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
Государственный Комитет Российской федерации
по высшему образованию
Ковровская Государственная Технологическая Академия
ЭЛЕКТРОНИКА
методические указания
к лабораторным работам
составитель
Шеманаева Л.И.
Ковров 2011
Электроника: методическое руководство к лабораторным работам. Сост.: Л.И. Шеманаева. – Ковров: Ковровская Государственная технологическая академия. 2011. – 80с.
Методическое руководство к лабораторным работам по электронике предназначено для курса «Электроника и микропроцессорная техника».
Настоящее методическое руководство содержит общие требования к выполнению лабораторных работ, описание прикладной программы EWB, описания 12 лабораторных работ, список рекомендуемой литературы, оглавление. В описании каждой работы приводится цель, краткие теоретические сведения, порядок выполнения работы и контрольные вопросы.
табл. 61, ил. 88, библиогр.: 1 назв.
Рецензенты:
Содержание
|
Название работы |
стр. |
|
Введение |
|
|
1. Полупроводниковые диоды |
|
|
2. Полупроводниковые выпрямители |
|
|
3. Исследование вольт-амперных характеристик биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером и полевого транзистора в схеме с общим истоком. |
|
|
4. Исследование тиристоров и управляемых усилителей |
|
|
5. Исследование работы усилительного каскада на биполярном транзисторе |
|
|
6.Исследование работы транзистора в ключевом режиме |
|
|
7. Характеристики операционного усилителя. Инвертирующие и неинвертирующие усилители. |
|
|
8. Суммирование напряжений в схемах на операционных усилителях. Дифференцирующие и интегрирующие схемы на основе ОУ. |
|
|
9. Исследование работы избирательных усилителей |
|
|
10. Исследование работы автоколебательного мультивибратора на биполярных транзисторах 11. Логические схемы и функции |
|
|
12. Исследование работы комбинационных логических схем 13. Логические схемы на интегральных схемах.rbnftw |
ВВЕДЕНИЕ
В настоящем методическом руководстве предлагаются к выполнению лабораторные работы по курсам: «Электротехника и электроника»; «Электроника и микропроцессорная техника».
Общие требования к выполнению лабораторных работ
Цель выполнения лабораторных работ – закрепить теоретические знания, выработать навыки схемотехники, эксперимента, расчета и анализа электронных устройств.
К выполнению лабораторных работ допускаются студенты, прошедшие инструктаж по технике безопасности, пожарной безопасности, правилам работы на ПК.
Перед выполнением работы студент должен иметь предварительную подготовку, т.е.:
- Изучить необходимый теоретический материал;
- Изучить методический материал по выполнению лабораторной работы;
- Начертить в лабораторном журнале испытуемую схему и заготовить таблицы измерений.
Студенты организуются в бригады по 2-3 человека, готовность каждого к работе проверяется преподавателем.
Рабочий журнал ведется каждым студентом, перед очередной работой студент должен показать выполнение предыдущей лабораторной работы, если он отсутствует, то студент до выполнения следующей работы не допускается. Зачет выполнения работы проводится после проверки преподавателем отчета и собеседования.
Отчет должен содержать:
- Название и цель лабораторной работы
- Принципиальную схему
- Основные расчетные формулы
- Задание
- Таблицу с результатами измерений
- Результаты расчетов
- Графики, построенные на миллиметровке или с использованием компьютерной графики с мелкой сткой
- Выводы
- Дату выполнения работы, подпись исполнителя и руководителя.
- отчет оформляется в тетради или на листах формата А4, написанный вручную, графики вклеиваются
Описание установки
Комплект типового лабораторного оборудования «Теория электрических цепей и основы электроники» состоит из:
- Блока генераторов напряжений БГН3;
- Наборной панели НП2;
- Блока мультиметров БМ8.
Стенд включается в сеть «220В 50Гц». Исследуемые схемы набираются в клеммы наборной панели НП2 из состава набора миниблоков «Электрические и электронные компоненты». Соединение измерительных приборов блока БМ8, исследуемой схемы и источников питания блока БГН3 выполняется соединительными проводами путем введения контактных штырей последних в установочные гнезда панели. Кроме имеющихся мультиметров, для измерения контролируемых параметров могут быть использованы выносные осциллографы и другие измерительные устройства.
Блок генераторов напряжений БГН3 предназначен для моделирования источников ЭДС постоянного и переменного тока. Конструктивно блок генераторов выполнен в виде коробки с лицевой панелью, содержащей мнемоническую электрическую схему соединений, в соответствии с которой размещены регулировочные рукоятки, выключатели электропитания, держатели с предохранителями, гнезда для присоединения внешних устройств. Работа блока генераторов основана на преобразовании однофазного сетевого напряжения в стабилизированные напряжения постоянного тока, в пониженные одно- трехфазные напряжения, а так же в пониженные напряжения регулируемой частоты гармонической и прямоугольной формы. Блок предусматривает ручное управление, регулировку и содержит:
- Выходы стабилизированного постоянного тока: нерегулируемые (напряжение - 15±0,5 В, ток – до 0,2А); регулируемые (напряжение – 0…15 В, ток – до 0,2А);
- Выходы переменного тока: однофазный (напряжение - 24±10% В, ток – до 0,1А); трехфазный с нулевым выводом (линейное/фазное напряжение – 12/7±10% В, ток – до 0,05А);
- Выходы стабилизированного напряжения специальной формы: гармонической формы (амплитуда напряжения – 0…±10 В, частота 0,2…20 кГц); прямоугольной формы однополярное (амплитуда напряжения – 0…±10 В, частота 0,2…20 кГц); прямоугольной формы двухполярное (амплитуда напряжения – 0…±10 В, частота 0,2…20 кГц).
Порядок работы:
- перед включением повернуть/убедиться регулировочные рукоятки против часовой стрелки до упора;
- соединить гнезда с внешними устройствами согласно электрической схеме конкретного эксперимента;
- включить выключатель «СЕТЬ» соответствующего генератора;
- для изменения соответствующих напряжений на регулируемых выходах вращать регулировочные рукоятки;
- при выключении генераторов отключить выключатель «СЕТЬ», предварительно повернув регулировочные рукоятки против часовой стрелки до упора.
Наборная панель НП предназначена для установки и соединения между собой миниблоков при построении электронных цепей по заданным схемам. Конструктивно панель выполнена в виде короба с лицевой панелью, на которую нанесена электрическая мнемосхема соединений панели, в соответствии с которой размещены соединительные гнезда.
Блок мультиметров БМ8 предназначен для измерения активного сопротивления элементов электрической цепи, токов и напряжений в этой цепи. Конструктивно, блок мультиметров выполнен в виде коробки с лицевой панелью, содержащей 3 мультиметра типа MY-60, сетевой выключатель и держатели с предохранителями.
Порядок работы:
- Соединить гнезда с внешними устройствами согласно исследуемой электрической схеме;
- включить выключатель «СЕТЬ»;
- с помощью переключателей мультиметров установить пределы и виды измеряемых параметров;
- включить используемые в эксперименте мультиметры;
- отсчет показаний производить с дисплеев мультиметров;
- для выведения блока мультиметров и работы отключить выключатель «СЕТЬ».
Описание программы
Работы выполняются с использованием системы схемотехнического моделирования Electronics Work Bench (EWB), адаптированной к стандартному интерфейсу Windows. Система предназначена для моделирования и анализа электрических схем.
Программа (EWB) позволяет моделировать аналоговые, цифровые и цифро-аналоговые схемы большой степени сложности. Она имеет большой набор библиотек, включающих в себя все электронные компоненты.
Параметры компонентов можно менять в широком диапазоне значений. Простые компоненты описываются набором параметров, значения которых можно менять с клавиатуры, активные элементы – моделью, представляющей собой совокупность параметров. Модель выбирается из списка библиотек компонентов.
В программе есть широкий набор приборов, позволяющих производить измерения различных величин, задавать входные воздействия, строить графики.
Результаты моделирования можно вынести на принтер или экспортировать в другие программы.
Достоинствами программы является экономия времени и средств на проведение реальных экспериментов; абсолютная достоверность полученных результатов, обусловленная параметрами элементов и алгоритмом расчета; удобство пользования и восприятия схем.
Поле программы EWB состоит из меню, панели инструментов, панели компонентов и рабочего поля.
Меню включает в себя стандартный набор опций Windows. Панель инструментов состоит из набора сервисных устройств. На панели компонентов расположены все компоненты электрических схем. Они условно разбиты на следующие группы:
Все приборы, кроме инструментов, можно использовать в схемах несколько раз.
Установка элементов в схему производится перетаскиванием мышью выбранного элемента. Для установки требуемых значений параметров элемента надо его выделить и двойным щелчком мыши открыть диалоговое окно, в котором установить требуемые параметры. Для возврата нажать кнопку Accept. Эти же действия можно сделать с помощью команды меню Circuit – Preferences.
Соединительные линии между элементами проводятся, при нажатой левой кнопке мыши, от соединительного узла одного элемента до соединительного узла другого.
Как и в реальных электронных схемах здесь, в некоторых элементах, таких как: осциллограф, операционный усилитель, трансформатор, управляемый источник необходимо подключать заземление.
Подробнее о некоторых компонентах:
1. Пояснения к работе
В процессе выполнения лабораторных работ используется не весь на-бор измерительных приборов программы EWB, а только некоторая часть. К ним относятся: цифровой мультиметр, двухканальный осциллограф, из-меритель АЧХ и ФЧХ и функциональный генератор. Все необходимые приборы подключены к исследуемым схемам и следует только научиться правильно пользоваться ими.
1.1. Мультиметр (Multimeter)
Мультиметр представляет собой универсальный цифровой прибор для измерения постоянного и переменного напряжения и тока, сопротивления и ослабления. Условное изображение ("иконка") мультиметра имеет вид:
Двойным щелчком по иконке мультиметра раскрывается передняя панель и появляется доступ к настройке прибора. На панели расположен дисплей для цифрового отображения результатов, две клеммы подключения к схеме и кнопки управления. Назначение основных кнопок понятно из рисунка.
Setting - режим установки параметров мультиметра. После нажатия этой кнопки открывается диалоговое окно (здесь не приведено) в котором обозначено:
Ammeter resistance - внутреннее сопротивление амперметра;
Voltmeter resistance - входное сопротивление вольтметра;
Ohmmeter current - ток через контролируемый объект;
Decibel standard - установка эталонного напряжения V1 для измерения усиления (ослабления) в dB; по умолчанию V1=1В. К= 20 log(U/V1) [dB].
Мультиметр измеряет эффективное (действующее) значение переменного тока.
1.2. Осциллограф (Oscilloscope)
Осциллограф имеет два канала: А и В с раздельной регулировкой чувствительности в диапазоне от 10 МкВ/дел (V/DIV) до 5 кВ/дел (KV/DIV) и регулировкой смещения по вертикали (YPOS). Входы каналов могут быть закрытыми (АС - сигналы переменного тока), открытыми (DC - сигналы с постоянной составляющей) или замкнуты на землю (0).
Двойным щелчком по иконке осциллографа раскрывается передняя панель, которая имеет такой вид:
Здесь открыт доступ к регулировкам осциллографа. В блоке развёртки устанавливается режим развёртки кнопками
В режиме Y/T (обычный режим, включен по умолчанию) по вертикали - напряжение, по горизонтали - время; в режиме B/A - по вертикали - сигнал канала B, по горизонтали - сигнал канала A; в режиме A/B - наоборот. В режиме Y/T длительность развёртки может быть задана в диапазоне от 0,1 нс/дел (ns/div) до 1с/дел (s/div) с возможностью установки смещения по оси X (X POS). Предусмотрен также ждущий режим (TRIGGER) с запуском по переднему или заднему фронту - кнопки при регулируемом уровне (LEVEL) запуска, а также в режиме AUTO, от канала A или B или внешнего источника (EXT).
При нажатии кнопки EXPAND лицевая панель существенно меняется - увеличивается размер экрана, появляется возможность прокрутки изображения по горизонтали и его сканирования с помощью вертикальных визирных линий, которые за треугольные ушки можно установить в любое место экрана. При этом в индикаторных окошках под экраном приводятся результаты измерения напряжения, временных интервалов и их приращений между визирными линиями. Изображение можно инвертировать нажатием кнопки REVERSE и записать данные в файл нажатием кнопки SAVE. Возврат к исходному состоянию - нажатием кнопки REDUCE в правом нижнем углу лицевой панели осциллографа.
1.3. Измеритель АЧХ и ФЧХ (Bode Plotter)
Условное изображение (иконка) измерителя имеет вид:
Подключение к исследуемой схеме осуществляется с помощью зажимов IN (вход) и OUT (выход). Левые клеммы зажимов подключают соответственно ко входу и выходу устройства, а правые - к общей шине. Двойным щелчком по иконке раскрывается передняя панель измерителя и открывается доступ к настройке прибора.
Измеритель предназначен для анализа АЧХ (нажата кнопка MAGNITUDE) и ФЧХ (нажата кнопка PHASE) при логарифмической (кнопка LOG, включена по умолчанию) или линейной (кнопка LIN) шкале по осям Y (VERTICAL) и X (HORIZONTAL).
Настройка измерителя заключается в выборе пределов измерения коэффициента передачи и вариации частоты с помощью кнопок в окошках F - максимальное и I - минимальное значение.
Частота и соответствующее значение коэффициента передачи или фазы индицируются в окошках в правом нижнем углу измерителя. Значения этих величин в отдельных точках АЧХ и ФЧХ можно получить с помощью вертикальной визирной линии, находящейся в исходном состоянии в начале координат и перемещаемой по графику мышью или кнопками
Результаты измерения можно записать в текстовый файл. Для этого необходимо нажать кнопку SAVE и в диалоговом окне указать имя файла (по умолчанию предполагается имя схемного файла). В полученном таким образом текстовом файле (с расширением .bod) АЧХ и ФЧХ представляются в табличном виде.
