close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

614

код для вставкиСкачать
И. Г. ШАХОВ
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ЭЛЕКТРОНИКА»
Часть 2
ОМСК 2010
Министерство транспорта Российской Федерации
Федеральное агентство железнодорожного транспорта
Омский государственный университет путей сообщения
____________________________
И. Г. Шахов
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ЭЛЕКТРОНИКА»
Часть 2
Утверждено редакционно-издательским советом университета
Омск 2010
1
УДК 621.38 (075.8)
ББК 32.85я73
Ш28
Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Электроника». Часть 2 / И. Г. Шахов; Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2010. 40 с.
Методические указания содержат четыре лабораторные работы, в которых изложены краткие теоретические сведения о схемотехнике электронных
устройств дискретных элементов, аналоговых и цифровых микросхемах. Рассмотрены методы анализа электронных устройств, способы и методы определения характеристик электронных устройств.
Предназначены для студентов второго курса очной и заочной форм обучения специальности 190303 – «Электрический транспорт железных дорог», а
также слушателей Института повышения квалификации и переподготовки.
Библиогр.: 5 назв. Табл. 8. Рис. 25.
Рецензенты: доктор техн. наук, профессор В. П. Смирнов;
канд. техн. наук, доцент С. Н. Чижма.
_________________________
© Омский гос. университет
путей сообщения, 2010
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Лабораторная работа 4. Биполярные транзисторы. Усилительные каскады.
4.1. Краткие теоретические сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2. Порядок выполнения работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3. Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4. Содержание отчета . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Лабораторная работа 5. Аналоговые микросхемы. Операционный
усилитель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.1. Краткие теоретические сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2. Порядок выполнения работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3. Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4. Содержание отчета . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Лабораторная работа 6. Основы алгебры логики. Основные логические
элементы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.1. Краткие теоретические сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2. Порядок выполнения работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.3. Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.4. Содержание отчета . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Лабораторная работа 7. Последовательностные логические устройства.
Триггеры. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.1. Краткие теоретические сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.2. Порядок выполнения работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.3. Контрольные вопросы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.4. Содержание отчета . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Библиографический список. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
5
6
6
12
15
15
16
16
22
26
26
26
26
30
30
31
31
31
38
38
38
39
4
ВВЕДЕНИЕ
Электроника – важнейшая отрасль науки и техники, изучающая взаимодействие заряженных частиц (в первую очередь − электронов) с электромагнитными полями, а также методы разработки вакуумных, газоразрядных и полупроводниковых электронных приборов, используемых в основном для генерации и усиления сигналов, передачи, обработки и хранения информации.
Началом возникновения электроники принято считать изобретение в 1904 г.
электровакуумного диода. Электроники за более чем 100 лет своего существования, пройдя несколько этапов революционных преобразований, стала отраслью знаний, определяющей уровень развития цивилизации. Достижения современной электроники сделали ее неотъемлемой частью жизни современного человека и производственных отношений.
Электронные элементы применяются как для передачи и хранения информации (информационная электроника), так и для преобразования электрической энергии (силовая электроника).
На железнодорожном транспорте (в частности, в локомотивном хозяйстве) электронная техника применяется повсеместно, начиная с преобразования
электрической энергии для питания электрических машин и заканчивая диагностикой и автоведением подвижного состава.
Перед началом выполнения лабораторных работ студенты должны пройти
инструктаж по технике безопасности, который проводит преподаватель. Для
успешного освоения материала по дисциплине «Электроника» студент должен
перед каждой лабораторной работой предварительно самостоятельно подготовиться по изучаемой теме.
5
Лабораторная работа 4
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ.
УСИЛИТЕЛЬНЫЕ КАСКАДЫ
Ц е л ь р а б о т ы: изучить назначение, принцип действия биполярных
транзисторов; научиться определять параметры и характеристики полупроводниковых транзисторов; исследовать схемы усилителей на биполярном транзисторе.
4.1. Краткие теоретические сведения
Транзисторами называют активные полупроводниковые приборы, применяемые для усиления и генерирования электрических колебаний. По принципу
действия транзисторы делятся на биполярные и полевые. Транзистор называют
биполярным из-за того, что физические процессы в нем связаны с движением
носителей зарядов обоих знаков (свободных дырок и электронов). Устройство
биполярного транзистора основано на явлениях взаимодействия двух близко
расположенных p-n-переходов. Возможны две трехслойные структуры с различным чередованием участков с электронной и дырочной проводимостью, отсюда различают транзисторы двух типов: p-n-p и n-p-n. Структура и условное
обозначение транзисторов p-n-p и n-p-n-типа приведены на рис. 4.1. К каждой
из областей (эмиттер, коллектор, база) присоединены выводы, с помощью которых транзистор включается в схему.
Биполярный транзистор представляет собой монокристалл кремния или
германия, в котором созданы три области с чередующимися типами проводимости (p-n-p и n-p-n). Средняя область имеет проводимость, противоположную
крайним областям. Среднюю область называют базой, а крайние − эмиттером и
коллектором. Между эмиттером и базой создается электронно-дырочный переход, называемый эмиттерным. Переход между коллектором и базой называют
коллекторным переходом. Проводимость базовой области может быть как
электронной, так и дырочной, соответственно этому транзисторы бывают p-n-p
и n-p-n-типа.
6
Принцип работы транзисторов обоих типов одинаков. Различие между
ними заключается в том, что в транзисторе p-n-p ток создается дырками, а в
транзисторе n-p-n-электронами.
Рис. 4.1. Типы проводимости транзисторов:
а – p-n-p; б – n-p-n
Транзисторы n-p-n-типа подчиняются следующим правилам (для транзисторов p-n-p-типа эти правила сохраняются, но следует учесть, что полярности
напряжений должны быть изменены на противоположные).
1. Коллектор имеет более положительный потенциал, чем эмиттер.
