Лабораторная работа

ИССЛЕДОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ.

1.ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Рассмотреть работу усилителя. Снять передаточную и нагрузочную характеристику.

Определить качественные основные показатели усилителя в линейном режиме.

2.СХЕМА ИССЛЕДОВАНИЯ.

+ Е1

А

R4

VT2

VT4

R5

R7

С_вых

R3

Электронный

осциллограф

VT3

U_ВЫХ

С_вх

VT5

R2

VT1

SВ

Генератор сигналов

А

R8

R9

R10

R11

R12

R13

R14

R15

R16

R6

U_ВХ

R1

Рис.16

3. ОБОРУДОВАНИЕ. Для выполнения лабораторной работы используется стенд для исследования усилителя мощности, приборы измерительного блока (два амперметра и два вольтметра), электронный осциллограф, регулируемый источник питания «-Е2» и генератор переменного напряжения установки. На панели стенда изображены принципиальные схемы для проведения исследования усилителя мощности с трансформаторным выходом (нижняя схема) и бестрансформаторный усилитель мощности на транзисторах (верхняя схема) с гнёздами подключения измерительных приборов и элементами установки режима работы усилителя. Перед сборкой схемы необходимо изучить расположения элементов на стенде и на установке..

Генератор сигналов на отдельной панели с голубым фоном имеет:

-переключатели дискретной установки пределов частоты, уровня и формы;

-потенциометры плавной установки частоты и уровня;

- коаксиальный разъём выхода сигналов;

- гнездо выхода сигнала синхронизации.

На стенде для исследования бестрансформаторного усилителя необходимо переключатель S1 поставить в верхнее положение. При этом сопротивления нагрузки будут подключены к выходу бестрансформаторного усилителя. Величина сопротивления нагрузки устанавливается мнопозиционным переключателем S2. На панели исследования закреплены:

-пара гнёзд для подключения амперметра «А», контролирующего ток потребления;

-гнёзда для подключения вольтметров контроля напряжения питания «-Е2» и контроля напряжения в средней точки выходного каскада «U_вых» (Х4);

-гнёзда для подключения кабеля генератора «U_вх» (Х1) и для подключения сигнального проводника осциллографа «U_вх» (Х3) и «U_вых» (Х14);

-переменные сопротивления установки режима усилителя – тока покоя «I₀» и баланса выходного каскада «U_см»;

-потенциометр регулировки входного напряжения «U_вх»

Сборка схемы:

-установить напряжение питания схемы -10 В. Контроль напряжения –Е2 осуществляется вольтметром в гнезде Е2 Напряжение устанавливается потенциометрами Е2 на панели источников питания;

-вставить вилку амперметра (А) в гнёзда «I_потр»;

-подключить второй вольтметр к гнезду «Х4». Потенциометром R6 «U_см» в цепи обратной связи установить напряжение на выходе, равное половине напряжения питания;

-установить переменным сопротивлением R4 «I₀» ток потребления

- установить потенциометр R1 «U_вх» в среднее положение.

Подготовить к работе генератор электрических сигналов и осциллограф.

На панели генератора установить:

-переключатель формы в положение «~»;

- переключатель частота – 10² ;

- переключатель предел – 10^-2 (-40дБ);

- ручки плавной установки выходного напряжения и частоты установить в среднее положение.

-Проводник синхронизации осциллографа вставить в гнездо «синхр.» генератора, а сигнальный проводник в гнездо (U_вх) исследуемой схемы.

- Проводником соединить выход генератора с входом исследуемой схемы. Сигнальный проводник осциллографа вставить в гнездо «U_вх» (Х3). Установить устойчивое изображение на экране осциллографа в режиме внешней синхронизации, выбирая масштабный коэффициент вертикального отклонения осциллографа таким образом, чтобы изображение занимало более половины размера по вертикали. Реально это возможно в положении переключателя вертикального отклонения (0,02-.0,05 ). На осциллографе в блоке развёртки установить переключатель в положение . На генераторе потенциометром «частота плавно» установить период повторения, равный одному делению (10 периодов на экране), что соответствует частоте повторения 1кГц.

-Сигнальный проводник осциллографа вставить в гнездо (U_вых). Потенциометром R1 в цепи базы транзистора на стенде и регулятором выходного напряжения на генераторе добиться линейного режима работы транзистора. Линейный режим на экране осциллографа определяется при максимальном выходном сигнале по незначительным симметричным ограничениям сверху и снизу гармонического сигнала. На этом можно считать, что схема подготовлена для проведения измерений..