1.4. Функциональный генератор (Function Generator)
Условное изображение (иконка) генератора имеет вид:
При заземлении клеммы COM (общий) на выходах "-" и "+" получаем парафазный сигнал.
Двойным щелчком по иконке генератора раскрывается передняя панель:
Назначение клавиш:
выбор формы выходного сигнала: синусоидальный (по умолчанию), треугольный и прямоугольный; установка частоты выходного сигнала в герцах; установка коэффициента заполнения в %, для импульсных сигналов это отношение длительности импульса к периоду; для треугольных сигналов - соотношение между длительностями переднего и заднего фронтов; установка амплитуды выходного сигнала в вольтах; установка смещения (постоянной составляющей выходного сигнала).
Все измерительные приборы включаются автоматически при включении исследуемой схемы выключателем в правом верхнем углу экрана.
2. Программа работы
(вернуться в окно "Open Circuit File" можно нажатием клавиши на опции "Папка открыть").
Внимание!
- Программа EWB выполняет анализ электронных схем расчётным путём, используя математические модели электрорадиокомпонентов и разнообразные численные методы для решения систем линейных и нелинейных уравнений. Результаты расчётов запоминаются , поэтому при длительном времени непрерывного анализа все ресурсы памяти ЭВМ достаточно быстро исчерпываются и машина "зависает", что недопустимо.
генератор - прямоугольный сигнал, 100 Гц, 10 В, 50%;
осциллограф - открытые входы, развёртка 0,5 ms/div, режим развёртки ждущий с синхронизацией по заднему фронту канала А; чувствительность по каналу А -10 V/div , В - 500 mV/div; смещения равны нулю;
измеритель АЧХ и ФЧХ - АЧХ, масштабы логарифмические, диапазоны по вертикали F=00 dB, I=-100 dB, по горизонтали F= 1 MГц, I=1 Гц.
Закройте измеритель АЧХ и ФЧХ.
3. Результаты работы
Все измерения частоты сведите в таблицу.
|
Способ измерения |
Теоретический |
По осциллографу |
По АЧХ LOG |
По АЧХ LIN |
По ФЧХ LOG |
По ФЧХ LIN |
|
Частота, (кГц) |
|
|
|
|
|
|
|
Погреш-ность абсолютная ,(Гц) |
0 |
|
|
|
|
|
|
<Погрешность относительная, (%)/td> |
0 |
|
|
|
|
|
Напишите выводы по проделанной работе, в которых сравните результаты расчёта и измерения частоты контура по временным характеристикам, АЧХ и ФЧХ логарифмического и линейного масштабов. Объясните результаты.
Лабораторная работа № 1.
Полупроводниковые диоды
Цель работы: Изучить принцип действия и исследовать характеристики полупроводникового диода.
Теоретическое введение
Полупроводниковый диод - это полупроводниковый прибор с одним или несколькими электронно-дырочными (р-п) переходами, разделяющем р- и п- области кристалла полупроводника и двумя выводами (рис. 1.1). Одна из полупроводниковых областей кристалла, имеющая более высокую концентрацию примесей (следовательно, и основных носителей заряда), называется эмиттером, а другая, с меньшей концентрацией - базой.
Рис. 1.1 Условное обозначение полупроводникового диода (а) и его структура (б).
Принцип работы полупроводникового диода. Предположим, что внешнее напряжение на выводах отсутствует. Тогда, свободные электроны п- области стремятся в р- область, аналогично дырки из р- области диффундируют в п- область и возникает диффузионный ток. Электроны и дырки, пройдя границу раздела р- и п- областей, оставляют «после себя» противоположные заряды, которые создают внутреннее электрическое поле с напряженностью Езар, препятствующей дальнейшей диффузии основных носителей заряда. В результате, возникает так называемый «потенциальный барьер», а диффузия практически прекращается, так как энергия носителей заряда недостаточна для преодоления потенциального барьера. При подключении к выводам диода внешнего напряжения2, которое создаст в р-п- переходе поле, векторы напряженности которого совпадают с Езар, высота потенциального барьера увеличивается и как следствие диффузионный ток стремится к нулю. Если полярность прикладываемого напряжения изменить3, то создаваемое им электрическое поле будет компенсировать действие внутреннего поля, уменьшая этим высоту потенциального барьера. В результате, по мере возрастания напряжения, в область базы будет вводиться все большее количество дырок, которые и образуют прямой ток диода Iпр (рис. 1.2,а).
Все полупроводниковые диоды принято подразделять на две группы: выпрямительные, предназначенные для выпрямления переменного тока и специальные. Конструктивно выпрямительные диоды делятся на плоскостные и точечные, а по технологии изготовления на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные. В зависимости от частоты и формы переменного напряжения, выпрямительные диоды подразделяются на высокочастотные (максимально допустимая частота входного напряжения fmax>103 Гц), низкочастотные (fmax<103 Гц) и импульсные. По мощности выпрямительные диоды классифицируют на маломощные (максимально за период входного напряжения среднее значение прямого тока диода Iпр ср max≤0,3 А), средней мощности (0,3 А<Iпр ср max≤10 А) и большой мощности (Iпр ср max>10 А).
Выпрямительные диоды большой мощности называются силовыми. Силовые диоды характеризуются рядом статических и динамических параметров. К статическим параметрам диода относятся: падение напряжения на диоде при заданном прямом токе Uпр; среднее значение прямого тока Iпр; допустимое обратное напряжение Uобр и соответствующий ему обратный ток Iобр. Статические параметры удобно определять по вольт-амперной характеристике диода (рис. 1.2,б)
Рис. 1.2 Статическая вольт-амперная характеристика диода идеального (а) и реального диода (б).
1 – ВАХ при комнатной температуре t1 ; 2 – Вах при температуре t2< t1
Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода описывается выражением
(1.1)
где I0 – тепловой ток; UД - напряжение на p-n переходе; - тепловой потенциал, равный контактной разности потенциалов на границе p-n перехода при отсутствии внешнего напряжения (при Т=300 К, φТ= 0,025 В); k - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура; q - заряд электрона.
При отрицательных напряжениях порядка 0,1 ...0,2 В экспоненциальной составляющей, по сравнению с единицей, можно пренебрегать (e-4≈0,02), при положительных напряжениях, превышающих 0,1 В, можно пренебрегать единицей (е4≈54,6), поэтому ВАХ, описываемая, этими выражениями, будет иметь вид, приведенный на рис. 1.2, а. По мере возрастания положительного напряжения на p-n переходе прямой ток диода резко возрастает. Поэтому незначительное изменение прямого напряжения приводит к значительному изменению тока, что затрудняет задание требуемого значения прямого тока с помощью напряжения. Вот почему для p-n переходов характерен режим заданного прямого тока.
Реальный p-n переход не является бесконечно тонким и поэтому при обратном напряжении происходит генерация пар электрон – дырка. ВАХ реального диода приведена на рис. 1.2,6 (кривая 1). Видно, что при определенном значении обратного напряжения Uобр=Uпроб начинается лавинообразный процесс нарастания обратного тока Iобр, соответствующий электрическому пробою p-n перехода (см. рис. 1.2,6, отрезок АВ). Если в этот момент ток не ограничить, то электрический пробой переходит, в тепловой (см. рис. 1.2,6, участок ВАХ после точки В) Электрический пробой обратим, т. е. после уменьшения напряжения Uобр работа диода соответствует пологому участку обратной ветви ВАХ. Тепловой пробой необратим, так как разрушает p-n переход. Прямая ветвь ВАХ реального диода (см. рис. 1.2,6) также отличается от ВАХ идеального p-n перехода. Это вызвано влиянием объемного сопротивления базы диода при больших уровнях инжекции'4. Прямой ток диода также зависит от температуры окружающей среды, возрастая с ее повышением (см. рис. 1.2,б кривая2). Для оценки температурной зависимости прямой ветви ВАХ диода служит температурный коэффициент напряжения, К-1
(1.2)
где ∆Т и ∆U – конечные приращения температуры и напряжения вблизи рабочей точки.
ВАХ позволяет так же определить статическое и дифференциальное (динамическое) сопротивления диода. Дифференциальное сопротивление (rд) численно равно отношению бесконечно малого приращения напряжения ∆U к соответствующему приращению тока ∆I в заданном режиме работы диода и может, быть определен графически с помощью угла между касательной в рассматриваемой рабочей точке ВАХ и осью абсцисс (см. рис. 1.2,б угол β):
(1.3)
где mU, mI- масштабы осей напряжения и тока.
Статическое сопротивление Rст численно равно отношению; напряжения на элементе UE к протекающему через него току IE и может быть определено графически через угол наклона прямой, проведенной из начала координат через заданную рабочую точку ВАХ, к оси абсцисс (см. рис. 1.2,б угол α):
(1.4)
При работе на высоких частотах и в импульсных режимах начинает играть роль емкость диода Сд, измеряемая между выводами диода при заданных значениях напряжения и частоты. Эта емкость включает емкость перехода Спер, образованную диффузионной Сдиф5, зарядной (барьерной) Сзар6 емкостями, и емкостью Ск корпуса диода. Полупроводниковый диод, действие которого основано на использовании зависимости зарядной емкости Сзар от значения приложенного напряжения называется варикап. Условное графическое обозначение варикапа приведено в прил. 1. Значение емкости диода определяется режимом его работы, действительно, при прямом напряжении , при обратном , это позволяет применять варикап в качестве элемента с электрически управляемой емкостью.
Рис. 1.3. Вольт-фарадная характеристика варикапа.
Основной характеристикой варикапа служит вольт-фарадная характеристика (рис. 1.3) - зависимость емкости варикапа от значения, приложенного обратного напряжения. Теоретическое значение емкости варикапа можно определить как
где С0 – начальная емкость варикапа при Uв=0 В; Uв – напряжение на варикапе; ψк – контактная разность потенциалов.
Основными параметрами варикапа являются: емкость Св7, добротность и коэффициент перекрытия по емкости, равный8
(1.5)
где Сmax, Cmin – емкость варикапа максимальная и минимальная соответственно (Кс = 2 ... 20).
Эквивалентная схема варикапа приведена на рис. 1.4. Видно, что полное сопротивление варикапа определяется как :
Рис. 1.4. Эквивалентная схема замещения варикапа: Rш– сопротивления перехода и шунтирующих его утечек, Rп – сопротивление материала полупроводника, С – зарядная емкость Сзар.
Видно, что реактивное сопротивление варикапа нелинейно зависит от частоты, поэтому добротность варикапа, определяемая отношением его реактивного и активного сопротивлений, будет иметь максимум, который соответствует частоте
. (1.6)
Для варикапов изготовленных из арсенида галлия ω ~ 1кГц, а для кремниевых – достигает 1 МГц. Зависимости емкости варикапа от приложенного нему обратного напряжения и частотная зависимость его сопротивления позволяют широко использовать варикапы в различных резонансных контурах электронных схем модуляторов, генераторов и т.п.
Рабочие схемы, таблицы и порядок выполнения работы
Упражнение 1. Эффект р-п перехода в диодах.
Рис. 1.5.а
|
Uпр., В |
0,0 |
0,1 |
0,2 |
0,3 |
0,4 |
0,5 |
0,6 |
0,65 |
|
Iпр, мА |
Рис. 1.5.б
|
Uобр., В |
0,0 |
5 |
10 |
159 |
20 |
25 |
30 |
|
Iобр, мкА |
Упражнение 2. Диоды с переменной емкостью.
Рис. 1.6.
(Табл. 1.3)
|
U2, В |
f, кГц |
L, мГн |
С, пФ |
|
200 |
|||
Контрольные вопросы.
Лабораторная работа № 2.
Полупроводниковые выпрямители
Цель работы: Изучить принцип действия и исследовать характеристики полупроводникового выпрямителя.
Теоретическое введение
Выпрямитель – устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения в постоянное. Основное назначение выпрямителя заключается в сохранении направления тока в нагрузке при изменении полярности приложенного напряжения. Основными параметрами выпрямителя являются:
Рис. 2.1. Внешняя характеристика выпрямителя.
Здесь Еср – напряжение при токе нагрузки равном нулю (ЭДС выпрямителя), ∆Uср=Iср(Rи.+R) – падение напряжения от протекания тока нагрузки по активным сопротивлениям источника питания Rи. и выпрямительных диодов в открытом состоянии R.
К основным величинам, характеризующим эксплуатационные свойства выпрямителей, принято так же относить КПД, коэффициент мощности (отношение активной мощности к полной) и регулировочная характеристика, т.е. зависимость выпрямленного напряжения от угла регулирования, для управляемых выпрямителей (с регулируемым выпрямленным напряжением)
Классификация выпрямителей может выполняться по различным признакам:
- по форме выпрямленного напряжения (однополупериодные и двухполупериодные);
- по числу фаз силовой сети (однофазные, двухфазные, трехфазные и шестифазные);
- по мощности (маломощные – до 100 Вт, средней мощности – до 5 кВт, мощные – свыше 5 кВт);
- по напряжению (низкого – до 250 В, среднего – до 1 кВ, высокого – свыше 1 кВ);
- по частоте выпрямляемого тока (промышленной частоты – 50 Гц, повышенной – от 400 до 1000 Гц, высокой – свыше 1 кГц).