2. Цепи «база – эмиттер» и «база – коллектор» работают как диоды. Диод
«база – эмиттер» обычно открыт (т. е. смещен в прямом направлении), а диод
«база – коллектор» смещен в обратном направлении (т. е. приложенное напряжение препятствует протеканию тока через него).
3. Каждый транзистор характеризуется максимальными значениями тока
коллектора Iк, тока базы Iб и напряжения «коллектор – эмиттер» Uк-э. При превышении этих значений транзистор выходит из строя.
4. Если предыдущие правила соблюдены, то ток коллектора Iк прямо пропорционален току базы и можно записать соотношение: Iк = Iб h21, где h21 – коэффициент усиления по току.
7
Поскольку Iэ = Iк + Iб, а ток базы пренебрежимо мал по сравнению с током коллектора, то можно сказать, что Iэ ≈ Iк, т. е. ток коллектора приблизительно равен току эмиттера.
В зависимости от выбранных значений питающих напряжений, сопротивления нагрузки и от амплитуды и формы сигналов, подаваемых на вход транзистора, различают следующие основные режимы работы транзисторов: активный, или усилительный; режим отсечки соответствует закрытому состоянию
транзистора; режим насыщения в выходной цепи транзистора проходит
большой ток, величина которого практически не меняется при изменении
входного тока.
Каждый из режимов находит свое практическое применение:
транзисторные усилители гармонических сигналов работают в активном
режиме. Предварительные каскады усиления работают в режиме малого сигнала, выходные каскады усилителей − в режиме большого сигнала;
транзисторные ключевые схемы (транзисторные ключи) работают в режимах отсечки и насыщения, переход из одного режима в другой происходит
скачкообразно (включен/выключен).
Система обозначений современных типов транзисторов в странах СНГ установлена отраслевым стандартом ОСТ 11336.919-81.
4.1.1. Усилительные каскады на биполярных транзисторах
Неотъемлемой частью практически любого устройства информационной
электроники является усилитель электрических сигналов, содержащий один
или несколько каскадов усиления, которые могут быть выполнены по различным схемам и на различной элементной базе.
Усилителями называют устройства, в которых относительно маломощный входной сигнал управляет передачей значительно большей мощности из
источника питания в нагрузку. В общем случае усилители должны усиливать
как переменные, так и постоянные или медленно изменяющиеся сигналы.
Простейшая усилительная ячейка носит название усилительного каскада.
В практических устройствах электроники наиболее широкое распространение получила схема с общим эмиттером, имеющая наибольшее усиление
по мощности (рис. 4.2). В выходную (коллекторную) цепь включена
8
нагрузка Rк, а во входную (базовую) цепь − источник входного сигнала с
напряжением Uвх. В этой схеме увеличение тока базы вызывает возрастание тока в цепи коллектора и уменьшает напряжение на коллекторе. Ток и напряжение на коллекторе связаны между собой уравнением: Uк-э = Eк − IкRк. Такой
режим работы называют динамическим, а характеристики, определяющие связь
между токами и напряжениями транзистора при наличии сопротивления
нагрузки, − динамическими характеристиками. Динамические характеристики
строят на семействе статических при заданных значениях напряжения источника питания коллекторной цепи Eк и сопротивления нагрузки Rк.
Рис. 4.2. Схема усилительного каскада с общим эмиттером
Усилители с глубокой отрицательной связью (ООС) широко применяются в микросхемах. Типичным представителем усилителя с глубокой ООС является каскад с эмиттерной нагрузкой, или эмиттерный повторитель, представленный на рис. 4.3.
У эмиттерного повторителя транзистор включен по схеме с общим коллектором (ОК), а нагрузка включена в эмиттерную цепь. Выходное напряжение, снимаемое с резистора Rэ, совпадает по фазе с входным напряжением, при
этом эмиттерный повторитель не дает усиления по напряжению. Несмотря на
это у эмиттерного повторителя есть ряд преимуществ по сравнению с обычными усилительными каскадами.
9
Входное сопротивление эмиттерного повторителя велико, а выходное −
мало. Малое выходное сопротивление эмиттерного повторителя позволяет
использовать его при работе на низкоомную нагрузку, а сочетание большого
входного и малого выходного сопротивлений дает возможность применять повторитель как согласующий каскад. Эмиттерный повторитель, как всякий усилитель с глубокой ООС, имеет малые частотные искажения и большой динамический диапазон входных сигналов при низком уровне нелинейных искажений.
Глубокая ООС обеспечивает высокую стабильность параметров эмиттерного
повторителя и их меньшую зависимость от изменения температуры и напряжения питания.
Рис. 4.3. Схема усилительного каскада с общим коллектором
Принципиальная схема каскада с общей базой (далее − ОБ) на n-p-nтранзисторе приведена на рис. 4.4. Резисторы R1 и R2 образуют делитель
напряжения, обеспечивающий положительный потенциал эмиттера, т. е. смещение эмиттерного перехода в прямом направлении, поскольку потенциал базы
равен нулю. Конденсатор C3 служит для устранения обратной связи по переменному току.
Входное сопротивление каскада с общей базой (ОБ), меньше входного
сопротивления каскада с общим эмиттером (ОЭ) (практически оно не превышает нескольких десятков Ом). Коэффициент усиления по току всегда меньше
единицы. При условии, что сопротивление источника сигнала во много раз
10
превышает сопротивление транзистора со стороны базы, коэффициент усиления по току будет приблизительно равен единице, т. е. в этом случае каскад работает как повторитель тока.
Коэффициент усиления по напряжению существенно зависит от сопротивления нагрузки и сопротивления источника сигнала Rc. Для получения
большего коэффициента усиления по напряжению нужно чтобы Rc → 0, а
Rc → ∞.
+Uпит
R1
VT
С1
Rк
C2
Rc
~
Ec
R3
R2
C3
Rн
Рис. 4.4. Схема усилительного каскада с общей базой
Вследствие малого входного сопротивления и при коэффициенте усиления по току меньше единицы каскад с ОБ в качестве промежуточного усилителя применяется редко, а используется как составная часть промежуточных усилителей, изменяя их свойства в нужную сторону.
