрим работу схемы, считая диод Д идеальным; это означает, что его обратное сопротивление равно бесконечности, а прямое – нулю.
Ток iН в нагрузочном резисторе RН появляется только в те полупериоды напряжения u2, когда потенциал точки «a» вторичной обмотки трансформатора положителен по отношению к потенциалу точки «b», т.к. в этом режиме диод Д открыт. В этом случае напряжение на диоде практически равно нулю, а на нагрузочном резисторе uН = u2. В отрицательный полупериод u2 к диоду приложено обратное напряжение u2 ОБР, ток через него не протекает, а напряжение на нагрузочном резисторе равно нулю. Таким образом, при однополупериодном выпрямлении ток через нагрузочный резистор RН протекает только в течение одного полупериода напряжения u2 и имеет пульсирующий характер.
Наибольшее обратное напряжение на диоде равно амплитудному значению напряжения во вторичной обмотке трансформатора:
U2 m ОБР = Ud
Большая величина пульсаций, намагничивание сердечника трансформатора постоянной составляющей выпрямленного тока – все эти недостатки ограничивают применение однополупериодной схемы выпрямления.
Двухполупериодная схема выпрямления с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора представлена на рис. 3а, а временные диаграммы напряжения uН и тока iН в нагрузочном резисторе RН – на рис. 3б.
Два диода, Д1 и Д2, присоединены анодами к концам вторичной обмотке трансформатора «a» и «b», а нагрузочный резистор RН включается между общей точкой катодов и средней точкой вторичной обмотки трансформатора. В первый полупериод, когда «a» имеет положительный потенциал относительно средней точки «о», а «b» – отрицательный ток i'2 протекает от «a» через Д1 и нагрузочный резистор RН к точке «о». К диоду Д2 в это время приложено обратное напряжение u2 ОБР. В следующий полупериод «b» имеет положительный, а «a» – отрицательный потенциал относительно точки «о», и ток протекает от «b» через Д2 и нагрузочный резистор RН к точке «о», а к диоду Д1 приложено обратное напряжение u2 ОБР. Таким образом, ток через нагрузочный резистор в течение всего периода переменного напряжения u2 протекает в одном направлении.
Среднее значение выпрямленного напряжения для двухполупериодной схемы в 2 раза превышает соответствующее напряжение для однополупериодной схемы выпрямления, а ток через диоды вдвое меньше, чем в однополупериодной схеме. Однако, обратное напряжение u2 ОБР на закрытых диодах при одинаковых значениях напряжения u2 = u2' = u2'' в два раза превышает величину обратного напряжения однополупериодного выпрямителя. Величина пульсаций меньше, чем в однополупериодном выпрямителе. Недостатками ее являются необходимость использовать трансформатор с выводом средней точки его вторичной обмотки, большая величина обратного напряжения на диодах.
Широкое применение нашла двухполупериодная мостовая схема выпрямления (рис. 4а). В этой схеме нагрузочное устройство включено в диагональ моста, составленного из диодов Д1 – Д4.
Когда точка «a» имеет положительный потенциал относительно «b», ток i2 проходит через диод Д1, нагрузочный резистор RН и диод Д3. К диодам Д2 и Д4 приложено обратное напряжение u2 ОБР. В следующий полупериод, когда «a» имеет отрицательный потенциал относительно «b», ток i2`` проходит от обмотки трансформатора через диод Д2, нагрузочный резистор RН и диод Д4. К диодам Д1 и Д3 в это время приложено обратное напряжение u2 ОБР.
Таким образом, ток через RН в течение периода напряжения u2 также протекает в одном направлении. Среднее значение выпрямленного напряжения в этой схеме в 2 раза превышает среднее выпрямленное напряжение для однополупериодного выпрямителя.
Временные диаграммы токов и напряжение для двухполупериодного мостового выпрямителя представлены на рис. 4б. Обратное напряжение на диодах вдвое меньше, чем в схеме выпрямителя с выводом средней точки трансформатора: U2m ОБР = Ud / 2, а величина пульсаций та же.
Сглаживающий фильтр предназначен для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения. Включается сглаживающий фильтр между выпрямителем и нагрузочным устройством RН.
В качестве элементов сглаживающих фильтров применяются индуктивные катушки и конденсаторы, сопротивление которых зависит от частоты. У индуктивных катушек сопротивление постоянному току мало, а индуктивное сопротивление переменному току увеличивается с ростом частоты. У конденсаторов сопротивление постоянному току равно бесконечности, а емкостное сопротивление переменному току уменьшается с ростом частоты.
Если требуется получить высокий коэффициент сглаживания, то используют сложные сглаживающие фильтры, состоящие из R , L и C элементов.
На рис. 5 представлены два типа применяемых фильтров: а) емкостной; б) П-образный CLC-фильтр; где u3 - напряжение на выходе выпрямителя без фильтра.
