Электроника_-_Методички_на_2013_год / 2013 - ELECTRONIKA_IMPULS_LABS_METODA_KAF41_5217

31

осциллографа к гнездам ГЗ, Г4, второй к выходным клеммам Г9, Г10.

3.Включить питание макета и приборов.

4.Настроить осциллограф: установить скорость развертки осциллографа равной 5 или 10 мкс/дел., чувствительность обоих каналов 1 В/дел. (1 V/div). Далее, переключать переключатель около входа осциллографа установить в

положение "заземленный вход" (обозначено символом "┴"), подстроить регуляторами "↕" положение "нулевой" линии в каждом канале так, чтобы она оказалась на самой нижней горизонтальной линии градуировочной сетки экрана; после чего установить переключатели около входов осциллографа в положения "открытый вход" (обозначено символом " ~ ").

5.Пользуясь кнопками и ручками регулировки генератора импульсов, установить следующие параметры входных импульсов:

-полярность импульсов положительная;

-длительность импульсов 10 мкс;

-частота следования импульсов 20 кГц (период следования 50 мкс).

-амплитуда импульсов UВХ1 не менее 2 В (по возможности ближе к 5 В). 6. Скорректировать значение скорости развертки осциллографа так, чтобы

на экране отчетливо наблюдался один входной импульс. Для получения четкого изображения может потребоваться настройка параметров синхронизации осциллографа. Если все сделано правильно, то на экране осциллографа будет виден как входной импульс, так и выходной импульс, "перевернутый" относительно входного, примерно так, как показано на рис. 3.5.

Рис. 3.5. Осциллограммы наблюдаемых сигналов:

1) входной импульс; 2) выходной импульс; 3) правило измерения амплитуды входного импульса (UВХ); 4) правило измерения амплитуды выходного импульса (UВЫХ); 5) уровень нуля (по нему проходят лучи осциллографа, при установке трехпозиционного переключателя возле входа в положение "┴").

Все измерения следует проводить при помощи осциллографа. Поскольку для проведения точных измерений может потребоваться изменение чувствительности каналов вертикального отклонения (переключатели “ В/дел.”),

UВЫХ

"┴"),

32

при которых возможен уход положения нулевого уровня луча осциллографа, относительно положения которого следует измерять входные и выходные напряжения, то при переключениях чувствительности осциллографа рекомендуется переводить переключатель около входа осциллографа в положение "заземленный вход" (обозначено символом и при необходимости подстраивать положение нулевой линии на одну из горизонтальных линий сетки экрана (можно выбрать любую в нижней части экрана), затем возвращать переключатель в положение " ~ " и проводить измерения относительно установленного уровня нулевой линии.

После выполнения всех вышеперечисленных процедур и усвоения всех рекомендаций, можно перейти непосредственно к нижеследующим пунктам измерений. Прежде чем выполнять их, рекомендуется прочитывать содержание каждого пункта до конца.

7. Снять статическую передаточную характеристику логического элемента (зависимость выходного напряжения UВЫХ в импульсе от амплитуды входного импульса UВХ). Амплитуда UВХ устанавливается при помощи кнопок и плавного регулятора амплитуды на генераторе импульсов, но измерение и контроль UВХ и UВЫХ производятся по осциллографу. Следует иметь в виду, что напряжения UВХ и

следует измерять от нулевого уровня (места, где луч осциллографа находится при установке переключателя в положение "┴": см пояснения к рис. 3.5) до "дна" выходного импульса (уровень логического нуля: UВЫХ0). Если всё сделано правильно, что при увеличении UВХ будет наблюдаться уменьшение UВЫХ (см. статическую характеристику на рис. 3.2 и рис. 3.5).

Измерения следует последовательно проделать для трех сочетаний сопротивлений в цепях коллектора и эмиттера транзистора фазорасщепительного каскада ЛЭ (в каждом измерении перемычками устанавливаются одинаковые значения сопротивлений: 330, 470 и 560 Ом). Результаты измерений заносить в таблицу П3.1, по возможности придерживаясь рекомендованного шага UВХ, указанного в ней, а при невозможности этого устанавливая близкие к ним значения и записывая их на место рекомендованных.

8. Провести исследование динамических свойств логического элемента. Установить на генераторе параметры входных импульсов:

-полярность импульсов положительная;

-длительность импульсов 1 мкс;

-частота следования импульсов 200 кГц (период следования 5 мкс).

