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
Лабораторная работа №1
Знакомство с NI ELVIS (National Instruments Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite)
Программа работы
Пояснение к работе
Техника безопасности
Следующий раздел содержит важную информацию о технике безопасности, которой вы должны следовать во время установки и эксплуатации изделия.
Работайте с изделием только теми способами, которые указаны в этом документе. Неправильная эксплуатация изделия опасна. Если изделие каким-либо образом повреждено, встроенная система защиты также может не работать. Если изделие повреждено, верните его в компанию NI для ремонта.
Не заменяйте части и не модифицируйте изделие отличным от описанного в этом документе образом. Используйте изделие только с шасси, модулями, аксессуарами и кабелями, указанными в инструкции по установке. Во время эксплуатации изделия все крышки и панели должны быть установлены.
Не используйте изделие во взрывоопасной атмосфере, а также там, где есть горючий газ или дым. Если вам необходимо работать с изделием при таких условиях, то оно должно находиться в соответствующем корпусе.
Чистите изделие мягкой неметаллической щеткой. Перед отправкой изделия на обслуживание убедитесь, что оно полностью сухое и чистое.
Работайте с изделием только при Степени загрязнения 1 (Степень загрязнения 1 означает, что загрязнения отсутствуют, либо только сухие и непроводящие. Такие загрязнения не оказывают влияния на работу устройства) или ниже. Загрязнение является неблагоприятным условием в твердом, жидком или газообразном состоянии, способное уменьшить электрическую прочность диэлектрика или поверхностное удельное сопротивление.
Вы должны изолировать выводы сигналов от напряжения выше максимального для этого изделия. Не превышайте максимальных значений для этого изделия. Не производите монтаж электропроводки, когда изделие подключено к сети. Избегайте телесного контакта с соединительным блоком, когда вы заменяете модули без выключения электропитания. Перед присоединением к изделию и отсоединением от него сигнальных линий отключите их от источника напряжения.
Обзор NI ELVIS
NI ELVIS – это полный набор приборов для лаборатории, в который включено и аппаратное и программное обеспечение.
Для обеспечения функциональных возможностей набора обычных измерительных приборов в NI ELVIS используются программы-приборы, написанные на LabVIEW, многофункциональный прибор DAQ, настольная рабочая станция и макетная плата.
Программные средства LabVIEW, используемые для взаимодействия с настольной рабочей станцией NI ELVIS и прибором DAQ, обеспечивают высокоуровневую среду программирования, в которой возможна простая реализация мощных возможностей технологии виртуальных приборов по отображению и анализу данных.
Аппаратное обеспечение NI ELVIS включает в себя функциональный генератор и регулируемые блоки питания, встроенные в настольную рабочую станцию.
Схема NI ELVIS приведена на рис.1.1.
Аппаратное обеспечение NI ELVIS
Ниже описываются компоненты аппаратного обеспечения NI ELVIS: прибор DAQ, настольная рабочая станция и макетная плата.
Аппаратура DAQ
Набор NI ELVIS предназначен для взаимодействия с приборами DAQ компании National Instruments, которые являются высокопроизводительными многофункциональными аналоговыми, цифровыми и синхронизирующими устройствами ввода/вывода для компьютеров с шиной PCI. Приборы DAQ поддерживают функции аналогового ввода, аналогового вывода, цифрового ввода/вывода и синхронизирующего ввода/вывода.
Для работы с NI ELVIS, прибор DAQ, установленный на подключенном к NI ELVIS компьютере, должен удовлетворять следующим минимальным требованиям:
|
|
|
|
|
|
|
Рисунок 1.1 - Набор NI ELVIS |
Настольная рабочая станция NI ELVIS
Настольная рабочая станция и прибор DAQ вместе образуют завершенную лабораторную установку. Рабочая станция обеспечивает широкие возможности по взаимодействию и функциональности. Панель управления, расположенная на станции, снабжена простыми в обращении кнопками и ручками управления функциональным
генератором и регулируемыми блоками питания. Существует возможность подключения к программным приборам: осциллографу и цифровому мультиметру NI ELVIS с помощью BNC-разъемов и разъемов штекерного типа. Программное обеспечение NI ELVIS маршрутизирует сигнал в настольной рабочей станции между программами-приборами. Например, выходной сигнал функционального генератора может быть направлен на определенный канал прибора DAQ и затем получен на нужном канале программы осциллографа. Рабочая станция также содержит защитную панель, предохраняющую прибор DAQ от возможных поломок, которые могут случиться в результате ошибок в учебных лабораториях.
Схема расположения частей рабочей станции приведена на рис.1.2.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рисунок 1.2 - Схема панели управления настольной рабочей станции |
Настольная рабочая станция имеет следующие элементы управления и индикаторы:
Замечание Вы можете использовать регулируемые блоки питания либо в режиме ручного управления – с помощью элементов управления на настольной рабочей станции, либо в режиме программного управления – с помощью элементов управления в программе-приборе NI ELVIS – Variable Power Supplies. Описанными в этом разделе элементами управления можно воспользоваться только в режиме ручного управления.
Замечание: Вы можете использовать функциональный генератор либо в режиме ручного управления – с помощью ручек управления на рабочей станции, либо в режиме программного управления – с помощью элементов управления в программе-приборе NI ELVIS FGEN. Описанными в этом разделе элементами управления можно воспользоваться только в режиме ручного управления.
Внимание! Подключая сигналы одновременно к разъёмам мультиметра на макетной плате и к разъёмам на панели управления, вы их замыкаете, что может повредить схему, собранную на макетной плате.
Внимание! Подключая сигналы одновременно к разъёмам осциллографа на макетной плате и к разъёмам на панели управления, вы их замыкаете, что может повредить схему, собранную на макетной плате.
Макетная плата NI ELVIS
Макетная плата NI ELVIS соединяется с настольной рабочей станцией. Макетная
плата предназначена для монтажа электронной схемы и содержит необходимые разъемы
для доступа к сигналам. С одной рабочей станцией можно использовать несколько
взаимозаменяемых макетных плат.
Схема расположения частей макетной платы приведена на рис1.3.
Макетная плата подключается к рабочей станции с помощью стандартного разъёма PCI, поэтому вы можете создавать собственные печатные платы и подключать их к NI ELVIS. Все контактные разъёмы макетной платы расположены по обеим её сторонам. Каждому сигналу соответствует ряд контактов, причём ряды объединены в соответствии с их функциональностью.
Электропитание на макетной плате
На макетной плате есть разъёмы источника питания на ±15 В и 5 В. Этого достаточно, чтобы собрать многие универсальные схемы.
Описание сигналов макетной платы
Сигналы сгруппированы по функциональному назначению так же, как они расположены на макетной плате. Сигналы макетной платы NI ELVIS описаны в приложение 1.
Заземление
Поскольку аналоговые сигналы являются дифференциальными, то для их передачи необходима точка с нулевым потенциалом. В NI ELVIS следует измерять сигналы относительно потенциала какого-либо из контактов NI ELVIS GROUND. При измерениях, проводимых на нестабильных источниках питания, таких как аккумуляторы, убедитесь, что вы подсоединили один из концов к NI ELVIS GROUND.