Принцип сглаживания пульсаций с помощью емкостного фильтра заключается в том, что конденсатор Сф накапливает электрическую энергию, заряжаясь при нарастании напряжения u3, и отдаёт её, разряжаясь через цепь нагрузочного устройства, при его уменьшении (рис. 6а). При этом важно, чтобы время разряда конденсатора Cф было значительно больше периода Т изменения напряжения u3. Последнее выполняется тем лучше, чем постоян ная времени разряда конденсатора τразр = RнCф больше пе риода Т изменения напряжения u3. Емкостные фильтры нашли широкое применение в маломощных источниках питания, когда соп ротивление Rн нагрузочного устройства велико.
Принцип сглаживания с помощью индуктивности состоит в том, что в ней возникает ЭДС самоиндукции, препятствующая изме нениям тока в цепи. Таким образом, представляя большое сопро тивление для переменного тока, индуктивный элемент уменьшает переменную составляющую тока в нагрузочном устройстве.
На рис. 6 показаны осциллограммы напряжений на активном сопротивлении нагрузочного устройства двухполупериодного вып рямителя при включённом емкостном (рис. 6а) и CLC-фильтрах (рис. 6б).
Внешней характеристикой выпрямителя называется зависи мость среднего значении выпрямленного напряжения Ud от сред него значения потребляемого тока Id в нагрузочном устройстве.
Поскольку реальные трансформаторы, диоды и индуктивности име ют конечные величины внутренних сопротивлений, то с увеличе нием потребляемого тока Id напряжение на выходе выпрямителя уменьшается за счёт потерь напряжения в схеме. Наклон внешней характеристики зависит также и от типа фильтра (рис. 7). Вып рямленное напряжение выпрямителя с емкостным или П-образным CLC-фильтрами в режиме холостого хода (Id = 0) равно амп литудному значению выпрямляемого напряжения U3m, до которого заряжается ёмкость фильтра, а выпрямителя без фильтра – сред нему значению этого напряжения. Однако, уменьшение выпрямлен ного напряжения в выпрямителях с фильтрами происходит более резко, чем при отсутствии фильтра.
Это объясняется тем, что с уменьшением сопротивле ния нагрузочного устрой ства, вызывающим увеличе ние потребляемого тока, уменьшается постоянная времени цепи разряда кон денсатора фильтра и уве личиваются потери напряжения на собственных активных сопротивлениях индуктивного элемента, что приводит к снижению напряжения на нагрузочном устройстве.
На передней панели лабораторного стенда размещена электрическая схема исследуемого источника питания (рис. 8) с разъёмами для подключения сменных плат блока выпрямителей (БВ) и блока фильтров (ВФ). Комплект сменных плат блока выпрямителей (рис.9) включает:
Назначение переключателей и тумблеров.
В8 – предназначен для включения в схему выпрямителя блока фильтров (БФ).
Верхнее положение В8 – блок фильтров БФ отключён из схемы выпрямления.
Нижнее, положение В8 – блок фильтров БФ подключён между выпрямителем и нагрузкой.
В10 – предназначен для включения нагрузки на выходе выпрямителя.
Верхнее положение – нагрузка подключена.
Нижнее положение – режим холостого хода (х.х.).
В4, В6 (на рис. 8 не показаны) – предназначены для изменения величины ёмкости в C или CLC фильтрах.
Верхнее положение соответствует меньшей ёмкости.
Среднее положение – ёмкость отключается.
Нижнее положение – большая ёмкость.
Потенциометр Rн – регулирует величину нагрузочного сопротивления.
Крайнее левое положение потенциометра соответствует максимальному сопротивлению нагрузки (Rmax).
Среднее положение соответствует обозначению Rном.
Крайнее правое положение соответствует минимальному значению сопротивления нагрузки (Rmin).
На гнёзда 3 и 4 выведены концы выпрямительного устройства. К ним подключается осциллограф для исследования формы выходного напряжения.
Вольтметр V1 – вмонтирован в стенде (в левом верхнем углу). Предназначен для измерения выходного напряжения выпрямительного устройства.
Амперметр – вмонтирован в стенде (в правом верхнем углу). Предназначен для измерения тока в нагрузке.
Указание: Для исследования однополупериодной и двухполупериодных схем выпрямителей поочередно вставлять сменные платы выпрямителей БВ1 - БВ3.
При исследовании выпрямителей плату с фильтром БФ1 не менять! Тип исследуемого фильтра и его отключение осуществляется с помощью переключателей В4, В6 и В8.
Питание стенда включается тумблером «сеть».
a) схема однополупериодного выпрямления исследуется на плате выпрямителя БВ1. Включить питание стенда и осциллограф, получив устойчивое изображение сигнала. Зарисовать на рис. 3а на бланке лабораторных работ осциллограмму выходного напряжения выпрямителя. Вольтметром V1 измерить и записать в журнале величину Ud. Выключить стенд.
б) схема двухполупериодного выпрямления со средней точкой.
Повторить, исследование по п. а), предварительно сменив плату выпрямителя на БВ2 (вместо БВ1), зарисовать осциллограмму выходного напряжения выпрямителя на рис. 3б на бланке лабораторных работ;
в) схема двухполупериодного мостового выпрямления.
