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



страница5/7
Дата31.07.2016
Размер0.9 Mb.
ТипМетодические указания
1   2   3   4   5   6   7

Таблица 5.4

Sn, Rn

Q, P

00

01

11

10

00

11

01

[00]

10

01

[01]

[01]

00

00

11

00

00

00

00

10

[10]

00

00

[10]

Рассмотренную разновидность триггера называют RS−триггером с прямыми входами.


E –триггер
Заменяя столбец неопределенностей в карте Карно (табл. 5.2) сочетанием 01, получим:


Sn, Rn

Qn

00

01

11

10




0

0

0

0

1→ а

1

1

0

1

1→ в

с

Минимизируем полученную функцию Qn+1 = ƒ(Sn, Rn, Qn).

Контур а: Qn+1 истинно, если Sn = 1, Rn = 0 независимо от Qn.

Контур в: Qn+1истинно, если Qn = 1, Sn = 1 независимо от Rn.

Контур с: Qn+1 истинно, если Qn = 1, Rn = 0 независимо от Sn.



Таким образом:
Qn + 1 = Sn + Sn Qn + Qn. (5.9)
Преобразуем (5.9):
Qn + 1 = Sn + Sn Qn + Qn = Sn + Qn(Sn + ) =

= Sn + Qn.
Следовательно,

Qn + 1 . (5.10)
Уравнение (5.10), содержащее отрицание конъюнкции, наиболее удобно реализовать на элементах И-НЕ. Электрическая принципиальная схема такого устройства представлена на рис. 5.5. Первые два каскада И-НЕ, у которых входы объединены, являются инверторами: они выполняют операции Y1 = и Y2 = . Составим уравнения возбуждения:

, (5.11)
. (5.12)
c:\users\денис\documents\методичка\рис 38.bmp

Рис. 5.4.

c:\users\денис\documents\методичка\рис 39.bmp

Рис. 5.5.

c:\users\денис\documents\методичка\рис 40.bmp

Рис. 5.6.
В соответствии с (5.11), (5.12) заполним обобщенную карту Карно (табл. 5.5).

Таблица 5.5

Sn, Rn

Q, P

00

01

11

10

00

11

11

11

11

01

[01]

[01]

[01]

11

11

00

01

00

00

10

[10]

11

[10]

[10]

Из анализа табл.5 видим, что для устойчивых состояний триггера значения P и Q всегда инверсны; запрещенные состояния 00, 11 − неустойчивы.

При S = 0, R = 0 триггер оказывается в одном из двух состояний 01 или 10 − в зависимости от того, в каком состоянии триггер оказался после воздействия предыдущих сочетаний сигналов. При S = 0, R = 1 триггер устанавливается в положение Q = 0 (состояние 01). При S = 1, R = 0 – в состояние Q = 1, P = 0. При S = 1, R = 1, как и для сочетания S = 0, R = 0 возможны два устойчивых состояния. При наличии одинаковых входных сигналов на входе триггера триггер не переключается, а сохраняет то положение, в котором находился до прихода входных сигналов.
JK-триггер
Заполнив столбец неопределенностей в карте Карно (табл. 5.2) сочетанием 10, получим:


Sn, Rn

Qn

00

01

11

10




0

0

0

1

1→ а

1

1

0

0

1→ в

Минимизируем полученную функцию:


Qn+1 =ƒ(Sn, Rn, Qn).
Контур а: Qn+1 истинно, если Qn = 0, Sn = 1 независимо от состояния Rn.

Контур в:Qn+1 истинно, если Qn = 1, Rn = 0 независимо от состояния Sn.

Таким образом:
(5.13)
Схема триггера, выполняющая логическую функцию (5.13), приведена на рис. 5.6.

В указанную схему входят два RS-триггера с инверсными входами. Эти “внутренние” триггер имеют соответственно собственные входы и . Чтобы различать входные сигналы триггера в целом и входные сигналы внутренних триггеров, входные зажимы триггера обычно обозначают J, K. Вход J имеет тоже назначение, что и вход S; вход K – что и R. С учетом этого выражение (5.13) можно записать:


. (5.14)
Таблица переключений (табл. 5.1), дополненная значениями 10, в более компактной форме может быть представлена следующим образом(табл. 5.6).

Как и E-триггер, JK-триггер не имеет запрещенных сочетаний входных сигналов Jn, Kn. Однако последовательность его работы отлетается от E-триггера. При J = 1 и K = 1 триггер изменяет свое состояние: Qn+1 = Qn, т.е. триггер при объединении входов J и K может работать в счетном режиме.