Разъёмы сигнала NI ELVIS GROUND расположены в нескольких местах макетной платы, но все они имеют одинаковый потенциал.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рисунок 1.3 - Схема расположения частей макетной платы |
В приложение 2 рассматриваются некоторые специальные вопросы подключения входных аналоговых сигналов на макетной плате, в том числе вопросы, связанные с осциллографом и цифровым мультиметром.
Подключение выходных аналоговых сигналов
В этом разделе описывается то, как подключать выходные аналоговые сигналы на макетной плате NI ELVIS.
NI ELVIS обеспечивает доступ к двум ЦАП платы DAQ через терминалы DAC0 и DAC1. Эти каналы используются оборудованием NI ELVIS для генерации сигналов произвольной формы.
Внимание! Другие приборы NI ELVIS, такие как мультиметр и функциональный генератор, обращаются к этим ЦАП по внутренним каналам, поэтому возможно их влияние на результаты измерений. Когда возникает возможность конфликта ресурсов, программный драйвер генерирует сообщение об ошибке.
Выходное напряжение источника постоянного тока составляет ±15 В и +5 В.
Кроме разъёма выходного сигнала FUNC_OUT на макетной плате есть ещё несколько дополнительных разъёмов, относящихся к функциональному генератору. На разъём SYNC_OUT подаётся совместимый с ТТЛ сигнал синхронизации той же частоты, что и выходной сигнал. Сигналы AM_IN и FM_IN управляют амплитудной модуляцией и частотной модуляцией соответственно. Эти сигналы дополняют возможности точной настройки частоты и амплитуды сигнала в ручном режиме на рабочей станции.
Регулируемые блоки питания служат источниками напряжения, настраиваемого в диапазоне от 0 до +12 В на терминале SUPPLY+ и от –12 до 0 В на терминале SUPPLY-. Контакт GROUND обеспечивает соединение с контактом заземления, который является общим с источниками постоянного тока.
Подключение цифровых сигналов ввода/вывода, сигналов счетчика-таймера, сигналов настраиваемого ввода/вывода
Как подключать цифровые сигналы ввода/вывода, сигналы счетчика-таймера, сигналы настраиваемого ввода/вывода на макетной плате описано в приложение 3.
Программное обеспечение NI ELVIS
Программное обеспечение NI ELVIS, написанное на LabVIEW, использует преимущества технологии виртуальных приборов. Программное обеспечение состоит из двух основных частей: программ-приборов и LabVIEW API (программный интерфейс приложения) для программирования аппаратной части NI ELVIS.
Программы-приборы
NI ELVIS поставляется вместе с программами-приборами, написанными на LabVIEW, и с исходным кодом этих программ. Вы не можете напрямую изменить исполняемые файлы, но вы можете изменять и совершенствовать функциональные возможности этих приборов, модифицируя код LabVIEW. Эти программы-приборы являются виртуальными приборами, которые необходимы для лабораторных применений.
Написанные на LabVIEW программы-приборы NI ELVIS вместе с прибором DAQ обеспечивают функциональные возможности следующих физических устройств:
Краткое описание каждой программы-прибора NI ELVIS представлено в приложение 4.
NI ELVIS LabVIEW API
Программное обеспечение NI ELVIS также включает в себя интерфейсы прикладного программирования (API) для программирования четырех элементов аппаратного обеспечения NI ELVIS: цифрового ввода и вывода, цифрового мультиметра, функционального генератора и регулируемых блоков питания.
Приложение 1
Таблица 1.2 - Описание сигналов
|
Название сигнала |
Тип |
Описание |
|
ACH<0..5>+ |
Аналоговый вход общего назначения |
Analog Input Channels 0 through 5 (входные аналоговые каналы от0 до5) (+) – положительный дифференциальный вход каналов аналогового ввода |
|
ACH<0..5>– |
Аналоговый вход общего назначения |
Analog Input Channels 0 through 5 (входные аналоговые каналы от0 до5) (–) – отрицательный дифференциальный вход каналов аналогового ввода |
|
AISENSE |
Аналоговый вход общего назначения |
Analog Input Sense (аналоговый входной уровень) – опорное напряжение для аналоговых каналов в режиме общего провода, незаземленного на конце |
|
AIGND |
Аналоговый вход общего назначения |
Analog Input Ground – «земля» аналогового входа для прибораDAQ. Этот сигнал заземления не связан с сигналом NI ELVIS GROUND |
|
CH<A..B>+ |
Осциллограф |
Oscilloscope Channels A and B (каналы осциллографа A и B) (+) – положительный вход для каналов осциллографа |
|
CH<A..B>– |
Осциллограф |
Oscilloscope Channels A and B (каналы осциллографа A и B) (–) – отрицательный вход для каналов осциллографа |
|
TRIGGER |
Осциллограф |
Oscilloscope Trigger (запуск осциллографа) – ввод сигнала синхронизации осциллографа относительно AIGND |
|
PFI<1..2>, PFI<5..7> |
Программируемый функциональный ввод/вывод |
Programmable Function Input 1 through 2 and 5 through 7 (программируемые функциональные входные каналы от 1 до 2 и от 5 до 7) – программируемый функциональный ввод/вывод для прибора DAQ |
|
SCANCLK |
Программируемый функциональный ввод/вывод |
Scan Clock (генератор развертки) – соединен с контактом SCANCLK прибора DAQ |
|
RESERVED |
Программируемый функциональный ввод/вывод |
Соединен с контактом EXTSTROBE* прибора DAQ |
|
3-WIRE |
Цифровой мультиметр |
Three Wire (трехпроводной) – источник напряжения для цифрового мультиметра для измерений параметров трехпроводного транзистора |
|
CURRENT HI |
Цифровой мультиметр |
Positive Current (положительный ток) – вход мультиметра положительной полярности для всех измерений кроме измерения напряжения |
|
CURRENT LO |
Цифровой мультиметр |
Negative Current (отрицательный ток) – вход мультиметра отрицательной полярности для всех измерений кроме измерения напряжения |
|
VOLTAGE HI |
Цифровой мультиметр |
Positive Voltage (положительное напряжение) – вход положительной полярности для вольтметра мультиметра |
|
VOLTAGE LO |
Цифровой мультиметр |
Negative Voltage (отрицательное напряжение) – вход отрицательной полярности для вольтметра мультиметра |
|
DAC<0..1> |
Аналоговый выход общего назначения |
Analog Channel Output for Channels 0 through 1 (аналоговый выходные каналы от 0 до1) – выходы ЦАП прибора DAQ |
|
FUNC_OUT |
Функциональный генератор |
Function Output – выход функционального генератора. SYNC_OUT Функциональный генератор |
|
SYNC_OUT |
Функциональный генератор |
