Направление подготовки (специальность) 09. 03. 03 Прикладная информатика Профиль Основы цифровой электроники
 Скачать 1.71 Mb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФГБОУ ВО «БЕЛГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ В.Я. ГОРИНА» Кафедра информатики и информационных технологий Направление подготовки (специальность): 09.03.03 Прикладная информатика Профиль: Основы цифровой электроники Выполнил(а): Эгамова Муаззамхон Имямин кизи ___________ подпись курс: 1 (первый) факультет: инженерный на базе ФГБОУ ВО Белгородский ГАУ им. В.Я. Горина Руководитель __________________________________________ ФИО _____________________________________ _______________ Дата защиты «_______ » ______________ 20____ г. __________________ Майский, 2022 Содержание Лабораторная работа №1 Лабораторная работа №2 Лабораторная работа №3 Лабораторная работа №4 Лабораторная работа №5 Лабораторная работа №6 Лабораторная работа №7 Лабораторная работа №8 Лабораторная работа №9 Лабораторная работа №10 Лабораторная работа №11 Лабораторная работа №12 Заключение СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ Введение Цифровые микросхемы первоначально разрабатывались для построения электронно-вычислительных машин, получивших в дальнейшем название компьютеры. Первое их предназначение было заменить человека при выполнении рутинной вычислительной работы. Сейчас, наверное, никто и не вспомнит, что слово калькулятор ещё каких-нибудь шестьдесят лет назад обозначало не маленький карманный прибор, а профессию большого числа людей, которые занимались расчётами по заданным математическим формулам. Однако вскоре после начала массового производства цифровых микросхем выяснилось, что они очень удобны для управления какими либо объектами. При этом управляемая схема обычно может находиться только в двух состояниях. Например: схема может быть включена, или выключена, светодиод может гореть, или не гореть, соединение в телефонной станции может присутствовать или отсутствовать, радиостанция может находиться в режиме передачи или в режиме приёма. Это означает, что большинство технических устройств прекрасно описываются (и управляются) двоичными сигналами. При выполнении задачи управления для описания состояния объекта достаточно двух значений: напряжение высокое или низкое (положительное или отрицательное) ток протекает или не протекает. Это свойство цифровых сигналов позволило избавиться от многих неприятных моментов аналоговых схем. Например, ошибка при прохождении через цифровую схему не увеличивается (в отличие от шумов аналоговых схем), а в ряде случаев даже может быть исправлена. Сами цифровые схемы при правильном их применении не вносят ошибок. Эти свойства цифровых микросхем привели к бурному развитию цифровой техники.В дополнение к перечисленным достоинствам, цифровые микросхемы при массовом производстве оказались чрезвычайно дёшевы, а вскоре превзошли другие технические решения и по габаритам и по массе. В результате цифровые микросхемы практически полностью вытеснили применявшиеся ещё с девятнадцатого века для управления приборами электромагнитные реле и перфокарты. Использование цифровых микросхем резко повысило надёжность устройств управления объектами.Приведённые выше преимущества цифровых микросхем привели к тому, что в дальнейшем цифровая техника стала использоваться для решения и других задач. Например, для формирования высокостабильных колебаний в радиотехнических изделиях или в качестве эталонных интервалов времени в электронных и электромеханических часах. В этих устройствах, как и в устройствах управления, не стоит задача формирования сигнала строго определённой формы. Единственным условием является стабильность частоты генерируемого колебания. В результате в современном мире полностью изменилась технология изготовления генераторного оборудования и часовая промышленность.