Повторить исследование по п.а), сменив плату выпрямителя на БВ3, зарисовать осциллограмму выходного напряжения выпрямителя на рис. 3в на бланке лабораторных работ.
а) Снять внешнюю характеристику выпрямителя без фильтра.
Для этого оставить плату БВ3. Включить стенд. Измерить значение тока в цепи нагрузки н напряжения на выходе выпрямителя в четырёх режимах:
Результаты измерений записать в таблицу 1 журнала лабораторных работ.
б) Снять внешнюю характеристику выпрямителя БВ3 с С-фильтром.
Повторить измерения по п. а), предварительно включив ёмкость на выход выпрямителя (переключатель В4 поставить в верхнее положение).
в) Снять внешнюю характеристику выпрямителя БВ3 с CLC-фильтром.
Предварительно включить в схему исследования CLC-фильтр (переключатель В4 оставить в верхнем положении, переключатель В8 установить в нижнее положение, В6 – в верхнее).
Повторить измерения по п. а). Выключить стенд.
Оставить платы БВ3 и БФ1.
Включить стенд.
а) Убедиться, что форма выходного напряжения выпрямителя без фильтра соответствует пунктиру на рис. 4 в бланке лабораторных работ. Положение переключателей: В8, В10 – вверх, В4, В6 – в среднем положении;
б) Зарисовать на рис. 4 бланка (верхняя часть) форму выходного напряжения выпрямителя с С-фильтром в нагрузочном режиме. Положение переключателей: В8 – вверх, В10 – вверх, В4 – вверх, В6 – в среднем положении;
в) Зарисовать на рис. 4 бланка (нижняя часть) форму выходного напряжения выпрямителя с CLC-фильтром в нагрузочном режиме. Положение переключателей: В8 – вниз, В10 – вверх, В4, В6 – вверх.
6. Выключить питание стенда и осциллографа. Разобрать схему.
По данным таблицы 1 на рис. 2 бланка построить внешние характеристики двухполупериодного мостового выпрямителя.
|
Студент |
Группа |
Выполнено |
||||
|
Курс |
Сдано |
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6
Блок – схема установки
Рис. 1. Схема исследуемых блоков выпрямителей (БВ)
Однополупериодный выпрямиетль (БВ1)
Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой (БВ2)
Двухполупериодный мостовой выпрямитель (БВ3)
Схема исследуемых блоков фильтров (БФ1)
С – фильтр CLC – фильтр
ОПЫТ 1
Снятие внешней характеристики двухполупериодного мостового выпрямителя
Таблица 1
|
Тип |
Rн |
х.х. |
Rmax |
Rном |
Rmin |
|
|
Без |
Id |
мА |
||||
|
Ud |
В |
|||||
|
С |
Id |
мА |
||||
|
Ud |
В |
|||||
|
CLC |
Id |
мА |
||||
|
Ud |
В |
Рис. 2
ОПЫТ 2
Исследование формы выходного напряжения разных выпрямителей
а) БВ1 Ud=____ В б) БВ2 Ud=____ В в) БВ3 Ud=____ В
ОПЫТ 3
Исследование формы выходного напряжения разных фильтров
|
р1 = ________ р2 = ________ Рис. 4 |
Выводы по работе: ___________________________________________________
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 10. ИССЛЕДОВАНИЕ ИМПУЛЬСНЫХ УСТРОЙСТВ НА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ
Цель лабораторной работы № 10.
Целью работы является изучение принципа работы и основных характеристик импульсных устройств на операционных усилителях (ОУ).
Теоретические основы лабораторной работы № 10.
Интегральные операционные усилители являются универсальными элементами, на основе которых можно строить различные функциональные узлы аналоговой аппаратуры. Эта универсальность достигается за счет избыточности активных элементов в их схемах. На практике наиболее часто ОУ используются с обратными связями (ОС), при наличии которых коэффициент передачи устройства определяется только отно шением значений элементов цепи ОС. При соответствующем выборе внешних элементов ОУ может осуществлять усиление, сложение, вычитание, дифференцирование, интегрирование сигналов, а также формировать различные функциональные зависимости.
При работе ОУ в импульсном режиме уровни его входных сигналов превышают значения, соответствующие линейной области амплитудной характеристики, состоящей из наклонного и двух горизонтальных участков. Импульсный режим работы ОУ характеризуется горизонтальными участками амплитудной характеристики. При изменении напряжения входного сигнала выходное напряжение ОУ остается практически постоянным и определяется напряжениями либо +uвых, либо -uвых, близкими соответ ственно к напряжениям +Ек и -Ек источников питания.
Идеальный операционный усилитель имеет основные свойства: входные токи бесконечно малы; дифференциальное входное напряжение равно нулю, входное сопротивление и коэффициент усиления равны ∞.
Рассмотрим наиболее распространенные импульсные устройства, реализующиеся на основе ОУ.