Synchronization Output (синхронизирующий выход) – ТТЛ-сигнал той же частоты, что и на контакте FUNC_OUT |
|
AM_IN |
Функциональный генератор |
Amplitude Modulation Input – вход амплитудного модулятора для функционального генератора |
|
FM_IN |
Функциональный генератор |
Frequency Modulation Input – вход частотного модулятора для функционального генератора |
|
BANANA<A..D> |
Настраиваемый ввод/вывод |
Banana Jacks A through D (разъемы штекерного типа от A до D) – выход на разъемы штекерного типа |
|
BNC<1..2>+ |
Настраиваемый ввод/вывод |
BNC Connectors 1 and 2 (+) – выход на BNC - разъёмы 1 и 2 |
|
BNC<1..2>– |
Настраиваемый ввод/вывод |
BNC Connectors 1 and 2 (–) – выход на BNC - разъёмы 1 и 2 |
|
SUPPLY+ |
Регулируемые блоки питания |
Выходы регулируемых блоков питания с положительным напряжением от 0 до12 В |
|
SUPPLY– |
Регулируемые блоки питания |
Выходы регулируемых блоков питания с отрицательным напряжением от –12 до 0 В |
|
GROUND |
Регулируемые блоки питания, источники постоянного тока |
Ground (заземление) – «земля» макетной платы |
|
–15 V |
Источники постоянного тока |
Источник напряжения–15 В– выход фиксированного напряжения–15 В относительно «земли» NI ELVIS GROUND |
|
+5 V |
Источники постоянного тока |
Источник напряжения +5 В – выход фиксированного напряжения +5 В относительно «земли» NI ELVIS GROUND |
|
DO<0..7> |
Цифровой ввод/вывод |
Digital Output Lines 0 through 7 (линии цифрового вывода от 0 до7) – выход шины записи |
|
WR ENABLE |
Цифровой ввод/вывод |
Write Enable (включение записи) – выход, показывающий, что данные записываются на шину |
|
LATCH |
Цифровой ввод/вывод |
Latch (фиксатор) – выход, на который подаётся импульс, после того, как данные были записаны на шину |
|
GLB RESET |
Цифровой ввод/вывод |
Global Reset (общий сброс) – выход, на который подаётся сигнал при общем сбросе системы цифрового ввода/вывода |
|
RD ENABLE |
Цифровой ввод/вывод |
Read Enable (включение чтения) – выход, показывающий, что данные считываются с шины |
|
DI<0..7> |
Цифровой ввод/вывод |
Digital Input Lines 0 through 7 (считывающие цифровые линии от 0 до7) – выход шины чтения |
|
ADDRESS<0..3> |
Цифровой ввод/вывод |
Address Lines 0 through 3 (адресные линии от 0 до3) – выход адресной шины |
|
CTR0_SOURCE |
Счетчики |
Counter 0 Source (вход счетчика 0) – соединён с контактом GPCTR0_SOURCE на прибореDAQ |
|
CTR0_GATE |
Счетчики |
Counter 0 Gate (управляющий вход счетчика0) – соединён с контактомGPCTR0_GATE на приборе DAQ |
|
CTR0_OUT |
Счетчики |
Counter 0 Output (выход счетчика 0) – соединён с контактомGPCTR0_OUT на приборе DAQ |
|
CTR1_GATE |
Счетчики |
Counter 1 Gate (управляющий вход счетчика1) – соединён с контактомGPCTR1_GATE на приборе DAQ |
|
CTR1_OUT |
Счетчики |
Counter 1 Output (выход счетчика1) – соединён с контактом GPCTR1_OUT на приборе DAQ |
|
FREQ_OUT |
Счетчики |
Frequency Output (выход частоты) – соединён с контактом FREQ_OUT на приборе DAQ |
|
LED<0..7> |
Настраиваемый ввод/вывод |
LEDs 0 through 7 (светодиоды от 0 до7) – ввод/вывод выходы на светодиоды |
|
DSUB SHIELD |
Настраиваемый ввод/вывод |
D-Sub Shield – выход на контакт экранировки D-Sub |
|
DSUB PIN<1..9> |
Настраиваемый ввод/вывод |
D-Sub Pins 1 through 9 (контактыD-Sub от1 до9) – выходы на контакты D-Sub |
Приложение 2
Конфликт ресурсов
Некоторые из каналов аналогового ввода используются для обслуживания внутренних схем приборов, но большую часть времени этими каналами можно пользоваться. Каналы ACH<0..2> могут быть использованы всегда. Канал ACH5 прерывается при использовании возможностей цифрового мультиметра по анализу импеданса, таких как измеритель ёмкости, тестер диодов и т.д. При работе осциллографа используются каналы ACH3 и ACH4, поэтому во избежание наложения сигналов занимать их не следует.
Цифровой мультиметр
На макетной плате присутствуют входы мультиметра CURRENT и VOLTAGE, а также дополнительный терминал для измерений параметров трехпроводного транзистора. Дифференциальные входы вольтметра называются VOLTAGE HI и VOLTAGE LO, остальные функциональные возможности мультиметра реализуются с помощью подключения к контактам CURRENT HI и CURRENT LO. Для измерений параметров приборов с тремя выводами используются как контакт 3-WIRE, так и контакты CURRENT HI и CURRENT LO.
Внимание! Подключая сигналы одновременно к разъёмам мультиметра на макетной плате и к разъёмам на панели управления, вы их замыкаете, что может повредить схему,
собранную на макетной плате.
Осциллограф
Входные разъёмы осциллографа на макетной плате называются CH<A..B>+, CH<A..B>– и TRIGGER. Сигналы CH<A..B> выводится прямо на каналы ACH3 и ACH4 прибора DAQ соответственно. Для получения более подробной информации о конфликтах ресурсов и заземлении читайте раздел Общий аналоговый вход.
Внимание! Подключая сигналы одновременно к разъёмам осциллографа на макетной плате и к разъёмам на панели управления, вы их замыкаете, что может повредить схему, собранную на макетной плате.
Приложение 3
Подключение цифровых сигналов ввода/вывода
Схема цифрового ввода/вывода в NI ELVIS содержит 8-битовую шину чтения и записи, четыре сигнала управления и 4-битовую адресную шину.
Сигналы DO<0..7> являются цифровыми выходами цифровой цепи, а сигналы DI<0..7> – цифровыми входами. Все четыре линии управления WR_ENABLE, LATCH, GLB_RESET и RD_ENABLE являются сигналами низкого уровня. Когда данные записываются на шину записи, на WR_ENABLE подаётся логический ноль. Когда данные считываются с шины чтения, логический ноль подаётся на RD_ENABLE. Когда данные записаны на шину, на канал LATCH подаётся импульс. GLB_RESET подключен к внутренней шине сброса, таким образом внутренние схемы NI ELVIS могут сбрасывать в исходное положение цифровые схемы, встроенные в макетную плату.
Подключение сигналов счетчика-таймера
Макетная плата предоставляет доступ к входам счетчика/таймера прибора DAQ, которые также доступны через программное обеспечение. Эти входы используются для счета ТТЛ сигналов и обнаружения фронтов сигналов. Разъёмы CTR0_SOURCE, CTR0_GATE, CTR0_OUT, CTR1_GATE и CTR1_OUT эквивалентны контактам прибора DAQ GPCTR0_SOURCE, GPCTR0_GATE, GPCTR0_OUT, PCTR1_GATE и GPCTR1_OUT соответственно.