Рассмотрим работу однофазного однополупериодного выпрямителя (рис. 2.2,а), нагруженного на активное сопротивление Rн. Будем считать, что входное напряжение изменяется по гармоническому закону uвх=Umsinωt. Тогда в интервале времени 0<t<T/2 диод VD открыт, ток через нагрузку и падение напряжение на нагрузке повторяют форму входного сигнала. На интервале T/2<t<T диод VD закрыт, ток через нагрузку не течет и напряжение на нагрузке равно нулю (рис. 2.2,б).
Рис. 2.2 Схема однофазного однополупериодного выпрямителя (а) и временные диаграммы, поясняющие его работу (б).
Из диаграмм работы (рис. 2.2,б) видно, что выпрямленный ток в нагрузочном резисторе будет создавать падение напряжения только для нечетных полупериодов. Тогда, среднее значение напряжения11 составит:
(2.1)
Аналогично среднее значение тока текущего через резистор Iср≈0,31Im.
Мгновенное значение напряжения на нагрузке (см. рис. 2.2,б) удобно представить в виде ряда Фурье.
где U0 – постоянная составляющая выпрямленного напряжения. Тогда, коэффициент пульсаций для рассматриваемого случая равен .
Как видно из диаграммы (см. рис. 2.2, б), максимальное значение обратного напряжения на выпрямительном диоде равно Uобр=Um. Поэтому с учетом (2.1), при выборе диода для его использования по схеме однофазного однополупериодного выпрямителя обратное напряжение равно
(2.2)
Среднее значение тока, в этом случае равно выпрямленному току.
Как правило, в состав схемы выпрямления включается трансформатор. При его выборе следует учитывать, что расчетная мощность трансформатора зависит не только от мощности постоянного тока P0=UсрIср, но и от применяемой схемы выпрямления. При использовании однополупериодных схем выпрямления по вторичной обмотке трансформатора протекает постоянная составляющая тока, оказывающая намагничивающее/размагничивающее действие, что вызывает увеличение тока, текущего через первичную обмотку. С учетом вышеизложенного, для рассматриваемой схемы выпрямителя, расчетная мощность трансформатора Ртр≈(3,2…3,5)Р0. Тогда, коэффициент использования обмоток трансформатора
Ктр=Р0/Ртр≈0,3
Видно, что однополупериодное выпрямление имеет существенные недостатки, а именно: большой коэффициент пульсации выпрямленного напряжения; большое обратное напряжение на выпрямительном диоде, плохое использование обмоток трансформатора и намагничивание его сердечника постоянной составляющей выпрямленного тока. Поэтому, несмотря на предельную простоту схемы, она редко применяется на практике.
Параметры выходного напряжения можно существенно улучшить, если выходной ток будет протекать в оба полупериода действия выходного напряжения. Один из вариантов реализации этой идеи заключается в использовании однофазного двухполупериодного выпрямителя. Рассмотрим его работу на примере мостового выпрямителя (рис. 2.3.).
Рис. 2.3 Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя (а) и временные диаграммы, поясняющие его работу (б).
Будем считать, что входное напряжение изменяется по гармоническому закону uвх=Umsinωt. Тогда в интервале времени 0<t<T/2 диоды VD2, VD3 открыты, ток i1 течет через нагрузку по цепи VD2, Rн, VD3. На интервале T/2<t<T диоды VD2, VD3 закрыты, и через нагрузку течет ток i2 по цепи VD4, Rн, VD1. Таким образом, ток через нагрузку iн= i1+ i2 протекает в оба полупериода в одном и том же направлении. Следовательно, на основании (2.1) запишем
(2.3)
Аналогично Iср≈0,62Im, соответственно коэффициент пульсаций уменьшается ε=0,67. При этом, так как каждое плечо моста содержит два последовательно соединенных диода VD2, VD3 или VD1, VD4, то обратное напряжение, на действующее на каждый диод, вдвое меньше. Кроме того, в схеме двухполупериодного выпрямления ток iвх протекает в течение обоих полупериодов и является гармоническим, поэтому дополнительное намагничивание сердечника отсутствует, поэтому коэффициент использования обмоток трансформатора возрастает Ктр≈0,67.
Рассмотрим, как изменится работа выпрямителя после включения сглаживающего фильтра (рис. 2.4).
Рис. 2.4 Схема выпрямителя содержащего емкостной фильтр (а) и временные диаграммы, поясняющие его работу (б).
По первому закону Кирхгофа прямой ток через диоды VD2, VD3 равен
i1=iн + iс=Сduc/dt+uн/Rн
где uc=uн=Umsinωt – напряжение на конденсаторе фильтра емкостью С;
iс=Сduc/dt=ωСcosωt - ток, текущий через конденсатор.
Предположим, что i1=0. Тогда
ωСcosωt+ (Um/Rн)sinωt=0
откуда .
Т.о. начиная с момента времени t1, напряжение на нагрузке будет изменяться по экспоненциальному закону (рис. 2.4,б штриховая линия):
В момент времени t2 напряжение на конденсаторе uc и на входе выпрямителя
u2=-Umsinωt будут равны и откроются диоды VD1, VD4. Далее процесс в цепи будет периодически повторяться, в результате происходит периодическая зарядка конденсатора фильтра током iс от источника энергии и его последующая разрядка в цепь приемника. Т.о. включение сглаживающего фильтра увеличивает постоянную составляющую в кривой выпрямленного напряжения.
Мощные выпрямители, предназначенные для коммутации токов до 106 А мощностью от 10 кВт до 100 кВт, как правило, целесообразно питать от трехфазных цепей переменного тока. Схемы трехфазных выпрямителей, получивших наиболее широкое распространение, приведены на рис. 2.5.
Рис. 2.5 Схема трехфазного выпрямителя с отводом от нулевой точки (а), мостового трехфазного выпрямителя (в) и диаграммы их работы (б и с соответственно).
Простейшая трехфазная система выпрямления с нулевым выводом (см. рис. 2.5, а) состоит из трехфазного трансформатора и трех диодов. Первичная обмотка трансформатора может соединяться Y или ∆, а вторичная – только Y, иначе отсутствует необходимый нулевой вывод. Такую схему удобно рассматривать как состоящую из трех однополупериодных выпрямителей, работающих на общую нагрузку. Выпрямители питаются тремя симметричными напряжениями, сдвинутыми по фазе на 1200 (см. рис. 2.5, б). Как видно из диаграммы работы диоды проводят ток поочередно, каждый в течении 1/3 периода выпрямляемого напряжения. Проводящим, в каждый данный момент, является тот диод, анод которого находится под действием положительного напряжения. В этом случае ток через нагрузку протекает в одном направлении, от конца одной их вторичных обмоток, через диод и нагрузку к общей точке. Трехфазная схема с нулевым выводом по сравнению с рассмотренными однофазными обладает рядом преимуществ: равномерная нагрузка на сеть переменного тока; лучшее использование обмоток трансформатора; уменьшение коэффициента пульсаций (более чем в 2,5 раза по сравнению с двухполупериодными схемами и в 6 раз, по сравнению с однополупериодной), что позволяет использовать емкостные фильтры меньшей емкости. К недостаткам этой схемы следует отнести плохое использование трансформатора и повышенное обратное напряжение на выпрямительных диодах.
Исключить указанные недостатки позволяет мостовая схема трехфазного выпрямителя (схема Ларионова) (см. рис. 2.5, в). Обмотки трансформатора в этом случае могут соединяться по любой схеме, так как нулевой вывод здесь не нужен. Трехфазную мостовую схему удобно представить как два трехфазных выпрямителя, которые включены последовательно и питаются напряжениями, сдвинутыми по фазе на 1800 (см. рис. 2.5, с). При этом в любой произвольный момент времени ток проводят два диода, у которых на аноде наибольшее положительное напряжение. К достоинствам схемы Ларионова относятся: отсутствие подмагничивания сердечника трансформатора постоянным током, вдвое меньшее (по сравнению с предыдущей схемой) обратное напряжение, малый коэффициент пульсаций, равный 5,7%. , что позволяет во многих случаях не использовать выходной фильтр.
Рабочие схемы, таблицы и порядок выполнения работы
Упражнение 1. Однофазный однополупериодный выпрямитель.
Рис. 2.6
|
Rн, кОм |
2,2 |
4,7 |
10,0 |
22,0 |
|
U, В |
||||
|
I, мА |
(Табл. 2.2)
|
С, мкФ |
0 |
1 |
10 |
100 |
|
Um, В |
||||
|
Uном, В |
||||
|
ε |
Упражнение 2. Мостовой выпрямитель.
Рис. 2.7.
|
Rн, кОм |
2,2 |
4,7 |
10,0 |
22,0 |
|
U, В |
||||
|
I, мА |
(Табл. 2.4)
|
С, мкФ |
0 |
1 |
10 |
100 |
|
Um, В |
||||
|
Uном, В |
||||
|
ε |
Упражнение 3. Выпрямитель трехфазного тока мостовой.
Рис. 2.8.
|
Rн, кОм |
2,2 |
4,7 |
10,0 |
22,0 |
|
U, В |
||||
|
I, мА |
(Табл. 2.6)
|
С, мкФ |
0 |
1 |
10 |
100 |
|
Um, В |
||||
|
Uном, В |
||||
|
ε |
Контрольные вопросы.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3.
Исследование вольт-амперных характеристик
биполярного транзистора в схеме с
общим эмиттером и полевого транзистора в схеме с общим истоком.
Цель работы: Исследование вольт-амперных характеристик на входе и на выходе и оценка параметров биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером. Исследование вольт-амперных характеристик полевого транзистора и оценка основных его параметров.
В работе использован транзистор 2N3415 – аналог отечественного транзистора КТ315А.
Приборы и элементы:
|
Приборы и элементы |
Расположение на панели |
Приборы и элементы |
Расположение на панели |
|
Резисторы |
Basic |
Амперметр |
Indicators |
|
Источник питания |
Sources |
Вольтметр |
Indicators |
|
Заземление |
Sources |
Транзистор |
Transistors |
Теоретическое введение:
Биполярный транзистор - полупроводниковый прибор, содержащий три полупроводниковые области с чередующимися типами проводимости: "n-р-n" или "р-n-р", которые называются соответственно эмиттером (Э), базой (Б) и коллектором (К). Эти области разделены "р-n" переходами - эмиттерный (ЭП) и коллекторный (КП) (рис. 1).
Графическое изображение транзисторов дано на рис. 2.
В зависимости от того, какой вывод транзистора: эмиттер, база или коллектор - являются общими для входной и выходной цепей транзисторов, применяются три схемы включения: схема с общей базой (ОБ), схема с общим эмиттером, схема с общим коллектором (ОК).
В данной лабораторной работе исследуется транзистор типа "n-р-n", включенный в схему с общим эмиттером (см. рис. 3).
Для расчета и анализа применения транзистора в качестве усилительного или переключающего элемента пользуются входными и выходными характеристиками транзистора. Входная характеристика транзистора - это зависимость между током и напряжением во входной цепи:
где - ток цепи базы;
- напряжение "база " эмиттер",
- напряжение "коллектор - эмиттер".
Выходная характеристика транзистора это зависимость между током и напряжением в выходной цепи:
при
где - ток цепи коллектора;
- ток цепи базы.
Для снятия входных и выходных характеристик транзистора служит следующая схема (рис. 4).
Рис.4
- источники постоянных напряжений;
- вольтметры;
-миллиамперметры;
VT1- исследуемый транзистор.
Для снятия входной характеристики транзистора VT1 на источнике напряжения Е1 задаются различные значения напряжений по вольтметру . Для каждого установленного напряжения изменяют ток базы по миллиамперметру .
Для снятия выходной характеристики транзистора VT1 источником устанавливают постоянный режим входной цепи. В выходной цепи источником устанавливают по вольтметру различные значения напряжения , и для каждого установленного напряжения измеряют ток . Задавая значения тока базы, можно получить семейство выходных характеристик. На рис. 5 показаны типовые входные характеристики транзистора.
На рис. 6 показано семейство типовых выходных характеристик транзистора.
Пользуясь графиками входных и выходных характеристик, можно определить основные параметры транзистора:
- входное сопротивление- [Ом]
при
где ΔUбэ - величина изменения напряжения ΔUбэ
∆- величина изменения тока базы, зависящая от;
- коэффициент обратной связи по напряжению – hoc
при
где величина изменения напряжения
- коэффициент передачи по току (усиление по току) – h21
при
где - величина изменения тока;
- величина изменения тока зависимая от ;
выходная проводимость –
при
Полевой транзистор - активный полупроводниковый прибор, который содержит три полупроводниковые области одного типа проводимости: "n" или "р". Эти области имеют названия: исток, сток, канал. Область управления, называемая затвором, имеет проводимость, отличную от проводимости канала: если канал с проводимостью "n", то область управления с проводимостью "р". Условно структура полевых транзисторов показана на рис.1. Полевые транзисторы с такой структурой называют транзисторы с "р-n" переходом.
И - исток; С - сток; 3 - затвор.
В полевых транзисторах ток создается только основными носителями, движением зарядов одного знака, поэтому полевые транзисторы называют еще униполярными. Исток - источник основных носителей зарядов, сток - приемник этих зарядов. Канал - область в транзисторе, сопротивление которой зависит от потенциала на затворе - управляющем электроде. Полевой транзистор имеет внешние выводы: исток, сток и затвор. Графическое изображение полевых транзисторов на электрических схемах приведено на рис. 2.
Оценка качества полевого транзистора определяется по управляющей и выходной характеристикам. Управляющая (стокозатворная) характеристика - это зависимость между током цепи стока и управляющем напряжением "затвор " исток" при постоянном заданном напряжении "сток-исток":
при
где - ток цепи стока;
- напряжение "затвор - исток";
- напряжение "сток - исток".