Компаратор. Компаратором называют устройство, осуществ ляющее сравнение измеряемого входного напряжения (uвх) с опор ным напряжением (Uоп). В каче стве компаратора часто исполь зуют ОУ с разомкнутой ОС (рис. 1). На вход «–» компаратора подается входной сигнал uвх, на его вход «+» – опор ный сигнал Uоп. В момент равен ства напряжений uвх и Uоп компа ратор находится в неустойчивом линейном режиме. При превыше нии входным сигналом uвх значе ния опорного напряжения Uоп вы ходное напряжение компаратора изменяется от +uвх до –Uоп. Пере ключение компаратора происходит с некоторой задержкой, которая определяется временем перезаряда паразитных емкостей ОУ. При Uоп = 0 компаратор фиксирует момент перехода входного напряжения че рез нулевой уровень. В этом ре жиме компаратор получил назва ние «нуль-компаратор». Если на пряжения uвх и Uоп превышают максимально допустимые для дан ного типа ОУ уровни входных сиг налов, на входе компаратора уста навливают делители напряжения.
Компараторы нашли широ кое применение в преобразовате лях аналоговых сигналов в цифро вые.
Инвертирующий сумматор. Инвертирующий сумматор осуществляет суммирование входных сигналов (рис. 2). Благодаря свойствам идеального ОУ, ток от источников сигнала на его вход «–» не ответвляется и через цепь ОС протекает сумма токов всех источников: i1 + i2 = i3. Кроме того, разность напряжений между входами ОУ равна нулю и напряжение в точке А так же равно нулю: uвх1/R1 + uвх2/R2 = –uвых/R3. Если выбрать номиналы резисторов R1 = R2 = R, то выходное напряжение будет определяться соотношением: uвых = – (R3/R)( uвх1 + uвх2). Наиболее часто инвертирующие сумматоры используются в качестве усилителя с широким диапазоном изменения нулевой точки. При подаче на входы инвертирующего сумматора постоянного и переменного синусоидального напряжений на выходе устройства будет сформирован усиленный синусоидальный сигнал, имеющий постоянную относительно общего провода составляющую.
Триггер Шмитта. Триггер Шмитта – устройство, обладающее двумя устойчивыми состояниями (рис. 3). Триггер Шмитта как правило выполняется на основе ОУ с положительной ОС. Триггер Шмитта обладает так называемой гистерезисной передаточной характеристикой. Переход триггера Шмитта из одного устойчивого состояния, характеризуемого выходным напряжением +uвых, в другое устойчивое состояние с выходным напряжением –uвых и возврат его в исходное состояние осуществляется, при входных напряжениях uвх, отличающихся от опорного напряжения Uоп на величину напряжения собственного порога срабатывания Uп, определяемого соотношением: Uп = Uн/2 = βuвых, где β = R1/(R1+R2) –коэффициент положительной ОС. Напряжение Uн = 2Uп является напря жением гистерезиса триггера Шмита. Наличие гистерезиса в триггере Шмитта позволяет повысить помехоустойчивость устройства при обработке входного сигнала на фоне помех.
Если опорное напряжение на входе триггера Шмитта отсутствует (Uоп = 0), устройство переключается из одного устойчивого состояния в другое устойчивое состояние по собственному порогу.
Из-за наличия большого коэффициента усиления и гистерезисной передаточной характеристики триггеры Шмитта нашли широкое применение в качества преобразователей напряжения. При подаче на вход «–» триггера Шмитта напряжения синусоидальной формы на выходе устройства будет сформировано напряжение прямоугольной формы. Варьируя величину опорного напряжения Uоп, можно в широких пределах изменять скважность выходных импульсов напряжения триггера Шмитта. При Uоп = 0, скважность этих импульсов напряжения равна Q = 2 (рис. 4).
Автогенераторный мультивибратор (рис. 5). Автогенераторный мультивибратор предназначен для генерирования прямоугольных импульсов напряжения. Он обладает двумя неустойчивыми состояниями, работает в режиме самовозбуждения и не требует внешнего входного сигнала. В качестве автогенераторного мультивибратора обычно используют ОУ с положительной ОС и время задающей RC цепью, подключенной к инвертирующему входу устройства. Работа автогенераторного мультивибратора обеспечивается цепью положительной ОС приводящей к лавинообразному переходу из одного состояния в другое, и цепью отрицательной ОС, определяющей период возникающих колебаний. Когда потенциал на входе «–» автогенераторного мультивибратора достигнет значения –uвыхR1/(R1+R2) устройство переключается и его выходное напряжение скачком изменяет своё значение с –uвых до +uвых. При этом потенциал на инвертирующем входе устройства начинает изменяться в противоположную сторону, пока не достигнет значения +uвыхR1/(R1+R2).
Автогенераторный мультивибратор переключается в первоначальное состояние (рис. 5). Частота колебаний выходного напряжения автогенераторного мультивибратора определяется соотношением: f = 1/2RCℓn(1+2R1/R2).
