Методические указания по выполнению лабораторных работ для студентов направления 210100 «Электроника и наноэлектроника»



страница3/7
Дата31.07.2016
Размер0.9 Mb.
ТипМетодические указания
1   2   3   4   5   6   7

2.5. Лабораторное задание
Исследование ждущего мультивибратора
1. На вход MB подать импульсы положительной полярности амплитудой от генератора импульсов.

2. Переключить ключ вниз и исследовать схему с убывающим хронирующим напряжением:

− зарисовать форму напряжения
;
− измерить длительность импульса , время восстановления , период колебаний Т и скважность при различных значениях емкости ; измерения проводить при и замкнутом ключе

− снять зависимость при;

− разомкнуть ключ и исследовать влияние на работу МВ

c:\users\денис\documents\методичка\рис 17.bmp

Рис. 2.12.
3. Переключить ключ K2K2 вверх и аналогично исследовать работу МВ с нарастающим хронирующим напряжением.
Исследование автоколебательного мультивибратора
1. Включить схему автоколебательного мультивибратора.

2. Зарисовать форму напряжений


Uвх.D2.1 = f(t), Uc(t), Uвых.D2.1 = f(t), Uвых.D2.2 = f(t).
3. Измерить длительность импульса tu, период колебаний T, скважность Q, время восстановления tвос при R2 = const различных значениях емкости С.

4. Снять зависимость tu = f(R2), tвос = f(R2) при С = const.



Контрольные вопросы
1. Объяснить ход передаточной характеристики элемента ТТЛИ–НЕ со сложным инвертором.

2. Построить временные диаграммы выходных напряжений логических элементов И–НЕ в схеме ждущего мультивибратора с убывающим хронирующим напряжением. Дать им качественное объяснение.

3. Построить временные диаграммы выходных напряжений логических элементов И–НЕ в схеме ждущего мультивибратора с нарастающим хронирующим напряжением. Дать им качественное объяснение.

4. Показать, какими факторами ограничено верхнее значение частоты запускающих импульсов в схемах ждущих мультивибраторов.

5. Построить временные диаграммы выходных напряжений логических элементов И–НЕ в схеме самовозбуждающегося мультивибратора. Дать им качественное объяснение.
Литература
1. Гольденберг Л. М. Импульсные устройства. М.: Радио и связь, 1981.

2. Проектирование радиоэлектронных устройств на интегральных микросхемах./ Под ред. С. Я. Шаца. М.: Сов.радио, 1976.

3. Казаринов Ю. М. Расчет элементов импульсных и цифровых схем радиотехнических устройств. – Киев: Высшая школа, 1976.

4. Справочник по интегральным схемам / Под ред. Тарабрина Б. В. М.: Энергия, 1980.



Лабораторная работа № 3
МУЛЬТИВИБРАТОРЫ НА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ
Цель работы: изучение принципа действия и исследование характеристик и режимов работы мультивибраторов, схема которых выполнена на базе операционного усилителя.
Основные теоретические положения
Ждущий мультивибратор или одновибратор – это устройство, имеющее одно устойчивое состояние. При запуске схемы, она выходит из устойчивого состояния и в течение некоторого времени находится во втором, так называемом квазиустойчивом состоянии. После этого схема возвращается в первоначальное положение. Длительность квазиустойчивого состояния определяется, как правило, временем перезаряда емкости хронирующей -цепи.

Автоколебательный мультивибратор имеет два квазиустойчивых состояния. В процессе работы он попеременно переходит из одного состояния в другое под действием процессов в хронирующей -цепи.

Моменты переключения состояния в мультивибраторах определяются срабатыванием сравнивающего устройства (компаратора) регенеративного типа. В качестве такого компаратора обычно выступают усилители с глубокой положительной обратной связью.

Мультивибраторы на операционных усилителях (ОУ) отличаются простой схемотехникой и высокой стабильностью параметров. В схемах мультивибраторов ОУ используются в качестве компараторов (рис. 3.1). При этом в зависимости от знака разности напряжений на входах ОУ, выходное напряжение ОУ принимает либо положительное, либо отрицательное максимальные значения


,
(3.1)


c:\users\денис\documents\методичка\рис 18.bmp

Рис. 3.1.
Один из вариантов схемы ждущего мультивибратора приведен на рис. 3.2.

В исходном состоянии на инвертирующий вход ОУ подается небольшое отрицательное напряжение



= −Uоп R2/(R1 + R2).