Сигнал FREQ_OUT эквивалентен сигналу FREQ_OUT прибора DAQ.
Подключение сигналов настраиваемого ввода/вывода
Макетная плата предусматривает несколько различных разъёмов настраиваемого ввода/вывода: четыре разъема штекерного типа, два BNC-разъёма и разъём D-Sub. Каждый штырёк этого разъёма имеет связь со шинами распределения на макетной плате.
Для цифрового вывода общего характера на плате присутствуют восемь светодиодов. Анод каждого светодиода соединен с шиной распределения через резистор в 220 Ом, а катод – с «землей».
Приложение 4
Запускающий модуль Instrument Launcher
Запускающий модуль NI ELVIS обеспечивает доступ ко всем программам-приборам NI ELVIS. Чтобы запустить какой-нибудь прибор, просто нажмите на соответствующую кнопку. Если NI ELVIS надлежащим образом сконфигурирована и подключена к подходящему прибору DAQ, должны быть видны все кнопки.
Если же в конфигурации системы есть неполадки, например, рабочая станция отключена от питания или не подсоединена к настроенному прибору DAQ, то кнопки всех приборов становятся недоступны. В этом случае единственная кнопка, на которую можно нажать – это кнопка Configure (Конфигурировать). Читайте документ Начало работы с NI ELVIS для получения более подробной информации о настройке NI ELVIS.
Некоторые приборы выполняют u1089 сходные операции, используя одни и те ресурсы аппаратуры NI ELVIS и прибора DAQ, и не могут выполняться одновременно. При запуске двух приборов с перекрывающейся функциональностью, программное обеспечение NI ELVIS выдаст диалоговое окно, в котором будет описана ошибка и то, почему эти приборы не могут работать одновременно. Вызвавший ошибку прибор блокируется и не будет функционировать до тех пор, пока конфликтная ситуация не разрешится.
Генератор сигналов произвольной формы Arbitrary Waveform Generator (ARB)
Эта высокоуровневая программа-прибор использует возможности прибора DAQ по аналоговому выводу сигналов. Вы можете создавать несколько типов сигналов, используя программу Waveform Editor, которая включена в программное обеспечение NI ELVIS. Можно также загружать созданные ранее в NI Waveform Editor сигналы в программу-прибор ARB генерировать их. Более подробную информацию о программе Waveform Editor можно получить в справочной системе NI ELVIS Online Help.
Поскольку прибор DAQ, как правило, имеет два аналогового выхода, генерироваться могут два сигнала одновременно. Генерация сигнала может происходить однократно или в непрерывном режиме. Максимальная частота повторения сигнала зависит от возможностей прибора DAQ, к которому подключен набор NI ELVIS. Для получения технических подробностей смотри руководство пользователя прибора DAQ.
АЧХ/ФЧХ анализатор Bode Analyzer
Полнофункциональный АЧХ/ФЧХ анализатор в NI ELVIS объединяет функцию развертки по частоте функционального генератора и возможность аналогового ввода прибора DAQ. Вы можете регулировать частотный диапазон прибора, а также выбирать шкалу дисплея – линейную или логарифмическую.
Устройство чтения с цифровой шины Digital Bus Reader
Этот прибор считывает цифровые данные с шины цифрового ввода. Операции считывания можно производить как в одиночном, так и в непрерывном режиме.
Устройство записи на цифровую шину Digital Bus Writer
Этот прибор записывает на шину цифрового вывода определенный пользователем шаблон цифрового сигнала. Шаблон можно создать вручную, а можно выбрать из определенных ранее, таких как пилообразный сигнал, логический сигнал или тест "бегущая единица". Этот прибор может производить операции записи шаблона как в
одиночном, так и в непрерывном режиме. Вывод программы-прибора Digital Bus Writer остается зафиксированным до тех пор, пока прибор на остановлен, или на выход не подан следующий шаблон. Выходные уровни напряжения этой программы-прибора совместимы с ТТЛ.
Цифровой мультиметр Digital Multimeter (DMM)
С помощью этого широко используемого прибора можно измерять следующие величины:
Вы можете подключиться к мультиметру через макетную плату или с помощью разъёмов штекерного типа на передней панели рабочей станции.
Анализатор динамических сигналов Dynamic Signal Analyzer (DSA)
Анализатор динамических сигналов особенно полезен на занятиях по углублённому изучению электротехники и физики. Этот прибор использует аналоговый вход прибора DAQ для проведения измерений, которые осуществляются в непрерывном режиме или в режиме одноразового сканирования. В этом приборе вы также можете использовать фильтрацию сигнала и наложение разнообразных частотно-временных окон.
Функциональный генератор Function Generator (FGEN)
Этот прибор позволяет выбирать форму сигнала (синусоида, «меандр», «пила»), его амплитуду и частоту. Кроме того, прибор дает возможность регулировать постоянную составляющую, осуществлять развертку по частоте и модуляцию сигнала.
Анализатор импеданса Impedance Analyzer
Этот прибор является простым анализатором импеданса, который может измерять активное и реактивное сопротивление пассивных двухпроводных элементов на заданной частоте.
Осциллограф Oscilloscope (Scope)
Этот прибор обеспечивает реализацию всех функциональных возможностей стандартного настольного прибора, который можно найти в любой учебной лаборатории. Эта программа-прибор имеет две канала и снабжена кнопками выбора масштаба, ручками регулировки положения луча, а также изменяемой временной u1088 разверткой. Также можно выбрать источник запуска и режим работы, причём запуск может быть и цифровой и аналоговый в зависимости от подключённого к NI ELVIS прибора DAQ. К осциллографу можно подключиться через макетную плату или с помощью разъёмов типа BNC на передней панели рабочей станции.
NI ELVIS может направлять к осциллографу сигналы от функционального генератора или цифрового мультиметра. Кроме того, дисплей этого компьютеризированного осциллографа даёт возможность использовать курсоры для точных измерений на экране. Скорость осциллографа ограничена только максимальной частотой дискретизации прибора DAQ, который установлен в подключенном к NI ELVIS компьютере.
Вольтамперные анализаторы двухпроводной и трёхпроводной линий Two-wire - и Three-wire Current-Voltage Analyzers
Эти приборы позволяют проводить параметрические измерения для диодов и транзисторов, а также наблюдать их вольтамперные характеристики. Прибор для двухпроводной линии предоставляет полную свободу в установке пределов изменения напряжения и тока, а также может сохранять данные в файл. Кроме того, прибор для трёхпроводной линии позволяет менять ток базы в измерениях, проводимых с транзисторами n-p-n типа. В обоих приборах для более аккуратных измерений на экране можно использовать курсоры.
Регулируемые блоки питания Variable Power Supplies
С помощью этих программ-приборов вы можете управлять регулируемыми блоками питания положительного и отрицательного напряжения. Выходные значения напряжения могут изменяться в пределах: отрицательные от –12 до 0 В, положительные – от 0 и +12 В.