Частотные свойства каскада с ОБ значительно лучше, чем у каскада с ОЭ,
поэтому усилительные каскады с ОБ часто используют на повышенных частотах и для усиления широкополосных импульсных сигналов. Нелинейные искажения в каскаде с ОБ меньше, чем в каскаде с ОЭ. Это обусловлено значительно меньшей зависимостью коэффициента передачи при изменении протекающего через транзистор тока. Каскад с ОБ не инвертирует входной сигнал. Типовые значения параметров каскадов усиления приведены в табл. 4.1.
11
Т а б л и ц а 4.1
Типовые значения параметров каскадов усиления
Параметр
Коэффициент усиления по напряжению
Коэффициент усиления по току
Коэффициент усиления по мощности
Схема включения
с ОБ
с ОЭ
с ОК
>1
>1
≈1
≈1
>1
>1
>1
>1
>1
4.2. Порядок выполнения работы
Работа выполняется в прикладном пакете MultiSim, который позволяет
моделировать аналоговые, цифровые и цифроаналоговые схемы разной степени
сложности. Имеющиеся в программе MultiSim библиотеки включают в себя
набор часто используемых электронных компонентов, приборов, что дает возможность планировать и проводить исследования электронных схем при минимальных затратах времени. Есть возможность подключения и создания новых
библиотек компонентов. Система схемотехнического моделирования MultiSim
позволяет строить схемы различной степени сложности при помощи следующих операций:
выбор элементов и приборов из библиотек;
перемещение элементов и схем в любое место рабочего поля;
поворот элементов и групп на углы, кратные 90°;
копирование, вставка или удаление элементов, групп элементов, фрагментов схем и целых схем;
изменение цвета проводников;
одновременное подключение нескольких измерительных приборов и наблюдение их показаний на экране монитора;
присваивание элементу условного обозначения;
изменение параметров элементов в широком диапазоне.
Все операции производятся при помощи мыши и клавиатуры.
Путем настройки приборов можно
изменять шкалы приборов в зависимости от диапазона измерений;
задавать режим работы прибора;
12
задавать вид входных воздействий на схему (постоянные и гармонические токи и напряжения, треугольные и прямоугольные импульсы).
Графические возможности программы MultiSim позволяют
одновременно наблюдать несколько кривых на графике;
отображать кривые на графиках различными цветами;
измерять координаты точек на графике.
Соберите схему усилителя с общим эмиттером, изображенную на рис.
4.5, для исследования принимаем транзистор с идеальными характеристиками.
Получите у преподавателя параметры входного сигнала. Измеряя токи и
напряжения во входной (Е1) и в выходной (Rн) цепи, определите коэффициенты усиления. Коэффициент усиления по току определяется как отношение значения тока на выходе к значению тока на входе усилителя:
I
K i = âûõ .
I âõ
(4.1)
Аналогично определяется коэффициент усиления по напряжению:
Ku =
U âûõ Rê
=
.
U âõ
Rå
Рис. 4.5. Схема усилителя с общим эмиттером
Коэффициент усиления по мощности:
13
(4.2)
Kp =
U âûõ I âûõ
= Ki K u .
U âõ I âõ
(4.3)
Полученные данные занесите в табл. 4.2.
Т а б л и ц а 4.2
Результаты экспериментальных данных
Параметр
ОЭ
Схема включения транзистора
ОБ
ОК
Iвх
Iвых
Uвх
Uвых
Ki
Ku
Kр
Соберите схему усилителя с общей базой, изображенную на рис. 4.6.
Рис. 4.6. Схема усилителя с общей базой
Аналогично выполните задания подразд. 4.2 для схемы с общей базой.
14
Соберите схему усилительного каскада с общим коллектором, изображенную на рис. 4.7.
Рис. 4.7. Схема усилителя с общим коллектором
Аналогично выполните задания подразд. 4.2 для схемы с общим коллектором.
4.3. Контрольные вопросы
1) Что такое транзистор и для чего он используется?
2) Какие типы транзисторов существуют?
3) Какие режимы работы транзистора существуют?
4) Какие схемы включения транзисторов применяются?
5) Какую схему называют эмиттерным повторителем?
4.4. Содержание отчета
1) Типы транзисторов.
2) Назначение транзисторов.
3) Исследуемые схемы с параметрами выходных сигналов.
4) Таблица экспериментальных и расчетных данных.
5) Выводы о проделанной работе.
15
Лабораторная работа 5
АНАЛОГОВЫЕ МИКРОСХЕМЫ.
ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
Ц е л ь р а б о т ы: изучение принципа действия операционного усилителя (ОУ), изучение основных свойств операционных усилителей, исследование
основных схем на ОУ.
5.1. Краткие теоретические сведения
Операционные усилители занимают особое место среди аналоговых интегральных микросхем, предназначенных для усиления, преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции. Операционные усилители являются наиболее универсальным многофункциональным
базовым элементом для построения многих узлов, используемых не только для
линейного преобразования, усиления и обработки сигналов, но и для нелинейного преобразования.
Операционным усилителем принято называть усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и несимметричным выходом, характеризующийся высоким коэффициентом усиления, большим входным и малым выходным сопротивлениями, а также низким уровнем шума при хорошей температурной стабильности. ОУ способен устойчиво работать при замкнутой цепи обратной связи. Входной каскад операционного усилителя выполняется в виде
дифференциального усилителя, поэтому он имеет два входа и реагирует только
на разность приложенных напряжений, т. е. на дифференциальный сигнал.
По габаритным размерам и стоимости ОУ мало отличаются от отдельно
взятого транзистора. Реализация различных устройств с применением ОУ значительно проще, чем на отдельных транзисторах, одновременно получается
выигрыш в габаритах и массе.