Основными характеристиками полевого транзистора являются выходные или стоковые характеристики - зависимость между током цепи стока и напряжение "сток - исток" при постоянном заданном напряжении "затвор - исток":
при
где - ток цепи стока;
- напряжение "затвор - исток";
- напряжение "сток - исток".
Электрическая схема снятия характеристик полевого транзистора приведена на рис.3
Рис.3
Е1, Е2 - источники напряжения;
R1, R2 - переменные резисторы (регуляторы), VT- полевой транзистор;
U1, U2 - вольтметры;
А1- миллиамперметр.
Для снятия управляющей характеристики источником питания Е1 задают различные значения напряжения по вольтметру U1, и для значения определяют ток по миллиамперметру А1. Режим выходной цепи задается источником Е2, напряжение устанавливается по вольтметру U2.
Для снятия выходной характеристики источником питания Е2 задают различные значения напряжения по вольтметру U2 и для каждого значения определяют ток по миллиамперметру. Режим входной цепи задается источником питания Е1. Задавая различные значения напряжения , можно построить семейство выходных характеристик.
Управляющие характеристики полевых транзисторов приведены на рис.4, а выходные - на рис. 5,
Uз.и.=-2В
Uз.и.=2В
рис. 5
Пользуясь графиками характеристик, можно определить основные параметры полевого транзистора: крутизну (S), внутреннее (выходное) сопротивление () коэффициент усиления (). Крутизна определяется:
при
где S - крутизна, мА/В;
- изменение тока цепи стока, мА;
- изменение напряжения "затвор-исток", В;
-напряжение "сток-исток", В.
Внутреннее (выходное) сопротивление:
при
где - внутреннее сопротивление, кОм;
- изменение напряжения "сток - исток".
Коэффициент усиления:
при
где - коэффициент усиления полевого транзистора;
- ток цепи стока, мА,
Параметры связаны между собой зависимостью:
Порядок выполнения работы:
Табл. 1
|
Номер варианта |
№1 =5, В =2.5,В |
№2 =5, В =4.5,В |
№3 =7, В =2.5,В |
№4 =7, В =4.5,В |
№5 =9, В =2.5,В |
№6 =10, В =4.5,В |
№7 =11, В =2.5,В |
|
,mA |
|||||||
|
,mA |
|||||||
|
, В |
|||||||
|
β=/ |
2. Измерение обратного тока коллектора
Табл. 2
|
, В |
,mA |
,mA |
, В |
|
Номер варианта |
№1 |
№2 |
№3 |
№4 |
№5 |
№6 |
№7 |
|
1, В |
13 |
13 |
12 |
12 |
11 |
11 |
10 |
|
2, В |
3,5 |
3 |
2,5 |
2 |
1,5 |
1 |
0,5 |
Табл. 3
|
, В |
,mA |
, В |
,mA |
|||
|
1 |
2 |
1 |
2 |
1 |
2 |
|
|
1 |
||||||
|
1.5 |
||||||
|
2.5 |
||||||
|
3.5 |
||||||
|
4.5 |
Табл. 4
|
, В Еб,В |
=3В |
=5В |
=7В |
=9В |
=10В |
=11В |
=12В |
||||||||
|
, mA |
, В |
, mA |
В |
, mA |
В |
, mA |
В |
, mA |
В |
, mA |
В |
, mA |
В |
||
|
0.5 |
0 |
0,004 мк |
2,997 |
||||||||||||
|
1.5 |
6,602 мк |
0.66 |
2.337 |
||||||||||||
|
2.5 |
|||||||||||||||
|
3.5 |
|||||||||||||||
|
4.5 |
|||||||||||||||
|
5.5 |
|||||||||||||||
|
6.5 |
Параметры транзистора КТ315В:
hвх==40Ом, ht=20…90, h=0.3, Uкэ=10В, Iк=1mA, f=250мГц, Pрасч=150мВт, Uкэmax=25В, Uбэ.max=6В, Iк.max=100mA.
1. Снятие управляющих и выходных характеристик полевого транзистора.
1). Открыть файл lab3\3_2.ewb со схемой, изображенной на рис. 3.
2). Выполнить измерения согласно таблице 1 и варианту, заданному преподавателем.
Табл. 1
|
Е1 |
Е2=2В |
Е2=4В |
Е2=6В |
Е2=8В |
Е2=10В |
Е2=12В |
||||||||||||
|
I1 |
U1 |
U2 |
I1 |
U1 |
U2 |
I1 |
U1 |
U2 |
I1 |
U1 |
U2 |
I1 |
U1 |
U2 |
I1 |
U1 |
U2 |
|
|
-2 |
||||||||||||||||||
|
-1 |
||||||||||||||||||
|
0,5 |
||||||||||||||||||
|
0 |
||||||||||||||||||
|
0,25 |
||||||||||||||||||
|
0,5 |
||||||||||||||||||
|
0,75 |
||||||||||||||||||
|
1 |
||||||||||||||||||
|
1,5 |
||||||||||||||||||
|
2 |
||||||||||||||||||
|
2,5 |
||||||||||||||||||
|
3 |
||||||||||||||||||
|
3,5 |
||||||||||||||||||
|
4 |
Содержание отчета:
R1=50 Oм при Uси=10V Uзи=0V, S=2...5mА/V
Контрольные вопросы
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 4.
Исследование тиристоров и управляемых выпрямителей
Цель лабораторной работы: Экспериментальное получение характеристик тиристора.
Теоретическое введение
Тиристор – полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три и более p-n переходов, который может переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот.
С эксплуатационной точки зрения тиристор – это полупроводниковый ключ, основное назначение которого – замыкание и размыкание цепей.
Он может находиться в любом состоянии бесконечно долго. Переход из одного состояния в другое происходит сравнительно быстро.
Основой тиристора является четырехслойная структура полупроводников различной проводимости – p-n-p-n. Вывод с р-примесью называется анодом, с п-примесью – катодом.
Количество примесей в р и п слоях различна, что представлено на графике.
Рис 4.1
К одному из внутренних слоев может быть подключен дополнительный источник питания. Если он подключен к р-слою, то тиристор называется – с катодным управлением, если к п-слою – с анодным.
Приложим прямое напряжение и к аноду (+) и к катоду ( – ) и к управляющему р-слою (+).
Рис 4.2
Это напряжение распределяется между тремя p-n переходами. Переход П1 – анодный, П3 – катодный (управляющий).
Мысленно проводим разрез и представим четырехслойную структуру как комбинацию двух транзисторов VT1 и VT2 типа p-n-p и n-p-n соответственно, расположенных встречно.
Рис 4.3
Здесь коллектор транзистора VT1 является базой транзистора VT2 наоборот.
Усилительные свойства обусловлены статическими коэффициентами передачи тока эмиттера α1 и α2 транзисторов VT1 и VT2 а также коэффициентами передачи тока базы β1 и β2.
Переходы П1 и П3 – эмиттерные, они имеют прямое смещение. Переход П2 – коллекторный, к нему приложено обратное напряжение .
С помощью управляющего тока Іу происходит включение и выключение тиристора.
Ток Iу одновременно является базовым током IБ2 транзистора VT2. Этот ток вызывает инжекцию носителей заряда через переход П3 в этом случае
Ток Ik2 одновременно является током базы VT1. Этот ток обеспечивает инжекцию через переход П1 , следовательно
Ток Ik1 в сумме с током Iу образует ток IБ2, т.е. Ik1 увеличивает Iу или является током внутренней положительной обратной связи (ПОС), в результате
Т.о. если β1 и β2.достаточны, чтобы усиление в контуре обратной связи было много больше 1, то базовые токи будут быстро нарастать и оба транзистора окажутся насыщенными даже после того, как ток на управляющем электроде Iу упадет до нуля. При этом переход П2 будет смещен в прямом направлении и Т.о. П1, П2, П3 имеют прямое смещение, следовательно имеем большой ток при малом падении напряжения.
Отсюда вытекает главная особенность тиристора как ключа по сравнению с транзистором – это внутренняя ПОС, которой и обеспечивается включение тиристора, амплитуда которого сразу после запуска намного превосходит амплитуду управляющего тока. Управляющий ток необходим для возбуждения ключа, он может быть очень кратковременным.
Для сравнения рассмотрим диаграммы работы транзистора и тиристора в ключевом режиме работы на диаграмме представлена зависимость выходного тока iвых от тока базы транзистора iб тр-ра и тока базы тиристора iб тир.
Рис 4.4
Очевидно, что мощность, потребляема транзистором больше, чем тиристором.
ВАХ тиристора
ВАХ при отсутствии тока управляющего электрода
подаем на управляющий электрод импульсное напряжение, создающее кратковременный ток Iупр, тиристор включается и ведет себя как диод, включенный в прямом направлении
Iк падает до нуля при подаче импульса обратного знака
Условное обозначение
Порядок выполнения работы:
Рис 4.5
Контрольные вопросы
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5
Исследование работы усилительного каскада
на биполярном транзисторе
Цель работы: Исследование режимов работы усилительного каскада на биполярном транзисторе.
Любой усилительный каскад имеет активный нелинейный элемент. В качестве такого элемента в данном случае применен биполярный транзистор. Процесс усиления каскадом заключается в преобразовании энергии источника напряжения Ек с помощью транзистора в энергию выходного сигнала. Управление этим процессом происходит маломощным входным сигналом, который, воздействуя на базу транзистора, позволяет получить более мощный входной сигнал. Таким образом, выходной сигнал является функцией входного сигнала:
Uвых=f(Uвх),
где Uвых – напряжение выходного сигнала;
Uвх – напряжение входного сигнала
Усилительный каскад на транзисторе изображен на рис. 1, транзистор типа «п-р-п» включен по схеме с общим эмиттером.
Рис.1
Здесь Ек – источник питания. В цепь коллектора включен резистор Rk. Этим резистором определяется максимально возможный ток коллекторной цепи, когда транзистор открыт. Резистор Rб, включенный между источником Ек и базой транзистора, обеспечивает работу транзистора в режиме покоя, т.е. по постоянному току. Источник входного сигнала подключается к цепи базы транзистора через разделительный конденсатор С1. Конденсатор С1 исключает связь усилительного каскада с источником входного сигнала по постоянному току. На выходе усилительного каскада резистор нагрузки Rн подключен к цепи коллектора транзистора через конденсатор связи. Этим исключается поступление постоянного тока в нагрузку. На нагрузку воздействует только полезная переменная составляющего сигнала. Нормальная работа усилительного каскада, т.е. передача сигнала с заданным усилением и без искажений и помех, зависит от следующих факторов:
Правильного установления режима покоя или правильного выбора рабочей точки транзистора;
Обеспечения стабильности положения рабочей точки режима покоя;
Ограничения амплитуды входного сигнала, обеспечения работы усилительного каскада в линейной области передачи;
Частотного диапазона, в котором обеспечивается постоянство усиления передаваемого сигнала.
Определение положения рабочей точки и параметров режима покоя и удобнее проводить с помощью графиков: семейства выходных характеристик
Iк= f(Uк), при Iб=const, (где Iк – ток коллекторной цепи, Uк – напряжение коллектор-эмиттер) и нагрузочной характеристики Iк= f(URк), где URк – падение напряжения на сопротивлении Rk. Такие графики изображены на рис.2.
2
Ек=15В
Ек/ Rk
А
В режиме покоя параметры: ток коллекторной цепи , напряжение на коллекторе , ток цепи базы – определяют рабочую точку А на нагрузочной характеристике.
Ток цепи базы определяется как == Ек/h11+Rб,
где – ток цепи базы в режиме покоя;
h11 – входное сопротивление транзистора;
Rб – резистор цепи базы.
Ток цепи коллектора в режиме покоя: = h21э
h21э – коэффициент усиления по току.
Напряжение на коллекторе транзистора в режиме покоя: = Ек- * Rк
Недостатком транзисторов является зависимость параметров транзистора от температуры окружающей среды и саморазогрева при прохождении тока. Чтобы уменьшить влияние температуры на работу усилительного каскада, необходимо усложнение схемы:
В цепь базы вводится дополнительный резистор, включенный параллельно переходу «эмиттер-база»;
В цепь эмиттера включается стабилизирующая цепочка RС.
Электрическая схема усилительного каскада с включенными дополнительными элементами стабилизации рабочей точки режима покоя изображена на рис. 3.
Рис.3
Дополнительный резистор Rэ шунтирует сопротивление перехода «эмиттер-база», тем самым ослабляет влияние изменение сопротивления перехода от температуры. Эмиттерный резистор, как элемент токовой отрицательной обратной связи, обеспечивает постоянство напряжения «эмиттер-база». Но он уменьшает коэффициент усиления каскада, что нежелательно. Для восстановления коэффициента передачи по переменному току, параллельно резистору Rэ включают конденсатор. Величина Rэ порядка сотен Ом. Величину емкости эмиттерного конденсатора выбирают таким образом, чтобы для всех частот усиливаемого сигнала сопротивление Хс=1/ωСэ было много меньше сопротивления Rэ.
Важнейшей характеристикой усилительного каскада является коэффициент передачи (усиления) по напряжению, равный:
где Ки – коэффициент усиления по напряжению;
Uвых.т – амплитудное значение выходного напряжения;
Uвх.т – амплитудное значение входного напряжения.
Если выходное и входное напряжения являются гармоническими, то коэффициент усиления можно определить как отношение действующих значение этих напряжений:
При больших напряжениях входного сигнала выходной сигнал будет иметь большие искажения – это объясняется работой транзистора в области насыщения и нарушением линейной зависимости между входным и выходным напряжениями. Для определения линейной области работы усилительного каскада пользуются амплитудной характеристикой – зависимостью выходного напряжения от входного Uвых=f(Uвх).
График типовой амплитудной характеристики представлен на рис.4.