-амплитуда импульсов UВХ1 4 В

Пользуясь переключателями чувствительности каналов вертикального отклонения осциллографа и скорости развертки, “ растянуть” осциллограмму так, чтобы полностью отображался один выходной импульс (ориентировочные значения настройки: 1 В/дел. и 0.2 мкс/дел.). Это следует последовательно проделать для трех сочетаний сопротивлений в цепях коллектора и эмиттера транзистора фазорасщепительного каскада (в каждом измерении перемычками устанавливаются одинаковые значения сопротивлений: 330, 470 и 560 Ом). В каждом случае следует очень тщательно перерисовать в протокол осциллограмму с экрана осциллографа, всего окажется 3 импульса на одном рисунке,

33

совместив во времени моменты начала переходов импульсов из уровня UВЫХ1 к UВЫХ0. При этом масштабы развертки и чувствительности каналов вертикального отклонения осциллографа по всех трёх случаях должны быть установлены

одинаковыми!

По окончании работы и/или за 3...4 минуты до конца занятия выключить лабораторный макет, измерительные приборы и подписать протокол измерений у преподавателя.

3.4. Содержание отчета.

В отчете по работе должны быть приведены:

1.Формулировка цели работы.

2.Принципиальные электрические схемы логических элементов И-НЕ, которые изображены на рис. 3.1, рис. 3.3 и рис. 3.4;

3.Таблицы результатов экспериментальных исследований.

4.Графические зависимости в соответствии с результатами исследований:

3 зависимости UВЫХ=f(UВХ), при разных значениях сопротивлений RK и RЭ, построенные на одном графике. При построении графиков очень желательно не

“мельчить”, а построить графики на отдельном листе, чтобы были выражены все особенности их форм.

5.Осциллограммы выходных импульсов ЛЭ, снятые при различных

значениях RK и RЭ.

6. Выводы по работе (в письменной форме), в которых:

-отметить, какая из трёх построенных по результатам эксперимента статических характеристик ближе к идеальной характеристике логического элемента;

-констатировать, при каких значениях параметров схемы (RК, RЭ)

обеспечивается большее быстродействие исследованного ЛЭ (т. е., при когда фронт и спад выходного импульс будут менее сглажены).

Кроме того, в выводах можно провести краткий обзор современных технологий производства цифровых логических схем, а также привести ответы на контрольные вопросы.

К отчету должен прилагаться оригинал протокола измерений, подписанный преподавателем.

3.5. Контрольные вопросы.

1.Объясните назначение компонентов схемы элемента ДТЛ.

2.Объясните назначение компонентов схемы элемента ТТЛ.

3.Сравните значения основных параметров логических элементов, схемы которых приведены на рис. 3.1 и рис. 3.3.

4.Как определить допустимый уровень помех на входе логической схемы

И-НЕ, которые не смогут вызвать его ложное срабатывание? укажите на статической характеристике логического элемента И-НЕ характерные точки.

5.В чем заключается назначение "смещающих" диодов в схемах исследованных логических элементов И-НЕ?

6.Какой вид имеет идеальная статическая характеристика логического

34

элемента и почему?

7.В каком режиме работает транзистор VT1 в схеме, изображенной на рис. 3.4, при подаче на все входы элемента UВХ1?

8.В каких режимах работает каждый из транзисторов в схемах, приведенных на рис. 3.3 и рис. 3.5 при подаче на все входы элемента UВХ0?

9.В каких режимах работает каждый из транзисторов в схемах, приведенных на рис. 3.3 и рис. 3.5 при подаче на все входы элемента UВХ1?

10.Чему равны падения напряжения на р-n-переходах открытых и насыщенных транзисторов ЛЭ?

11.Какие факторы ограничивают быстродействие логических элементов и цифровых схем?

12.Какой параметр транзистора определяет величину UВХ0 в схеме ЛЭ с простым инвертором?

13.Расскажите о способах повышения быстродействия логических элементов.

14.Какими величинами оценивается быстродействие современных логических элементов?

15.Каковы уровни напряжений, соответствующих логическим уровням современных цифровых устройств?

16.Что такое нагрузочная способность логического элемента?

17.Изобразите схему возможной реализации логического элемента ИЛИНЕ на биполярных транзисторах, и поясните основные моменты ее функционирования.

18.Изобразите схему возможной реализации логического элемента "Исключающее ИЛИ" на биполярных транзисторах, и поясните основные моменты ее функционирования.

19.Изобразите схемы возможной реализации логических элементов на полевых транзисторах и поясните основные моменты их функционирования.