Лабораторная работа № 2
ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА
Программа работы
Пояснения к работе
|
Рисунок 2.1 – Типовая структура биполярного транзистора |
Типовая структура сплавного биполярного транзистора показана на рис.1.1. Транзистор состоит из трёх областей легированного полупроводникового материала, причём базовая область транзистора имеет очень малую толщину и низкий уровень концентрации примесей по сравнению с коллекторной и эмиттерной областями. Транзисторы являются полностью управляемыми приборами, которые могут быть представлены в виде четырехполюсников с входными, выходными и проходными (передаточными) характеристиками.
В электронных аппаратах биполярные транзисторы включаются по схеме с общим эмиттером. Выходной характеристикой транзистора в схеме с ОЭ является зависимость тока коллектора Iк от напряжения между коллектором и эмиттером Uкэ при постоянном токе базы Iб.
При Iб=0 и Uкэ<0 начальный (тепловой) ток коллекторного перехода понижает потенциал базы (для транзистора p-n-p типа), что вызывает поток дырок через эмиттерный переход. Этот поток разделяется на две составляющие: большая составляющая αIэ проходит транзитом в коллектор, а меньшая часть - (1-α)Iэ рекомбинирует с электронами базы.
Коэффициент передачи тока α показывает какая часть эмиттерного тока Iэ проходит в коллекторную цепь. В общем случае Iк =αIэ+Iко (где Iко – тепловой ток коллекторного перхода), т.е. ток коллектора (выходная величина) управляется с помощью тока эмиттера (входная величина). Первая составляющая эмиттерного тока не вызывает изменения потенциала базы, так как сколько дырок приходит в базовую область, столько же и уходит. Вторая составляющая эмиттерного тока увеличивает потенциал базы, так как после рекомбинации электронов базы с дырками эмиттера в базе остаются нескомпенсированные положительные ионы. Состояние динамического равновесия здесь устанавливается тогда, когда действие Iко уравновешивается действием (1-α)Iэ, т.е. когда
Iко=(1-α)Iэ или .
Поскольку при Iб=0 Iэ=Iк, то
.
Ток Iко называют сквозным током транзистора.
Таким образом, выходная характеристика Iк=f(Uкэ)|Iб=0 подобна обратной ветви вольт-амперной характеристики коллекторного p-n перехода, но с увеличенными в сравнении с ней в раз ординатами (рис.2.2).
|
Рисунок 2.2 – Семейство выходных характеристик биполярного транзистора |
Если Iб>0, то этот ток тоже уменьшает потенциал базы. Следовательно, ток эмиттера увеличится, и условие динамического равновесия будет выглядеть следующим образом:
Iб+Iэ=(1-α)Iэ или .
В соответствии с первым законом Кирхгофа:
Iк=Iэ-Iб, или ,
где - коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ.
Как видим на рис.1.2 выходные характеристики Iк=f(Uкэ) , Iб=const с увеличением βIб располагаются над характеристикой Iк=f(Uкэ)|Iб=0. При уменьшении Uкэ ток Iк уменьшается сначала незначительно, а при Uкэ=Uбэ начинается резкий спад тока.
Входной характеристикой транзистора в схеме с ОЭ является зависимость тока базы Iб от напряжения между базой и эмиттером Uбэ при постоянном напряжении между коллектором и эмиттером Uкэ.
При Uкэ=0 входная характеристика является вольт-амперной характеристикой двух параллельно включенных эмиттерного и коллекторного p-n переходов, смещенных в прямом направлении. При |Uкэ|>2В, т.е. при достаточно больших напряжениях между коллектором и эмиттером, коллекторный переход запирается. Поэтому входная характеристика транзистора при |Uкэ|>2В является вольт-амперной характеристикой смещенного в прямом направлении эмиттерного перехода, опущенной на величину теплового тока коллектора Iко. При этом характеристика идет более полого, так как площадь эмиттерного перехода значительно меньше суммы площадей обоих переходов транзистора. Дальнейшее увеличение Uкэ мало влияет на вид входных характеристик.
Методические указания
Характеристики биполярного транзистора p-n-p типа исследуются по схеме, приведенной на рис 2.3.
|
Рисунок 2.3 – Схема для исследования статических характеристик биполярного транзистора включенного по схеме с общим эмиттером Рисунок 2.4 – Распиновка транзистора МП25 |
,
или при использование математического пакета.
;
выходное сопротивление определяется по выходной характеристике графически при Uкэ=const, Iб=const по формуле:
;
или при использование математического пакета.
Лабораторная работа № 3
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ
Программа работы
и сравнить полученные электрические параметры со справочными.
Пояснения к работе
Полевой транзистор является очень широко используемым активным (т. е. способным усиливать сигналы) полупроводниковым прибором. Полевыми транзисторами называют активные полупроводниковые приборы, в которых выходным током управляют с помощью электрического поля, создаваемым между управляющим электродом 3 и И (в биполярных транзисторах выходной ток управляется входным током). Полевой транзистор имеет три электрода: исток (И) – электрод, от которого носители начинают движение; сток (С) – Электрод, к которому они движутся; затвор (3) – общий внешний электрод. Полевые транзисторы называют также униполярными потому, что их работа основана; на использовании носителей одного знака: только дырок пли только электронов, в отличие от биполярных транзисторов, где важную роль играют типы носителей: инжекция неосновных носителей одного знака сопровождается компенсацией основных носителей другого знака при соблюдении условий электрической нейтральности.
Униполярные транзисторы подразделяются на три класса: полевые транзисторы с затвором в виде р-п перехода (ПТ); транзисторы со структурой металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-транзисторы); транзисторы со структурой металл-окисел-полупроводник (МОП-транзисторы).
Полевой транзистор с управляющим p-n переходом представляет собой тонкую кремневую пластину с одним p-n - переходом в центральной части и омическими контактами по краям (рис.3.1).
|
Рис. 3.1 – Структура полевого транзистора |
Принцип действия этого прибора основан на зависимости p-n перехода от приложенного к нему напряжения. Напряжение Uн < 0 приложено так, что p-n -переход имеет обратное включение.
Особенностью полевого транзистора является то, что на проводимость канала оказывает влияние как управляющее напряжение Uзи, так и напряжение Uси.
|
a) |
б) |
в) |
|
Рисунок 3.2 – Подключение внешнего напряжения к полевому транзистору: а) Uзи < 0, Uси = 0; б) Uзи = 0, Uси > 0; в) Uзи < 0, Uси > 0; |
На рис.3.2а внешнее напряжение приложено только к входной цепи транзистора. Изменение напряжения Uзи приводит к изменению проводимости канала за счет изменения на одинаковую величину его сечения по всей длине канала. Но выходной ток Iс = 0, поскольку Uси = 0.
Рис.3.2б иллюстрирует изменение сечения канала при воздействии только напряжения Uси (Uзи = 0). При Uси > 0 через канал протекает ток Iс, в результате чего создается падение напряжения, возрастающее в направлении стока. Суммарное падение напряжения участка исток — сток равно Uси. В cилу этого потенциалы точек канала n-типа будут неодинаковыми по его длине, возрастая в направлении стока от нуля до Uси. Потенциал же точек p-области относительно истока определяется потенциалом затвора относительно истока и в данном случае равен нулю. В связи с указанным обратное напряжение, приложенное к p-n переходам, возрастает в направлении от истока к стоку и p-n переходы расширяются в направлении стока. Данное явление приводит к уменьшению сечения канала от истока к стоку. Повышение напряжения Uси вызывает увеличение падения напряжения в канале и уменьшение его сечений, а, следовательно, уменьшение проводимости канала. При некотором напряжении Uси происходит сужение канала, при котором границы обоих p-n-переходов смыкаются и сопротивление канала становится высоким.