Uвх,В
Uвых, В
Uвх max
Для оценки работы усилительного каскада на разных частотах применяют амплитудно-частотную характеристику, выражающую зависимость Ки(ω) АЧХ, или логарифмическую амплитудно-частотную характеристику, выражающую зависимость логарифмического коэффициента усиления по напряжению от частоты ЛАЧХ Ки[дБ]/(f)
Кu, [Дб]
fн
fв
Кu max
3 Дб
ω
КU
П
ωв
ωн
К0
0.707К0
Снижение коэффициента в областях низких и высоких частот называется частотными искажениями. Величина (ωв-ωн)=П называется полосой пропускания усилительного каскада. Уровень оценки полосы пропускания определяется уровнем допустимых искажений – К0/√2. или на 3 децибела.
Порядок выполнения работы:
1). Открыть файл lab5\5_1.ewb. со схемой, изображенной на рис.1. Включить схему
2). Записать показания вольтметров, вольтметр Ub показывает напряжение «база-эмиттер», вольтметр Uout – напряжение выхода.
3). По показаниям вольтметров определить рабочую точку транзистора усилительного каскада в режиме покоя:
=(Ек- Uout)/(R4+Rк)
1). Открыть файл lab5\5_2.ewb. со схемой, изображенной на рис.3. Включить схему
2). Регулировкой на входе задавать различные напряжения в соответствии с таблицей 1, для каждого значения Uin определить соответствующее Uout, результаты записать в таблицу 1.
Внимание: Понаблюдайте за осциллограммой, она с неизменной амплитудой опускается вниз по оси Y. Следовательно, для получения правильных данных, при появлении значащих цифр на приборах, нажимайте паузу и только после этого записывайте показания.
табл.1
|
№ |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
Е |
0,5 |
1 |
1,5 |
2 |
2,5 |
3 |
3,5 |
4 |
5 |
|
Uin,,В |
|||||||||
|
Uout,В |
3). По результатам замеров построить амплитудную характеристику усилительного каскада, отметить линейный участок характеристики и определить максимальное входное напряжение.
4). Вычислить коэффициент передачи среднее по всем показаниям, для соответствующего варианту значения
5). Наблюдать на осциллографе входной и выходной сигнал, зарисовать их.
6).Добавить параллельно эмиттеру конденсатор соответствующей заданному варианту емкости (см.табл. 2), повторить действия пунктов 2, 3, 4 и 5.
табл. 2
|
№ |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
|
С,мкФ |
100 |
200 |
300 |
400 |
500 |
600 |
700 |
1). Открыть файл lab5\5_2.ewb. со схемой, изображенной на рис.8. Включить схему
1). Установить Uin=0.3В, в соответствии с таблицей 3 изменять значение частоты, для каждой частоты измерять по вольтметру (начальное значение) величину напряжения на выходе Uout.
Табл.3
|
f, Гц |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
70 |
90 |
100 |
1000 |
|
Uout, В |
|||||||||
|
f, КГц |
5 |
10 |
25 |
50 |
100 |
200 |
500 |
1000 |
1200 |
|
Uout, В |
2). По результатам замеров построить логарифмическую амплитудно-частотную характеристику, для чего определить коэффициент усиления, перевести его в децибелы, полосу частот построить в логифмической шкале и определить полосу пропускания усилительного каскада.
Содержание отчета
Контрольные вопросы
Исследование работы транзистора в ключевом режиме.
Чтобы транзистор находился в режиме "отсечки" (рассматривается схема с общим эмиттером), необходимо выполнить условие: ток в цепи базы мА.
Рассмотрим ключевой режим транзистора с помощью выходных характеристик транзистора, включенного в схему с ОЭ (рис. 3). Пусть в цепи коллектора включен резистор нагрузки, тогда на поле графика выходных характеристик строим линию нагрузки по двум точкам: т. А на оси , определяемая величиной напряжения источника питания Е, и т. Б на оси тока определяемая отношением . Линия нагрузки изображена на рис. 3.
Внимание: Уменьшение (увеличение) сопротивления переменного резистора задаётся в %, при нажатии клавиши R значение автоматически уменьшается на n%, при нажатии клавиш shift+R увеличивается на n%. Шаг увеличения (уменьшения) можно установить, открыв двойным щелчком мыши диалоговое окно резистора. В команде Value первый пункт задаёт клавишу – ключ, второй – общее сопротивление резистора, третий – величину сопротивления в %, четвёртый – шаг.
Табл.1
|
,% |
, Ом |
,В |
,mA |
|
0 |
1. Открыть файл lab6\6_2.ewb, изображенного на рис.5. Включить схему.
Рис. 5
Схема переключателя тока. Изменяя сопротивление переменного резистора можно регулировать силу тока на базы транзисторов VT1 и VT2. Открытым всегда бывает только один из транзисторов.
Рис. 6
|
VT1 |
VT2 |
||
|
I1, mA |
U1, В |
I2, mA |
U2, В |
Содержание отчета
Контрольные вопросы:
Лабораторная работа № 7
Характеристики операционного усилителя.
Инвертирующие и неинвертирующие усилители.
Цель работы: Исследование зависимости выходного напряжения инвертирующего и неинвертирующего усилителей от величины сопротивления обратной связи и величины нагрузки.
Теоретическое введение
Операционный усилитель (ОУ) это аналоговая интегральная схема, с высокорезистивным дифференциальным входом и очень высоким коэффициентом усиления. Идеальный ОУ постоянного тока должен удовлетворять следующим требованиям к электрическим параметрам:
Условное обозначение ОУ:
|
отечественное |
международное |
|
Инвертирующий вход Неинвертирующий вход выход Инвертирующий вход Неинвертирующий вход выход |
Рис 7.1
Инвертирующий вход ОУ изменяет выходной сигнал в противофазе, а неинвертирующий в фазе.
Реальный операционный усилитель характеризуется следующими параметрами:
Средний входной ток . В отсутствие сигнала на входах ОУ через его входные выводы протекают токи, обусловленные базовыми токами входных биполярных транзисторов или токами утечки затворов для ОУ с полевыми транзисторами на входе. Входные токи, проходя через внутренне сопротивление источника входного сигнала, создают падение напряжения на входе ОУ, которые могут вызвать падение напряжения на выходе в отсутствии сигнала на входе. Компенсация этого падения напряжения затруднена тем, что токи входов реальных ОУ могут отличаться друг от друга на 10..20%.
Входные токи ОУ можно оценить по среднему входному току, вычисляемому как среднее арифметическое токов инвертирующего и неинвертирующего входов:
где и соответственно токи инвертирующего и неинвертирующего входов.
Разность входных токов определяется выражением:
В справочниках обычно указывают модуль этой величины.
Рис. 7.2
Коэффициент усиления напряжения на постоянном токе – показатель ОУ, определяющий усиление выходных сигналов. У идеального ОУ должен стремиться к бесконечности.
Коэффициент усиления напряжения схемы инвертирующего усилителя на ОУ (рис. 7.3) вычисляется по формуле: . Инвертирующий усилитель может, как ослаблять, так и усиливать сигнал.
рис. 7.3
Коэффициент усиления схемы неинвертирующего усилителя на ОУ (рис. 7.4) вычисляется по формуле: . Использую этот усилитель можно получить гарантированно усиленный сигнал.
осциллограф
функциональный генератор
Uвых
Uвх
Рис. 7.4
Напряжение смещения – значение напряжения, которое необходимо подать на вход ОУ, чтобы напряжение на его выходе равнялось нулю.
Входное сопротивление . Различают две составляющие входного сопротивления: дифференциальное входное сопротивление и входное сопротивление по синфазному сигналу (сопротивление утечки между каждым входом и «землей»). Входное дифференциальное сопротивление для биполярных ОУ находится в пределах 10 кОм…10Мом. Входное сопротивление по синфазному сигналу определяется как отношение приращения входного синфазного напряжения к вызванному приращению среднего входного тока :
Дифференциальное входное сопротивление наблюдается между входами ОУ и может быть определено по формуле:
где – изменение напряжения между входами ОУ, – изменение выходного тока.
Выходное сопротивление в интегральных ОУ составляет 20…2000Ом. Выходное сопротивление уменьшает амплитуду выходного сигнала, особенно при работе усилителя, на сравнимое с ним сопротивление нагрузки. Схема для измерения дифференциального входного сопротивления ОУ и выходного сопротивления на рис.7.5.
Рис.7.5
Скорость нарастания выходного напряжения равна отношению изменения выходного напряжения ОУ ко времени его нарастания при подаче на вход скачка напряжения. Время нарастания определяется интервалом времени, в течение которого выходное напряжение ОУ изменяется от 10% до 90% от своих установившихся значений.
Схема для измерения скорости нарастания выходного сопротивления ОУ и выходного сопротивления на рис.7.6. Измерения проводятся при подаче импульса в виде ступени на вход ОУ, охваченного отрицательной обратной связью (ООС) с общим коэффициентом усиления от 1 до 10.
Рис. 7.6
Коэффициента усиления схемы неинвертирующего усилителя на ОУ (рис.7.7) вычисляется по формуле:
Рис 7.7
Коэффициента усиления схемы инвертирующего усилителя на ОУ (рис.7.8) вычисляется по формуле:
Знак минус обозначает, что выходное напряжение инвертирующего усилителя находится в противофазе с выходным напряжением.
Рис 7.8
Постоянная составляющая выходного напряжения определяется произведением напряжения смещения на коэффициент усиления схемы.
На данной схеме входной сигнал – зеленый, выходной – красный, следовательно на осциллограмме также входной – зеленый, выходной – красный. На ярлычке осциллографа на схеме, зеленый сигнал обозначен буквой А, красный буквой В, переходим к расширенной модели осциллографа. На ней видим три окошка, в первом окошке показываются показания при перемещении красного флажка, во втором – синего, в третьем – разность показаний. То есть в данный момент в первом окошке видим минимальное значение входного и выходного сигнала -20В и -19В, во втором окошке максимальные значения – 20 и 19В, в третьем в верхней строке разность времени начала и конца переключения сигнала с минимума на максимум. Следовательно скорость переключения в данном случае будет равняться
V=19В/94.58мксек=0.2 В/мксек
5. Работа неинвертирующего усилителя в режиме усиления синусоидального напряжения. Параметры функционального генератора оставить из пункта 4.
6. Исследование влияния параметров схемы на режим её работы
Содержание отчета
Паспортные данные ОУ LM741:
Суммирование напряжений в схемах на операционных усилителях.
Дифференцирующие и интегрирующие схемы на основе ОУ.
Цель работы: Анализ работы схемы суммирующего усилителя на ОУ. Исследование суммирования двух постоянных входных напряжений. Исследование суммирования постоянного и переменного напряжения. Исследование суммирования двух переменных напряжений. Исследование схемы интегратора. Исследование схемы дифференциатора. Анализ влияния входных воздействий на выходной сигнал интегратора и дифференциатора. Исследование влияния параметров элементов интегратора и дифференциатора на выходной сигнал.
Приборы и элементы:
|
Приборы и элементы |
Расположение на панели |
Приборы и элементы |
Расположение на панели |
|
Резисторы |
Basic |
ОУ LM741 |
Analog ICs |
|
Мультимер |
Indicators |
Функциональный генератор |
Instrument |
|
Амперметр |
Indicators |
Осциллограф |
Instrument |
|
Источник напряжения |
Sources |
Конденсаторы |
Basic |
Теоретическое введение:
В суммирующем усилителе (рис.8.1), пренебрегая входными токами и напряжением смещения, выполняются следующие соотношения:
Из полученных соотношений можно получить следующее выражение для выходного напряжения при условии
рис 8.1
Интегратором называется электронное устройство, выходной сигнал которого пропорционален интегралу по времени от его входного сигнала.
Дифференциатором называется электронное устройство, выходной сигнал которого пропорционален производной от его входного сигнала.
На основе ОУ можно построить почти идеальные интеграторы. Простейшая схема интегратора показана на рис.8.2. Её выходное напряжение связано с входным напряжением следующими соотношениями:
Рис. 8.2
Недостатком этой схемы является дрейф выходного напряжения, обусловленный напряжением смещения и входными токами ОУ. Если к конденсатору подключить резистор с большим сопротивлением (рис.8.3), обеспечивающий стабилизацию рабочей точки за счет обратной связи по постоянному току, то этого можно избежать.
Рис.8.3
Резистор обратной связи предотвращает также насыщение ОУ после заряда конденсатора, тогда ток через конденсатор станет равным нулю. Выходное напряжение этой схемы при подаче на неё скачка входного напряжения с амплитудой изменяется в соответствии с выражением:
На начальном интервале переходного процесса при , изменение выходного напряжения будет достаточно близко к линейному и скорость его изменения может быть вычислена из выражения:
Для схемы дифференциатора (рис.8.4) выходное напряжение пропорционально скорости изменения входного сигнала и вычисляется по формуле:
рис.8.4
Порядок проведения работы
рис. 8.5
Рис.8.6
4. Замерить разность фаз входного и выходного сигналов
Влияние амплитуды входного напряжения на переходный процесс в схеме интегратора
Влияние параметров схемы на переходный процесс в схеме интегратора
Влияние частоты входного напряжения на выходное напряжение дифференциатора
Влияние сопротивления в цепи обратной связи на выходное напряжение дифференциатора
Влияние емкости конденсатора на выходное напряжение дифференциатора
Содержание отчета
|
№пункта, установленные параметры |
Uвх |
Uвых |
tпер |
tуст |
∆φ |
ku |
Vпер |
Vуст |
Контрольные вопросы
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №9
Исследование работы избирательных усилителей в цепи
обратной связи
Цель работы: Исследование амплитудно-частотных характеристик избирательных усилителей с обратными связями.