Напряжение на неинвертирующем входе ОУ близко к нулю. Поэтому на выходе ОУ устанавливается положительное напряжение , величина которого определяется уровнем напряжения насыщения выходного каскада ОУ и емкость С оказывается заряженной до этого напряжения (Uc = ).





c:\users\денис\documents\методичка\рис 19.bmp

Рис. 3.2.
При подаче на вход положительного перепада напряжения, дифференцирующая цепь R1 || R2, C1 формирует на инвертирующем входе короткий положительный запускающий импульс. При этом напряжение на выходе ОУ переключается на отрицательное значение и на неинвертирующий вход подается отрицательный скачок напряжения =. Поскольку < , схема фиксируется в положении = (квазиустойчивое состояние), и емкость начинает разряжаться через резистор . По мере разряда емкости, напряжение экспоненциально приближается к нулю и при достижении равенства = происходит возвращение ОУ в исходное состояние = . Начинается процесс восстановления схемы, при котором емкость C постепенно заряжается до напряжения Uc = .

Временные диаграммы, иллюстрирующие описанный процесс приведены на рис. 3.3.

Длительность импульса на выходе одновибратора определяется выражением:

, (3.2)

поэтому ее можно менять регулируя величину R или C.

Время восстановления схемы tвосст можно считать равным:
tвосст = (23)RC. (3.3)
c:\users\денис\documents\методичка\рис 20.bmp

Рис. 3.3.

Его уменьшают, подключая параллельно резистору R диод VD1. На рис. 3.2 он показан пунктиром.

Несколько иная схема ждущего мультивибратора приведена на риc. 3.4. В отличие от предыдущего одновибратора (рис. 3.2) в этой схеме полярности запускающего импульса и выходного напряжения совпадают.

c:\users\денис\documents\методичка\рис 21.bmp

Рис. 3.4.
В исходном состоянии напряжение на выходе ОУ положительно ( = ). При этом = = Uc = UVD1 и ёмкость С заряжена до небольшого напряжения прямосмещенного диода VD1.

При подаче на вход схемы отрицательного скачка напряжения, на неинвертирующем входе формируется короткий отрицательный запускающий импульс. Он переводит OУ в состояние, противоположное исходному ( = ). Это состояние фиксируется подачей части выходного напряжения ОУ на его неинвертирующий вход через делитель R1R2. Причем необходимо, чтобы > . Далее начинается процесс перезаряда емкости С, который длится до момента достижения равенства = . После этого ОУ переключается в исходное состояние ( = ) и начинается процесс восстановления схемы.

Временные диаграммы, соответствующие описанным процессам, приведены на рис. 3.5.

c:\users\денис\documents\методичка\рис 22.bmp

Рис. 3.5.
Длительность выходного импульса T можно определить по следующей формуле:

, (3.4)

где UVD1 можно считать равным 0,65 В для кремниевых диодов.

Время восстановления схемы tвосст примерно равно длительности импульса T и для его уменьшения в схему можно ввести диод VD3 (рис. 3.4).

Для перевода ждущего мультивибратора в автоколебательный режим необходимо сделать оба состояния схемы квазиустойчивыми. Наиболее просто это достигается исключением из схемы рис. 3.4 элементов С1, R3, VD1, VD2, VD3. В результате получается схема автоколебательного мультивибратора, показанная на рис. 3.6. В эту схему дополнительно введены диоды VD1, VD2, что позволяет раздельно регулировать длительности положительного и отрицательного импульсов на выходе ОУ.




c:\users\денис\documents\методичка\рис 23.bmp

Рис. 3.6.
Для объяснения работы схемы предположим, что за счёт положительной обратной связи через делитель R1 R2, ОУ переключился в состояние = = . Очевидно, при этом напряжение стало равным , (вместо раннее имевшегося =), а напряжение осталось на уровне = из-за инерционности процесса заряда ёмкости С. Далее напряжение на инвертирующем входе начнёт нарастать по экспоненте в направлении к . При достижении равенства = ОУ переключится из состояния = в положение = и процессы в схеме пойдут в обратном порядке. При этом станет равным , напряжение на ёмкости начнёт изменяться от значения до величины . Описанные процессы циклически повторяются, что иллюстрируется с помощью временных диаграмм на рис. 3.7.

Длительность импульсов t1 и t2 на выходе схемы определяется следующими выражениями:



, (3.5)

, (3.6)

.
c:\users\денис\documents\методичка\рис 24.bmp
Рис. 3.7.

Формулы (3.5) и (3.6) не учитывают падение напряжения на диодах VD1 и VD2.

Рассмотренный мультивибратор может работать в режиме синхронизации или деления частоты. Для этого на вход синхронизации (рис. 3.8) необходимо подавать прямоугольное напряжение Uвх, которое преобразуется дифференцирующей цепью C1, R5 в короткие разнополярные импульсы (рис. 3.9).

c:\users\денис\documents\методичка\рис 25.bmp
Рис. 3.8.
c:\users\денис\documents\методичка\рис 26.bmp
Рис. 3.9.

Для надежной синхронизации необходимо, чтобы за период входного напряжения приращение напряжения на емкости С составляло величину меньшую, чем амплитуда коротких синхроимпульсов. Зона устойчивой синхронизации определяется формулой:


(3.7)
При выполнении условия (3.7) кратность деления частоты можно изменять с помощью регулировки сопротивлений или .
3.3. Описание лабораторного макета
Схема лабораторного макета приведена на рис. 3.10. Он содержит два ждущих (рис. 3.10 а,б) и один автоколебательный (рис. 3.10 в) мультивибраторы. Длительность импульсов на выходе схем регулируется изменением постоянных времени хронирующих –цепей посредством переключателей П или переменных резисторов.

Запуск и синхронизация мультивибраторов осуществляются от внешнего генератора прямоугольных импульсов. Необходимо следить за тем, чтобы амплитуда входных импульсов не превышала 10 В.

Для питания макета необходимы два напряжения +12В и -12В.
3.4. Расчётное задание
1. Для всех схем лабораторного макета рассчитать параметры мультивибратора, считая , . Величины резисторов и принять равными их максимальным значениям и половине их максимальных значений.

2. Найти зону устойчивой синхронизации автоколебательного мультивибратора.



5. Лабораторное задание
1. Исследовать схемы одновибраторов а) и б) при частоте запускающих импульсов, равной 100 Гц:

− снять зависимость длительности импульсов T от величины ёмкости С и резистора R и сравнить полученные результаты с расчётными;



c:\users\денис\documents\методичка\рис 27.bmp

а)
c:\users\денис\documents\методичка\рис 28.bmp

б)
c:\users\денис\documents\методичка\рис 29.bmp

в)
Рис. 3.10.

− зарисовать осциллограммы в контрольных точках схемы для , ;

− измерить длительности положительного и отрицательного фронтов переключения ОУ;

− снять зависимость амплитуды запускающих импульсов от их длительности, соответствующую границе устойчивого запуска одновибраторов.

2. Исследовать схему в) в автоколебательном режиме:

− снять зависимость длительностей положительного и отрицательного импульсов и от величины резисторов и и сравнить полученные результаты с расчётными;

− зарисовать осциллограммы в контрольных точках схемы для, .

3. Исследовать схемы в) в режиме деления частоты:

− при амплитуде импульсов запуска 5 В и длительности 10 мкс установить режим деления частоты внешнего генератора в 4,8,12 раз;

− для всех случаев зарисовать осциллограммы в контрольных точках схемы.


Контрольные вопросы
1. Объясните принцип работы и функциональное назначение компаратора на базе ОУ.

2. Объясните принцип действия одновибратора по схеме рис. 3.2. Выведите самостоятельно выражение для расчета длительности выходного импульса.

3. Выведите выражение для расчета длительности выходного импульса одновибратора по схеме рис. 3.4.

4. Как схему рис. 3.4 перевести в автоколебательный режим?

5. Что такое режим синхронизации и деления частоты автоколебательного мультивибратора?

6. Постройте временные диаграммы для режима деления частоты в 4 раза в схеме рис. 3.8.



Литература
1. Шипо В. Л. Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре. М.: Сов.радио, 1979.

2. Аналоговые интегральные схемы. / Под ред. Д. Коннели.- Пер. с англ. Под ред М. В. Гальперина. М.: Мир, 1977.

3. Кофичн Р., Дрискол Ф. Операционные усилители и линейные интегральные схемы. М.: Мир, 1979.

Лабораторная работа № 4
ФАНТАСТРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР
Цель работы − изучение электрической схемы и функциональных возможностей генератора пилообразного напряжения фантастронного типа.
Основные теоретические положения
На рис. 4.1 приведена схема генератора линейно-изменяющегося напряжения (ЛИН), получившая название фантастрона. Такая схема генерирует линейное падающее напряжение как в ждущем, так и в автоколебательном режиме.

В схеме фантастронного генератора можно увидеть сочетание двух устройств – генератора ЛИH с каскадным инвертирующим усилителем на транзисторах , (схема этого генератора показана отдельно на рис. 4.2) и триггером с эмиттерной связью на транзисторах , VT3 c транзистором в качестве эмиттерного резистора связи. При воздействии этих двух схем, триггер, как пороговое устройство, выполняет функции управления генератором ЛИН.

Рассмотрим ждущий режим работы генератора. В исходном состоянии транзисторы и VT3 насыщены, что обеспечивается выбором резисторов , , . Делитель , выбирается таким образом, что напряжение оказалось больше , благодаря чему транзистор в исходном состоянии закрыт. Емкость С, на которой во время прямого хода и образуется пилообразное напряжение заряжена до напряжения . Ее заряд происходит на стадии обратного хода через переход база−эмиттер открытого транзистора и резистора .

Запуск схемы можно произвести импульсом, стремящимся изменить состояние какого-либо транзистора.

На рис. 4.1 запуск производится положительным импульсом, подаваемым на базу . Этот импульс должен быть достаточно длительным, чтобы вышел из режима насыщения и оказался в активном режиме.

c:\users\денис\documents\методичка\рис 30.bmp

Рис. 4.1.

c:\users\денис\documents\методичка\рис 31.bmp

Рис. 4. 2.
При этом Uк3 понижается, благодаря чему понижается и напряжение Uб2 на базеVT2. Вследствие этого, транзистор VT2 открывается и Uк2, начинает возрастать. Поскольку напряжение на ёмкости не может изменяться скачкообразно, повышается и напряжение на базе , . Это приводит к подзапиранию транзистора ,который выходит из режима насыщения и переходит в активный режим. Напряжение на его коллекторе понижается, что способствует ускорению запирания транзистора , которое было вызвано запускающим импульсом. Таков механизм действия положительной обратной связи, возникающей при работе всех транзисторов в активном режиме. Развивающийся лавинообразный процесс заканчивается полным запиранием , транзисторы , 2 остаются в активном режиме. Далее формируется прямой ход, в течение которого схема "превращается” в генератор ЛИН с каскадным усилителем (рис. 4.2).В силу наличия отрицательной обратной связи емкость С разряжается почти постоянным током через резистор , источник питания и транзисторы , 2 , работающие в активном режиме. Таким образом, генерируется линейно-падающее напряжение, которое может сниматься с коллектора 2 .

Во время рабочего хода напряжение на емкости постепенно уменьшается. Уменьшаются также коллекторные напряжения транзисторов и 2. На заключительной стадии рабочего хода напряжение становится меньше и транзистор входит в насыщение. Хотя при этом линейность рабочего хода и ухудшается, этот ход будет продолжаться за счет усилительного действия транзистора , еще находящегося в активном режиме.

По мере дальнейшего повышения напряжения , открывается транзистор . Это произойдет тогда, когда напряжение станет меньше напряжения , с задаваемого делителем , . Когда транзистор входит в активный режим, напряжение начинает увеличиваться, что вызывает подзапирание транзистора и поднасыщение . Действие отрицательной обратной связи, необходимой для формирования рабочего хода, прерывается и вступает в действие положительная обратная связь, характерная для триггера с эмиттерной связью. В результате транзистор насыщается, а запирается, т.е. происходит обратное опрокидывание схем. После этого формируется обратный ход.

В процессе обратного хода емкость С заряжается до исходного уровня по указанной выше цепи. В схеме восстанавливается устойчивое состояние, которое может быть нарушено следующим, запускающим импульсом. Время восстановления восст можно оценить по формуле:


восст = 3RkC (4.1)
Длительность рабочего хода ЛИН определяется соотношением:

tp = RC, (4.2)
а линейность ЛИН можно оценить с помощью следующего выражения:

 = , (4.3)


где α – коэффициент использования напряжения, равный 0,8 ÷ 0,95;

VT1 − коэффициент передачи тока базы.

Ha рис.4.3 приведены временные диаграммы напряжений в характерных точках схемы, показанной на рис. 4.1. Полярность напряжений соответствует реальной, измеренной относительно общей шины.

c:\users\денис\documents\методичка\рис 32.bmp

Рис. 4.3.


Каталог: Portals
Portals -> Правила оформления тезисов докладов и статьей Текст и рисунки должны быть черно-белыми!!! Статья и тезисы доклада должны быть предоставлены в двух форматах ms
Portals -> Ю. С. Андрианов (Россия, Йошкар-Ола)
Portals -> Программа шестой международной научной школы «наука и инновации 2011»
Portals -> Возраст: 22 года Семейное положение
Portals -> Программные продукты, полученные в 2015 году
Portals -> Методические указания к лабораторным работам (на стенде тмж-2) Для студентов направления 270800 "Строительство"


Поделитесь с Вашими друзьями:
1   2   3   4   5   6   7


База данных защищена авторским правом ©uverenniy.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница