Электроника_-_Методички_на_2013_год / 2013 - ELECTRONIKA_IMPULS_LABS_METODA_KAF41_5217

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

“ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ”

Кафедра моделирования вычислительных и электронных систем

ИМПУЛЬСНЫЕ И ЦИФРОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

Санкт-Петербург

2013

2

Составители: Григорьева Н.Н., Жаринов И.О., Жаринов О.О., Исаков В.И., Калюжный В.П., Кулин А.Н.

Методические указания предназначены для студентов дневной формы обучения, изучающих дисциплины "Основы электроники", "Электротехника и электроника".

Методические указания содержат описания лабораторных работ по теме "Импульсные и цифровые электронные устройства".

Подготовлены к публикации кафедрой моделирования вычислительных и электронных систем Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения.

Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения,

2013

		3
	СОДЕРЖАНИЕ
					стр.
Краткие сведения о методах исследования импульсных и цифровых
электронных устройств . . . . . . . . . . . .		. . . . . . . . . . . . . . . . .	. . . . . .	. . . . . .	4
Лабораторная работа №1 (макет №6).
Исследование автоколебательного мультивибратора на биполярных
транзисторах . . . .	. . . . . . . . . . . . . . . . . .	. . . . . . . . . . . . . . . .	. . . . . .	. . . . . .	6
Лабораторная работа №2 (макет №20).
Исследование	релаксационных	генераторов	на	основе
операционного усилителя . . . . . . . . . . .		. . . . . . . . . . . . . . . .	. . . . . .	. . . . .	15
Лабораторная работа №3 (макет №3).
Исследование логического элемента И-НЕ . . . . . . . . . . . .			. . . . . .	. . . . . .	26
Лабораторная работа №4 (макет №24).
Исследование импульсных устройств на логических элементах . . . . .					35
Приложение.
Формы протоколов измерений к лабораторным работам . . . . . .				. . . . .	50

4

КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О МЕТОДАХ ИССЛЕДОВАНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ И ЦИФРОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

Характерной особенностью импульсных и цифровых электронных устройств является наличие у них отчётливо выраженных дискретных состояний выходного напряжения. Чаще всего таких состояний два, и они представляются соответствующими уровнями напряжения: низким и высоким. В цифровых устройствах эти состояния называются уровнями логического нуля и логической единицы (U0 и U1, соответственно). В процессе работы устройство переводит выходное напряжение из одного состояния в другое в соответствии с заданным принципом своего функционирования. Во многих случаях требуется, чтобы переходы между двумя уровнями напряжения осуществлялись как можно быстрее (“ скачкообразно”), это характерно для всех цифровых устройств и ряда импульсных устройств, таких как генераторы и формирователи импульсов. В некоторых случаях выходное напряжение устройства должно изменяться особым образом, таковы, например, генераторы линейно изменяющегося напряжения, выходное напряжение которых изменяется по линейному закону от одного крайнего уровня к другому. Входные сигналы импульсных и цифровых устройств чаще всего также должны иметь импульсный характер, но не обязательно (такими исключениями являются, например, компаратор и триггер Шмитта).

Всё изложенное подчёркивает отличие цифровых и импульсных электронных устройств от устройств линейных, в которых достижение выходным сигналом предельно возможных уровней свидетельствует о ненормальном режиме работы устройства. Применительно к линейным устройствам при этом говорят о появлении нелинейных искажений типа “ ограничение”, в то же время для импульсных и цифровых устройств достижение предельных значений выходного напряжения является в известной мере обязательным.

Цифровые устройства отличаются тем, что напряжение в любой точке их схемы в каждый отдельно взятый момент времени может принимать лишь одно из двух возможных различных значений, а переходы между этими значениями всегда совершаются предельно быстро. В противоположность этому, в импульсных устройствах всегда можно выделить одни участки схемы, в пределах которых напряжение изменяется сравнительно плавно, и другие участки, где оно изменяется скачкообразно.