Согласно ГОСТ 2.759-82 (СТ СЭВ 3336-81) обозначения элементов аналоговой техники, к числу которых относится и ОУ, выполняют на основе прямоугольника (рис. 5.1, а). Он может содержать основное и одно или два дополнительных поля, расположенных по обе стороны от основного. На схемах
16
усилитель обозначается треугольником на основном поле. Справа от него указывают коэффициент усиления. Если конкретное значение коэффициента усиления несущественно, его допускается не указывать (можно также выносить
знак бесконечности ∞). На упрощенных схемах (рис. 5.1, б) напряжение питания не показывается.
DA
DA
Выход
FC
FC
+Un
–U n
NC
NC
Частотная
коррекция
U2
Uвых
U1
Коррекция
нуля
а
б
Рис. 5.1. Условно-графическое обозначение
операционного усилителя
Чтобы обеспечить возможность работы ОУ как с положительными, так и
отрицательными входными сигналами, требуется двухполярное питающее напряжение. При двухполярном питании постоянное напряжение на несимметричном выходе отсутствует при условии, что постоянных напряжений на входе
ОУ нет.
Для большей наглядности схем допускается упрощенное обозначение
ОУ, в котором сохраняются лишь основное поле и сигнальные выводы
(см. рис. 5.1, б). Общий провод также может быть не показан.
На рис. 5.2 показана цоколевка операционного усилителя (ОУ) К140УД7.
ОУ специально созданы для использования в схемах с глубокой отрицательной
обратной связью так, чтобы параметры устройств определялись преимущественно параметрами цепи ООС, а сам ОУ был функционально незаметен. Такой ОУ по своим характеристикам должен приближаться к идеальному. С идеальным ОУ обычно связывают следующие свойства: бесконечно большой коэффициент усиления в бесконечно большой полосе пропускания, бесконечное
17
входное и нулевое выходное сопротивление. Кроме того, усилитель не должен
иметь статических ошибок, изменяющихся от температуры и времени.
Ключ
1
Инверсный
вход
2
8
DA
Прямой
вход
3
–15 В
7
NC
+Un
NC
–U n
4
6
+15 В
Выход
5
Установка
нуля
Рис. 5.2. Расположение выводов (цоколевка) ОУ типа К140УД7
Как и все электронные приборы, операционные усилители характеризуются своими параметрами − основными показателями, по которым выбирают
тот или иной прибор для применения в реальной схеме. В качестве примера
приведем операционный усилитель К140УД7, он относится к ОУ среднего
класса точности с внутренней частотной коррекцией. Основные параметры ОУ
приведены в табл. 5.1.
18
Т а б л и ц а 5.1
Основные параметры ОУ К140УД7
Параметр ОУ
Коэффициент усиления по напряжению (КU ОУ)
Значение
параметра
> 50000
Частота единичного усиления, мГц (f1)
> 0,8
Напряжение источника питания, В (± Uп)
±15
Потребляемый ток, мА (Iпот)
< 2,8
Максимальная амплитуда выходного напряжения, В (IUвых)
11,5
Напряжение смещения, мВ (Uсм)
4
Ток входной, нА (Iвх)
< 200
Разность входных токов, нА ( ∆ Iвх)
< 50
Сопротивление входное, мОм (Rвх)
> 0,4
Сопротивление выходное, Ом (Rвых)
< 150
Температурный дрейф напряжения смещения, мкВ / град
<6
( ∆ Uсм / ∆ Т °С)
Скорость нарастания выходного напряжения, В / мкс (VU вых)
≥ 0,7
Коэффициент ослабления синфазного сигнала, дБ (Кос. сф)
≥ 70
Напряжение синфазного сигнала (максимально допустимое), В
15
(Uвх. сф max)
Сопротивление нагрузки (минимально допустимое), кОм (Rн)
2
При анализе схем на ОУ с отрицательной обратной связью обычно
принимают следующие упрощающие предположения (при Rвх
ОУ
→ ∞
и
КU ОУ → ∞):
1) входы ОУ не потребляют тока;
2) напряжение между входами ОУ равно нулю. Последнее предположение следует из того, что при Квх ОУ → ∞ напряжение на выходе ОУ всегда конечно и по значению меньше напряжения питания Un, что может иметь место
только при U1 – U2 = 0 или U1 = U2, где U1 и U2 – напряжение на входах ОУ.
Рассмотрим типовые схемы включения ОУ.
19
Входной и выходной сигналы инвертирующего усилителя сдвинуты по
фазе относительно друг друга на 180°. Коэффициент усиления инвертирующего
усилителя с обратной связью определяется по формуле:
R
K y.o.c = − o.c ,
R1
(5.1)
где Rо.с – сопротивление в цепи обратной связи;
R1 – сопротивление на входе усилителя.
Схема инвертирующего усилителя приведена на рис. 5.3. Знак минус в
правой части формулы (5.1) указывает на то, что выходной сигнал инвертирован относительно входного.
Рис. 5.3. Схема инвертирующего усилителя
Фазовый сдвиг между входным и выходным сигналами неинвертирующего усилителя на низких частотах равен нулю. С увеличением частоты наблюдается отставание по фазе выходного сигнала за счет наличия реактивных элементов схемы, в том числе паразитных. Схема неинвертирующего усилителя
приведена на рис. 5.4.
Коэффициент усиления усилителя с замкнутой обратной связью
K o.c =
R1 + Ro.c
R
= 1 + o.c .
R1
R1
Если Rо.с = 0; R1 = ∞, то получим схему повторителя напряжения.
20
(5.2)
Интегрирующее звено представляет собой линейную схему на ОУ, в которой в цепи отрицательной обратной связи применен реактивный элемент (катушка индуктивности или конденсатор). Для построения активного интегратора может использоваться как инвертирующее, так и неинвертирующее включение ОУ.
Rо.с
DA
R1
Uвых
Uвх ~
Рис. 5.4. Схема неинвертирующего усилителя
Простейшая схема инвертирующего интегратора на ОУ с использованием
конденсатора представлена на рис. 5.5. Этот интегратор имеет передаточную
функцию.