Ждущий мультивибратор формирует на выходе прямоугольный импульс напряжения определенной длительности при воздействии на вход схемы короткого запускающего импульса (рис. 6). В отличии от автогенераторного мультивибратора ждущий мультивибратор содержит дополнительно цепь смещения (резистор R2) и цепь запуска (конденсатор С2, резистор R и диод VD 1). При отсутствии на входе «+» ждущего мультивибратора запускающего импульса uз его выходное отрицательное напряжение определяется положительным напряжением Е источника питания, поступающим через резистор R2 на вход «–» устройства. При подаче на вход «–» ждущего мультивибратора запускающего импульса uз его выходное напряжение скачком принимает значение +uвых, которое поддерживается за счет цепи положительной ОС (резисторы R1 и R4). При этом начинается заряд конденсатора С1 и напряжение u1 на входе «+» устройства увеличивается (рис. 6б). В момент достижения равенства напряжений u1 = u2 происходит скачкообразное изменение выходного напряжения ждущего мультивибратора и последний переходит в исходное состояние.
Интегратор. Интегратором называется устройство, выходное напряжение которого определяется выражением uвых = Kuвхdt + U0 (t=0),
где К – постоянный коэффициент; U0 (t=0) - постоянная составляющая определяющая начальное условие интегрирования (рис. 7). Точное аналоговое интегрирование может быть осуществлено ОУ с емкостной ОС. Благодаря большому коэффициенту усиления и малому входному току напряжение на входе «–» ОУ близко к нулю, а токи во входной цепи и цепи ОС приблизительно равны. При этом:
uвых(t) = –(1/RC) uвхdt
При подаче на вход интегратора постоянного положительного напряжения +uвх, выходное напряжение uвых будет линейно возрастать по абсолютной величине от 0 до –Uвых m (рис. 7б). Варьируя номиналы элементов RС, можно изменять постоянную времени интегратора. Как правило, в интегратор вводят ключ К, замыкая который, быстро разряжают конденсатор С.
Если ко входу интегратора приложить постоянное положительное напряжение и периодически разряжать конденсатор С путем подачи на вход управления ключа К коротких импульсов напряжения, на выходе устройства будут сформированы импульсы напряжения пилообразной формы (рис. 8a).
Подавая на вход устройства напряжения различной формы, на выходе интегратора можно сформировать напряжение со сложным законом изменения во времени. Если на вход устройства подать периодическое знакопеременное напряжение прямоугольной формы, конденсатор C будет периодически заряжаться и разряжаться, и на выходе интегратора будет сформировано напряжение треугольной формы (рис. 8б).
Краткое описание применяемого оборудования.
Лабораторная работа выполняется на на стольном универсальном стенде, включаю щем несколько источников входного напря жения контрольно-измерительные приборы и органы управления (рис. 9). На лицевой панели стенда расположёны измерительные стрелочные приборы 1 и 2 для определения абсолютной величины соответственно вход ного и выходного напряжений исследуемых схем, переключатель 3 входного напряжения изме рительного стрелочного прибора 1, по тенциометры 4 и 5 установки величины постоянного напряжения регулируемых источников, светодиодные индикаторы 6 и 7 полярности измеряемых постоянных напряжений, переключатели 8 и 9 режимов работы регулируемых источников, функциональные зоны 10, 11, 12, 13 и 14 исследуемых схем с органами управления, сменная панель 15 с условным изображением исследуемой схемы, глазок 16 цифрового индикатора электронного секундомера и выключатель 17 стенда. В качестве дополнительного контрольно-измерительно го прибора используется электронный осциллограф.
Изложение методики проведения лабораторной работы № 10.
Примечание. Здесь и далее номера переключателей, функциональных зон, измерительных приборов и индикаторов указаны в соответствии c рис. 9.
Примечание. Здесь и далее u'вх – входное напряжение триггера Шмитта, при котором его выходное напряжение изменяется со значения +uвых до значения – uвых; u''вх – входное напряжение триггера Шмитта, при котором его; выходное напряжение изменяется со значения –uвых до значения +uвых.
Примечание. Выполнение п. 1.2.4.9 проводить при одном и том же положении ручки «Длит. развертки» осциллографа. Устойчивого изображения на его экране следует добиваться ручкой «Уровень синхр.».
Выключить стенд тумблером «СЕТЬ».
Указания к оформлению отчета.
Отчет должен содержать временные диаграммы входных и выходных напряжений, а также передаточные характеристики исследуемых в лабораторной работе устройств.
Вопросы для самопроверки.
Что называется операционным усилителем и каковы его свойства?
Укажите различие между инвертирующим и неинвертирующим входами операционного усилителя.
Какое устройство называется компаратором и каковы его свойства?
Какое устройство называется инвертирующим сумматором и каковы его свойства?
Какое устройство называется триггером Шмитта и каковы его свойства?
Какое устройство называется автогенераторным мультивибратором и каковы его свойства?
В чем состоит отличие ждущего мультивибратора от автоколебательного мультивибратора?
Какое устройство называется интегратором и каковы его свойства?
Поясните, каким образом с помощью интегратора могут быть сформированы напряжения треугольной или пилообразной формы?
Цель работы: исследование логических элементов, триггеров и счетчиков импульсов, выполненных на основе 155-серии цифровых интегральных микросхем.