Откалибровать осциллограф по вертикали и по горизонтали. Измерения проводить осциллографом.

Измерения переменного напряжения на входе (гнездо U_вх) и выходе (гнездо U_вых) усилителя проводить с помощью осциллографа. Весь размах осциллограммы на экране равен двойной амплитуде напряжения (2U_M). Вычисление действующего значения напряжения гармонического сигнала, который не имеет ограничения, осуществлять по формуле :

U = .

4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

4.1. Снять амплитудно-передаточную характеристику (АПХ) U_вых=  (U_вх) в пределах линейного режима на нагрузке R_Н = 8 Ом. Результаты измерений записать в таблицу 1. Максимальное входное напряжение выбирать таким, при котором наступает ограничение сигнала на выходе. Это значение записать в предпоследнюю графу (U_МАКС). В последнюю графу записать значение напряжения на входе, равное 1,5 U_МАКС. В строке U_ВХ записать значения входного напряжения равномерно между значениями 0 и U_МАКС. Для определения шага равномерного распределения необходимо рассчитать. В таблице (2U_m) записывать значения полного размаха изображения на экране осциллографа, а в графу (U) записывать расчётное значение U =.

Таблица 2.

2Umвх, мВ	0							Uмакс=
2Umвых , В
Uвх, мВ
Uвых, В

Построить график зависимости U_вых=f(U_вх).

4.2.Снять нагрузочную характеристику усилителя Р_вых=f(R_н). Предварительно исследовать диапазон входного напряжения, которое усиливается без искажения при максимальной нагрузке R_н= 20 Ом. Задаться амплитудой входного напряжения при значениях напряжения на выходе 0,8U_{выхмакс}. Записать значение входного напряжения. Изменяя сопротивление нагрузки R_н, измерять выходное напряжение при помощи вольтметра или по экрану осциллографа. Результаты измерений занести в таблицу 2.

.U_их=const=______мВ

Таблица 2

Rн, Ом	2	4	6	8	10	12	14	16	18	20
2Umвых, В
Uвых, В
Pвых

Построить график зависимости P_вых=F(R_н). Выходную мощность рассчитать по формуле Р_вых=.

4.3. Снять логарифмическую амплитудно-частотную характеристику (ЛАЧХ) усилителя К=F(f).

От генератора на вход усилителя подавать напряжение с амплитудой, выбранной для неискаженного сигнала 0,8U_{выхмакс} на частоте 1кГц на нагрузке R_н = 8 Ом. Записать значения 2U_mвх . Изменяя частоту входного сигнала во всем звуковом интервале частот от 20 Гц до максимальной частоты генератора измерить величину выходного напряжения. Частоту устанавливать по осциллографу. Для этого на генераторе потенциометром частота плавно и переключателем дискретно устанавливать на экране осциллографа десять периодов на каждом диапазоне развертки в милисекундном секторе.

Результаты занести в таблицу 3.

2U_mвх = ______ R_н = 8 Ом

Таблица 3.

развёртка	50	20	10	5	2	1	0,5	0,2	0,1	50мкс
f, Гц	20	50	100	200	500	1000	2000	5000	10000	20000
lg(f)	1,3	1,7	2	2,3	2,7	3	3,3	3,7	4	4,3
2Umвых
Uвых, В
К
К,дБ

Коэффициент рассчитывать по формуле

Перевод в дициБелы рассчитывать по формуле К_[дБ]=20lg(K)

Построить график ЛАЧХ К_[дБ]=f(lgf).

Содержание отчета: отчет должен содержать схему исследуемого усилителя, таблицы с результатами измерений, графики зависимостей, краткие выводы по работе, и ответы на контрольные вопросы

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:

1. Какую задачу выполняют выходные каскады УНЧ?

2. Назвать основные показатели усилителя мощности.

3. Как определить оптимальную нагрузку усилителя?

4. Как объяснить появление искажения выходного сигнала типа "ступенька"?

5. Объяснить особенности режимов работы класса А, В, АВ.

6. Как выполняется графический анализ схем выходных усилителей?

7. Как зависят от режима работы усилителя его кпд и коэффициент нелинейных искажений?

8. Как работает бустер класса В?

9. Как работает бустер класса АВ?

10. Каковы особенность включения транзисторов с общим эмиттером и общим коллектором в схемах двухтактных усилителей мощности?

ЛОГИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА.