20.Перечислите основные технологии изготовления цифровых микросхем и дайте краткую характеристику каждой из них.

Библиографический список.
1.	АлексенкоА.Г.	Основы	микросхемотехники:	Учеб.	пособие.	М.:
Лаборатория Базовых знаний; Физматлит; ЮНИМЕДСТАЙЛ, 2002. 448 с.
2.	Степаненко И.П.	Основы	микроэлектроники:	Учеб.	пособие.	М.:
Лаборатория Базовых Знаний, СПб. 2001. 488 с.

3.Фролкин В.Т., Попов Л.Н. Импульсные и цифровые устройства. М.:

Радио и связь, 1992. С. 126 - 161.

4.Зельдин Е.А. Цифровые интегральные схемы в информационноизмерительной аппаратуре. Л.: Энергоатомиздат, 1986. С. 23 - 59.

5.Гольденберг Л.М. Импульсные устройства. М.: Радио и связь, 1981.

С. 38 - 67.

35

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4 (макет №24)

ИССЛЕДОВАНИЕ ИМПУЛЬСНЫХ УСТРОЙСТВ НА ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТАХ

Цель работы: изучение принципов действия, технической реализации и исследование параметров импульсных устройств на основе интегральных логических элементов.

4.1. Методические указания по выполнению работы.

При построении схем формирователей импульсных сигналов с заданными параметрами, работающих совместно с цифровыми схемами, удобно использовать формирователи, в которых роль ключей и управляющих устройств играют логические элементы цифровых схем. В качестве логических элементов в импульсных схемах пригодны схемы И-НЕ, ИЛИ-НЕ, и элементы “ Исключающее ИЛИ”. Амплитуда импульсов в таких схемах определяется соотношением между высоким и низким логическими уровнями используемых логических элементов (U1 и U0, соответственно), а временные параметры импульсов зависят от параметров времязадающих цепей, в качестве которых могут быть использованы линии задержки и RC-цепи.

На рис. 4.1 изображена схема трёхфазного автоколебательного мультивибратора, которая состоит из трёх элементов 2И-НЕ (которые используются как инверторы, поскольку входы каждого из элементов соединены вместе) и трех линий задержки (ЛЗ), замкнутых в кольцо. Автоколебательный мультивибратор предназначен для генерации импульсов с заданной частотой следования. Временная диаграмма работы этого мультивибратора приведена на рис. 4.2. Колебания в схеме возникают без какого-либо запуска извне и продолжаются до тех пор, пока на логическую схему подано напряжение питания.

Рис. 4.1. Схема трёхфазного автоколебательного мультивибратора.

Работа схемы объясняется следующим образом. Пусть в момент времени t0 на выходе элемента DD1 установилось напряжение верхнего логического уровня U1. Очевидно, что спустя время τЛЗ (время задержки сигнала при его прохождении через ЛЗ) это же напряжение окажется на входе элемента DD2, и, соответственно, через время задержки его срабатывания τЗ ЛЭ на его выходе установится напряжение нижнего логического уровня U0. Рассуждая далее, нетрудно

36

установить, что в момент времени t0+2(τЛЗ+τЗ ЛЭ) на выходе элемента DD3 установится напряжение U1.

Рис. 4.2. Временные диаграммы работы трёхфазного автоколебательного мультивибратора.

Таким образом, на выходе каждой из трёх “ фаз” мультивибратора будет существовать последовательность импульсов, каждый из которых имеет длительность T+=3τ=3(τЛЗ+τЗ ЛЭ), а пауза между импульсами равна длительности импульса, т. е. формируется последовательность типа “ меандр”, для которой T−=T+. Период следования импульсов T вычисляется по формуле

T=6(τЗ ЛЭ+τЛЗ)

Легко убедиться, что моменты установления одинаковых фаз импульсов на выходе каждого последующего логического элемента отстают на третью часть периода от выхода предыдущего элемента. Варьированием времени задержки ЛЗ можно изменять период следования импульсов.

Вообще, подобные структуры мультивибраторов могут быть построены на любом нечетном количестве логических инверторов, замкнутых в кольцо. При N элементах период следования импульсов образующегося N-фазного автоколебательного мультивибратора определяется выражением

T=2N(τЗ ЛЭ+τЛЗ)

Если же линии задержки в каждой фазе имеют разные значения задержки, то период колебаний вычисляется по формуле:

T=2NτЗ ЛЭ+2(τЛЗ1+τЛЗ2+…+ τЛЗN)

Роль линий задержки в импульсных схемах на логических элементах часто выполняют не сами линии задержки (в силу их сравнительно больших габаритов),

37

а интегрирующие RC-цепи. При прохождении прямоугольного сигнала через такую цепь его фронты затягиваются, и момент достижения выходным напряжением цепи порогового уровня переключения логического элемента запаздывает относительно момента подачи прямоугольного сигнала на время, приблизительно равное постоянной времени RC-цепи, т. е. справедливо τЛЗ≈RC.