К цифровым интегральным микросхемам относятся устройства, с помощью которых преобразуются и обрабатываются сигналы, выраженные в двоичном или другом цифровом коде. Используемые при этом сигналы близки по форме к прямоугольным и имеют два фиксированных уровня напряжения. Уровню низкого напряжения обычно приписывается символ «0», уровню высокого напряжения – «1».
Основой цифровых микросхем является логический элемент, предназначенный для преобразования входных сигналов в выходные по определенному закону, причем те и другие принимают только значения «0» и «1». Обозначим входные сигналы «Х», а выходные – «Y», получим логическую функцию Y=F(X). Логическая функция записывается в виде математических символов или таблиц.
Основными логическими функциями являются: Y= – отрицание, инверсия или «НЕ» (табл.1); логическая сумма, дизъюнкция или функция «ИЛИ» (табл.2) ; логическое произведение, конъюнкция или функция «И» (табл.3) . Используя законы алгебры логики, на основе этих элементарных логических функций можно получить более сложные логические функции.
На рис. 1, 2 и 3 приведены обозначения логических элементов, выполняющих соответствующие функции «НЕ», «ИЛИ» и «И».
Логические элементы конструируются на основе ключевых схем, которые могут иметь различное конструкторско-технологическое исполнение. Совокупность цифровых микросхем, имеющих единое конструктивно-технологическое исполнение, выполняющих различные логические функции и предназначенные для совместного исполнения, называется серией интегральных схем.
По конструкторско-технологическому исполнению цифровые микросхемы 155-серии относятся к классу элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). Основой этого класса элементов является использование многоэмиттерного транзистора. На рис. 4а приведена базовая схема ТТЛ, выполняющая логическую функцию «И-НЕ» (рис. 4.б).
Схема питается напряжением Еп = 5 В. Содержит многоэмиттерный транзистор VТ1, транзистор VТ2, резисторы R1 и R2, обеспечивающие ключевой (импульсный) режим работы транзисторов VТ1 и VТ2. Если хотя бы на одном из входов (например Х1) действует логический «0», эмиттерный переход транзистора VТ1 открыт, напряжение UТ2бэ транзистора VТ2 мало и он закрыт. Сигнал на выходе логического элемента У=1. При наличии на всех входах VТ1 логической «1» напряжение UТ1бэ мало и эмиттерные переходы VТ1 закрыты. Током Iб транзистор VТ2 открыт, сигнал на его выходе У=0. На рис.5 приведена передаточная характеристика элемента И-НЕ. Из нее следует, что входные напряжения логических «0» и «1» соответственно равны Uвх0 = 0,2 В и Uвх1 = 1,2 В. Выходные напряжения логических «0» и «1» – Uвых0 = 0,4 В, Uвых1 = 2,4 В.
На базе элементов И-НЕ, путем различных способов их подключения между собой, формируются другие элементы серии 155, выполняющие различные логические функции.
Триггером называется электронное устройство, способное сохранять двоичную информацию (состояния равновесия «0» и «1») после окончания действия входных импульсов. Они широко используются для формирования прямоугольных импульсов, в счетчиках импульсов, в регистрах памяти и т.д.
По функциональному признаку различают: R-S; D; J-K - триггеры. По способу управления триггеры подразделяют на асинхронные и тактируемые. В асинхронных триггерах переключение из одного состояния в другое осуществляется непосредственно с поступлением сигнала на информационный вход. В тактируемых триггерах помимо информационных входов имеется вход тактовых импульсов. Их переключение осуществляется только при наличии разрешающего, тактирующего импульса.
Асинхронные R-S - триггеры являются наиболее простыми, однако получившими широкое распространение в импульсной технике, т.к. служат основой для триггеров других типов и требуют для своего построения всего два базовых логических элемента.
На рис. 6а приведена структурная схема асинхронного R-S - триггера на логических элементах И-НЕ. Схема имеет информационные входы и (инверсные), два выхода: Q - прямой, - инверсный. Состоянию логической «1» соответствует Q = 1, = 0, состоянию логического «0» – Q = 0, = 1, которые принимает триггер после прихода на входы R и S очередных импульсов. Из таблицы истинности 5 следует, что при = = 1 триггер сохраняет предыдущее состояние Qn. При переходе из состояния = = 0 сразу в состояние = = 1 триггер принимает неопределенное состояние, поэтому такая комбинация входных сигналов является запрещенной. R-S триггер является триггером с раздельным по входам и запуском. Его условное изображение показано на рис. 6б.
D-триггеры являются триггерами с временной задержкой. Они имеют информационный D-вход и тактируемый Т-вход: Состоянию логической «1» соответствует единица на входе, а состоянию логического «0» – нулевой уровень входного сигнала. Условное обозначение D-триггера и временные диаграммы его работы приведены на рис. 7. Из диаграммы видно, что при наличии информационного сигнала на входе в интервале времени триггер не переключается. При приходе тактового импульса он переключается (момент ) и примет исходное состояние при следующем тактовом импульсе в момент . Таким образом, D-триггер характеризуется задержкой переключения во времени на период тактовых импульсов.
D-триггеры конструируются на основе R-S триггеров.