На рис.2.3 в отражено результирующее влияние на канал обоих напряжений Uзи и Uси. Канал показан для случая смыкания p-n переходов.
Управление шириной p-n перехода (или, что то же самое толщиной канала), обедненного подвижными носителями заряда, осуществляется электрическим полем, возникшим в запирающем слое без инжекции носителей. Так как управление сечением канала идет по участку затвор-исток обратно включенного p-n перехода, то входное сопротивление транзистора оказывается очень большим, что выгодно отличает ПТ от биполярного транзистора.
При прямом включении p-n перехода (Uзи>0) возникает относительно большой ток затвора, и сопротивление участка З-И резко уменьшается, поэтому применять такое включение не целесообразно.
При Uзи, равном напряжению отсечки Uотс, обедненный слой полностью перекрывает канал, и ток стока Iс становится равным току утечки Iут обратно включенного p-n перехода. При подключении источника питания Uси в цепи между электродами С и И протекает ток Iс, величина которого определяется проводимостью канала, и создает падение напряжения вдоль канала, тем самым расширяя обедненный слой в канале от С к И. Увеличение Uси вызывает увеличение Iс, что приводит к дальнейшему расширению обедненного слоя и снижению проводимости канала. Напряжение Uси, при котором резко сокращается увеличение Iс, называется напряжением насыщения Uси нас, при Uзи=0 Uси нас числено совпадает с напряжением отсечки. Uотс - напряжение, при котором в сечении около стока должно произойти перекрывание канала. Но перекрывание канала и отсечки тока не происходит, т.к. образуется горловина канала с критическим значением напряженности электрического поля. С увеличением Uси горловина удлиняется, за счет чего критическое значение напряженности в горловине канала остаётся постоянным. Таким образом, происходит не отсечка, а лишь ограничение тока Iс нач=const, т.е. начальный ток стока Iс нач становится независимым от напряжения Uси. Напряжение Uси нас, при котором происходит отсечка, если Uзи ≠ 0, определяется из выражения Uзи отс=Uзи-Uси нас или Uси нас=|Uзи отс|-|Uзи|, а Iс=Iс нач +Iс утч, где Iс утч - относительно малый ток утечки управляющего перехода, который через цепь З замыкается на И.
Ток стока Iс при Uси нас называется максимальным током стока.
На рис.3.3 приведено семейство статических выходных (стоковых) характеристик и входная (стоко-затворная) характеристика ПТ с управляющим p-n переходом и каналом n-типа.
|
Рис.3.3 – Семейство статических выходных (стоковых) характеристик и входная (стоко-затворная) характеристика ПТ |
Статические параметры полевого транзистора:
.
Этот параметр не постоянен, имеет максимальное значение при Iс нач и минимальное при Iс утч.
, .
.
Величина, обратная проводимости, соответствует внутреннему (дифференциальному) сопротивлению RI:
.
Этот параметр характеризует насыщенный режим ПТ, при котором Iс нач изменяется значительно (RI имеет значение от нескольких десятков до сотен кОм). Особенно важен для случаев применения ПТ в схемах аналоговых коммутаторов и модуляторов или в качестве регулирующего сопротивления.
показывает во сколько раз эффективнее изменение напряжения на затворе воздействует на ток Iс, чем изменение напряжения на стоке. Этот коэффициент определяет потенциальные возможности ПТ как усилителя напряжения, и его можно представить выражением
Это соотношение называют внутренним уравнением, и оно справедливо для всех управляемых электронных приборов. Порядок μ несколько сотен.
Параметры полевых транзисторов, выпускаемых отечественной промышленностью, приведены в табл.3.1.
Таблица 3.1
|
Тип транзистора |
Ic нач, мА |
Iз, мА |
Uотс, В |
Sмакс, мА/В |
Uси макс,В |
Uзи макс,В |
Примечание |
|
КП 101Г |
0.15-2 |
10 |
5 |
0.15 |
10 |
- |
Низкочастотные маломощные |
|
КП 103И |
0.8-1.8 |
20 |
0.8-3.0 |
0.8-2.6 |
15 |
12 |
|
|
КП 201Е |
0.3-0.65 |
1.5 |
0.4 |
10 |
|||
|
КП 303Е |
5-20 |
1 |
8 |
4 |
25 |
25 |
Высокочастотные маломощные |
|
КП 903В |
200 |
10 |
10 |
80 |
- |
- |
Высокочастотные большой мощности |
Методические указания
Характеристики полевого транзистора типа КП 103И исследуются по схеме, приведенной на рис 3.4.
|
Рисунок 3.4 – Электрическая схема для исследования полевого транзистора Рисунок 3.5 – Распиновка транзистора КП103 |
Лабораторная работа № 4
ИССЛЕДОВАНИЕ ТИРИСТОРА
Программа работы
Пояснения к работе
Обычный тиристор (рис.4.1а) является силовым электронным не полностью управляемым ключом. Он имеет четырехслойную p-n-p-n структуру с тремя выводами анод (А), катод (К) и управляющий электрод (У). Структуру тиристора можно представить в виде двух соединенных трехслойных структур: p-n-p и n-p-n, эквивалентных биполярным транзисторам (рис.4.1б).
|
a) |
б) |
|
Рисунок 4.1 – Структура тиристора обычная (а) и в виде двух трехслойных структур (б) |
На рис.4.2 представлено семейство выходных статических ВАХ при разных значениях тока управления Iу. Предельное прямое напряжение Umax, которое выдерживается тиристором без его включения, имеет максимальные значения при Iу=0. При увеличении тока Iу прямое напряжение, выдерживаемое тиристором, снижается. При превышении обратным напряжением максимально допустимого уровня начинается резкое возрастание обратного тока, связанное с пробоем тиристора.