Логическое устройство – это переключательное устройство, у которого на выходе будет нуль «0» или единица, от совокупности входных сигналов, которые также могут иметь только нуль (0) или единицу (1). За нуль принимают исходный уровень напряжения U₀, а за единицу напряжение, отличающееся от исходного уровня, UU₀. Любое логическое устройство можно составить, применяя ограниченное количество элементов, совокупность которых обладает функциональной полнотой. Математическая модель логического устройства составляется на основании правил действий над двоичными числами. Эти правила называют алгеброй логики или Булевой алгеброй.

Аксиомы с целыми числами:

1) не единица, следовательно, ноль; 2) не ноль, следовательно, единица; 3) единица под двойной инверсией остаётся единицей; 4) 0 + 0 = 0; 5) 0 + 1 = 1; 6)1 + 1 = 1; 7) ; 8) ; 9) ; 10) ; 11)

Правила вычислений с одной переменной:

1) Х+ 0 = Х; 2) Х + 1 = 1; 3) ; 4) ; 5) Х + Х = Х; 6) ; 7) ; 8) ; 9)

Правила вычислений со многими переменными:

взаимности 1) XY + XZ = X ( Y + Z ); 2) ( X + Y ) ( X + Z ) = X + YZ поглощения1)X + XY = X; 2); 2); 3); 4) инверсий(ДеМоргана)1); 2);

3) ; 4)

Аксиомы инверсий указывают о том, что инверсия суммы ( дезъюнкции) переменных равна произведению (конъюнкции) инверсий этих переменных, а инверсия произведения (конъюнкции) переменных равна сумме (дезъюнкции) инверсий этих переменных. Применение аксиом инверсий позволяет перейти от одной технологической группы логических элементов ИЛИ –НЕ к другой И–НЕ, и наоборот.

В алгебре логики справедливы также ассоциативные (сочетательные) и коммутативные (переместительные) законы, которые известны из обычной десятичной алгебры:

ассоциативные 1)

2)

коммутативные 1)

2) .

Алгебра логики широко используется в современной цифровой электронике, так как она позволяет оптимизировать структуру исследуемых цифровых схем, использовать заданные технологические приёмы при изготовлении логических устройств. Кроме того, алгебраические методы и законы позволяют провести анализ характеристик различных цифровых и релейных схем, исключая экспериментальные методы, которые требуют громадных временных и экономических затрат.

Логические элементы, с помощью которых составляется устройство называют простейшими. Условно графическое обозначение ( УГО ) простейших логических элементов приведены на рис.6. В функциональных схемах логические и цифровые элементы обозначают латинской буквой D, а в принципиальных схемах микросхемы с логическими элементами – двумя буквами DD.

В соответствии с отечественным стандартом , логические элементы в микросхемах по выполняемым операциям имеют буквенные обозначения, представленные в таблице 1.

Таблица 1.

операция	обозначение		операция	обозначение
НЕ	ЛН		И – ИЛИ – НЕ	ЛР
ИЛИ	ЛЛ		ИЛИ – И – НЕ	ЛМ
И	ЛИ		Расширители	ЛД
И– НЕ	ЛА		прочие	ЛП
ИЛИ – НЕ	ЛЕ

По применяемым элементам и схемотехническим решениям применяют группы логических элементов для совместного использования:

-резистивно-транзисторная логика (РТЛ);

-диодно-транзисторная логика (ДТЛ);

-транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ);

-эмиттерно- связанная логика (ЭСЛ);

-логика на основе полевых транзисторов с изолированным затвором (МОП и КМОП).

При создании логического устройства необходимо:

-определить состав логического устройства и связь между составляющими;

-определить количество переменных для каждой составляющей;

-составить таблицы истинности;

-составить математические алгоритмы;

-выбрать элементную база и составить принципиальную схему.

Область определения любой функции n- переменных конечна. Функция может быть задана таблицей значений, которые она принимает при всех возможных комбинациях переменных. Количество комбинаций равно 2ⁿ. Такие таблицы называют таблицами истинности. Математический алгоритм записывается в конъюнктивной или в дизъюнктивной форме (КНФ или ДНФ).

КНФ – логическое произведение логических сумм.

ДНФ – логическая сумма логических произведений.

По таблице истинности можно составить нормальную совершенную функцию ДНСФ или КНСФ.

Дизъюнктивная нормальная совершенная функция (ДНСФ) содержит столько дизъюнкторов (слагаемых), сколько значений единиц в таблице истинности. Каждый дизъюнктор имеет конъюнкцию (произведение) всех переменных. Переменная записывается с инверсией, если эта переменная в соответствующем наборе равна нулю, и без инверсии – если равна единице.