Т-триггер – триггер со счетным Т-входом. Характерным свойством Т триггера является его переключение в противоположное состояние с приходом каждого очередного входного импульса. Ввиду его широкого применения в счетчиках импульсов его часто называют триггером со счетным запуском. Обычно он выполняется на базе R-S триггеров. Его условное обозначение приведено на рис. 8.
J-K триггер получают на основе Т-триггеров. Они имеют дополнительные информационные входы J и K. Наличие двух дополнительных входов расширяет функциональные возможности триггеров, в связи с чем J - K триггеры называют универсальными. При соответствующем включении J и K входов триггера могут быть получены R-S, D и Т-триггеры. При этом R-S, D и Т-триггеры получаются тактируемыми. R-S триггер (рис. 9а) получают объединением J и S, R и K входов. D -триггер создают (рис. 9б) введением инвертора между входами J и K. Т - триггер (рис. 9в) реализуют подключением J и K входов ко входу Т.
Счетчик – устройство, предназначенное для счета числа электрических импульсов, поступающих на его вход. Счетчики импульсов выполняются на основе триггеров.
Наиболее простым счетчиком является двоичный счетчик, осуществляющий счет поступающих импульсов в двоичной системе счисления. Такой счетчик (рис. 10) состоит из «n» триггеров (регистров) со счетным запуском. Максимальное число импульсов, которое может сосчитать счетчик при последовательном соединении триггеров составит N = 2n - 1. Для четырехразрядного счетчика (рис. 10) N = 24 - 1 = 15. Временная диаграмма состояний счетчика приведена на рис. 11.
Перед поступлением входных импульсов все разряды счетчика устанавливаются в состояние «0» (Q1=Q2=Q3=Q4=0) подачей импульсов на вход «установка нуля». После поступления первого счетного импульса первый разряд переходит в соcтояние Q1 = 1. В счетчик записывается число 1. По окончании второго импульса первый разряд счетчика переходит в состояние «0», второй – «1». В счетчике записывается число 2 с двоичным кодом 0010. Подобным же образом осуществляется работа счетчика при последующих счетных импульсах (см. рис. 11 и табл. 6). При поступлении 15-го импульса все разряды счетчика устанавливаются в состояние «1», а 16-м импульсом все разряды обнуляются.
Таблица 6
|
№ имп. |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
16 |
|
Q1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
|
Q2 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
|
Q3 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
|
Q4 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
В процессе работы двоичного счетчика частота следования импульсов на выходе каждого последующего триггера уменьшается вдвое по сравнению с частотой его исходных импульсов (см. рис. 11). Это свойство схемы используют для построения делителей частоты.
В большинстве электронных устройств необходимо отображать показания счетчика в десятичной форме счисления. Для этих целей создаются двоично-десятичные счетчики. Их особенностью является счет до 10 с последующим сбросом. Построение такого счетчика возможно на базе 4-разрядного двоичного счетчика с исключением избыточных состояний. Для этого в схему счетчика вводят дополнительные связи (см. рис. 10 пунктир). Состояния разрядов двоично-десятичного счетчика приведены в табл. 7.
Таблица 7.
|
№ имп. |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
|
Q1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
|
Q2 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
|
Q3 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
|
Q4 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
До девятого импульса счет идет как у двоичного счетчика. Десятый импульс через дополнительные связи обеспечивает нулевое «0» исходное состояние всех разрядов счетчиков.
На передней панели лабораторного стенда имеется кнопочный разъем, в который вставляются сменные панели: панель 1 – логические элементы И-НЕ, ИЛИ-НЕ; панель 2 – логические элементы И, ИЛИ, НЕ; панель 3 – R-S триггер; панель 4 – J-K и D-триггеры; панель 5 – четырехразрядный двоично-десятичный счетчик; панель 6 – двоичный четырехразрядный счетчик; панель 7 – двоично-десятичный счетчик на микросхеме K155ИЕ2. Исследуемые схемы сменных плат выполнены на базе микросхем 155 серии: K155ЛАЗ, К155ТВ1, K155TM2, K155ИЕ2.
В левой части лабораторного стенда размещены источники входных напряжений и импульсов: потенциометр плавно изменяющегося входного сигнала Uвх с выходными гнездами Uвх, переключатели и выходные гнезда «уровень логический» входного напряжения, соответствующего логическим уровням «0» и «1» микросхем серии 155, выходные гнезда «импульс одиночный» различной полярности, выходные гнезда «генератор импульсный» с частотой входных импульсов 1, 10, 100 Гц и 1, 10, 100 кГц.
В правой части стенда размещены: счетчик импульсов, служащий для подсчета числа импульсов с исследуемых схем, имеющий переключатель «счет – уст. 0» и гнездо для подачи исследуемых сигналов, гнезда «нагрузка» и земля «», тумблер «СЕТЬ» и лампочка индикации включения стенда.
В верхней центральной части стенда размещены вольтметры входного Uвх и выходного Uвых напряжений исследуемых схем, лампочки индикации номера исследуемой платы. В нижней центральной части размещены переключатели «логика», «триггеры» и «счетчик» номера исследуемой платы. Гнезда «вход» и «выход» для снятия и подачи сигналов на исследуемую схему.
1. Ознакомиться с описанием лабораторного стенда.
2. Установить потенциометр «Uвх» и переключатели «логика», «триггеры» и «счетчики» в крайнее левое положение. Включить тумблер «СЕТЬ».
3. Исследовать логический элемент И-НЕ.
3.1. Установить плату 1 в разъем передней панели стенда и укрепить ее двумя винтами (должна гореть лампочка индикации 1).
3.2. Переключатель «логика» поставить в положение 1, соединить между собой входные гнезда 1 и 2 схемы.
3.3. Подать сигнал Uвх на гнезда входа 1 и 2, а сигнал Uвых с гнезда 1 выход на гнездо входа вольтметра «Uвых».
3.4. Снять передаточную характеристику логического элемента И – НЕ, изменяя величину входного напряжения потенциометром «Uвх». Результаты занести в таблицу 1 отчета.
3.5. Разъединить входы 1 и 2 элемента И-НЕ, подать на них сигналы с гнезд «логический уровень».
3.6. Тумблерами «уровень логический» задать различные значения входных сигналов «0» и «1», регистрируя логическое состояние элемента с помощью вольтметра «Uвх». По результатам измерений составить таблицу истинности элемента И-НЕ (таблица 2 отчета).
3.7. Отсоединить провода и вернуть переключатели, тумблера и потенциометр «Uвх» в исходное положение.
4. Исследовать асинхронный R – S триггер, выполненный на логических элементах И – НЕ.
4.1. Установить плату 3 R – S триггера в разъем передней панели стенда и укрепить ее винтами (должна гореть лампочка индикации 3). Переключатель «триггеры» установитьт в положение 3.
4.2. Подать сигнал с гнезд «уровень логический» на R и S входы триггера (гнезда входа 2 и 4), а с гнезда выход 2 на вольтметр ««.
4.3. Тумблерами «уровень логический» задать различные значения сигналов «0» и «1» на R и S входы триггера. По результатам измерений составить таблицу 3 истинности состояний R – S триггера, (комбинация R = S = 0 является запрещенной).
5. Исследовать двоичный четырехразрядный счетчик, выполненный на микросхеме типа KI55TM2.
5.1. Установить плату 6 двоичного счетчика на передней панели стенда. Переключатель «счетчик» установить в положение 6 (должна гореть лампочка индикации 6).
5.2. Соединить вход R двоичного счетчика (гнездо 5) с одним из гнезд «уровень логический» - «1», выход двоичного счетчика (гнездо 1) с вольтметром «Uвых». Подать сигнал «импульс» на счетный вход С двоичного счетчика (гнездо 3) и на вход «счетчик импульсов» десятичного счетчика стенда. Установить «0» исследуемого двоичного счетчика (тумблер «уровень логический», последовательно установить в положения «1» «0» «1») и – «0» счетчика стенда (переключатель тумблер «счетчик импульсов» последовательно в положения «уст. 0» «счет»).
5.3. Произвести исследование двоичного счетчика: последовательно нажимая кнопку «импульс одиночный», измерять после каждого нажатия кнопки напряжение Uвых i каждого разряда счетчика (гнезда выходов 1, 2, 3 и 4). Составить таблицу 4 состояний двоичного счетчика.
6. Исследовать двоично – десятичный четырехразрядный счетчик, выполненный на микросхеме типа K155TB1.
6.1. Установить плату 5 двоично – десятичного счетчика в разъем на передней панели стенда. Переключатель «счетчик» установить в положение 5 (должна гореть лампочка индикации 5).
6.2. Повторить пункты 5.2.и 5.3. и заполнить таблицу 5 состояний двоично – десятичного счетчика.
6.3. Отсоединить провода, выключить стенд и измерительные приборы.
По данным таблицы 1 построить передаточную характеристику элемента «И-НЕ» рис. 1 в отчете.
По формуле определить максимальное число импульсов, считаемое четырехразрядным двоичным счетчиком.
Список рекомендуемой литературы.
Герасимов В.Г. и др. Основы промышленной электроники. –М.: Высшая школа, 2000г.
Забродин Ю.С. Промышленная электроника. –М.: Высшая школа, 1982.
|
Студент |
Группа |
Выполнено |
||||
|
Курс |
Сдано |
Лабораторная работа №11
|
№ имп |
Q1 |
Q2 |
Q3 |
Q4 |
|
1 |
||||
|
2 |
||||
|
3 |
||||
|
4 |
||||
|
5 |
||||
|
6 |
||||
|
7 |
||||
|
8 |
||||
|
9 |
||||
|
10 |
||||
|
11 |
||||
|
12 |
||||
|
13 |
||||
|
14 |
||||
|
15 |
||||
|
16 |
1 Необходимо помнить, что аттенюатор уменьшает напряжение генератора в 100 раз.
В3
В3
Рис. 4
Рис. 3
VT2
VT1
Таблица 4
Uвх
Q1
Q1