Приборы и элементы:
|
Приборы и элементы |
Расположение на панели |
Приборы и элементы |
Расположение на панели |
|
Резисторы |
Basic |
ОУ LM741 |
Analog Ics |
|
Конденсаторы |
Basic |
Функиональный генератор |
Instruments |
|
Заземление |
Sources |
Осциллограф |
Instruments |
Теоретическое введение:
Избирательные усилители - это особый класс усилителей, свойство которых выделять (избирать) один "полезный" сигнал из целого ряда входных сигналов. Коэффициент усиления (передачи) избирательного усилителя зависит от частоты. В узкой полосе частот "полезный" сигнал имеет максимальный коэффициент усиления, сигналы других частот имеют резкий спад (уменьшение) усиления. Такое свойство избирательности достигается включением специальных фильтров в основную цепь усилителя или в цепь обратной связи. В данной лабораторной работе исследуются низкочастотные избирательные (узкополосные) усилители, в цепи обратных связей которых включены частотно-зависимые RC-элементы. Широкое применение в избирательных усилителях получил фильтр – двойной Т-образный мост, включенный в цепь обратной связи (рис. 9.1).
Рис. 9.1
Избирательный усилитель, электрическая схема которого приведена на рис.1, собран на базе операционного усилителя (микросхемы). В цепь обратной связи усилителя включен двойной Т-образиый мост: вход фильтра подключен к выходу усилителя, выход фильтра подключен к инвертирующему входу усилителя.
Коэффициент передачи фильтра:
где - коэффициент передачи фильтра;
- сигнал на выходе фильтра;
сигнал на входе фильтра.
В узкой полосе частот коэффициент передачи фильтра снижается до значения , на остальных частотах . Частотная характеристика фильтра представлена на рис. 9.2.
Рис 9.2
Коэффициент передачи фильтра в составе избирательного усилителя запишется как
где - напряжение на выходе усилителя;
- напряжение обратной связи.
Следует заметить, что и , , Частота называется квазирезонансной. На этой частоте - избирательный усилитель имеет максимальный коэффициент усиления. Амплитудно-частотная характеристика изображена на рис.9.3.
Рис 9.3
Полоса пропускания избирательного усилителя: определяется допустимым уровнем снижения коэффициента усиления.
Обычно допускается снижение коэффициента усиления в раз, т.е. полоса пропускания измеряется на уровне .
Коэффициент усиления избирательного усилителя:
где - комплексная величина выходного напряжения;
- комплексная величина входного напряжения;
- комплексная величина напряжения обратной связи;
- коэффициент усиления избирательного усилителя;
- коэффициент усиления усилителя без обратной связи;
- коэффициент передачи фильтра. Избирательные усилители, собранные на базе операционных
усилителей с большим коэффициентом усиления , могут содержать интегродифференцирующую обратную связь для расширения полосы пропускания. Электрическая схема такого избирательного усилителя приведена на рис. 9.4.
рис. 9.4.
Обратная связь усилителя содержит: RICI - интегрирующую цепочку, R2С2-дифференцирующую цепочку. Квазирезонансная частота:
Полоса пропускания усилителя определится снижением коэффициента усиления до уровня 0,7 К0.
Порядок выполнения работы
1. Снятие частотной характеристики двойного Т-образного моста в цепи обратной связи усилителя. Определение квазирезонансной частоты ω0.
Рис. 9.5
Табл 1
|
№ измерения |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
|
|
Частота f |
Гц |
|||||||||||
|
Uвх |
В |
|||||||||||
|
Uвых |
В |
|||||||||||
|
β или ку |
2. Снятие амплитудно-частотной характеристики избирательного усилителя с двойным Т-образным мостом в цепи обратной связи. Определение максимального коэффициента усиления К0, квазирезонансной частоты ω0 и полосы пропускания.
Рис. 9.6
3. Снятие амплитудно-частотной характеристики избирательного усилителя с интегродифференццирующей обратной связью. Определение максимального коэффииента усиления К0 частоты ω0 и полосы пропускания усилителя.
Рис.9.7
Содержание отчета
Контрольные вопросы
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №10
Исследование работы автоколебательного мультивибратора
на биполярных транзисторах
Цель работы: изучение принципа работы автоколебательного мультивибратора, измерение его параметров в различных режимах работы.
Теоретическое введение:
Автоколебательный мультивибратор (далее мультивибратор) относится к классу электронных устройств импульсной техники. Мультивибратор предназначен для генерации импульсов по форме близкой к прямоугольной. Мультивибраторы разнообразны по схемному исполнению и по используемой элементной базе.
В данной лабораторной работе исследуется мультивибратор, собранный на биполярных транзисторах, электрическая схема которого приведена на рис. 1.
Rk2
R1
R2
Rk1
C1
C2
2
1
3
4
Основные переключающие элементы – биполярные транзисторы VT1, VT2. Транзисторы работают в ключевом режиме. Переключение резисторов и генерация происходит за счет положительной обратной связи, образованной RC – цепочками: R2C1 и R3C2. Режим работы положительной обратной связи задается напряжением смещения Uсм и подбором сопротивлений резисторов R1, R2 и емкости конденсаторов С1, С2. Еп – напряжение питания мультивибратора. Часто в реальных схемах Uсм= Еп. Резисторы Rк1 и Rк2 определяют ток коллекторной цепи транзисторов. Выходные сигналы мультивибратора снимаются с коллекторов транзисторов Uвых1 и Uвых2.
1
2
3
4
t
t
t
t
Uвых1
U2
U3
Uвых2
t11
t22
t32
T
базовой цепи транзистора VT2, транзистор VT2 запирается. Потенциал в точке 4 возрастает до напряжения Еп. В результате переключения транзисторов происходит перезаряд конденсаторов С1 иС2: конденсатор С1 через резистор R1 и открытый транзистор VT1; конденсатор С2 через резистор Rк2 и переход база-эмиттер транзистора VT1. После заряда конденсатора С1 потенциал в точке 3 возрастет, транзистор VT2 начнет открываться, транзистор VT1 – закрываться. Процесс переключения транзисторов происходит непрерывно. Графики изменения напряжений в точках 1, 2, 3, 4 при работе мультивибратора в режиме генерации изображены на рис.2.
Принцип работы мультивибратора удобно рассматривать с момента переключения транзисторов. Пусть в момент t=0 транзистор VT1 закрыт, а транзистор VT2 – открыт. Потенциал в точке 1 (см. рис. 1) Uвых1≈ Еп, потенциал в точке 4 равен малому значению напряжения, или принимаем Uвых2≈0. Конденсатор С2 будет заражаться от напряжения Uсм через резистор R2 и открытый транзистор VT2, в результате потенциал в точке 2 возрастет на столько, что транзистор VT1 начнет открываться. В момент времени t1 транзистор VT1 открыт, потенциал в точке 1 уменьшится до малого значения, считаем Uвых1≈0. Конденсатор С1 будет перезаряжаться через резистор R1 и открытый транзистор VT1. Напряжение на R1 будет отрицательным для
Рис.2
Основные параметры выходных сигналов мультивибратора:
Uвых= Uвых.1
tu=t1
tп=t2
Т= t1+ t2
Uвых= Uвых.2
tu=t2
tп=t1
Т= t2+ t1
Производные параметры выходного сигнала мультивибратора:
Длительность импульсов можно определить аналитически:
t1≈0.7R2C2, t2≈0.7R1C1.
Табл 1
|
Параметр |
tu изм, мс |
tn изм, мс |
tu расч, мс |
tn расч, мс |
∆tu, мс |
∆tп, мс |
осциллограф
Рис. 3
параметр |
tи,мс |
tn,мс |
T,мс |
f,кГц |
E |
Uсм,В |
Eп,В |
Вых 1 |
|||||||
Вых 4 |
табл.3
|
№ |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
|
С1=С2,mF |
1 |
10 |
1 |
0.1 |
5 |
3 |
10 |
|
R2=R3,кОм |
1 |
1 |
5 |
100 |
1 |
3 |
5 |
Для каждого значения измерить по осциллографу длительность импульса и паузы, вычислить производные выходного сигнала на выходах 1 и 4. Результаты измерений занести в табл 4.
табл.4
|
С2=,мкФ |
R2=,кОм |
С1=,мкФ |
R3=,кОм |
|
|
tи,мс |
||||
|
tп,мс |
||||
|
Т,мс |
||||
|
f,кГц |
||||
Сделать выводы о влиянии изменения параметров схемы на выходные параметры. Сигналы срисовать
3. Исследование влияния изменения напряжения питания и напряжения смещения на параметры выходного сигнала.
Содержание отчета
Лабораторная работа № 11
Логические схемы и функции
Цель работы: Исследование логических схем. Реализация логических функций при помощи логических элементов. Синтез логических схем, выполняющих заданные логические функции.
Теоретическое введение
Информация – это новые, неизвестные до данного момента сведения, которые для разных людей могут иметь разное содержание. Например, новый материал на уроках для учеников является информацией, а для учителя – повторение пройденного.
Для того чтобы систематизировать полученную информацию может быть несколько способов, но наиболее широкое применение нашли два способа – алфавитный и содержательный.
Алфавитный способ подразумевает систематизацию информации по алфавиту, не обращая внимания на содержание. Например, толковый словарь, большая советская энциклопедия, энциклопедия домашнего хозяйства и т.д.
Содержательный – разделяет информацию по внутреннему содержанию понятий. Например, справочник транзисторов, каталог книг в библиотеке, список студентов на факультете и т. д.
Единицы измерения информации: биты, байты, килобайты, мегабайты, гигабайты, но 1 байт содержит 8 бит, 1килобайт – 1024 бита (210), 1мегабайт – 1048576 бита (220), 1гигабайт – 1073741824 бита (230). Соответственно можно вывести формулу перевода информации:
х гигабайт=х*230 бит; х мегабайт=х*220 бит; х килобайт=х*210 бит
На ПК информация представляется в виде последовательностей или массивов двоичных, восьмеричных и шестнадцатеричных чисел.
С массивами двоичных чисел происходит непосредственная работа: сложение, умножение, упорядочивание, считывание и т.д.
В восьмеричном коде поступает информация с клавиатуры.
Шестнадцатеричный код предназначен для долговременного хранения информации. Этот код очень удачно ложится на байтовую систему компьютера, то есть одно шестнадцатеричное число вмещает два байта информации.
Почему же для ПК принят как основной двоичный код?
Во-первых, с технологической точки зрения легче изготовить систему, имеющую два равновесных состояния: включено – выключено или есть сигнал – нет сигнала. А в двоичной системе состояние «0» – нет сигнала, состояние «1» – есть сигнал. Если взять, например, троичную систему, то для неё необходим промежуточный сигнал. В современных цифровых системах «0» - это 0 Вольт, «1» - это 5 Вольт, значит для троичной должно быть «0» - это 0 Вольт, «1» - это 2,5 Вольт, «2» - это 5 Вольт. Разница между промежуточными состояниями 2,5 Вольта слишком мала, поэтому в случае внешних и внутренних помех система будет работать нестабильно.
Во-вторых, экономия памяти. Попробуем доказать. Возьмем счеты, как бы используя их для хранения чисел от нуля до тысячи. В десятичной системе нам потребуется три проволочки с десятью костяшками – 103. В двоичной системе необходимо десять проволочек с двумя костяшками. Сравним количество исходного материала: 3*10=30 – в десятичной системе, 10*2=20 – в двоичной системе. Экономия на 1/3.
А самое главное для двоичной системы уже существовал математический аппарат, разработанный ирландским математиком Д. Булем, а в 1948 году Шеннон доказал возможность совмещения этого аппарата с электронными устройствами.
Теперь разберем, как же кодируется информация, и, причем тут двоичный код. Разберем простейший пример на азбуке Морзе. Сигнал SOS передается «··· --- ···», передадим тот же сигнал с помощью двоичной системы, для чего сначала по таблице ASCII переведем буквы в десятичный код, затем известными нам методами в двоичный. Итак, S – 8310 (10100112), O – 7910 (10011112), то есть сигнал SOS это последовательность «1010011 1001111 1010011». Теперь понятно, что текст любой сложности это тривиальная последовательность нулей и единиц. Кодирование информации происходит с помощью кодера, обратная процедура с помощью декодера.
Труднее обстоит дело, если необходимо произвести какое-либо математическое действие, здесь не только надо перевести число в двоичную систему, но произвести с ним заданные операции. Например, надо сложить два двоичных числа: 1010011+1011001, проследим путь, который проходят числа от момента ввода до момента получения суммы (рис. 1).
Шина данных
1100101
с младшего разряда
1011001
с младшего разряда
Вход 1 Вход 2
Сумматор
Перенос в Вывод
старший результата
разряд поразрядно
S
АЛУ
рис. 1
Сначала числа поступают на общую шину данных, затем в сдвигающие регистры данных, которые, начиная с младшего разряда, подают числа в сумматор. Сумматор поразрядно выдает значение суммы, если в результате очередных разрядов получился перенос в старший разряд (1+1=10), то значение старшего разряда поступает обратно на вход. Сумматор на просто суммирует цифры, делает это с помощью специальных логических операций, которые мы разберем в следующем разделе.
Разберем подробнее алгебру Буля и соответствующее электронное обеспечение:
Она оперирует двумя понятиями: событие истинно (true) и событие ложно (false). Эти понятия ассоциируются с цифрами, используемыми в двоичной системе счисления. Событие истинно – логическая единица (1), событие ложно – логический ноль (0). Эти события являются константами.
Основное правило алгебры Буля:
Основными операциями булевой алгебры являются операции логического сложения или дизъюнкции, логического умножения или конъюнкции и отрицания или инверсии. Все операции удобно представлять в виде таблиц истинности.