Статические входные ВАХ, характеризующие параметры управления обычного тиристора, представлены на рис.4.3. Как видно из рисунка, характеристики цепи управления, как и следовало ожидать, напоминают прямую ветвь ВАХ диода или входные характеристики транзистора. Семейство ВАХ расположено в области, ограниченной ее значениями при максимально и минимально допустимых рабочих температурах тиристора. Iу мин, Uу мин - наименьший отпирающий ток управления и отпирающее напряжение управления, необходимые для включения тиристора при заданном анодном напряжении, Uу макс ,Iу макс, Pу доп – максимальные значения тока, напряжения и мощности на постоянном токе, превышение которых может привести к разрушению управляющего p-n перехода.
|
Рисунок 4.2 – Семейство выходных статических ВАХ тиристора |
|
Рисунок 4.3 – Статическая входная ВАХ тиристора |
Методические указания
Тиристор исследуется по схеме приведенной на рис 4.4.
|
Рисунок 4.4 – Схема исследования тиристора |
Лабораторная работа № 5
РЕЖИМ ПО ПОСТОЯННОМУ ТОКУ ТРАНЗИСТОРНОГО УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА
Программа работы
Пояснения к работе
Назначение усилителя - усиление малых по амплитуде сигналов, подаваемых на его вход. Обычно усилители многокаскадные и для получения на выходе максимальной мощности при заранее заданном уровне искажений сигнала выходной каскад должен быть усилителем мощности. В качестве усилителя мощности достаточно хорошо подходят транзисторы, включенные по схеме с ОЭ, т.к. создают условия для большего усиления мощности по сравнению со схемой с ОК. Чтобы обеспечить заданный уровень искажения сигнала, необходимо произвести расчет цепей постоянного тока, определяющий исходные режимы транзисторов выходного каскада и глубину обратной связи по постоянному току для организации необходимой стабилизации исходного режима от температуры и разброса характеристик и параметров отдельных экземпляров транзисторов (данного типа).
Основные этапы расчета цепи по постоянному току: Провести необходимые расчеты сопротивлений резисторов R1,R2,R3,R4 (см. рис.5.1) в соответствие с нижеуказанной методикой:
|
|
|
|
|
|
|
|
В качестве нагрузки в данной схеме выступает сопротивление в цепи коллектора Rк=R3.
Методические указания
Таблица 5.1
|
№ бригады |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
R3, кОм |
0,82 |
0,82 |
0,82 |
1,6 |
1,6 |
1,6 |
|
Eп, В |
10 |
10 |
12 |
12 |
10 |
10 |
|
Kус |
3 |
4 |
5 |
3 |
4 |
5 |
, , , .
|
Рисунок 5.1 – Схема исследования режима по постоянному току транзисторного усилительного каскада |
|
Рисунок 5.2 – Схема для исследования влияния Rэ на KU и KI |
Лабораторная работа № 6
ИССЛЕДОВАНИЕ ТРАНЗИСТОРНОГО УСИЛИТЕЛЯ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ С RC-СВЯЗЬЮ
Программа работы
Пояснения к работе
Исследуемая схема (рис.6.1) является одной из самых распространенных усилительных схем на биполярных транзисторах в дискретном исполнении. Это связано, во-первых, с тем, что здесь транзистор включен по схеме с общим эмиттером, что обеспечивает получение максимального коэффициента усиления по мощности каскада. Во-вторых, элементы, задающие рабочую точку - сопротивления R1, R2, R4 – обеспечивают высокую стабильность режима работы транзистора и его взаимозаменяемость. Основными элементами схемы являются источник питания Ес, управляемый элемент – транзистор V1 и сопротивление R3, образующие главную цепь усилительного каскада. В ней за счёт протекания управляемого по цепи базы коллекторного тока создается усиленное переменное напряжение на выходе схемы.
Как известно, расчет усилительного каскада складывается из определения параметров элементов схемы каскада, предназначенных для обеспечения требуемого режима работы: расчета по постоянному току и расчета по переменному току. В результате последнего определяются усилительные свойства каскада :коэффициент усиления по току КI, по напряжению КU, мощности КP, а также входное Rвх и выходное сопротивления Rвых.
|
Рисунок 6.1 – Схема исследуемого усилительного каскада |
Как было показано в лабораторной работе по исследованию режимов каскада по постоянному току, его стабильность увеличивается с ростом отношения R4/R3 и уменьшением сопротивления делителя R1R2. Действительно, рост отношения R4/R3 приводит к увеличению глубины отрицательной обратной связи по току, охватывающей каскад, что уменьшает влияние изменения контактной разности потенциалов, приводящей к сдвигу входной характеристики транзистора влево при росте температуры, уменьшает влияние роста коэффициента усиления по току транзистора и обратного тока коллекторного p-n перехода. Рост отношения R4/R3 приводит к уменьшению коэффициента использования источника питания, уменьшает при прочих равных условиях амплитуду максимального выходного напряжения каскада. При использовании современных транзисторов достаточно хорошая степень стабильности каскада реализуется при падении напряжения на сопротивлении R4 порядка 1-3 В, что позволяет обойтись величиной отношения R4/R3=0.2-0.3 в зависимости от напряжения источника питания и требуемой стабильности. Уменьшение сопротивления делителя R1R2 делает потенциал базы независимым от, изменяющегося от транзистора к транзистору и от температуры, тока базы и тем самым помогает обеспечить температурную стабильность каскада и взаимозаменяемость транзисторов в нем. Относительно базы сопротивления R1 и R2 оказываются включенными параллельно переходу база-эмиттер и шунтируют его, отбирая часть мощности источника входного сигнала. При рекомендованных выше соотношениях R4/R3 сопротивление R1>>R2, и поэтому его шунтирующим действием можно пренебречь. Величину сопротивления R2 выбирают в 3-6 раз больше входного сопротивления усилительного элемента и поэтому его также можно не учитывать при определении усилительных характеристик каскада.
Конденсаторы С1 и С2 носят название разделительных, так как отделяют соответственно входные и выходные цепи транзистора по постоянному току от цепи источника входного сигнала ГНЧ и цепи нагрузки R5. Сопротивление конденсатора С1 по усиливаемому напряжению должно быть значительно меньше входного сопротивления транзистора, а реактивное сопротивление С2 - значительно меньше сопротивления R5 .
Конденсатор С3 служит для исключения отрицательной обратной связи по усиливаемому сигналу. Его величина должна быть такой, чтобы амплитуда переменного напряжения на нем при протекании выходного тока была значительно меньше амплитуды входного сигнала.
Обычно усилительный каскад используется в составе многокаскадного усилителя, где требования к первым и выходным каскадам различны. Выходной каскад должен обеспечить заданную мощность в нагрузке с минимальными искажениями сигнала при этом переменное напряжение на нагрузке велико и обеспечить предъявляемые к каскаду требования довольно трудно. Естественно, что вопрос получения максимального коэффициента усиления при этом отодвигается на второй план.
Первые каскады усилителя работают при малых амплитудах выходного напряжения, поэтому вопрос получения малых искажений в них решается довольно просто. Основная задача при проектировании этих каскадов - получение максимально высокого коэффициента усиления.
Обычно напряжение питания является величиной, заданной для устройства в целом и поэтому в распоряжении разработчика остается лишь выбор величины тока через усилительный элемент включением оптимального сопротивления в коллекторе транзистора, задание оптимальной рабочей точки.
Методические указания
|
Рисунок 6.2 – Проходная характеристика каскада |
Лабораторная работа № 7
ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ СХЕМ НА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ
Программа работы
Выполнить п.п. 1.1-1.4 для схемы неинвертирующего усилителя.
Методические указания
Для исследования предложен операционный усилитель К140УД1А, распиновка которого представлена на рис.7.1.
|
а) б) |
|
Рисунок 7.1 – Распиновка операционного усилителя: а) К140УД1А, б) TL082 |
Таблица 7.1
|
№ бригады |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
Кус |
7 |
5 |
6 |
4 |
3 |
2.5 |
Запустив ВП Digital Multimeter измерить величину сопротивления R2.
