методичка. методичка по лабам Основы электроники. Методические указания для выполнения лабораторных работ по дисциплине Основы электроники

• Название: Методические указания для выполнения лабораторных работ по дисциплине Основы электроники
• Анкор: методичка
• Дата: 13.11.2019
• Размер: 2.57 Mb.
• Имя файла: методичка по лабам Основы электроники.docx
• Тип: Методические указания; #94919
• страница: 9 из 15

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №8

ИССЛЕДОВАНИЕ БАЗОВЫХ ЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ

ТТЛ И ЭСЛ ЛОГИКИ
Цель работы:

Целью работы является освоение студентами методов моделирования основных типов базовых логических схем ТТЛ и ЭСЛ логики, в среде ELECTRONICS WORKBENCH , а также расчетов этих схем.
Содержание работы:

1. 
   Расчет и исследование основных параметров базовых логических элементов ТТЛ и ЭСЛ логики.
   
2. 
   Исследование схемы ТТЛ логики.
   
3. 
   Исследование схемы ЭСЛ логики.
   

Инструменты:

Для исследования логических схем понадобятся следующие элементы и приборы:

• 
  Вольтметры;
  
• 
  Амперметры;
  
• 
  Источники постоянной ЭДС;
  
• 
  Биполярные транзисторы ВС107ВР;
  
• 
  Резисторы;
  
• 
  Диоды 1N4001.
  

Теоретические сведения:

Базовый логический элемент ТТЛ логики.

Характерной особенностью ТТЛ является использование многоэмиттерных транзисторов. Эти транзисторы сконструированы таким образом, что отдельные эмиттеры не оказывают влияния друг на друга. Каждому эмиттеру соответствует свой p-n переход.

При мысленной замене многоэмиттерного транзистора диодами (Рисунок.17.1.) получаем элемент диодно-транзисторной логики «И-НЕ». Из анализа схемы можно сделать вывод, если на один из входов или на оба входа подать низкий уровень напряжения (что соответствует нулю), то ток базы Т₂ будет равен нулю, и на коллекторе транзистора Т₂ будет высокий уровень напряжения (что соответствует единице). Если на оба входа подать высокий уровень напряжения, то через базу Т₂ транзистора будет протекать большой базовый ток и на коллекторе Т₂ будет низкий уровень напряжения.

Рисунок 8.1. - Схема элемента.
При расчете базового логического элемента ТТЛ логики используются соотношения, для описания которых введем следующие обозначения:

I⁰_вх – входной ток при подаче на вход сигнала низкого уровня;

I¹_вх - входной ток при подаче на вход сигнала высокого уровня;

I_б^Т1 – ток базы первого транзистора;

I_б^Т2 – ток базы второго транзистора;

I_б^Т4 – ток базы четвертого транзистора;

I_к^Т1 – ток коллектора первого транзистора;

I_к^Т2 – ток коллектора второго транзистора;

I_э^Т2 – ток эмиттера второго транзистора;

I_R1 – ток, протекающий по первому резистору;

I_R2 – ток, протекающий по второму резистору;

I_R3 – ток, протекающий по третьему резистору;

I⁰_вых – выходной ток при подаче сигнала низкого уровня;

U_п – напряжение питания;

U⁰_вх – напряжение на входе при подаче сигнала низкого уровня;

U_бэ^Т1 – напряжение на базоэмиттере транзистора Т₁;

U_бэ^Т2 – напряжение на базоэмиттере транзистора Т₂;

U_бэ^Т4 – напряжение на базоэмиттере транзистора Т₄;

U_бк^Т1 – напряжение на базоколлекторе транзистора Т₁;

Р¹ – мощность при подаче сигнала высокого уровня;

Р⁰ – мощность при подаче сигнала низкого уровня;

Р – средняя мощность логического элемента;

Расчет базового логического элемента ТТЛ логики:

Для токов:

1) входных:

- при подаче на вход нуля

I⁰_вх=(U_п-U⁰_вх-U_бэ^Т1)/(R1*n⁰), где n⁰=1 (1,1)

- при подаче на вход единицы

I¹_вх=(U_п –V_б)/R1*n=(U_п-(U_вх¹+U_бэ^Т5+(U_бэ^Т1-U_кэ^Т1))); (1,2)

где n – кол-во входов многоэмиттерного транзистора

2) баз транзисторов:

- первого транзистора

I_б^Т1=(U_п-U_бэ^Т4-U_бэ^Т2-U_бк^Т1)/R1

- второго транзистора

I_б^Т2=I_к^Т1=I_б^Т1+n*I¹_вх

- четвертого транзистора

I_б^Т4=I_э^Т2-I_R3

3) коллектора второго транзистора:

I_к^Т2=(U_п-U_бэ^Т4-U_э)/R2

4) эмиттера второго транзистора:

I_э^Т2=I_б^Т2-I_к^Т2

5) протекающих по:

- первому резистору

I_R1=(U_п-U_бэ^Т4-U_бэ^Т2-U_бк^Т1)/R1

- третьему резистору

I_R3=U_бэ^Т4/R3

6) выходного при подаче нуля

I⁰_вых=n*I_б^Т4=n*(I_э^Т2-I_R3)=n[(I_б^Т2+I_к^Т2)-U_бэ^Т4/R3], где n=30

Для мощностей:

- при подаче единицы

Р¹=(I_R1+I_R2)*U_п (1,3)

- при подаче нуля

Р⁰=I⁰_вх*U_п (1,4)

- средняя

Р=(Р⁰+Р¹)/2 (1,5)


Базовый логический элемент ЭСЛ логики.


Рисунок 8.2. –Схема элемента.

Основой базового логического элемента ЭСЛ является токовый ключ. Схема токового ключа подобна схеме дифференциального усилителя (Рисунок.8.2.). Необходимо обратить внимание на то, что микросхемы ЭСЛ питаются отрицательным напряжением. На базу Т₂ подано отрицательное опорное напряжение U_оп. Изменение входного напряжения U_вх1 приводит к перераспределению постоянного тока I_э0, заданного сопротивлением R_э, между транзисторами, что имеет следствием изменение напряжений на их коллекторах. Транзисторы не входят в режим насыщения, и это является одной из причин высокого быстродействия элементов ЭСЛ.

Рис.а.

Для расчета базового логического элемента ЭСЛ логики используются следующие соотношения, для чего введем следующие обозначения:

U⁰_вх – входное напряжение при подаче на вход сигнала низкого уровня;

U¹_вх – входное напряжение при подаче на вход сигнала высокого уровня;

U_бэ – напряжение на базоэмиттере;

U_оп – опорное напряжение;

U_п – напряжение питания;

U⁰ – напряжение при подаче на вход сигнала низкого уровня;

U¹ – напряжение при подаче на вход сигнала высокого уровня;

U_R1 – напряжение, протекающее по первому резистору;

U_R2 – напряжение, протекающее по второму резистору;

U_R3 – напряжение, протекающее по третьему резистору;

U_R4 – напряжение, протекающее по четвертому резистору;

U_R5 – напряжение, протекающее по пятому резистору;

I_R1⁰ – ток, протекающий по первому резистору при подаче на вход сигнала низкого уровня;

I_R2⁰ – ток, протекающий по второму резистору при подаче на вход сигнала низкого уровня;

I_R4⁰ – ток, протекающий по четвертому резистору при подаче на вход сигнала низкого уровня;

I_R5⁰ – ток, протекающий по второму резистору при подаче на вход сигнала низкого уровня;

I_к – ток коллектора;

I_э – ток эмиттера;

I_п⁰ – ток питания при подаче на вход сигнала низкого уровня;

I_R1¹ – ток, протекающий по первому резистору при подаче на вход сигнала высокого уровня;

I_R2¹ – ток, протекающий по второму резистору при подаче на вход сигнала высокого уровня;

I_R4¹ – ток, протекающий по четвертому резистору при подаче на вход сигнала высокого уровня;

I_R5¹ – ток, протекающий по второму резистору при подаче на вход сигнала высокого уровня;

I_п¹ – ток питания при подаче на вход сигнала высокого уровня;

Р¹ – мощность при подаче сигнала высокого уровня;

Р⁰ – мощность при подаче сигнала низкого уровня;

Р_ср – средняя мощность логического элемента;
Расчет базового логического элемента ЭСЛ логики:

На входе U⁰_вх; Т1 – закрыт, Т2 – открыт;

U_R2+U_бэ-U_оп+U_п=0

U_R2=I⁰_R2R2 => I⁰_R2=U_R2/R2

U_оп=0,5*(U¹+U⁰)

I⁰_R2=(U_оп-U_п-U_бэ)/R2

I⁰_R4=U_R4/R4; I⁰_R5=U_R5/R5

По Кирхгофу:

U_R4+U_бэ-U_R1+U_п=0; U_R1=0,т.к.Т1 – закрыт

U_R5+U_бэ-U_R1*+U_п=0

I⁰_R4=(-U_п-U_бэ)/R4

Iк=n*Iэ; n=0,98; Iк=I⁰_R1*; Iэ=I⁰_R2 =>

U_R3=I⁰_R2*n*R3

I⁰_R5=(-U_п+U_R3-U_бэ)/R5

I⁰_п=I⁰_R2+I⁰_R4+I⁰_R5 (по Кирхгофу);

Р⁰=I⁰_п*U_п; (2,1)
На входе U¹_вх: Т1 – открыт, Т2 – закрыт:

U_R2+U_бэ-U¹_вх+U_п=0; U_R2=I¹_R2*R2

I¹_R2=(U¹_вх-U_п-U_бэ)/R2

I¹_R4=(-U_п+U_R1-U_бэ)/R4

U_R1=I¹_R1*R1=n*I¹_R2*R1 , где n=0.98 (2,2)

I¹_R5=(-U_п-U_бэ)/R5=I⁰_R4

I¹_п=I¹_R2+I¹_R4+I¹_R5

Р¹=I¹_п*U_п (2,3)

Р_ср=(Р₀+Р₁)/2 (2,4)

Разница выходных напряжений при подаче нуля и единицы

U_л=U¹_вых-U⁰_вых

U¹_вых=U_R1-U_бэт3=-U_бэт3 (Т1 – закрыт => U_R1=0)

U⁰_вых=U_R1*-U_бэт4=U_R1*+U¹_вых

U⁰_вых-U⁰_вых=U_R3

U_л=U_R3=I_R3*R3=n*I⁰_R2*R3 , где n=0.98 (2,5)

Порядок проведения работы:

В процессе выполнения работы необходимо выполнить следующие эксперименты:

1. Базовый элемент ТТЛ логики.

1. 
   Соберите схему (Рисунок.8.3)
   

Рисунок 8.3 – Схема элемента.

2. 
   Включите схему, измерьте входной и выходной токи при подаче на вход сигнала низкого уровня, запишите полученные значения.
   
3. 
   Рассчитайте с помощью формулы (1,1) входной ток при подаче на вход сигнала низкого уровня, запишите полученные значения.
   
4. 
   Измерьте входной и выходной токи при подаче на вход сигнала высокого уровня, запишите полученные значения.
   
5. 
   Рассчитайте с помощью формулы (1,2) входной ток при подаче на вход сигнала низкого уровня, запишите полученные значения.
   
6. 
   Измерьте токи, протекающие по первому и второму резисторам, при подаче на вход высокого уровня сигнала, запишите полученные значения.
   
7. 
   Рассчитайте с помощью формулы (1,3) значение мощности при подаче на вход высокого уровня сигнала, запишите полученные значения.
   
8. 
   Рассчитайте с помощью формулы (1,4) значение мощности при подаче на вход низкого уровня сигнала, запишите полученные значения.
   
9. 
   Рассчитайте с помощью формулы (1,5) значение средней мощности, запишите полученные значения.
   

Результаты выполнения:

Измерения:

Входной ток при подаче сигнала низкого уровня - I⁰_вх.

Входной ток при подаче сигнала высокого уровня – I¹_вх.

Выходной ток при подаче сигнала низкого уровня - I⁰_вых .

Выходной ток при подаче сигнала высокого уровня – I¹_вых.

Ток, протекающий по первому резистору – I_R1.

Ток, протекающий по второму резистору - I_R2.

Расчеты:__Входной_ток_при_подаче_сигнала_низкого_уровня_(1.1).'>Расчеты:

Входной ток при подаче сигнала низкого уровня (1.1).

Входной ток при подаче сигнала высокого уровня (1.2).

Мощность логического элемента при подаче на вход сигнала высокого уровня (1.3).

Мощность логического элемента при подаче на вход сигнала низкого уровня (1.4).

Среднюю мощность логического элемента (1.5).

2. Базовый элемент ЭСЛ логики.

1. 
   Соберите схему (Рисунок.8.4)
   

Рисунок 8.4 – Схема элемента.

2. 
   Включите схему, измерьте входной ток при подаче на вход сигнала низкого уровня, запишите полученные значения.
   
3. 
   Измерьте входной ток при подаче на вход сигнала высокого уровня, запишите полученные значения.
   
4. 
   Измерьте выходное напряжение при подаче сигнала низкого уровня, запишите полученные значения.
   
5. 
   Измерьте выходное напряжение при подаче сигнала высокого уровня, запишите полученные значения.
   
6. 
   Измерьте токи, протекающие по первому, второму, четвертому и пятому резисторам, при подаче сигнала высокого уровня, запишите полученные значения.
   
7. 
   Измерьте токи, протекающие по первому, второму, четвертому и пятому резисторам, при подаче сигнала низкого уровня, запишите полученные значения.
   
8. 
   Измерьте падение напряжения на первом резисторе при высоком уровне сигнала, запишите полученные значения в раздел «Результат».
   
9. 
   Измерьте падение напряжения на первом резисторе при низком уровне сигнала, запишите полученные значения в раздел «Результат».
   

10. Рассчитайте падение напряжения на первом резисторе по формуле (2,2), запишите полученные значения.

11. Рассчитайте разницу выходного напряжения по формуле (2,5), запишите полученные значения.

12. Рассчитайте с помощью формулы (2,3) значение мощности при подаче на вход высокого уровня сигнала, запишите полученные значения.

13. Рассчитайте с помощью формулы (2,1) значение мощности при подаче на вход низкого уровня сигнала, запишите полученные значения.

14. Рассчитайте с помощью формулы (2,4) значение средней мощности, запишите полученные значения.

Результаты выполнения:

Измерения:

Входной ток при подаче сигнала низкого уровня .

Входной ток при подаче сигнала высокого уровня.

Выходное напряжение при подаче сигнала низкого уровня.

Выходное напряжение при подаче сигнала высокого уровня.

Ток, протекающий по первому резистору (R1) при подаче высокого уровня сигнала.

Ток, протекающий по второму резистору (R2) при подаче высокого уровня сигнала.

Ток, протекающий по четвертому резистору (R4) при подаче высокого уровня сигнала.

Ток, протекающий по пятому резистору (R5) при подаче высокого уровня сигнала.

Ток, протекающий по первому резистору (R1) при подаче низкого уровня сигнала.

Ток, протекающий по второму резистору (R2) при подаче низкого уровня сигнала.

Ток, протекающий по четвертому резистору (R4) при подаче низкого уровня сигнала.

Ток, протекающий по пятому резистору (R5) при подаче низкого уровня сигнала.

Падение напряжения на первом резисторе (R1) при подаче высокого уровня сигнала.

Падение напряжения на первом резисторе (R1) при подаче низкого уровня сигнала.

Расчеты:

Падение напряжения на первом резисторе (R1) при подаче сигнала низкого уровня (2.2).

Разница выходного напряжения (2.5).

Мощность логического элемента при подаче на вход сигнала высокого уровня (2.3).

Мощность логического элемента при подаче на вход сигнала низкого уровня (2.1).

Средняя мощность логического элемента (2.4).