В качестве активных элементов для построения импульсных и цифровых устройств в принципе могут быть использованы те же электронные компоненты, которые применяются и для построения линейных устройств: биполярные и полевые транзисторы, операционные усилители; отличие будет только в режимах их работы. Например, биполярные транзисторы в цифровых и импульсных устройствах работают в режимах отсечки и насыщения, операционные усилителив режиме ограничения (насыщения), и т. д. Помимо этого, для построения импульсных и цифровых устройств разработан ряд электронных приборов переключательного типа, которые не могут быть использованы для построения линейных устройств, например, тиристоры и твердотельные реле.

5

Современные цифровые устройства обычно реализуются на основе логических (или, как их ещё называют, цифровых) микросхем, специально разработанных для построения таких устройств. Несмотря на такую изначальную специализацию, логические микросхемы нашли широкое применение и в качестве основы для построения импульсных устройств.

С точки зрения общей идеологии построения схем цифровых и импульсных устройств, необходимо отметить следующее. Цифровые схемы представляют собой некоторую комбинацию согласованно управляемых ключевых каскадов (называемых ещё электронными ключами). Схемы импульсных устройств строятся так, что ключевые каскады управляют и/или управляются элементами, способными накапливать, а затем отдавать электрическую энергию. В качестве таких элементов с теоретической точки зрения для построения большинства схем импульсных устройств одинаково пригодны как электрические конденсаторы, так и катушки индуктивности (дроссели). На практике предпочтение отдаётся конденсаторам, в силу их лучшей технологичности при массовом производстве устройств и более широкого спектра доступных номиналов. Функционирование схем формирователей и генераторов импульсных сигналов, построенных по принципу накопления энергии с последующим её возвратом (такие схемы ещё называют релаксационными генераторами), основано на взаимозависимости двух процессов: процесса смены состояний электронных ключей с одной стороны, и процесса заряда и разряда конденсаторов с другой.

Основной задачей предлагаемого цикла лабораторных работ является изучение типовых схемотехнических решений, применяемых при построении цифровых и импульсных устройств, а также исследование зависимости характеристик этих устройств от параметров входящих в них компонентов.

При проведении исследований в рамках лабораторных работ используются генераторы импульсных сигналов, осциллографы и электронносчётные частотомеры, кроме того, в некоторые макеты встроены стрелочные приборы (вольтметры и амперметры).

Нелишне заметить, что прежде чем приступать к каким-либо измерениям, нужно предварительно изучить принципиальную схему исследуемого устройства, ознакомиться с составом лабораторной установки, расположением органов коммутации и управления лабораторного макета, а также научиться пользоваться измерительными приборами.

Кроме того, непосредственно перед выполнением лабораторной работы следует согласовать с преподавателем программу исследований, подготовив протокол в соответствии с формой, приведенной в приложении для каждой работы, предварительно отметив на его первом листе состав бригады студентов.

По окончании работы и/или за 3...4 минуты до конца занятия следует выключить измерительные приборы, лабораторный макет и подписать протокол измерений у преподавателя, даже если программа измерений выполнена не полностью.

6

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1 (макет №6)

ИССЛЕДОВАНИЕ АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНОГО МУЛЬТИВИБРАТОРА НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

Цель работы: научение принципа реализации автоколебательного мультивибратора на биполярных транзисторах, его функционирования и влияния параметров элементов его схемы на характеристики мультивибратора.

1.1. Методические указания по выполнению работы.

В устройствах импульсной и цифровой техники широкое применение находят сигналы в виде периодической последовательности прямоугольных импульсов. Простейшим формирователем такого сигнала является мультивибратор, работающий в автоколебательном режиме.

Схема мультивибратора, изображенная на рис. 1.1, состоит из транзисторных ключей с перекрестными связями из коллекторной цепи одного в базовую другого. Связи выполнены таким образом, что транзисторы в схеме всегда оказываются во взаимно противоположных состояниях: один открыт, другой закрыт. Автоматический переход из одного состояния в другое обеспечивается взаимной коммутацией транзисторных ключей друг друга по коллекторно-базовым цепям, содержащим времязадающие элементы схемы: конденсаторы С1 и С2, резисторы RБ1 и RБ2. Напряжения выходных сигналов снимаются с коллекторов транзисторов VT1 и VT2. Сигналы эти парафазны импульсу, снимаемому с одного выхода, соответствует пауза между импульсами на другом выходе, и наоборот.

Рис. 1.1. Схема простейшего автоколебательного мультивибратора.

Принцип работы этой схемы может быть объяснен следующим образом

(положим, для упрощения, что EУПР=EП). Предположим, что колебания уже генерируются (процесс их первоначального возникновения после включения

питания объясняется сложно). Это означает, что в некоторый момент времени один из транзисторов (пусть, для определенности, это будет VT1) открыт и находится в режиме насыщения, а другой (в данном случае VT2) закрыт. По идее, через какое-то время ситуация поменяется на противоположную, осталось определить, чем это вызывается. Для этого проанализируем состояние схемы в данный момент. Транзистор VT1 открыт, это значит, что напряжение на его базе

7

положительно, а из его коллектора в эмиттер протекает ток. В свою очередь, это означает, что напряжение на соответствующем выходе мультивибратора (UВЫХ1) мало, в силу очевидного для транзисторного ключа равенства UВЫХ1=EП−IК1RК1. Соответственно, на базе закрытого транзистора VT2 сейчас действует

отрицательный потенциал, из чего ясно, что IК2=0 и UВЫХ2=EП−IК2RК2=EП.

Работа схемы основана на поочерёдно сменяющих друг друга процессах заряда и разряда времязадающих конденсаторов C1 и С2. Несмотря на то, что обе обкладки каждого из конденсаторов подключены через сопротивления к одному и тому же напряжению ЕП, потенциалы, под которыми оказываются в каждый момент времени обкладки конденсаторов, будут различными. В рассматриваемый момент на правом по схеме выводе конденсатора С2 действует напряжение UВЫХ2=EП, а потенциал левого вывода конденсатора С2 равен потенциалу базы открытого транзистора VT1. Как известно, напряжение между базой и эмиттером открытого и насыщенного транзистора сравнительно невелико (порядка 1 В). Вследствие имеющейся в наличии разности потенциалов (т.к. EП>>1 В), конденсатор С2 в данное время заряжается, и в процессе заряда по нему проходит зарядный ток (этот ток протекает от источника EП через резистор RK2, конденсатор C2 и базо-эмиттерный переход транзистора VT1). Рассмотрим С1: его левый по схеме вывод находится сейчас под низким потенциалом (UВЫХ1≈0), а другой подключен через резистор RБ2 к источнику питания и, кроме того, напрямую к базе транзистора VT2. Как уже было ранее отмечено, потенциал базы VT2 сейчас отрицательный, это как раз и обусловлено накопленным ранее (в предыдущей фазе колебаний) зарядом конденсатора C1. Действительно, конденсатор C1 в предыдущей фазе колебаний заряжался по схеме, аналогичной той, по которой сейчас заряжается конденсатор C2; причем, потенциал его левой по схеме обкладки (подключенной к коллектору транзистора VT1) был во время заряда выше, чем правой. Теперь же левая положительно заряженная обкладка конденсатора C1 через открытый транзистор VT1 оказалась подключенной к общему проводу (полезно вспомнить, что открытый транзистор хорошо проводит ток из коллектора в эмиттер), а отрицательно заряженная в настоящее время формирует запирающий потенциал на базе VT2.

Схема будет находится в описанном выше квазиравновесном состоянии, которое будет продолжаться до тех пор, пока конденсатор C1 не потеряет весь накопленный ранее заряд, т. е. пока он не разрядится. Он разряжается током, текущим от источника EУПР через резистор RБ2, сам конденсатор С1 и открытый транзистор VT1. Нетрудно видеть, что направление этого тока противоположно полярности имеющегося сейчас напряжения на конденсаторе C1, следовательно, он будет постепенно терять заряд, пока полностью не разрядится. Когда это произойдет, напряжение на базе VT2 станет нулевым; потом конденсатор C1 начнет заряжаться, накапливая положительный заряд на своей правой по схеме обкладке, но это будет продолжаться недолго, поскольку даже сравнительно небольшого положительного напряжения на базе транзистора VT2 окажется достаточно, чтобы его открыть. После этого схема начнет переходить в состояние, противоположное рассматриваемому. Действительно, транзистор VT2 открывается, и заряженная положительно правая обкладка конденсатора C2

8

оказывается соединенной с общим проводом, левая же, будучи подключенной к базе транзистора VT1, сформирует отрицательное напряжение, закрывающее транзистор VT1. Итак, состояние схемы изменилось на противоположное; дальнейший анализ её работы при желании можно продолжать по уже рассмотренному сценарию, изменив соответствующим образом роли участников процесса.

Расчет длительности периода повторения импульсов Т для схемы, изображенной на рис. 1.1, производится по приближенной формуле

T = kT (RБ1 С2 + RБ2 C1),

(1.1)

где kT постоянный коэффициент пропорциональности, для мультивибраторов на биполярных транзисторах kT имеет величину порядка единицы.

Рассмотренная схема мультивибратора имеет три существенных недостатка:

-форма выходных импульсов значительно отличается от желаемой прямоугольной, из-за того, что после закрытия транзистора через резистор

RК ещё какое-то время протекает ток заряда времязадающего конденсатора; этот ток заряда I уменьшается постепенно до нуля, и выходное напряжение постепенно нарастает (UВЫХ=EП−I RК) до EП;

-схема не позволяет получить высокую частоту следования импульсов, так как оба транзистора в открытых состояниях могут оказаться в режиме глубокого насыщения (во всяком случае, никаких мер по предотвращению этого явления в схеме не предпринято), что существенно увеличивает время переключения транзисторных ключей из открытого состояния в закрытое;

-устройство недостаточно надежно, так как значительное по величине (по

абсолютному значению примерно равное EП) отрицательное запирающее напряжение на эмиттерно-базовом переходе транзистора вполне может вызвать его необратимый электрический пробой.

Усовершенствованная схема автоколебательного мультивибратора показана на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Схема усовершенствованного автоколебательного мультивибратора.

9

Здесь для улучшения формы выходных импульсов введены диоды VD1 и VD4, коммутирующие цепи заряда и разряда конденсаторов С1 и С2, соответственно. В этой схеме заряд конденсаторов происходит через дополнительно введенные резисторы R2 и R5 (а не через коллекторные сопротивления R1 и R6), а разряд так же, как в схеме, приведенной на рис. 1.1. Здесь, как и в предыдущей схеме, при закрывании любого транзистора (пусть, для определенности, это будет VT2) его коллекторный ток уменьшается до нуля очень быстро. Отличие же состоит в том, что зарядный ток конденсатора С2 здесь не сможет протекать, как в ранее рассмотренной простейшей схеме, по сопротивлению коллекторной цепи транзистора (т. е. в данном случае через R6), поскольку на его пути оказывается обратносмещенный диод VD4. Поэтому ток через R6 прекращается сразу же после закрытия транзистора VT2, и напряжение на выходе “ Вых.2” изменяется с почти нулевого до EП весьма резко. Заметим, что в другой фазе колебания, когда транзистор VT2 окажется открыт, диод VD4 не помешает прохождению необходимого разрядного тока конденсатора C2 от источника питания EП по цепи R4 – C2 – VD4 – VT2.

Как следствие всего вышеизложенного, выходные импульсы, которые в схеме, изображенной на рис. 1.1, имели плавно нарастающий фронт (переход от нулевого уровня к уровню EП) и резкий спад, при работе схемы, изображенной на рис. 1.2, будут иметь одинаково резкие фронт и спад.