C1
DA
R1
UД
Uвых
Uвх ~
R2
Рис. 5.5. Схема инвертирующего интегратора
21
Схема дифференциатора представлена на рис. 5.6. Элементы С1, Rо.с образуют основную дифференцирующую цепь.
Рис. 5.6. Схема дифференциатора
5.2. Порядок выполнения работы
5.2.1. Инвертирующий усилитель
1) Используя компьютерную программу MultiSim, смоделируйте схему,
приведенную на рис. 5.7.
Рис. 5.7. Схема инвертирующего усилителя
2) Подайте на инвертирующий вход ОУ синусоидальный сигнал. Получите на экране осциллографа устойчивое изображение.
22
3) Измерьте амплитуду входного и выходного сигналов.
4) Рассчитайте коэффициент усиления напряжения, используя амплитудные значения входного и выходного напряжения, по формуле:
R
U
K Uèíâ = − âûõ ò = − o.c .
U âõ ò
R1
(5.3)
5) Рассчитайте коэффициент усиления напряжения по значениям номиналов резисторов.
6) Не изменяя амплитуды входного сигнала, измените резистор в цепи
ООС в два раза и посмотрите, как изменилась амплитуда выходного сигнала.
7) Подайте на инвертирующий вход усилителя импульсы прямоугольной
формы. Снимите осциллограмму формы выходного сигнала.
5.2.2. Неинвертирующий усилитель
1) Используя компьютерную программу MultiSim смоделируйте схему,
приведенную на рис. 5.8.
Рис. 5.8. Схема неинвертирующего усилителя
2) Подайте на неинвертирующий вход ОУ синусоидальный сигнал. Получите на экране осциллографа устойчивое изображение.
3) Измерьте амплитуду входного и выходного сигналов.
4) Рассчитайте коэффициент усиления напряжения, используя амплитудные значения входного и выходного напряжения, по формуле:
23
K Uíåèíâ =
R
U âûõ ò
= 1 + o.c .
U âõ ò
R1
(5.4)
5) Не изменяя амплитуды входного сигнала, измените резистор в цепи
ООС в полтора раза и посмотрите, как изменилась амплитуда выходного
сигнала.
5.2.3. Повторитель напряжения
1) Используя компьютерную программу MultiSim смоделируйте схему,
изображенную на рис. 5.9.
Рис. 5.9. Схема повторителя
2) Подайте на неинвертирующий вход ОУ прямоугольные импульсы. Получите на экране осциллографа устойчивое изображение.
3) Измерьте амплитуду входного и выходного сигналов.
4) Рассчитайте коэффициент усиления напряжения, используя амплитудные значения входного и выходного напряжения, по формуле (5.4).
5) Измените амплитуду входных импульсов. Оцените изменение выходного сигнала.
5.2.4. Интегратор
1) Используя компьютерную программу MultiSim, смоделируйте схему,
представленную на рис. 5.10.
2) Подайте на вход прямоугольные импульсы с генератора частотой 50 Гц
и амплитудой 5 В.
24
3) Снимите осциллограмму формы выходного сигнала.
Рис. 5.10. Схема интегратора
5.2.5. Дифференциатор
1) Используя компьютерную программу MultiSim, смоделируйте схему,
приведенную на рис. 5.11.
2) Подайте на вход прямоугольные импульсы.
3) Снимите осциллограмму формы выходного сигнала.
R о.с
R1
С1
–
+
~
R2
~ Ec
Рис. 5.11 Схема дифференциатора
5.3. Контрольные вопросы
1) Что такое ОУ?
2) Какие виды ОУ бывают?
25
3) В чем заключается основное преимущество ОУ?
4) Что такое обратная связь?
5) Какие виды обратных связей бывают?
6) Охарактеризуйте включение ОУ с обратными связями.
7) Что такое коэффициент усиления ОУ, и от чего он зависит?
8) Охарактеризуйте включение ОУ интегратором и дифференциатором.
5.4. Содержание отчета
1) Схемы исследований.
2) Данные измерений в виде осциллограмм по каждой схеме.
3) Формулы и результаты теоретического расчета параметров схем и
сопоставление их с экспериментальными значениями.
4) Выводы о проделанной работе.
5) Ответы на контрольные вопросы.
Лабораторная работа 6
ОСНОВЫ АЛГЕБРЫ ЛОГИКИ.
ОСНОВНЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Ц е л ь р а б о т ы: исследование основных логических элементов и простейших комбинационных устройств.
6.1. Краткие теоретические сведения
В устройствах цифровой электроники используются элементы, входные и
выходные сигналы которых могут принимать лишь два значения: логической
единицы − «1» и логического нуля − «0». Такие элементы, называемые логическими, осуществляют простейшие операции с двоичными числами.
Для описания алгоритмов работы и структуры логических схем используют простую алгебру логики, или булеву алгебру, называемую по имени разработавшего ее в середине XIX в ирландского математика Д. Буля. В основе
булевой алгебры лежат три основные логические операции (логический базис):
26
логическое отрицание, или операция НЕ (инверсия), логическое сложение, или
операция ИЛИ (дизъюнкция), и логическое умножение, или операция И (конъюнкция).
Операция НЕ над переменной х записывается в виде õ , операция ИЛИ
над двумя переменными х и у записывается в виде х + у, а операция И − в
виде х·у.
Фактически каждая логическая операция задает функцию своих аргументов (переменных), поэтому можно говорить о функциях дизъюнкции, конъюнкции и инверсии. Число аргументов функций дизъюнкции и конъюнкции может
быть произвольным (больше двух). Некоторая логическая функция может быть
задана в алгебраической форме или в виде таблицы истинности.
Алгебраическая форма, или булево выражение, представляет собой формулу,
состоящую из логических переменных, связанных операциями И, ИЛИ и НЕ.
Как и в обычных алгебраических выражениях, для задания порядка действий
используются скобки.
Таблицей истинности называется таблица, содержащая все возможные
комбинации значений входных переменных и соответствующие им значения
логической функции. Так, для логической функции переменных n таблица истинности содержит 2n строк и n + 1 столбцов. Таблицы истинности для базисных логических элементов изображены на рис. 6.1.
НЕ
X
0
1
Y
1
0
X1
0
0
1
1
И
X2
0
1
0
1
Y
0
0
0
1
X1
0
0
1
1
ИЛИ
X2
0
1
0
1
Y
0
1
1
1
Рис. 6.1. Таблицы истинности основных логических элементов
Все остальные сколь угодно сложные функции получают путем составления комбинационных схем из логических элементов, реализуя таким образом
метод суперпозиции. Используя данный принцип, можно таким образом реализовать и другие функции алгебры логики. На принципиальной схеме
27
логический элемент изображают в виде прямоугольника, внутри которого
стоит указатель реализуемой функции. С левой стороны прямоугольника показывают входы логического элемента, с правой – его выходы. Инверсные
входы и выходы обозначают в виде кружков. Условно-графическое обозначение основных элементов алгебры логики и простейших элементов в их комбинации приведены В табл. 6.1.
Т а б л и ц а 6.1
Базисные функции алгебры логики
Название,
обозначение функции
Условно-графическое изображение логического элемента
Инверсия X (НЕ X), Y = X
Конъюнкция (И), Y = X1X2
Дизъюнкция (ИЛИ), Y = X1 + X2
Штрих Шеффера (И-НЕ), Y = Õ1Õ 2
Стрелка Пирса (ИЛИ-НЕ), Y = Õ1 + Õ 2
Исключающая ИЛИ, Y = Õ1 ⊕ Õ 2
Логическими элементами называются функциональные устройства, с помощью которых реализуются элементарные логические функции. Схема, составленная по определенным правилам из конечного числа логических элементов, называется логической схемой.
Логические элементы используются для построения преобразователей
цифровых сигналов комбинационного типа. В комбинационных устройствах
отсутствует внутренняя память. Сигналы на их выходах в любой момент
28
однозначно определяются сочетаниями сигналов на входах и не зависят от
предыдущего состояния схемы.
Характерной особенностью комбинационных устройств является отсутствие в них обратной связи. Логические элементы выполняются в виде микросхем различной степени сложности.
Цифровые логические элементы на интегральных микросхемах
(ИМС) − это микроэлектронные изделия для преобразования и обработки
дискретных сигналов. В зависимости от вида управляющих сигналов цифровые ИМС можно разделить на три группы: потенциальные, импульсные
и импульсно-потенциальные.
Подавляющее большинство логических элементов относится к потенциальным, в них используются только потенциальные сигналы и совсем
не используются импульсные сигналы.
В импульсных цифровых ИМС используются только импульсные сигналы и совсем не используются потенциальные. В таких ИМС управление осуществляются по перепаду потенциала во время импульса. При этом могут
использоваться как положительные перепады, от меньшего к большему, так и
отрицательные − от большего к меньшему.
В импульсно-потенциальных ИМС могут использоваться как потенциальные, так и импульсные сигналы. Импульсные входы, управляемые перепадом
напряжения, обозначают косой чертой, указывающей направление перепада
напряжения (/ или \).
Все логические элементы описываются набором параметров, которые оговорены в технических условиях (ТУ).
К основным параметрам логических элементов относятся следующие:
− набор логических функций;
− число входов по ИЛИ и по И;
− коэффициент разветвления по выходу;
− потребляемая мощность;
− динамические параметры: задержка распространения сигнала и (или)
максимальная частота входного сигнала.
Коэффициент разветвления по выходу характеризует нагрузочную, способность логического элемента и определяется количеством входов, однотипных
элементов, которые можно подключить к выходу.
29
В потенциальных элементах действуют сигналы двух различных значений − высокий и низкий. Одно значение уровня сигнала обозначают 1, а другое
− 0. Уровни сигнала, обозначаемые 1 или 0, могут быть как положительными,
так и отрицательными. Если 1 соответствует высокому потенциалу, а 0 − низкому, то логику считают положительной, а при обратном соответствии − отрицательной.
В импульсных логических элементах сигналы, обозначаемые символами
1 и 0, указывают соответственно наличие и отсутствие сигнальных импульсов
в заданные моменты, определяемые тактовыми (главными) импульсами.
Устройства, в которых амплитуды импульсов или уровни потенциалов могут
принимать конечное число значений, относят к цифровым, поскольку каждое
их значение можно выразить определенной цифрой. Логические (цифровые)
схемы составляют основу устройств цифровой (дискретной) обработки
информации – вычислительных машин, цифровых измерительных приборов,
устройств автоматики и аппаратов приема-передачи информации.
6.2. Порядок выполнения работы
Работа выполняется на универсальном стенде по основам автоматики и
электронно-вычислительной техники.
1) Получить у преподавателя плату с набором логических элементов и
технологические карты.
2) Вставить плату в стенд.
3) Накладывая поочередно технологические карты на переднюю панель
стенда и манипулируя переключателями определить логическую функцию и
записать ее через операции И, ИЛИ, НЕ.
4) Определить тип каждого логического элемента, входящего в устройство.
5) Составить таблицы истинности для каждой схемы.
6) Зарисовать схемотехническую реализацию логических функций.
7) Ответить на контрольные вопросы.
6.3. Контрольные вопросы
1) Что такое алгебра логики?
30
2) Какие основные логические функции бывают?
3) Что такое дизъюнкция?
4) Что такое конъюнкция?
5) Что такое инверсия?
6) Что такое комбинированные логические элементы?
7) Что такое логический элемент?
6.4. Содержание отчета
1) Теоретические сведения по теме.
2) Зарисовать условно-графические обозначения изучаемых логических
элементов из технологических карт.