Логическое сложение. Функция – ИЛИ реализует функцию логического сложения. Уровень логической 1 на его выходе появляется в том случае, если на один или на другой вход подается уровень логической единицы (табл. 1). Количество переменных над которыми выполняется операция ставится перед её обозначением, так для приведенной таблицы можно сказать, что она производит операцию 2ИЛИ. Эта операция справедлива для произвольного количества переменных. Математически она соответствует операции объединения множеств.
|
х1 |
х0 |
х1х0(х1х0) |
|
0 |
0 |
0 |
|
0 |
1 |
1 |
|
1 |
0 |
1 |
|
1 |
1 |
1 |
Условное обозначение:
1
входы
выход
Логическое умножение. Функция – И реализует функцию логического умножения. Уровень логической 1 на его выходе появляется только в том случае, если на оба его входа подается уровень логической единицы (табл. 2). Эта операция справедлива тоже для произвольного количества переменных. Она соответствует математической операции пересечения множеств. Число переменных также обозначается цифрой. В приведенном примере выполняется операция 2И. Математически она соответствует операции пересечения множеств.
|
х1 |
х0 |
х1х0(х1х0) |
|
0 |
0 |
0 |
|
0 |
1 |
0 |
|
1 |
0 |
0 |
|
1 |
1 |
1 |
Условное обозначение:
&
входы
выход
Логическое отрицание. Функция – НЕ или инвертор. Изменяет состояние входного сигнала на противоположное. Для её обозначения используют черту над соответствующим выражением. Операция определяется следующими постулатами: Инвертор производит действие только над одной переменной.
Условное обозначение:
&
вход
выход
Стрелка Пирса или функция ИЛИ-НЕ: это операция отрицания логической суммы
|
х1 |
х0 |
х1↓х0(х1х0) |
|
0 |
0 |
1 |
|
0 |
1 |
0 |
|
1 |
0 |
0 |
|
1 |
1 |
0 |
Условное обозначение
1
входы
выход
Штрих Шеффера или функция И-НЕ: это операция отрицания логического произведения
|
х1 |
х0 |
х1х0(х1х0) |
|
0 |
0 |
0 |
|
0 |
1 |
0 |
|
1 |
0 |
0 |
|
1 |
1 |
1 |
Условное обозначение
&
входы
выход
Теоремы алгебры Буля:
Зависимость выходных переменных, выраженная через совокупность входных переменных с помощью операций алгебры логики, называется функцией алгебры логики ФАЛ.
Для описания ФАЛ используют различные способы. Обычно применяют их последовательно для получения ФАЛ.
Словесное описание ФАЛ
Логическая функция трех переменных равна единице, если равен единице х1. Это применяется для первоначального, исходного описания работы логического устройства.
Описание ФАЛ в виде таблицы истинности. Таблица, содержащая все возможные комбинации входных переменных и соответствующие им значения выходных переменных называется таблицей истинности или комбинационной таблицей. Таблица содержит (п+1) столбец, где п – количество входных переменных и (2п+1) строк. Для заданного словесного описания таблица будет выглядеть следующим образом (табл. 3):
(табл. 3)
|
х2 |
х1 |
х0 |
у |
|
0 |
0 |
0 |
0 |
|
0 |
0 |
1 |
0 |
|
0 |
1 |
0 |
1 |
|
0 |
1 |
1 |
1 |
|
1 |
0 |
0 |
0 |
|
1 |
0 |
1 |
0 |
|
1 |
1 |
0 |
1 |
|
1 |
1 |
1 |
1 |
Описание функции в виде алгебраического выражения. Для этого используются две стандартные формы её представления.
1. Дизъюнктивная нормальная форма ДНФ
2. Конъюнктивная нормальная форма КНФ
дизъюнктивная нормальная форма
1). Находим конституенты единицы, т. е. для значений выходной переменной равной единице записываем логические произведения соответствующих входных переменных, причем значения входных переменных равные нулю записываются с инверсией.
2). Записываем логические суммы полученных конституент единицы.
В итоге получаем:
конъюнктивная нормальная форма
1). Находим конституенты нуля, т. е. для значений выходной переменной равной нулю записываем логические суммы соответствующих входных переменных, причем значения входных переменных равные единице записываются с инверсией.
2). Записываем логические произведения полученных конституент нуля
В итоге получаем:
По полученным ФАЛ можно построить логическую схему.
получится следующая схема (рис.2).
рис 2
Схема довольно сложная, в ней используется много элементов, поэтому все ФАЛ необходимо минимизировать для оптимальной её реализации. Минимизация производится обычно двумя способами:
1). Вынесение за скобку для применения правила 4 алгебры Буля
2). Добавление однотипных элементов для вынесения за скобку
3). Применение правила Де Моргана (12, 13).
4). Остальные правила применяются по мере необходимости.
после упрощения получаем: у=х1. Схема естественно сильно упрощается.
Задание
Исследовать логические элементы со следующим соответствием сигналов:
0В – сигнал 0 – низкий потенциал
1В – сигнал 1 – высокий потенциал
По соответствующим схемам заполнить таблицы истинности
Рабочие схемы
Логический элемент ИЛИ Логический элемент И
Логический элемент НЕ Логический элемент ИЛИ-НЕ
Логический элемент И-НЕ
Порядок выполнения работы
1. Ознакомиться с теоретическим введением, законспектировать в лабораторную тетрадь, нарисовать исследуемые схемы и заготовить таблицы.
2. Для схем И, ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ – таблица 1
|
С |
В |
А |
F |
|
1 |
1 |
1 |
|
|
1 |
1 |
0 |
|
|
1 |
0 |
1 |
|
|
1 |
0 |
0 |
|
|
0 |
1 |
1 |
|
|
0 |
1 |
0 |
|
|
0 |
0 |
1 |
|
|
0 |
0 |
0 |
Для схемы НЕ таблица 2
|
А |
F |
|
1 |
0 |
|
0 |
1 |
Таблица 1 Таблица 2
Контрольные вопросы и задания
(А+В)+С,
(А+В)*(В*С), где А=1, В=С=0
(А+В)*(А+С), где А=С=1, В=0
А+(В*А)+(В*С), где В=С=1, А=0
Табл. 4
|
№ |
Значения функции |
|||||||
|
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
|
2 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
|
3 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
|
4 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
|
5 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
ИЛИ
И
НЕ
А
В
ИЛИ
НЕ
И
И
С
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №12
Исследование работы комбинационных логических схем
Комбинационной схемой называется логическая схема, реализующая однозначное соответствие между значениями входных и выходных сигналов. В комбинационных схемах используются логические элементы, выпускаемые в виде интегральных схем. В этот класс входят интегральные схемы дешифраторов, шифраторов, мультиплексоров, демультиплексоров и сумматоров.
Шифратором или кодером называется комбинационное логическое устройство для преобразования чисел из десятичной системы счисления в двоичную. Основное применения шифратора в цифровых системах – это введение первичной информации с клавиатуры.
Дешифратором или декодером называется комбинационное логическое устройство для преобразования чисел из двоичной системы счисления в десятичную. Дешифратор имеет информационных входов, которым соответствует выходов. Каждой комбинации логических уровней на входах будет соответствовать активный уровень на одном из выходов. Обычно число входов равно 2, 3 или 4. Если числу входов соответствует выходов, то дешифратор называют полным, если меньше, то неполным. На рис. 1 де-шифратор имеет три входа, активным уровнем является уровень логического нуля. На входы С, В, А можно подать такие комбинации уровней: 000,001,010,011, ... 111, всего 8 комбинации.
Рис. 12.1
Схема имеет восемь выводов (, , , , , , , ), на одном из них формируется низкий потенциал или логический нуль, на остальных – высокий или логическая единица. Номер этого выхода определяется по известной формуле перехода от системы счисления с меньшим основанием к системе счисления с большим основанием, где произвольное число в позиционной системе счисления с основанием можно представить в виде полинома:
так как мы имеем три входа – А, В, С, то есть , то
Например, если на входы подана логическая комбинация 011, что соответствует в десятичной системе счисления числу 3, то сигнал логического нуля установится на выходе номер три (), что можно подсчитать по формуле: , а все остальные выходы будут иметь сигнал логической единицы. Этот принцип формирования выходного сигнала можно описать следующим образом:
Уровень сигнала на выходе можно описать выражением ФАЛ:
ФАЛ для остальных выходов:
Кроме информационных входов А, В, С, дешифраторы имеют дополнительные управляющие входы G. Сигналы на этих входах разрешают работу дешифратора или переводят его в пассивное состояние, при котором, независимо от сигналов на информационных входах, на выходе все сигналы имеют уровень логической единицы.
Разрешающий вход дешифратора может быть прямым и инверсным. У дешифраторов с прямым входом разрешения активным является уровень логической единицы, дешифраторов с инверсным входом разрешения активным является уровень логического нуля. На рис. 1 представлен дешифратор с одним инверсным управляющим входом. Принцип формирования выходного сигнала в этом дешифраторе с учетом сигнала управления описывается следующим образом:
У дешифраторов с несколькими входами управления функция разрешения представляет собой логическое произведение всех разрешающих сигналов управления. Например, для дешифраторов 74138 с одним прямым входом управления и двумя инверсными и (рис. 2) функция разрешения имеет вид: .
Обычно входы управления используются для каскадирования (увеличения разрядности) дешифраторов или при параллельной работе нескольких схем на общие выходные линии.
Рис. 12.2
Дешифратор может быть использован и как демультиплексор – логический коммутатор, подключающий входной сигнал к одному из выходов. Демультиплексор имеет один информационный вход, адресных и выходов. В случае использования дешифратора как демультиплексора, роль информационного входа играет один из входов разрешения, а состояние выходов А, В, С задает номер выхода, на который передается сигнал со входа разрешения.
Мультиплексором называется комбинационное логическое устройство, предназначенное для управляемой передачи данных от нескольких источников информации в один выходной канал. Типовое применение мультиплексора это передача информации от нескольких, разнесенных в пространстве источников (датчиков) информации на вход одного приемника. Например, изменение температуры блоков ядерного реактора. Температуру измеряют через фиксированные промежутки времени, но промежуток времени между двумя измерениями должен быть много меньше, чем постоянной времени, характеризующей изменение температуры. Мультиплексор подключает различные датчики температуры к одному приемнику по заданной команде. Мультиплексор также можно назвать управляемым переключателем. Согласно определению, мультиплексор должен иметь один выход и две группы входов: информационные , , , , , , , и адресные А, В, С (рис. 3). Мультиплексор подключает к выходу один из информационных входов данных. Номер подключаемого входа равен числу (адресу), определяемому комбинацией логических уровней на входах управления. Если число адресных входов равняется , то информационных входов будет .
Кроме информационных и управляющих (адресных) входов, схемы мультиплексоров имеют вход разрешения G, при подаче на него сигнала логической единицы мультиплексор переходит в активное состояние, при подаче логического нуля мультиплексор перейдет в пассивное состояние, для которого сигнал на выходе не меняется, независимо от значений информационных и управляющих сигналов. Мультиплексор, представленный на рис. 1 имеет два выхода прямой Y и инверсный W(W= Y).
Рис. 12.3
Функция алгебры логики (ФАЛ) мультиплексора, представленного на рис. 1, связывающая сигнал на выходе (), с разрешающим входом (G), входными информационными (, , , , , , , ) и управляющими (А, В, С) сигналами
(1)
Из уравнения видно, что на мультиплексоре можно реализовать логические функции, для этого необходимо определить, какие сигналы и логические константы следует подавать на входы мультиплексора.
Так как логическая функция переменных определена для комбинаций значений переменных, то это позволяет реализовать функцию – переменных на мультиплексоре, имеющем – управляющих (адресных) и – информационных входов. В этом случае каждой комбинации значений аргументов соответствует единственный информационный вход мультиплексора, на который подается значение функции. Например, требуется реализовать функцию
(2)
Эта функция определена только для 8 комбинаций значений переменных, поэтому для её реализации можно использовать мультиплексор 8x1 с тремя адресными входами. Составим таблицу истинности этой функции (табл. 1)
Таблица 1
|
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
|
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
|
2 |
0 |
1 |
0 |
0 |
|
3 |
0 |
1 |
1 |
1 |
|
4 |
1 |
0 |
0 |
0 |
|
5 |
1 |
0 |
1 |
0 |
|
6 |
1 |
1 |
0 |
1 |
|
7 |
1 |
1 |
1 |
1 |
Из таблицы видно, что для реализации функции на мультиплексоре необходимо подать на информационный вход мультиплексора с номером N сигнал, значение которого равно соответствующему значению функции F1, то есть на входы с номерами 1, 2, 4, 5 следует подавать уровень логического нуля, а на остальные - уровень логической единицы. Таким образом, при подаче комбинаций логических уровней на управляющие входы мультиплексора, к его выходу подключится вход, значение сигнала на котором равно соответствующему значению функции. Схема, реализующая эту функцию приведена на рис. 4.
Рис.12.4
При реализации логических функций на информационные входы можно подавать не только константы, но и изменяющиеся входные сигналы. Так, например, рассмотрим другой способ реализации функции F1. Для этого необходимо минимизировать выражение функции:
(3)
Таблица истинности этой функции представлена в табл. 2. Заданную такой таблицей функцию реализуют, как и в предыдущем случае, подав на вход с номером N сигнал, значение которого соответствует значению функции F1.
Таблица 2
|
0 |
0 |
0 |
|
|
1 |
0 |
1 |
0 |
|
2 |
1 |
0 |
|
|
3 |
1 |
1 |
1 |
В данном случае сигналы и , соответствующие переменной , подаются на информационные входы. При этом сокращается число адресных входов. Схема реализации такого способа представлена на рис. 5.