; .
Определить величину R2 и сравнить ее с измеренной. Сделать выводы.
|
Рисунок 7.2 – Схема исследования инвертирующего усилителя |
|
Рисунок 7.3 – Схема измерения входного сопротивления инвертирующего усилителя |
В начале эксперимента необходимо установить Rд=0 и измерить при этом Uвых. Увеличивая величину Rд, добиться, чтобы величина Uвых уменьшилась в 2 раза. В этом случае Rвх=Rд. Измерить величину Rд с помощью ВП Digital Multimeter. Сделать выводы.
; .
Определить величину R2 и сравнить ее с измеренной. Сделать выводы.
|
Рисунок 7.4 – Схема исследования неинвертирующего усилителя |
|
Рисунок 7.5 – Схема исследования усилителя-повторителя |
Лабораторная работа № 8
ИССЛЕДОВАНИЕ СХЕМ КОМБИНАЦИОННОЙ И ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЙ ЛОГИКИ
Программа работы
Методический материал
|
а |
|
б |
|
в |
|
г |
|
д |
|
Рисунок 8.1 |
Логический элемент ИЛИ имеет несколько входов и один общий выход. Его условное обозначение показано на рис.8.1а. Логический элемент ИЛИ выполняет операцию логического сложения (дизъюнкции):
F = x1 + x2 + x3 + … + xn,
где F – функция; x1, x2, x3, … , xn – аргумент (переменные, двоичные сигналы на входах).
Здесь функция F = 0, когда все его аргументы равны нулю, и F = 1 при одном, нескольких или всех аргументах, равных единице.
На практике возможны случаи, когда число входов используемого логического элемента ИЛИ превышает количество входных сигналов. Неиспользованные входы заземляют. Тем самым исключая возможность прохождения помех через элемент ИЛИ от наводок по неиспользованным входам.
Логический элемент И имеет несколько входов и один общий выход. Его условное обозначение показано на рис.8.1б. Логический элемент И выполняет операцию логического умножения (конъюнкции):
F = x1 · x2 · x3 · … · xn,
где F – функция; x1, x2, x3, … , xn – аргумент (переменные, двоичные сигналы на входах).
Здесь функция F = 0, когда хотя один из его аргументов равен нулю, и F = 1 при всех аргументах, равных единице.
В случае применения логического элемента И, имеющего число входов, больше количествавходных сигналов, неиспользованные входы элемента соединяют с шиной “+” источника питания (подают сигнал логической “1”). Это уменьшает вероятность прохождения помех на выход элемента И от наводок по неиспользованным.
Логический элемент НЕ имеет один вход и один выход. Его условное обозначение показано на рис.8.1в. Элемент НЕ выполняет операцию инверсии (отрицания), в связи с чем его называют логическим инвертором. Им реализуется функция
.
Сигналу x = 0 на входе соответствует F = 1 и, наоборот, при x = 1 F = 0.
Условное обозначение элемента ИЛИ-НЕ показано на рис.8.1г. Он объединяет элементы ИЛИ и НЕ с показанной очередностью проведения операций. В связи с этим входным сигналам, равным единице, соответствует логический “0” на выходе, а при нулевых сигнала на всех входах F = 1.
Функциональная операция, выполняемая элементом ИЛИ-НЕ при n входах, определяется выражением
.
Условное обозначение логического элемента И-НЕ и эквивалентная структурная схема показаны на рис.8.1д. Логической “1” на всех информационных входах соответствует логический “0” на выходе элемента. При логическом “0” на одном из входов создается логическая “1” на выходе. Логическая функция элемента И-НЕ при n входах отвечает выражению
.
В импульсной цифровой технике широко используются функциональные узлы, способные сохранять двоичную информацию (состояния “0”, “1”) после окончания действия входных импульсов. Такие функциональные узлы называются триггерами. Указанное свойство триггера обусловлено тем, что факторами, воздействующими на его состояние, являются не только внешние управляющие сигналы, но и сигналы самого триггера (сигналы обратной связи).
Триггеры отличают функциональный признак, определяющий поведение триггера при воздействие сигнала управления (R-S, D, T, J-K и др.), а также используемый способ управления (асинхронные и тактируемые). В асинхронных триггерах переключение из одного состояния в другое осуществляется непосредственно с поступлением сигнала на информационный вход. В тактируемых триггерах помимо информационных входов имеется вход тактовых импульсов, их переключение производится только при наличие разрешающего, тактирующего импульса.
На рис.8.2а показана структурная схема асинхронного R-S-триггера на логических элемента И-НЕ. Схема имеет два выхода - прямой, - инверсный. Асинхронный R-S триггер, как и триггер любого другого типа, характеризуется двумя состояниями: логический “1” и логического “0”. Состоянию логической “1” соответствует ,; состоянию логического “0” - ,.
По информационному входу производится установка триггера в состояние логической “1”, по входу - установка (перевод) триггера в исходное состояние логического “0”. Этому соответствуют сокращенные обозначения входов и название триггера: S – set (установка), R – reset (возвращение в исходное состояние).
Принцип действия триггера определяется поведением в нем элементов И – НЕ. Он иллюстрируется таблицей переходов триггера, где указаны значение входных сигналов и в некоторый момент времени tn и состояние триггера (по значению его прямого выхода) в следующий момент времени tn+1 после прихода очередных импульсов.
На рис.8.2б приведена структурная схема асинхронного R-S-триггера на логических элемента ИЛИ-НЕ. В отличие от предыдущей схемы триггер управляется не инверсными, а прямыми значениями входных сигналов.
|
а |
б |
|
Рисунок 8.2 – Структурная схема асинхронного R-S-триггера а) - с прямыми; б) - с инверсными входами |
D-триггеры имеют один информационный вход. Состоянию логической “1” соответствует единица на входе триггера, логического “0” – нулевой уровень входного сигнала. На практике наибольшее применение получили тактируемые (однотактные и двухтактные) D-триггеры. Их обозначение обусловлено свойством сохранять состояние логической “1” после снятия входного сигнала до прихода очередного тактового импульса (delay - задержка).
На рис.8.3 приведена структурная схема однотактного D-триггера, выполненного на основе R-S-триггера.
|
Рисунок 8.3 – Структурная схема тактируемого D-триггера |
Методические указания
Цоколевки цифровых микросхем комбинационной логики используемы в лабораторной работе приведены на рисунке 8.4.
|
Рисунок 8.4 - Цоколевки цифровых микросхем ТТЛ используемы в лабораторной работе |
Цоколевка микросхемы КМ155ТМ7 – четыре D-триггера представлена на рис.8.5а, его функциональная схема на рис.8.5б.
|
а |
б |
|
Рисунок 8.5 - Цоколевка и функциональная схема микросхемы КМ155ТМ7 |
|
Рисунок 8.6 – Последовательность импульсов для исследования схем комбинационной логики |
|
|
a |
б |
|
Рисунок 8.7 – Последовательность импульсов a) – для исследования схемы R-S-триггера с прямыми входами, б) – с инверсными |
|
Рисунок 8.8 – Последовательность импульсов для исследования тактируемого D-триггера |