С течением времени стали разрабатываться методы и теория применения цифровых микросхем для формирования аналоговых сигналов. И здесь тоже основным фактором была возможность заранее рассчитывать уровень шумов устройства. В цифровых устройствах уровень шума зависит только от сложности схемы, и не зависит (ну, или почти не зависит) от количества схем, через которые проходит сигнал. Эта особенность приводит к возможности передавать сигнал на любое расстояние (или воспроизводить любое количество копий записанного сигнала).Постоянный прогресс в технологии производства цифровых микросхем позволяет снижать потребление энергии этими микросхемами и увеличивать сложность алгоритмов обработки сигналов. В результате область применения цифровых методов обработки аналоговых сигналов постоянно расширяется, как в область всё более высоких частот, так и в области, ранее не охватываемые радиотехникой (например, цифровая фотография). Лабораторная работа №1 ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ Цель работы: исследование вольтамперных характеристик полупроводниковых диодов. Основные теоретические сведения Полупроводниковым диодом называется полупроводниковый прибор с одним p-n-переходом, имеющим два вывода. Структура полупроводникового диода с электронно-дырочным переходом и его условное графическое обозначение приведены на рис. 1.1.  Рис. 1.1. Схема структуры полупроводникового диода (а) и его графическое обозначение (б) Буквами p и n обозначены слои полупроводника с проводимостями соответственно p-типа и n-типа. В контактирующих слоях полупроводника (область p-n-перехода на рис. 1.1) имеет место диффузия дырок из слоя p в слой n, причиной которой является то, что их концентрация в слое p значительно больше их концентрации в слое n. В итоге в приграничных областях слоя p и слоя n возникает так называемый обедненный слой, в котором мала концентрация подвижных носителей заряда (электронов и дырок). Обедненный слой имеет большое удельное сопротивление. Ионы примесей обедненного слоя не компенсированы дырками или электронами. В совокупности ионы образуют некомпенсированные объемные заряды, создающие электрическое поле с напряженностью Е. Это поле препятствует переходу дырок из слоя p в слой n и переходу электронов из слоя n в слой p. Оно создает так называемый дрейфовый поток подвижных носителей заряда, перемещающий дырки из слоя n в слой p и электроны из слоя p в слой n. Таким образом, в зависимости от полярности проходящего через диод тока, проводимость диода существенно изменяется, приводя к изменению величину проходящего тока. Основные характеристики полупроводникового диода представляются его вольт-амперной характеристикой (ВАХ). Вольтамперная характеристика – это зависимость тока i, протекающего через диод, от напряжения u, приложенного к диоду. Вольт-амперной характеристикой называют и график этой зависимости (рис. 1.2).  Рис. 1.2 – Вольтамперная характеристика и основные параметры полупроводникового диода Порядок выполнения работы Задание 1. Соберите схему для получения вольтамперных характеристик диодов, приведенную на рис.1.3. Для исследования выберите кремниевый диод 1N4001 или другой по указанию преподавателя.  Рис.1.3 – Схема для исследования диода Установите режим работы вольтметра на измерение постоянного напряжения (DC). Изменяя выходной ток генератора тока от 0.5 мА до 20 мА, занесите в таблицу результаты измерений напряжения на диоде для соответствующих значений тока. Таблица 1.1  Измените тип диода и повторите измерения Задание 2. Снять статическую вольтамперную характеристику (ВАХ) диода, используя осциллограф  Рис.1.4 – Схема для исследования ВАХ диода Это наиболее быстрый и удобный способ исследования ВАХ, непосредственно наблюдая ее на экране осциллографа. 2.1. Собрать схему, приведенную на рис. 1.4. 2.2. Получить на экране осциллографа изображение ВАХ. Для этого: на выходе генератора установить треугольный сигнал с амплитудой 10 В, частотой 10 Гц и скважностью 50% . Осциллограф поставить в режим В/А. При таком подключении координата точки луча по горизонтальной оси осциллографа будет пропорциональна напряжению, подаваемому на А-вход, а по вертикальной – току через диод. Поскольку напряжение в вольтах на 6 резисторе 1 Ом численно равно току через диод в амперах (I=U/R=U/1=U), по вертикальной оси можно непосредственно считывать значения тока. Это и позволит получить вольтамперную характеристику непосредственно на экране осциллографа. Таким образом, ток и напряжение в каждой точке ВАХ вычисляются из соотношений: I = Y Ky.