Поскольку JK-триггер содержит в своей основе два RS-триггера, то он является двухступенчатым. Первый RS-триггер является основным и служит для записи входной информации, а второй – вспомогательный и служит для хранения информации. При воздействии входного сигнала информация вначале поступает на первый триггер, а вход второго в это время оказывается заблокированным и информация на него поступает только после окончания действия входного сигнала. Сказанное иллюстрируется временными диаграммами работы JK-триггера в режиме раздельного запуска (рис. 5.7) и в режиме счетного запуска (рис. 5.8).
Таблица 5.6


Jn

Kn

Qn+1

0

0

Qn

0

1

0

1

0

1

1

1


JK-триггер более сложный, чем ранее рассмотренные разновидности схем триггеров, и имеет более широкие возможности для использования, являясь универсальным триггером. Если триггер используют в режиме раздельного запуска и выполнено обязательное условие для RS-триггера JK = 0, то функции этого триггера полностью аналогичны функциям RS-триггера: сигнал J = 1 устанавливает триггер в состояние Q = 1, сигнал K = 1 в состоянии Q = 0. Если входы J и K объединены, то JK-триггер работает в режиме так называемогоT-триггера, т.е. в счетном режиме.


c:\users\денис\documents\методичка\рис 41.bmp

Рис. 5.7.

c:\users\денис\documents\методичка\рис 42.bmp

Рис. 5.8.
5.4. Описание лабораторного макета
Лабораторный макет включает в себя схемы RS-триггеров, схему E-триггера и схему JK-триггера. Характерные точки схем снабжены гнездами, что дает возможность наблюдать формы напряжений или контролировать логические уровни в этих точках.
5.5. Расчетное задание
1. Рассчитать величину задержки переключения RS-триггеров, полагая, что для построения схем используются элементы И-НЕ серии К155.

2. Рассчитать величину задержки переключения E и JK-триггеров, если в их схемах используются элементы И-НЕ серии К555.

3. Построить схему триггера на базе RS-триггера с инверсными входами, управляемого только по входу S или R.
5.6. Лабораторное задание
1. Исследовать RS-триггер.

1.1. Подать на вход S импульс положительной полярности с выхода генератора Г5-15 с частотой 10 кГц с длительностью 3 мкс.

1.2. Подать на вход R синхроимпульс генератора Г5-15 положительной полярности.

1.3. Регулируя амплитудами запускающих импульсов, добиться запуска триггера и зарегистрировать выходной импульс триггера на экране осциллографа.

1.4. Сравнить длительность выходного импульса триггера с временем задержки синхроимпульса генератора.

1.5. Регулируя длительность задержки, определить минимальную задержку, при которой триггер надежно срабатывает.

5.1.6. Замерить длительность фронтов выходного импульса триггера.

1.7. Оценить быстродействие триггера.

1.8. Замерить минимальную амплитуду запускающих импульсов подаваемых на вход R.

1.9. Построить временные диаграммы работы триггера в данном эксперименте.


2. Исследовать E-триггер

Выполнить все пункты исследования RS-триггера для E-триггера.



3. Исследовать JK-триггер.

3.1. Выполнить пункты 1-7 из раздела 5.1.

3.2. Запустить осциллограф импульсом синхронизации генератора.

3.3. Объединить входы J и K и подать на объединенный вход положительный импульс длительностью 10 мкс с выхода генератора. Получить осциллограмму выходного напряжения триггера на выходе Q.

3.4. Замерить длительность фронтов выходного импульса триггера.

3.5. Замерить задержку выходного импульса триггера относительно заднего фронта запускающего импульса. Объяснить эту задержку и рассчитать ее, зная параметры логической микросхемы (время задержки включения не более 150 нс, время задержки выключения – не более 400 нс).

3.6. Снять временные диаграммы работы JK-триггера в счетном режиме.
Контрольные вопросы

1. Составьте таблицу переключений RS-триггеров с прямыми и инверсными входами.

2. Постройте схему JK-триггера на элементах серии К155.

3. Составьте схему E-триггера на элементах серии К555.


Литература

1. Савельев А. Я. Прикладная теория цифровых автоматов. М.: Высшая школа, 1987.

2. Шоломов Л. Л. Основы теории дискретных логических и вычислительных устройств. М.: Связь, 1980.

3. Глушков В. М. Синтез цифровых автоматов. М.: Наука, 1962.

4. Поспелов Р. А. Логические методы анализа и синтеза схем. М.: Энергия, 1974.

5. Букреев И. Н., Мансуров Б. М., Горячев В. И. Микроэлектронные схемы цифровых устройств. М.: Сов.радио, 1975.

6. Зельдин Е. А. Триггеры. М.: Энергоатомиздат, 1983.


Лабораторная работа № 6
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ КАСКАДЫ НА ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ
Цель работы: изучение свойств и измерение основных параметров каскадов с общим истоком, общим стоком и общим затвором.

6.1. Основные теоретические положения
Каскад по схеме с общим истоком
В этой схеме включения полевого транзистора (ПТ) исток соединён по переменному току с источником сигнала и сопротивлением нагрузки. Такая схема использования ПТ позволяет получить максимальный коэффициент усиления по мощности. Каскад с общим истоком (ОИ) имеет также большое усиление по напряжению (Ku) и по току (Ki).

Типовая схема каскада с ОИ приведена на рис. 6.1.а. Элементы схемы имеют следующее назначение:

− резистор Rи обеспечивает запирающее напряжение смещения ПТ;

− резистор Rз осуществляет подачу напряжения смещения на затвор ПТ;

− резистор Rс служит для протекания тока стока транзистора. На этом резисторе выделяется напряжение усиленного сигнала;

− резистор Rн является эквивалентом реальной нагрузки;

− ёмкости Cз и Cс служат для пропускания переменной составляющей сигнала, т.е. являются разделительными;

− ёмкость Cи шунтирует по переменному току резистор Rи, тем самым в каскаде устраняется действие отрицательной обратной связи и величина Ku не снижается;

− ёмкость Cн является эквивалентом ёмкости реальной нагрузки.

Параметры каскада в различных областях частот могут быть получены из матрицы, составленной по эквивалентной схеме каскада. Эта схема приведена на рис. 6.1.б. Емкость Cзс представляет собой эквивалентную емкость затвор-сток самого ПТ.

В области средних частот реактивные сопротивления ёмкостей Cз, Cи, Cс пренебрежимо малы, а ёмкости Cзс и Cи имеют сопротивления существенно больше, чем остальные элементы схемы. При этом эквивалентная схема каскада упрощается, а выражения для его параметров принимают вид:

, (6.1)
; (6.2)
; (6.3)
, (6.4)

где


; ; ; . (6.5)
В приведённых формулах величины ; есть соответственно: динамическая крутизна и динамическая внутренняя проводимость ПТ. Эти параметры определяются в рабочей точке транзистора по его вольт-амперным характеристикам.

Максимально возможный размах напряжения на нагрузке Uр, равный сумме амплитуд сигнала при различных его полярностях, определится соотношением:


, (6.6)
где Ico – ток транзистора при нулевом напряжении затвор-исток.

Соответственно, максимально возможный размах тока в нагрузке составит:



Ip = upgн.

В области умеренно высоких частот необходимо учесть влияние сопротивлений ёмкостей Cзс и Cн. При этом малыми сопротивлениями ёмкостей Cзс, Cн и Cс пренебрегают. В результате получаются следующие выражения для параметров каскада:



рис1.jpg
Рис. 6.1.

, (6.7)
где  − угловая частота входного сигнала, р = j, Ku() и u() − амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики каскада:
; (6.8)
; (6.9)
; (6.10)
. (6.11)
Как следует из приведенных формул, с ростом частоты величина Кu() падает. Это объясняется действием ёмкостей Cзс и Cн. Особенно сильное влияние оказывает Сн, шунтирующая нагрузку. Кроме того, входная ёмкость каскада Cвх(p)  Cзс(1 + Ku()) оказывается значительной и тем больше, чем больше усиление схемы.

В области низких частот сопротивления ёмкостей Cзс и Cн не учитывают, а сопротивлениями ёмкостей Cз, Cн и Cс пренебрегать нельзя. В результате получаются следующие выражения для параметров каскада:


. (6.12)

; (6.13)

; (6.14)
; (6.15)
; (6.16)
Из приведенных соотношений следует, что с понижением частоты величина Ки() уменьшается. Это является следствием как увеличения сопротивления раздельных ёмкостей Cз и Cс, так и усиления действия отрицательной обратной связи (ООС) «Z» типа через резистор Rи.

Если положить Cи = 0, то в области средних частот из (13) получим известную формулу для величины Ku:


. (6.17)
Амплитудно-частотная характеристика каскада в полном диапазоне частот приведена на рис. 6.1в. Нижняя и верхняя граничные частоты усиления н и з вычисляются на уровне - 3 дБ от максимальной величины Ku. При этом можно приближённо считать, что частота определяется из формулы (13) по наименьшей из величин: ; ; . Частота определяется из формулы (6.8).

Каскад по схеме с общим стоком
В этом каскаде, называемом иначе истоковым повторителем, напряжения, сток, источник сигнала и сопротивление нагрузки имеют общую точку по переменному току. Ввиду присутствия в схеме глубокой ООС «H» типа, величина Ku каскада меньше единицы. При этом схема обладает очень большим входным сопротивлением, малой входной ёмкостью и весьма малым выходным сопротивлением. Последнее обеспечивает возможность работы каскада на низкоомную нагрузку.

Типовая схема каскада с общим стоком (ОС) приведена на рис. 2 а. Элементы схемы имеют следующее назначение:

− резистор Rи1 задаёт напряжение смещения ПТ;

− резистор Rи2 совместно с Rи1 обеспечивает заданный режим работы выходной цепи транзистора;

− резистор R3 подаёт напряжение смещения на затвор ПТ;

− элементы Rн, Cн служат эквивалентом нагрузки каскада;

− ёмкости Cз, Cи являются разделительными.

При рассмотрении эквивалентной схемы каскада (рис. 2 б) в различных областях частот могут быть получены соотношения для его параметров.

В области средних частот пренебрегаем действием ёмкостей схемы. В результате параметры каскада определяются следующим образом:

, (6.18)
, (6.19)
. (6.20)
Максимально возможные размахи напряжения и тока в нагрузке выразятся соотношениями:
, (6.12)
. (6.22)


Рис. 6.2.

В области умеренно высоких частот следует учесть шунтирующее действие разгрузочной ёмкости Cн. Получаем выражение для усиления каскада по напряжению:


, (6.23)

,(6.24)
. (6.25)
Как следует из формулы (6.24), с ростом частоты усиление снижается, а фазовый сдвиг в каскаде возрастает.

В области низких частот учитывается влияние разделительных ёмкостей Cз, Cи. Величина Ku каскада выразится следующим образом:



, (6.26)
где


, (6.27)

. (6.28)
Завал частотной характеристики в области низких частот объясняется теми же причинами, что и в схеме с ОИ.

Амплитудно-частотная характеристика каскада в полном диапазоне частот представлена на рис. 2 в. Нижняя граничная частота ωн определяется наименьшей из постоянных времени τ1, τн. Частота ωв задаётся соотношением:


. (6.30)
При сравнимых номиналах элементов каскадов с ОИ и ОС, частота ωв последнего оказывается существенно больше. Это объясняется действием глубокой ООС в схеме истокового повторителя.
Каскад по схеме с общим затвором
Этот каскад называется иначе повторителем тока, откуда следует, что его усиление по току составляет порядка единицы. Затвор ПТ соединён по переменному току с источником сигнала и сопротивлением нагрузки. В каскаде с общим затвором (ОЗ) действует глубокая ООС «K» типа, снижающая усиление по току и входное сопротивление схемы. Одновременно выходное сопротивление каскада существенно повышается. Это обеспечивает получение больших усилений по напряжению.

Типовая схема каскада приведена на рис. 3 а. Назначение резисторов и ёмкости Cи схемы такое же как и в каскаде с ОИ. Ёмкости Cи, Cс являются разделительными.

Эквивалентная схема каскада показана на рис. 3 б. Параметры каскада в области средних частот определяются без учёта влияния ёмкостей. В результате получаем:
, (31)
. (6.32)
, (6.33)
. (6.34)
Предельные размахи напряжения и тока нагрузки:
, (6.35)
. (36)
В области умеренно высоких частот учитывается влияние ёмкости нагрузки. При этом:

, (6.37)
. (6.38)
Как и для всех ранее рассмотренных каскадов усиление каскада с ОЗ падает с ростом частоты.

В области низких частот учитывается действие разделительных ёмкостей:


, (6.39)
где

; . (6.40)
; (6.41)
. (6.42)
Результирующая амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) каскада (рис. 3 в) не отличается от рассмотренных ранее. Частота ωн определяется наименьшей из постоянных τ1, τн. Частота ωв выразится соотношением:

. (6.43)
Среди всех трёх рассмотренных схем включения ПТ каскад с ОЗ обладает наилучшей устойчивостью вследствие малой ёмкости связи между входом и выходом. Следует отметить, что каскады с ОС и ОЗ не инвертируют фазу входного сигнала в отличие от каскада с ОИ.

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