Для дополнительного улучшения формы импульсов и повышения быстродействия мультивибратора включены диоды VD2 и VD5. Благодаря им, транзисторные ключи не входят в режим глубокого насыщения, поскольку при чрезмерном снижении потенциала коллектора (а именно из-за его снижения транзистор входит в насыщение: в базе транзистора накапливается избыточный заряд, поскольку потенциала коллектора оказывается просто недостаточно для “ вытягивания” избыточных носителей заряда из области базы) диод открывается и обеспечивают фиксацию потенциала коллектора на минимально-достаточном уровне. Отсутствие накопленного избыточного заряда в области базы приводит к более быстрому выключению транзистора (если же этот заряд есть, то запирающий отрицательный потенциал, приложенный к базе транзистора, не сразу обеспечит его выключение; транзистор будет оставаться в проводящем состоянии, до тех пор, пока не рассосётся накопившийся избыточный заряд).

Все перечисленные меры не только улучшают форму импульсов, но и позволяют добиться при соответствующем выборе параметров времязадающих элементов максимально возможной частоты следования генерируемых импульсов, которая будет ограничена лишь быстродействием примененных транзисторов, диодов, значениями паразитных емкостей их p-n переходов и свойствами нагрузок, подключаемых к выходам мультивибратора. Лучших результатов можно добиться при использовании в схеме диодов Шоттки.

И, наконец, от возможного пробоя транзисторы защищены т. н. “ охранными” диодами VD3 и VD6. При таком подключении диодов к транзисторам запирающее отрицательное напряжение на эмиттерно-базовом переходе транзистора не превышает прямого падения напряжения на диоде

10

(порядка одного вольта). Напряжение такой величины, более чем достаточное для надежного запирания транзисторов, никак не способно вызвать электрический пробой транзистора любого типа. Важно заметить, что при открывающем положительном потенциале на базе транзистора его “ охранный” диод оказывается закрытым и не оказывает на работу защищаемого транзистора никакого влияния.

1.2. Описание лабораторной установки.

Лабораторная работа выполняется на установке, в которой собраны два мультивибратора, соответствующих показанным на рис. 1.1 и рис. 1.2 схемам. Для наблюдения процессов, протекающих в мультивибраторах, на лицевой панели макета имеются контрольные гнезда.

Наборы резисторов и конденсаторов, коммутируемых переключателями П2 − П5, позволяют изменять параметры исследуемых схем в широких пределах. Параметры элементов схемы автоколебательного мультивибратора, схема которого изображена на лицевой панели макета слева, приведены в табл. 1.1.

Для проведения измерений в работе используются двухканальный осциллограф, частотомер и вольтметр постоянного тока, закрепленный на макете установки. Осциллограф используется для контроля формы импульсов в характерных точках мультивибратора (коллекторные и базовые выводы транзисторов), а для точного измерения периода колебаний используется цифровой частотомер, настроенный в режим измерения периода следования импульсов.

									Таблица 1.1
	Времязадающие элементы мультивибратора								Вспомогательные
		RБ				С			элементы схемы
R2	= R7 = 15		кОм	С2 = С7		= 680 пФ		R1	= R12 = 3 кОм
R3	= R8	= 24	кОм	C3	= C8	= 3300	пФ	R13 = 2.2 кОм
R4	= R9	= 36	кОм	C4	= C9	= 5600	пФ	C1	= 50 мкФ
R5	= R10	= 75 кОм		С5	= С10 = 10000 пФ
R6	= R11	= 160 кОм		C6	= C11 = 33000 пФ

1.3. Порядок выполнения работы.

Перед началом работы необходимо согласовать с преподавателем программу исследований. Исследования проводятся на мультивибраторе, построенном по схеме, изображенной на рис. 1.1; на макете он расположен слева.

Измерения осуществляются в нижеследующем порядке.

1.Подключить к макету измерительные приборы: к гнездам Г6, Г7 подключить один канал осциллографа, к гнездам Г8, Г13 другой канал осциллографа, к гнездам Г1, Г2 электронносчётный частотомер.

2.Включить питание схемы автоколебательного мультивибратора, расположенной на макете слева, и приборов. Отключить цепь сопротивления R13 от схемы мультивибратора, установив переключатель П1 в положение 1.

Поставить переключатели П2 − П5 в положения 3. Поставить трехпозиционные переключатели у входов осциллографа в положения “ открытый вход” ( положения " ~ "). Наблюдать на экране осциллографа колебания, характерные для