Конъюктивная нормальная совершенная функция (КНСФ) имеет столько конъюнкторов (сомножителей), сколько значений нулей в таблице истинности. Каждый конъюнктор имеет дизъюнкцию (сумму) всех переменных. Переменная записывается с инверсией, если эта переменная в соответсвующем наборе равна единице, и без инверсии – если равна нулю.

Нормальная совершенная функция имеет, в большинстве случаев, избыточное количество составляющих. Поэтому её приходится преобразовывать с использованием правил алгебры логики в математическую модель для выбранных логических элементов. Преобразование осуществляется в два этапа: на первом этапе функцию минимизируют, а на втором этапе преобразуют в математическую модель для заданных логических устройств.

При большем количестве переменных количество элементов в нормальной совершенной функции может быть очень большим и реального успеха минимизации можно достичь при хорошем знании законов и постулатов алгебры логики, а также при наличии достаточной практики. Задача значительно упрощается при использовании графического метода. Графический метод легко усваивается и оказывается гораздо проще аналитического метода, если количество переменных не более пяти. Графические карты носят названия карт Карно или карт Вейча.

Карта Карно – это таблица, каждая клетка которой соответствует только одному набору переменных. Конфигурация таблицы зависит от количества переменных. При составлении таблицы пользуются несколькими правилами. По одному из них каждой стороне прямоугольной таблицы присваивается только одна переменная. Клетки, в которых значения переменной одинаковые, располагают по одной вертикали или по одной горизонтали, таким образом, чтобы исключить совпадение наборов при встречном направлении присвоения. Если по вертикали или по горизонтали переменная равна нулю, то эту вертикаль или горизонталь обозначаем переменной под инверсией (), если переменная равна единице, то обозначаем вертикаль или горизонталь переменной без инверсии ( Х ). Присвоение сторонам карты переменной осуществляется произвольно. Карта считается составленной, если каждой вертикали и горизонтали присвоена переменная. Для составления функции таблицу заполняют значениями функции «0» или «1» для набора, соответствующего выбранной клетки. Заполненная карта представляет собой таблицу истинности.

По таблице составляется функция в дизъюнктивной (ДФ) или в конъюнктивной (КФ) формах. Для составления функции объединяют в «зоны» элементы «1» для ДФ или элементы «0» для КФ. Объединение осуществляют соседних слева- справа- сверху- снизу, но не по диагонали. Объединение осуществляют так, чтобы в «зону» входило как можно больше элементов, а «зон» как только меньше. При этом в «зоне» должно быть элементов один (1) или два (2), или четыре (4), или восемь (8), или шестнадцать (16). Если в таблице имеются неопределённости «Х», то при составлении «зон» вместо «Х» записывается «0» или «1» таким образом, чтобы «зон» было как можно меньше, а в «зону» входило как можно больше элементов объединения.

Правило составления ДФ. Дизъюнктивная функция содержит столько слагаемых (дизъюнкторов), сколько «зон» объединения «1», а каждое слагаемое содержит произведение (конъюнкцию) переменных, входящих в эту зону с учётом поглощения. Поглотившимися переменными считаются те, которые входят в зону с инверсией и без инверсии.

Правило составления конъюктивной функции. Конъюктивная функция содержит столько сомножителей (конъюкторов), сколько «зон» объединения «0».Каждый сомножитель содержит сумму (дизъюнкцию) переменных, входящих в «зону», с учётом поглощения. Каждую переменную необходимо дополнительно инверсировать.

Минимизированная функция может преобразовываться с использованием постулатов алгебры логики для конкретных элементов, выпускаемых промышленностью. Любое промежуточное преобразование может использоваться для составления принципиальной схемы.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА .

ИЗУЧЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЛОГИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ.

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Исследование основных логических элементов, составление таблиц истинности и математического описания работы логических элементов.

2. СОСТАВ РАБОТЫ: На панели стенда имеется набор логических элементов, НЕ, ИЛИ, И, ИЛИНЕ, ИНЕ, ИИЛИНЕ, выбор которых осуществляется переключателем. На выходе каждого элемента имеются индикаторы состояния. Верхний индикатор соответствует 1 ( красный светодиод ), а нижний – 0 ( зелёный светодиод). Входные сигналы формируются с помощью переключателей Х1, Х2, Х3, Х4. В положении включено ( верхнее положение ) переменная Х имеет состояние 1, а в положении выключено – 0. При выполнении работы с помощью переключателей Х устанавливаются значения переменных, указанных в таблице истинности, и записывают состояние на выходе выбранного логического элемента по светодиодам для данного набора.