канВ , U= X Ky.канА , где Y, X – координата точки луча, в делениях шкалы осциллографа; Ky.канА , Ky.канВ – масштабные множители осциллографа по оси Y каналов А и В, причем в размерности множителя канала В Ky.канВ 1мВ соответствует 1мА. Подобрать значения Ky.канА , Ky.канВ так, чтобы луч не выходил за пределы экрана, а изображение ВАХ было по возможности максимальным. Осевые линии на сетке экрана совпадают с осями ВАХ. 2.3. Снять статическую ВАХ диода в режиме большого сигнала, когда амплитуда сигнала превышает максимальное допустимое обратное напряжение т.е. Um>|Uобр.max|. Установить на выходе генератора треугольный сигнал с амплитудой 40В, смещением –10В, частотой 1Гц и получить на экране осциллографа изображение ВАХ (рис.3.4.)  Рис.3.4. Зарисовать в отчет статическую ВАХ с нанесением по осям координат масштабов соответствующих значениям токов и напряжений. Определить максимальное допустимое обратное напряжение (Uобр.max=__) Обработка результатов измерений 1. Постройте на одном графике (ось напряжений от -12 В до + ЗВ, ось токов от -20 мА до +20 мА) прямые и обратные ветви ВАХ исследованных диодов и стабилитронов. Сделайте выводы. 7 2. Определите прямые статические Rст и дифференциальные Rдиф сопротивления для всех типов диодов при токах 2 мА и 10 мА, прямые и обратные статические и дифференциальные сопротивления для всех типов стабилитронов при токах 2 мА и 10 мА по формулам:  (дифференциальные сопротивления определяются численным дифференцированием по графику), а также напряжения стабилизации стабилитронов при токе 10 мА. Лабораторная работа №2 ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ И МЕТОДОВ РАСЧЕТА НЕЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА Цель работы: 1. Ознакомление со свойствами и характеристиками стабилитронов. 2. Изучение принципа действия и исследование характеристик параметрического стабилизатора напряжения. Основные теоретические сведения Стабилитрон – полупроводниковый диод, работающий в режиме управляемого лавинного пробоя. В зависимости от удельного сопротивления базы в стабилитроне может иметь место и туннельный, и лавинный, и смешанный пробой. Стабилитроны изготавливают из кремния, обеспечивающего необходимую форму вольт-амперной характеристики. Германиевые диоды для стабилизации напряжения непригодны, так как электрический пробой у них легко переходит в тепловой. Условное графическое изображение стабилитрона и его вольт-амперная характеристика показаны на рис. 2.1. Прямая ветвь ВАХ стабилитрона имеет такой же вид, как и у типичного кремниевого диода. У стабилитронов рабочей является обратная ветвь ВАХ. Она имеет излом и вслед за ним – круто падающий линейный участок. Поэтому при изменении тока в широких пределах напряжение на приборе практически не изменяется. Это свойство стабилитрона позволяет использовать его в качестве стабилизатора напряжения. Поскольку электрический пробой наступает при сравнительно низком обратном напряжении, мощность, выделяющаяся в p–n-переходе, будет небольшой, что предохраняет переход от теплового (необратимого) пробоя. Ток стабилитрона колеблется в пределах от единиц миллиампер до нескольких ампер. Рабочее напряжение стабилитрона, являющееся напряжением пробоя p–n-перехода, лежит в пределах от единиц до нескольких десятков вольт.  Рис. 2.1 – Условное графическое обозначение и вольтамперная характеристика стабилитрона Основное применение кремниевых стабилитронов – стабилизация напряжения. Стабилитроны используют в параметрических стабилизаторах напряжения и в источниках опорного напряжения. Приведем основные параметры стабилитронов, приводимые в справочной литературе. 1. Напряжение стабилизации Uст – напряжение на стабилитроне при заданном токе стабилизации (в режиме пробоя). 2. Максимально допустимая мощность, рассеиваемая на стабилитроне, – наибольшая мощность, выделяющаяся в p–n– переходе, при которой не происходит тепловой пробой перехода. Она составляет от сотен милливатт до единиц ватт. 3. Максимальный ток стабилизации Imaxст – наибольшее значение тока, при котором мощность, рассеиваемая на стабилитроне, не превышает допустимого значения. Значение Imaxст может составлять от нескольких миллиампер до нескольких ампер. 4. Минимальный ток стабилизации Iminст – минимальный ток, при котором возникает устойчивый пробой. 5. Дифференциальное сопротивление Rдиф – отношение приращения напряжения к приращению тока в режиме стабилизации  Дифференциальное сопротивление может быть от единиц Ом для низковольтных стабилитронов до сотен Ом для стабилитронов на более высокие напряжения. 5. Температурный коэффициент напряжения стабилизации – относительное изменение напряжения стабилизации при изменении температуры окружающей среды на 1 °С:  может принимать значения от 10−5 до 10−3 1/K. Параметрические стабилизаторы напряжения Схема параметрического стабилизатора напряжения на кремниевом стабилитроне показана на рис. 2.2.  Рис. 2.2 – Параметрический стабилизатор напряжения Схема представляет делитель напряжения, состоящий из резистора R0 и стабилитрона VD. Нагрузочный резистор Rн включен параллельно стабилитрону. Поэтому в режиме стабилизации, когда напряжение стабилитрона почти постоянно, постоянным будет и напряжение на нагрузке. Найдем напряжение и ток стабилитрона графическим способом. ВАХ стабилитрона и линейной части цепи показаны на рис. 9.2. Поскольку Uн Uст , обратная ветвь ВАХ стабилитрона расположена в первом квадранте. Нагрузочная характеристика линейной подсхемы представляет прямую, проходящую через точки, соответствующие режимам холостого хода U х.х. Uвх и короткого 11 замыкания  Точка пересечения нагрузочной прямой и ВАХ стабилитрона (точка А на рис. 2.3) является рабочей точкой и определяет ток и напряжение стабилитрона. Если входное напряжение изменится, нагрузочная прямая переместится параллельно самой себе. Изменятся и координаты рабочей точки (точка В на рис. 2.3). При этом изменения выходного напряжения будут невелики до тех пор, пока рабочая точка находится на крутом участке ВАХ стабилитрона.Для поддержания режима стабилизации сопротивление R0 рассчитывают так, чтобы рабочая точка располагалась посередине рабочего участка ВАХ. Если входное напряжение изменяется от Umax до Umin, то R0 можно найти по приближенной формуле  Если входное напряжение будет изменяться, то будет изменяться и ток стабилитрона, однако напряжение стабилитрона и напряжение нагрузки будут почти постоянными. Коэффициент стабилизации определяется по формуле  Достоинства рассмотренной схемы – простота конструкции и надежность. Параметрические стабилизаторы используют для нагрузок от нескольких единиц до десятков миллиампер. Они не боятся коротких замыканий нагрузки. Недостатки – невысокий КПД (не более 50 %), узкий диапазон регулируемого напряжения. Описание лабораторной установки Для выполнения лабораторной работы используется схема, приведенная на рис. 2.4. Для выполнения лабораторной работы собирается схема питания ЛАТРа TV2 (тумблер SA3 устанавливается в верхнее положение – включено, тумблер переключения пределов регулирования апряжения ЛАТРа в положение «0 - 100В»). Тумблер SA11 должен находиться в верхнем положении. Напряжение на выходе ЛАТРа регулируется двумя переключателями: левый – с шагом 10В и правый – с шагом 1В. При этом левый переключатель имеет рабочие положения «0», «10», «20», а правый работает во всех положениях. Исследуемая схема включается тумблером SA7. Исследуемым нелинейным элементом является стабилитрон VD8. Нагрузкой стабилитрона является измерительный мост постоянного тока. Величина нагрузки изменяется путем изменения величины сопротивления переменного резистора R1 (переключатель SA11 устанавливается в верхнее положение). |