3) Составить для каждого логического элемента таблицы истинности.
4) Выводы по лабораторной работе.
5) Ответы на контрольные вопросы.
Лабораторная работа 7
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТНЫЕ
ЛОГИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА. ТРИГГЕРЫ
Ц е л ь р а б о т ы: изучение триггеров. Исследование различных типов
триггеров.
7.1. Краткие теоретические сведения
Триггеры являются последовательностными логическими элементами.
Особенностью последовательностных логических устройств является зависимость выходного сигнала не только от действующих в настоящий момент на
входе логических переменных, но и от тех значений переменных, которые
действовали на входе в предыдущие моменты времени. Триггеры выполняют
функцию хранения информации и являются ячейками памяти.
31
По принципу работы триггеры делятся на асинхронные и синхронные
(тактируемые). В асинхронных триггерах изменение состояния происходит
непосредственно при изменении сигналов на информационных входах. Синхронные триггеры, которые кроме информационных имеют еще и тактовый
вход, изменяют свое состояние только при подаче тактирующих сигналов в соот-ветствии со значениями сигналов на информационных входах.
Среди тактируемых триггеров различают триггеры, тактируемые уровнем
(статическое управление), и триггеры, тактируемые перепадом сигнала (динамическое управление), причем первые срабатывают по уровню тактирующего
сигнала, а вторые − по его перепаду из 0 в 1 или из 1 в 0.
7.1.1. RS-триггер
RS-триггер имеет два входа: S – установка (Set) и R – сброс (Reset), а также два выхода: Q – прямой иQ – инверсный (Quit – выход), состояния которых
всегда противоположны. Состояние триггера определяется по прямому выходу.
Сигнал установки S записывает в триггер единицу, а сигнал сброса R – нуль.
RS-триггер может быть реализован на элементах И-НЕ или ИЛИ-НЕ. Схемы
двух видов RS-триггеров приведены на рис. 7.1.
а
б
в
Рис. 7.1. Схемы асинхронных RS-триггеров: ИЛИ-НЕ (а);
И-НЕ (б) и синхронный на логических элементах И-НЕ (в)
Из рис. 7.1 следует, что RS-триггер, выполненный на элементах
ИЛИ-НЕ, управляется прямыми (единичными) сигналами, а триггер на элементах И-НЕ – инверсными (нулевыми) сигналами.
32
Если на оба входа (R и S) поданы нули (ИЛИ-НЕ) или единицы (И-НЕ),
триггер переходит в режим хранения информации, сохраняя состояние, в которое он был приведен в предыдущем такте. В табл. 7.1 приведены состояния
асинхронного RS-триггера.
Т а б л и ц а 7.1
Состояния асинхронного RS-триггера
t +1
Rt
St
Q t +1
0
1
1
0
0
0
1
0
Qt
0
1
Qt
Хранение
1
1
1
1
Неопределенное состояние
Q
Режим
Запись 1
Запись 0
При подаче на оба входа (R и S) единиц (ИЛИ-НЕ) или нулей (И-НЕ) на
выходах Q и Q будут либо нули (ИЛИ-НЕ), либо единицы (И-НЕ) соответственно. В этом режиме происходит разрыв триггерных связей и триггер
представляет собой два инвертора. Если затем состояния входов изменить на
противоположное (режим хранения), то состояние выходов будет неопределенным (либо 0 и 1, либо 1 и 0). Допустимость такой ситуации определяется в каждом конкретном случае.
Синхронный RS-триггер (рис. 7.2. б) отличается от асинхронного тем, что
изменение его состояния может происходить только при поступлении тактового импульса на синхронизирующий вход C (Сlock – синхронизировать). Синтезированная по данному уравнению схема триггера (рис. 7.1, в) включает в себя
асинхронный RS-триггер и элементы управления им. Состояния синхронного
RS-триггера даны в табл. 7.2 (символ × обозначает произвольный сигнал).
Каждый из информационных входов связан с тактовым операцией И,
поэтому информация в асинхронный триггер может быть передана только при
∗
∗
C = 1. При C = 0 промежуточные сигналы S = R = 1, триггер находится в
режиме хранения информации, а состояние входов S и R безразлично. С приходом тактового импульса (C = 1) единичный сигнал на входе S или R форми∗
рует нулевой промежуточный сигнал S или R
33
∗
соответственно, и триггер
переключается в надлежащее состояние. В результате информация со входов S
и R переписывается на выходы Q и Q соответственно. По окончании тактового
импульса (C = 0) триггер переходит в режим хранения информации.
Т а б л и ц а 7.2
Состояния синхронного RS-триггера
C
Rt
St
Q t +1
Режим
0
Х
Х
Qt
Хранение
1
0
0
Qt
Хранение
1
1
1
1
0
1
0
1
1
0
1
1
Запись 0
Запись 1
Неопределенное состояние
Комбинация входных сигналов S = R = 1 при C = 1 недопустима, так как
∗
∗
промежуточные сигналы S = R = 0 и происходит разрыв триггерных связей.
В этом случае по окончании тактового импульса (C = 0) состояние триггера будет неопределенным.
а
б
Рис. 7.2. Условно-графическое обозначение RS-триггеров:
а – асинхронный, б – синхронный
7.1.2. D-триггеры
D-триггер имеет два входа: информационный вход D (Delay – задержка) и
синхронизирующий вход C. Особенность этого типа триггеров в том, что сигнал на выходе Q в t + 1 такте повторяет входной сигнал D предыдущего t такта,
34
т. е. D-триггер задерживает на один такт информацию, существовавшую на
входе D. Эквивалентная схема D-триггера со статическим управлением и его
условно-графическое обозначение приведены на рис. 7.3, а их состояния − в
табл. 7.3.
Т а б л и ц а 7.3
Состояния D-триггера со статическим управлением
C
Dt
Qt +1
Режим
0
Х
Qt
Хранение
1
0
0
Запись 0
1
1
1
Запись 1
а
б
Рис. 7.3. D-триггер: а – схема реализации;
б – условно-графическое обозначение
7.1.3. JK-триггеры
JK-триггер отличается от RS-триггера тем, что в нем устранена неопределенность, которая возникает в RS-триггере, когда одновременно на оба входа
подают единичные сигналы.
Асинхронный JK-триггер получается из асинхронного RS-триггера путем
добавления схемы управления, которая кроме сигналов на входах J ( Jump –
прыгать) и K ( Keep – держать) учитывает также сигналы на выходе триггера,
т. е. учитывает его состояние. Это достигается введением дополнительных связей между входом и выходом триггера (рис. 7.4).
35
Состояния триггера определяются комбинацией сигналов на информационных входах (табл. 7.4). Асинхронный режим работы задается сигналами S и
R . Состояние остальных входов при этом произвольное. В синхронном режиме
S = R = 1 и состояние триггера зависит от сигналов J и K. Если J = K = 1, то
с приходом каждого синхроимпульса триггер изменяет свое состояние на
противоположное. Независимо от предшествующего состояния JK-триггер меняет состояние, когда на его входе появятся сигналы J = K = 1.
S′
R′
а
б
Рис. 7.4. Схема асинхронного JK-триггера: а − на элементах И-НЕ;
б − условно-графическое обозначение
Триггер установится в состояние Q = 0, Q = 1 при подаче на его входы
сигналов J = 0, K = 1 (независимо от состояния триггера). Работа асинхронного
JK-триггера происходит соответственно таблице истинности (см. табл. 7.4).
Т а б л и ц а 7.4
Таблица истинности асинхронного JK-триггера
J
K
Qn
Qn
Qn+1
Q n+1
0
1
0
1
0
0
1
1
0/1
0/1
0/1
0/1
1/0
1/0
1/0
1/0
0/1
1/1
0/0
1/0
1/0
0/0
1/1
0/1
36
JK-триггеры универсальны, так как, во-первых, они легко преобразуются
в триггеры других типов путем соответствующей коммутации входов и, вовторых, служат основой для построения различных схем: счетчиков, регистров,
делителей частоты и т. п. Синхронный JK-триггер отличается от асинхронного
наличием синхронизирующего входа (рис. 7.5).
S′
R′
а
б
Рис. 7.5. Схема асинхронного JK-триггера: а − на элементах И-НЕ:
б − условное обозначение триггера
7.1.4. T-триггеры
T-триггеры относятся к динамической группе цифровых устройств, которые срабатывают по соответствующему фронту (момент изменения «0» в «1»
или наоборот). T-триггеры (или счетные триггеры) имеют один логический
вход T (Toggle – кривошип) и могут быть выполнены в синхронном и асинхронном вариантах. Синхронный T-триггер может быть построен на JK-триггере путем объединения
входов J и K, выполняющих роль логического
входа Т, и подачей на вход синхронизации С
счетных импульсов. Асинхронный T-триггер
может быть построен также на JK-триггере
при J = K = 1 и использовании входа синхроРис. 7.6. Схема асинхронного низации С в качестве логического входа Т
(рис. 7.6).
Т-триггера
37
Асинхронный T-триггер, кроме того, может быть получен из D-триггера
соединением входа D с инверсным выходом Q и подачей счетных импульсов
на вход синхронизации С (см. рис. 7.6).
7.2. Порядок выполнения работы
1) Получить у преподавателя плату с набором логических элементов и
технологические карты.
2) Вставить плату в стенд.
3) Накладывая поочередно технологические карты на переднюю панель
стенда и манипулируя переключателями, определить логическую функцию и
записать ее через операции И, ИЛИ, НЕ.
4) Для каждого устройства составить таблицу состояний.
5) Определить тип каждого логического элемента, входящего в устройство.
7.3. Контрольные вопросы
1) Что такое триггеры?
2) Каково назначение выводов триггеров?
3) Какой триггер называется универсальным, как он может использоваться?
4) Для чего предназначены D- и Т-триггеры?
5) Каково назначение элементов JK-триггера?
7.4. Содержание отчета
1) Теоретические сведения по теме.
2) Зарисовать условно-графические обозначения изучаемых логических
элементов из технологических карт.
3) Составить для каждого логического элемента таблицы истинности.
4) Выводы по лабораторной работе.
38
Библиографический список
1. Б у р к о в А. Т. Электронная техника и преобразователи / А. Т. Б у рк о в. М.: Транспорт, 1999. 164 с.
2. Л а ч и н В. И. Электроника: Учебное пособие / В. И. Л а ч и н,
Н. С. С а в е л о в. Ростов-на-Дону: Феникс, 2005. 704 с.
3. О п а д ч и й Ю. Ф. Аналоговая и цифровая электроника / Ю. Ф. О п а дч и й, О. П. Г л у д к и н, А. И. Г у р о в; Под ред. О. П. Гл у д к и н а. М.: Горячая линия-Телеком, 2000. 786 с.
4. Г у с е в В. Г. Электроника и микропроцессорная техника / В. Г. Г ус е в, Ю. М. Г у с е в. М.: Высшая школа, 2006. 798 с.
5. Х о р о в и ц П. Искусство схемотехники: Пер. с англ. 7-е изд. / П. Х о р ов и ц, У. Х и л л. М.: Мир, 2009. 704 с.
39
Учебное издание
ШАХОВ Игорь Геннадьевич
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ЭЛЕКТРОНИКА»
Часть 2
___________
Редактор Н. А. Майорова
***
Подписано в печать 10.02.2011. Формат 60 × 84 1/16.
Плоская печать. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 2,5. Уч.-изд. л. 2,8.
Тираж 250 экз. Заказ
.
**
Редакционно-издательский отдел ОмГУПСа
Типография ОмГУПСа
*
644046, г. Омск, пр. Маркса, 35
40
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
17
Размер файла
362 Кб
Теги
614
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа