Направление подготовки (специальность) 09. 03. 03 Прикладная информатика Профиль Основы цифровой электроники
 Скачать 1.71 Mb.
|
|
Дифференциальный усилитель (усилитель разности) Это усилитель в котором выходное напряжение пропорционально разности входных сигналов Uвх2 и Uвх1. Установим связь между входными и выходными сигналами этой схемы, учитывая что R1 = R2 и R3 = R4 . Поскольку для идеального ОУ Uвх- = Uвх+ = U2 R4/(R2+R4) и Iвх = Iос , где Iвх =(Uвх+ - Uвх-)/ R3 , то выражение связывающее выходное и входное напряжения примет вид Uвых=R4/R2(Uвх2-Uвх1) . (6) Идеальный разностный усилитель при подаче на оба входа одинаковых напряжений, т.е. Uвх1 = Uвх2 , имеет на выходе напряжение равное нулю. Такие входные напряжения называются синфазными Ucc . В общем случае синфазный сигнал представляет собой среднее значение двух входных напряжений, т.е. Ucc= (Uвх1 + Uвх2)/2. Если Uвх1=-Uвх2 , то Ucc= 0. Разность двух входных напряжений называется дифференциальным сигналом Uдс=Uвх2-Uвх1 . Поскольку усилитель разности усиливает только разностный (дифференциальный) сигнал, то такой усилитель часто называют дифференциальным усилителем. Порядок выполнения работы Собрать схему усилителя разности сигналов. 1. Зарисовать временные диаграммы входных Uвх1, Uвх2 сигналов, подав на инвертирующий вход Uвх1 гармонический сигнал с амплитудой 1В и частотой 50 Гц, а на неинвертирующий вход Uвх2 сигнал прямоугольной формы, такой же амплитуды и частоты (Рис. 6.3).  Измерения проводить в режиме синхронизации осциллографа от гармонического сигнала. 2. Рассчитать коэффициент ослабления синфазного сигнала. Косс=Uвх/Uвых . Для расчета Косс , объединив входы усилителя разности и подав на них гармонический сигнал (Um=1B, f=100 Гц) от генератора, измерить с помощью осциллографа амплитуду входного и выходного сигналов (рис.6.4)  Лабораторная работа №7 ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАТОРОВ СИНУСОИДАЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ Цель работы: 1. Ознакомление с принципами построения генераторов синусоидальных колебаний. 2. Исследование режимов работы генератора. Основные теоретические сведения Электронный генератор – это устройство, преобразующее электрическую энергию источника постоянного тока в энергию незатухающих колебаний заданной формы и частоты. По способу возбуждения генераторы подразделяют на генераторы с независимым возбуждением и генераторы с самовозбуждением (автогенераторы). Генераторы с независимым возбуждением являются усилителями колебаний, которые вырабатывают посторонние источники. Автогенераторы сами создают незатухающие колебания за счѐт использования положительной обратной связи. Среди автогенераторов можно выделить генераторы синусоидальных колебаний и импульсные генераторы. Генераторы синусоидальных колебаний подразделяют на автогенераторы типа LC и автогенераторы типа RC. Незатухающие колебания в автогенераторах устанавливаются при выполнении двух условий, которые называют условиями самовозбуждения. Это условие баланса фаз, обеспечиваемое положительной обратной связью, и условие баланса амплитуд, зависящее от значения коэффициента обратной связи Кос. Баланс амплитуд имеет вид: Кос*А = 1, где А – коэффициент усиления непосредственно усилителя. Баланс фаз выражается следующей зависимостью: + = 0; 2; …, 48 где - фазовый сдвиг между входом и выходом усилителя, - фазовый сдвиг обратной связи. RC-генераторы Для получения синусоидальных колебаний на низких частотах применяют генераторы RC типа. Простейшая схема такого генератора приведена на рис. 7.1  Положительная обратная связь в данной схеме осуществляется через фазовращательную цепь, состоящую из трѐх звеньев R6C4, R4C1, R3C3. Поскольку усилитель на рис. 15 инвертирует сигнал на угол , то = . Это означает, что суммарный фазовый сдвиг обратной связи должен быть тоже , а каждого RC звена /3. Для выполнения условия баланса амплитуд коэффициент усиления усилителя должен быть больше ослабления, вносимого фазовращательной цепью. В приведѐнной схеме это ослабление равно 29. Частота синусоидальных колебаний в схеме определяется параметрами обратной связи и если  Генератор Колпитца (ѐмкостная трѐхточка), названный в честь его изобретателя Эдвина Колпитца, является одной из множества схем электронных генераторов использующих комбинацию индуктивности (L) с ѐмкостью (C) для определения частоты, так же называется LC-генератором. Одной из ключевых особенностей генераторов этого вида является их простота (нужна только одна индуктивность без отводов).  Рис. 7.2 – Схема автогенератора по схеме емкостной трехточки Напряжение обратной связи снимается с ѐмкостного делителя напряжения. В зависимости от схемы усилительного каскада возможны три вида генератора Колпитца: на каскаде с общим эмиттером, на каскаде с общим коллектором и на каскаде с общей базой. Характерной особенностью генератора Колпитца является положительная обратная связь через ѐмкостный делитель напряжения на двух последовательных конденсаторах, которые одновременно являются ѐмкостью LC-контура. Положительная обратная связь в генераторе Колпитца обеспечивается за счет того, что сигнал обратной связи поступает с такого зажима колебательного контура, при котором сигнал обратной связи на базе транзистора совпадает по фазе с переменным сигналом на коллекторе. Коэффициент передачи цепи обратной связи при этом определяется коэффициентом передачи емкостного делителя, образованного конденсаторами С1 и С2. При выполнении указанных условий устройство самовозбуждается. Процесс самовозбуждения происходит следующим образом. При включении источника питания конденсатор колебательного контура, включенного в коллекторную 50 цепь, заряжается. В контуре возникают затухающие колебания, которые одновременно передаются на управляющие электроды транзистора по цепи положительной обратной связи: это приводит к пополнению энергией LC контура, и колебания превращаются в незатухающие. Расчет частоты генератора Расчетная частота генерации (в Гц) для схемы на рис. 7.2 определяется выражением:  Описание лабораторной установки Для выполнения лабораторной работы собирается схема, приведенная на рис. 7.3. Параметры схемы: С1 = СЗ = С4 = 0,033 мкФ, R3 = R4 = 22 кОм. При исследовании режимов работы генератора используется осциллограф. Выбором резистора R6 добиваются режима устойчивых колебаний и определяют частоту и амплитуду синусоидальных колебаний. Исследование работы LC-генератора выполняют с использованием средств схемотехнического моделирования.  Порядок выполнения работы 1. Исследовать RC-генератор 1.1. Рассчитать частоту генератора с фазовращающей цепью. Записать условия возникновения устойчивых колебаний в исследуемой схеме. 1.2. Включить схему рис. 16 и изменяя R6 установить устойчивый симметричный режим автоколебаний. Снять осциллограмму выходного напряжения генератора Uвых(t), сравнить расчѐтную частоту с экспериментальной. 2. Смоделировать работу LC-генератора по схеме емкостной трехточки (генератор Колпитца). 52 2.1. Рассчитать частоту генератора при различных значениях емкости частотозадающих конденсаторов и проверить рассчитанные значения. Для эксперимента собирается схема, показанная на рис. 7.4.  Лабораторная работа №8 ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАТОРА ПРЯМОУГОЛЬНЫХ ИМПУЛЬСОВ Цель работы: исследовать работу генератора прямоугольных импульсов на основе мультивибратора. Основные теоретические сведения Мультивибратор – релаксационный генератор электрических колебаний прямоугольного типа с крутыми фронтами. В радиоэлектронике широко используются генераторы различных сигналов. В работе исследуется генератор импульсов на двух транзисторах. Если вход первого каскада усилителя соединить с выходом второго каскада усилителя, в вход второго каскада усилителя соединить с выходом первого, то получится простейший генератор сигналов - мультивибратор. Для эксперимента соберается схема, показанная на рис. 1.  