На рис. 4.3 приведена схема ждущего мультивибратора (иногда такое устройство ещё называют одновибратором). Ждущий мультивибратор предназначен для формирования одиночного прямоугольного импульса заданной амплитуды и длительности при воздействии на вход схемы запускающего импульса произвольной длительности. Временные диаграммы работы ждущего мультивибратора приведены на рис. 4.4.

Рис. 4.3. Схема ждущего мультивибратора.

Рис. 4.4. Временные диаграммы работы ждущего мультивибратора.

Работа схемы поясняется так. В исходном равновесном состоянии, которое при отсутствии входного запускающего импульса может сохраняться сколь

38

угодно долго, на выходе логического элемента DD1 образуется напряжение высокого логического уровня U1. Это становится понятно, если учесть, что напряжение на его входе равно нулю, поскольку через резистор R1 не течет ток. Вернее, через него протекает небольшой по величине ток, характерный для элементов типа ДТЛ и ТТЛ при подаче на их входы низких логических уровней (см. теоретические пояснения к лабораторной работе №3), но образующееся на резисторе R1 напряжение U=2Iвх0R1 при правильном выборе номинала R1 соответствует уровню U0. Правильный выбор как раз и состоит в том, чтобы обеспечить условие R1<Uпор/2Iвх0. На выходе элемента DD2 образуется напряжение U0, поскольку на обоих входах элемента действуют напряжения высоких уровней (логических единиц): на первом входе в силу соединения входа с источником питания через резистор R2, а на втором действует Uвых DD1. Конденсатор C2 разряжен, поскольку сейчас на обеих его обкладках присутствуют одинаковые потенциалы низких логических уровней.

Для запуска схемы на её вход (“ Вх.”) подается импульс отрицательной логической полярности (в момент подачи импульса действует уровень U0, а в паузах между импульсами уровень U1). В этом случае на какое-то время, необходимое для зарядки конденсатора C1, на втором входе элемента DD2 устанавливается напряжение низкого логического уровня. Следовательно, на его выходе образуется напряжение высокого уровня, которое вызывает ток заряда конденсатора C2, а это, в свою очередь, вызывает напряжение на резисторе R1, равное высокому логическому уровню. В итоге, напряжение на выходе элемента DD1 становится равным U0, таким же станет и напряжение на первом входе элемента DD2. После этого от длительности входного импульса уже ничего не зависит, на выходе элемента DD2 будет высокий уровень напряжения U1, до тех пор, пока конденсатор C2 не зарядится. По мере заряда конденсатора C2 ток через него уменьшается по экспоненциальному закону, точно так же уменьшается и напряжение на резисторе R1. Когда напряжение на входе элемента DD1 снизится до порогового уровня переключения логического элемента, на его выходе опять установится напряжение высокого уровня, и, соответственно, на выходе элемента DD2 установится U0: схема восстанавливает своё исходное равновесное состояние, которое может продолжаться неограниченно долго до следующего запускающего импульса. При этом конденсатор C2 быстро разряжается через выходное сопротивление элемента DD2 и диод VD1.

Из приведённой временной диаграммы видно, что длительность выходного импульса рассматриваемого ждущего мультивибратора не зависит от длительности запускающего. Длительность импульса Tи, который он формирует, может быть рассчитана по точной формуле:

Tи=(R1+RВЫХ) С2 (Ln(U1вых/Uпор)+Ln(R1/(R1+RВЫХ)),

(4.1)

где RВЫХ выходное сопротивление логического элемента при формировании им сигнала логической единицы.

В первом приближении для серий микросхем ТТЛ при R1>>RВЫХ можно считать Tи≈R1 С2. Тем не менее, точная формула позволяет понять, почему

39

стабильность временных параметров импульсов у всех рассматриваемых схем будет невысокой. Действительно, уровень логической единицы для выходного сигнала логического элемента (U1вых) сильно зависит от напряжения питания схемы E. Кроме того, все без исключения параметры логического элемента подвержены сложной зависимости от температуры окружающей среды.