При составлении математической функции необходимо вначале составить совершенную нормальную функцию, затем минимизировать её и произвести преобразования до получения выражения выполняемой операции.

3. ДАННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ:

3.1. Элемент НЕ – ИНВЕРСИЯ.

а) Условно-графическое обозначение ( УГО ); б) Таблица истинности:

Х1 0 1

F

в) Функция в дизъюнктивной форме (ДФ); ____________________________

г) Функция в коньюктивной форме (КФ) ; _____________________________

3.2. Элемент ИЛИ – ДЕЗЪЮНКЦИЯ, логическое сложение.

а) УГО б) Таблица истинности

Х1 0 1 0 1

Х2 0 0 1 1

F

в)Функция в ДФ: ___________________________________________________

г) Функция в КФ: ___________________________________________________

3.3. Элемент И – КОНЬЮНКЦИЯ, логическое умножение.

а) УГО б) Таблица истинности

Х1 0 1 0 1

Х2 0 0 1 1

F

в)Функция в ДФ: _______________________________________________

г) Функция в КФ: ___________________________________________________

3.4. Элемент ИЛИ – НЕ – ОТРИЦАНИЕ ДЕЗЪЮНКЦИИ, стрелка Пирса.

а) УГО б) Таблица истинности

Х1 0 1 0 1

Х2 0 0 1 1

F

в) Функция в ДФ: __________________________________________________

г) Функция в КФ:___________________________________________________

5. Элемент И – НЕ – ОТРИЦАНИЕ КОНЬЮНКЦИИ, штрих Шеффера .

а) УГО б) Таблица истинности

f =



Х1

Х1 0 1 0 1

Х2

Х2 0 0 1 1

F

в) Функция в ДФ: _________________________________________________

г) Функция в КФ: _________________________________________________

3.6. Двухступенчатый элемент И ИЛИ – НЕ.

а) УГО б) Таблица истинности

f =

1





Х1

Х2

Х1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1

Х3

Х2 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1

Х4

Х3 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1

Х4 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1

Номер набора 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

F

в) Карта Карно для дезъюнктивной функции:

Функция в ДФ по карте Карно и её преобразование:

_____________________________________________

_________________________________________

______________________________________________

г) Карта Карно для коньюктивной функции:

Функция в КФ по карте Карно и её преобразование:

____________________________________________

__________________________________________

___________________________________________

4. Построить временные диаграммы на выходах логических элементов И, ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ при заданных входных сигналах Х1 из первой группы сигналов, и Х2 из второй.

Х1

Х2

И

ИЛИ

И-НЕ

ИЛИ-НЕ

4. Контрольные вопросы.

-Что называют таблицей истинности?

- Преимущества двоичной системы счисления.

-Записать правила составления нормальной совершенной функции в дезъюнктивной и коньюктивной формах.

-Задание для решения задачи 4. Номер варианта – это номер в списке по журналу. М.Р. – цифра в младшем разряде номера в списке по журналу.

Бланк отчёта по лабораторной работе приводится в приложении 7.

ТРАНЗИСТОРНО – ТРАНЗИСТОРНАЯ ЛОГИКА (ТТЛ).

В ТТЛ логические операции выполняются на транзисторах. Для выполнения операции И применяют многоэмиттерный транзистор ( МЭТ ). На рис 1 представлена схема включения МЭТ с тремя эмиттерами. Транзисторы изготавливаются по микроэлектронной технологии.

Базо-коллекторный переход открыт прямым смещением через сопротивление R. Базо-эмиттерный переход будет открыт только в том случае, когда на одном из эмиттеров будет установлен ноль. В этом случае коллекторный переход будет зашунтирован и на выходе установится ноль. Единица на выходе установится только тогда, когда на всех эмиттерах будет единица. Коэффициент объединения по входу по схемному решению не имеет ограничения, ограничивается только конструктивными требованиями.

Операция ИЛИ – НЕ на транзисторах может выполняться при параллельном включении транзисторов VT1VT3 с общей нагрузкой R ( рис. 2 ). На выходе можно получить единицу только в том случае, когда все транзисторы будут в режиме отсечки – закрыты при входных сигналах равных нулю. При этом, в каждом транзисторе будет протекать неуправляемый обратный коллекторно-базовый ток. Суммарный ток создаёт на сопротивлении R падение напряжения.

U_R = ; U_ВЫХ = (+1) – U_R.

При большом количестве входов в заданном диапазоне температур выходное напряжение может оказаться меньше напряжения логической единицы. В реальных устройствах количество входов по ИЛИ не превышает четырёх.