Так как используется только два адресных входа, то вход С можно заземлить, при этом состояние информационных входов D4...D7 безразлично. Уровень сигнала на выходе схемы определяется комбинацией уровней сигналов в точках А, В, С соответствующих переменных а, 6, с. Схема на рис. 3 представляет собой мультиплексор 4x1 с двумя адресными и четырьмя информационными входами.
Рис. 12.5
Функция, представленная в виде произведения одночлена на многочлен, также может быть реализована на мультиплексоре. Из уравнения мультиплексора следует, что сигнал, соответствующий одночлену надо подавать на вход разрешения. Например, функция описывается следующим выражением:
(4)
При реализации данной функции сигнал, соответствующий переменной следует подавать на его разрешающий вход. Выражение в скобках можно рассматривать как некоторую функцию пяти переменных из которых наиболее часто используются переменные . Поэтому сигналы, соответствующие этим переменным следует подавать на адресные входы мультиплексора.
Для определения сигналов, которые необходимо подавать на информационные входы, чтобы реализовать функцию необходимо составить таблицу истинности функции в зависимости от значений переменных (табл. 3). Из таблицы видно, что на информационные входы с номерами 0, 2, 4, 6 надо подать сигнал логического нуля. Сигнал, соответствующий переменной , нужно подать на входы с номерами 1 и 5, переменной – на вход с номером 3. Схема, реализующая эту функцию представлена на рис. 6.
Рис. 10.6
Таблица 3
|
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
1 |
0 |
0 |
1 |
|
|
2 |
0 |
1 |
0 |
0 |
|
3 |
0 |
1 |
1 |
|
|
4 |
1 |
0 |
0 |
0 |
|
5 |
1 |
0 |
1 |
|
|
6 |
1 |
1 |
0 |
0 |
|
7 |
1 |
1 |
1 |
1 |
Ход выполнения работы
Таблица 4
|
C |
B |
A |
G |
Y0 |
Y1 |
Y2 |
Y3 |
Y4 |
Y5 |
Y6 |
Y7 |
|
0 |
0 |
0 |
1 |
||||||||
|
0 |
1 |
1 |
1 |
||||||||
|
0 |
0 |
1 |
0 |
||||||||
|
0 |
1 |
0 |
0 |
||||||||
|
0 |
1 |
1 |
0 |
||||||||
|
1 |
0 |
0 |
0 |
||||||||
|
1 |
0 |
1 |
0 |
||||||||
|
1 |
1 |
0 |
0 |
||||||||
|
1 |
1 |
1 |
0 |
2. Исследование принципа работы дешифратора 3x8 в режиме 2x4. заполнить таблицы при заданных значения входов, используя туже схему.
2.1. При
Таблица 5
|
C |
B |
A |
Y0 |
Y1 |
Y2 |
Y3 |
Y4 |
Y5 |
Y6 |
Y7 |
|
0 |
0 |
0 |
||||||||
|
0 |
0 |
1 |
||||||||
|
0 |
1 |
0 |
||||||||
|
0 |
1 |
1 |
Уровень сигнала постоянен на выходах Y4, Y5, Y6,Y7 и равен логической единице.
2.2. При
Таблица 6
|
C |
B |
A |
Y0 |
Y1 |
Y2 |
Y3 |
Y4 |
Y5 |
Y6 |
Y7 |
|
1 |
0 |
0 |
||||||||
|
1 |
0 |
1 |
||||||||
|
1 |
1 |
0 |
||||||||
|
1 |
1 |
1 |
Уровень сигнала постоянен на выходах Y0, Y1, Y2,Y3 и равен логической единице.
2.3. При
Таблица 7
|
C |
B |
A |
Y0 |
Y1 |
Y2 |
Y3 |
Y4 |
Y5 |
Y6 |
Y7 |
|
0 |
0 |
0 |
||||||||
|
0 |
0 |
1 |
||||||||
|
1 |
0 |
0 |
||||||||
|
1 |
0 |
1 |
Установить генератор слов в пошаговый режим, включить схему, наблюдать с помощью логических пробников уровни выходных сигналов, заполнить таблицу 8.
Таблица 8
|
C |
B |
A |
Y0 |
Y1 |
Y2 |
Y3 |
Y4 |
Y5 |
Y6 |
Y7 |
|
0 |
0 |
0 |
||||||||
|
0 |
0 |
1 |
||||||||
|
0 |
1 |
0 |
||||||||
|
0 |
1 |
1 |
||||||||
|
1 |
0 |
0 |
||||||||
|
1 |
0 |
1 |
||||||||
|
1 |
1 |
0 |
||||||||
|
1 |
1 |
1 |
Таблица 9
|
G |
C |
B |
A |
F |
|
0 |
0 |
0 |
0 |
|
|
0 |
0 |
0 |
1 |
|
|
0 |
0 |
1 |
0 |
|
|
0 |
0 |
1 |
1 |
|
|
0 |
1 |
0 |
0 |
|
|
0 |
1 |
0 |
1 |
|
|
0 |
1 |
1 |
0 |
|
|
0 |
1 |
1 |
1 |
|
|
1 |
0 |
0 |
0 |
|
|
1 |
0 |
0 |
1 |
|
|
1 |
0 |
1 |
0 |
|
|
1 |
0 |
1 |
1 |
|
|
1 |
1 |
0 |
0 |
|
|
1 |
1 |
0 |
1 |
|
|
1 |
1 |
1 |
0 |
|
|
1 |
1 |
1 |
1 |
5. Исследование микросхемы 74138.
Открыть файл lab12/12_4. Установить генератор слов в пошаговый режим, включить схему, устанавливая заданные значения, заполнить таблицы:
5.1. При , .
Таблица 10
|
C |
B |
A |
Y0 |
Y1 |
Y2 |
Y3 |
Y4 |
Y5 |
Y6 |
Y7 |
|
0 |
0 |
0 |
1 |
|||||||
|
0 |
0 |
1 |
1 |
|||||||
|
0 |
1 |
0 |
1 |
|||||||
|
0 |
1 |
1 |
1 |
|||||||
|
1 |
0 |
0 |
1 |
|||||||
|
1 |
0 |
1 |
1 |
|||||||
|
1 |
1 |
0 |
1 |
|||||||
|
1 |
1 |
1 |
1 |
5.2. При , .
Таблица 11
|
C |
B |
A |
Y0 |
Y1 |
Y2 |
Y3 |
Y4 |
Y5 |
Y6 |
Y7 |
|
0 |
0 |
0 |
1 |
|||||||
|
0 |
0 |
1 |
1 |
|||||||
|
0 |
1 |
0 |
1 |
|||||||
|
0 |
1 |
1 |
1 |
|||||||
|
1 |
0 |
0 |
1 |
|||||||
|
1 |
0 |
1 |
1 |
|||||||
|
1 |
1 |
0 |
1 |
|||||||
|
1 |
1 |
1 |
1 |
5.3. При , .
Таблица 12
|
C |
B |
A |
Y0 |
Y1 |
Y2 |
Y3 |
Y4 |
Y5 |
Y6 |
Y7 |
|
0 |
0 |
0 |
||||||||
|
0 |
0 |
1 |
||||||||
|
0 |
1 |
0 |
||||||||
|
0 |
1 |
1 |
||||||||
|
1 |
0 |
0 |
||||||||
|
1 |
0 |
1 |
||||||||
|
1 |
1 |
0 |
||||||||
|
1 |
1 |
1 |
Открыть файл lab12/12_4_1. Установить генератор слов в пошаговый режим, включить схему, включить логический анализатор, зарисовать временные диаграммы.
при управляющих сигналах , :
7. Исследование мультиплексора. Открыть файл lab12/12_5. Установить переключатель G на логический 0, включить схему. Заполнить таблицы.
7.1. При
: 7.2. При :
Таблица 13
|
C |
B |
A |
Y |
W |
|
0 |
0 |
0 |
||
|
0 |
0 |
1 |
||
|
0 |
1 |
0 |
||
|
0 |
1 |
1 |
||
|
1 |
0 |
0 |
||
|
1 |
0 |
1 |
||
|
1 |
1 |
0 |
||
|
1 |
1 |
1 |
Таблица 14
|
C |
B |
A |
Y |
W |
|
0 |
0 |
0 |
||
|
0 |
0 |
1 |
||
|
0 |
1 |
0 |
||
|
0 |
1 |
1 |
||
|
1 |
0 |
0 |
||
|
1 |
0 |
1 |
||
|
1 |
1 |
0 |
||
|
1 |
1 |
1 |
9. Реализация заданной функции с помощью мультиплексора.
9.1. Рассчитать значение функции Записать результаты расчётов в таблицу 15 ()
9.2. Включить схему lab12/12_7 и проверить расчеты, занести сигналы на выходе Y мультиплексора в таблицу 15 (F1а).
Таблица 15
|
0 |
0 |
0 |
0 |
||
|
1 |
0 |
0 |
1 |
||
|
2 |
0 |
1 |
0 |
||
|
3 |
0 |
1 |
1 |
||
|
4 |
1 |
0 |
0 |
||
|
5 |
1 |
0 |
1 |
||
|
6 |
1 |
1 |
0 |
||
|
7 |
1 |
1 |
1 |
9.3. Рассчитать значения функции . Записать коды, при которых она принимает значение 1:
.
9.4. Включить схему lab12/12_8 Реализовать функцию F2 с помощью мультиплексора
Проверить рассчитанные значения функции
11. Исследование мультиплексора 74153 (рис. 9). Включить схему lab12/12_9.
11.1. Исследовать работу сдвоенного четырехканального мультиплексора (микросхема 74153). Составить таблицу функционирования схемы для выходов 1Y и 2Y, используя логический анализатор и переключая выключатели G1 и G2 в разные положения, зарисовать временные характеристики.
Таблица 16
|
B |
A |
1Y |
2Y |
Временная диаграмма |
|
0 |
0 |
0 |
0 |
|
|
0 |
1 |
0 |
1 |
|
|
1 |
0 |
1 |
0 |
|
|
1 |
1 |
1 |
1 |
|
|
0 |
0 |
0 |
1 |
|
|
0 |
1 |
1 |
0 |
|
|
1 |
0 |
1 |
1 |
|
|
1 |
1 |
0 |
0 |
|
|
0 |
0 |
1 |
0 |
|
|
0 |
1 |
1 |
1 |
|
|
1 |
0 |
0 |
0 |
|
|
1 |
1 |
0 |
1 |
|
|
0 |
0 |
1 |
1 |
|
|
0 |
1 |
0 |
0 |
|
|
1 |
0 |
0 |
1 |
|
|
1 |
1 |
1 |
0 |
Лабораторная работа № 13.
Логические схемы и триггеры на интегральных схемах
Теоретическое введение
Описание установки
+
Рис 12.1
В установке зашита интегральная схема серии ИМС155, включающая в себя два логических элемента <ИЛИ> и два логических элемента <И>. Верхние выводы – выходы элементов, инверсный выход обозначен кружком, нижние – входы. Питание 5 Вольт. Присоединение к питанию осуществляется проводами, обозначенными справа на схеме знаками <+> и <>, где плюс – это высокий логический уровень, минус – низкий, по сложившейся традиции плюсовой вывод обозначен узлом (узел не развязывать, руки пообрываю!). Входы Х1, Х2, Х3 предназначены для разводки параллельных соединений. Светодиоды обозначают логический уровень на выходе, зеленый – логический ноль, красный –логическая единица.
Для примера соберем схему – логическое суммирование
|
Х1 |
Х2 |
Y |
Y |
|
0 |
0 |
0 |
1 |
|
0 |
1 |
1 |
0 |
|
1 |
0 |
1 |
0 |
|
1 |
1 |
1 |
0 |
1
1
&
&
G
X1
X2
X3
питание
+
-
1
2
4
3
5
Линия <1> - соединение общей точки с минусом питания.
Линия <2> – соединений минуса с Х2
Линия <3> – минус на первый вход
Линия <4> – минус на второй вход
Линия <5> – заземление прямого выхода
Следовательно, по таблице истинности, на выходе должен быть логический ноль и должен загореться красный светодиод, если теперь линию 5 перенести с прямого выхода на инверсный, то загорится зеленый светодиод.
Задания:
Порядок выполнения и оформления работы
+
-
а б
Рис. 2
+
-
а б
Рис. 3
-
+
а б
Рис. 4
-
+
а б
Рис. 5
Таблица 1
|
Рис. |
|||
|
0 |
0 |
0 |
2 |
|
0 |
1 |
1 |
3 |
|
1 |
0 |
1 |
4 |
|
1 |
1 |
0 |
5 |
2 Так называемое обратное напряжение, когда к п- области прикладывается «+» потенциал, а к р- области «-» потенциал.
3 Так называемое прямое напряжение, когда к п- области прикладывается «-» потенциал, а к р- области «+» потенциал.
4 Когда число инжектируемых неосновных для области базы носителей заряда, становится значительно больше основных, уровень инжекции считается большим.
5 Диффузионная емкость возникает в приконтактном слое р-п-перехода за счет изменения количества диффундируемых дырок и электронов, т. е. за счет изменения заряда вызванного изменением прямого напряжения.
6 Зарядная емкость возникает при обратном напряжении на р-п-переходе и обусловлена изменением в нем объемного заряда.
7 В выпускаемых промышленностью варикапах значение емкости Св изменяется от единиц до сотен пикофарад
8 Кс = 2 ... 20
9 Для получения напряжения более 15 В необходимо соединить последовательно регулиркуемый и нерегулируемый источники напряжения.
10 Резонансная частота в данном случае – это та частота, при которой напряжение U1 достигает максимум.
11 Удобно определять как площадь, занимаемую кривой.