Цепь C1 – R2 – VD2 образует схему, необходимую для укорочения входного импульса, с тем, чтобы длительность импульса, образующегося непосредственно на втором входе элемента DD2, была бы меньше, чем длительность импульса, формируемого одновибратором. Если этого не обеспечить, что нормальная работа схемы может быть нарушена. Диод VD2 в этой схеме служит для защиты входа логического элемента от перенапряжения, возникающего при снятии входного запускающего импульса. При отсутствии этого диода напряжение на втором входе логического элемента в момент снятия входного сигнала может достигать 2U1, и если эта величина намного превысит напряжение питания E, то логический элемент может выйти из строя.

Схема автоколебательного мультивибратора с перекрестными связями изображена на рис. 4.5. Элементы DD1 и DD2 поочередно формируют на своих выходах противофазные сигналы: когда UВЫХ1=U1, тогда UВЫХ2=U0, и наоборот. Процессы эти протекают вследствие поочередного заряда и разряда конденсаторов C1 и C2. Однако, в отличие от многофазных мультивибраторов, в мультивибраторе с перекрестными связями использованы не интегрирующие RCцепи, и необходимые задержки формируются несколько иначе.

Работа	схема		объясняется
следующим образом. Пусть, в схеме
уже генерируются колебания и,
например, на выходе элемента DD2
сформировался	высокий			уровень
напряжения. Тогда зарядный ток
конденсатора	C2,	протекая			через
резистор R1, создает на нём
напряжение, соответствующее U1, и на
выходе DD1 образуется напряжение
низкого уровня. Конденсатор C1 при
этом разряжен, а зарядный ток						Рис. 4.5. Схема автоколебательного
конденсатора	C2			постепенно
уменьшается,	уменьшается				и	мультивибратора с перекрестными
напряжение на R1. В тот момент, когда						связями.
напряжение на		R1	станет		ниже

порогового уровня переключения логического элемента DD1, на его выходе сформируется высокий уровень напряжения, который станет заряжать конденсатор C1, и уже его зарядный ток сформирует на входе элемента DD2 напряжение высокого логического уровня. Конденсатор C2 быстро разрядится через диод VD1, и дальнейшие процессы в схеме будут протекать по аналогичному сценарию, только теперь на выходе DD1 будет действовать напряжение высокого уровня, а на выходе DD2 низкого. В принципе, если в

40

схеме использованы логические элементы типа ТТЛ, диоды включать в схему не обязательно, их функции будут выполнять защитные диоды, имеющиеся внутри элементов И-НЕ, выполненных по технологии ТТЛ (см. описание схем в лабораторной работе №3). Для других серий микросхем диоды необходимы.

Схема мультивибратора с перекрестными связями, изображенного на рис. 4.5, обладает существенным недостатком: она характеризуется жестким режимом самовозбуждения. Действительно, если схема идеально симметрична, то колебания в ней возникнуть не смогут, поскольку оба логических элемента при включении питания окажутся в одинаковых состояниях. На практике полная симметричность встречается крайне редко, и обычно подобные схемы запускаются и работают нормально, но, тем не менее, была разработана более совершенная схема мультивибратора с перекрестными связями, в которой колебания возникают гарантированно при любых исходных условиях. Эта схема приведена на рис. 4.6.

Рис. 4.6. Схема усовершенствованного автоколебательного мультивибратора с перекрестными связями.

В ней, по сравнению со схемой на рис. 4.5, введены дополнительно два логических элемента DD3 и DD4 и видоизменена входная цепь элемента DD2. В усовершенствованной схеме в начальный момент после подачи питания, когда на обоих выходах мультивибратора в силу полной симметрии схемы установились напряжения высокого уровня, элемент DD3 сформирует выходное напряжение низкого уровня, а элемент DD4 напряжение высокого уровня, которое через резистор R2 передается на вход элемента DD2. Тогда на его выходе сформируется

U0, и в схеме образуется необходимый разбаланс: UВЫХ DD1=U1 и UВЫХ DD2=U0, после чего колебания неизбежно возникнут, а, возникнув, будут продолжаться

сколь угодно долго. При этом, учитывая, что на двух выходах схемы формируются противофазные колебания, на выходе элемента DD3 всегда будет напряжение высокого уровня, и, соответственно, на выходе элемента DD4 низкого, и схема запуска уже не будет оказывать никакого влияния на работу схемы. При этом правый по схеме вывод резистора R2 всегда будет под низким потенциалом, что практически то же самое, как если бы он был соединен с общим