Частота колебаний такого генератора зависит от емкости конденсаторов С1 и С2 на рис. 8.1. Так как емкость конденсатора С1 равна С2, то такой мультивибратор называется симметричным. Форма сигнала показана на рис. 8.2. Расчет частоты мультивибратора Длительность одной из двух частей периода равна Длительность периода из двух частей равна:  T – длительность периода, с (В этом случае, сумма двух частей периода). В особом случае когда  Порядок выполнения работы 1. Исследовать работу мультивибратора. 2. Рассчитать частоту генератора при различных значенияхемкости частотозадающих конденсаторов. Лабораторная работа №9 ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ НАПРЯЖЕНИЙ Цель работы: 1. Изучение устройства, принципа построения и области применения широтно-импульсного преобразователя (ШИП). 2. Исследование режимов работы ШИП. Описание лабораторной установки Для выполнения лабораторной работы собирают схему, представленную на рис. 9.1. Принципиальная схема ШИП приведена на рис. 9.3. Параметры схемы даны в табл. 9.1. Включение ШИП осуществляется выключателем SA19. В работе исследуется ШИП напряжения путем наблюдения и измерения длительности периода сигнала на базе транзистора при изменении преобразуемого напряжения резистором R43. Для наблюдения сигналов используется осциллограф  Основные теоретические сведения Передача и преобразование сигналов лежит в основе систем связи, контроля, регулирования и управления По способу формирования сигнала управления или способу передачи информации системы можно подразделить на непрерывные и дискретные. Системы с широтно-импульсной модуляцией являются разновидностью дискретных систем. При этом способе модуляции период Т и амплитуда Аи – неизменные, а длительность импульса Т изменяется в соответствии с каким-либо законом. Величину называют скважностью импульсов (рис. 9.2).  В качестве широтно-импульсного модулятора в данной работе используется генератор сигналов с регулируемой скважностью рис.20.3. Таблица 9.1. ПАРАМЕТРЫ ЭЛЕМЕНТОВ ШИП    В основу генератора положен мультивибратор с базовыми задающими RC-цепями. Период следования выходного импульсного сигнала определяется выражением: Т = 0,7С(Rб1+Rб2), где С = С1 + С2, а Rб1 + Rб2 – общее сопротивление резисторов в цепи базы обоих транзисторов. Так как общее базовое сопротивление определяется резисторами R2 + R5 + R3, то переменным резистором R5 можно менять длительность открытого состояния каждого транзистора. Порядок выполнения работы 1. Изучить схему рис. 9.1 и, используя параметры элементов схемы приведенных в таблице, рассчитать частоту импульсов генератора. 2. Снять экспериментально осциллограммы напряжений на базе транзистора VT4 для двух положений движка потенциометра R43 = 22кОм. Определить скважность выходного сигнала. Лабораторная работа №10 ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТРАНЗИСТОРНОГО РЕЛЕ С ВРЕМЯЗАДАЮЩЕЙ RC – ЦЕПЬЮ Цель работы: 1. Ознакомление с принципом действия электронного реле времени на биполярном транзисторе. 2. Градуирование шкалы реле времени, и определение относительной погрешности выдержки времени при изменении сопротивления резистора R1 в данных пределах. Основные теоретические сведения Электронное реле времени – устройство релейного типа с нормируемым временем срабатывания или отпускания реле после подачи или снятия входного управляющего сигнала. В электронном реле времени на биполярных транзисторах VT3 VT4 типа N-P-N задаваемая выдержка времени при срабатывании электромагнитного реле KV после подачи управляющего сигнала (включение питания тумблером SA8) создается за счет переходного процесса, возникающего при заряде предварительно разряженного конденсатора С12 через регулируемый резистор R1. Изменением этого сопротивления R1 можно регулировать длительность переходного процесса, а, следовательно, и время срабатывания реле времени. Описание лабораторной установки Исследование параметров транзисторного реле времени на биполярном транзисторе проводятся по схеме, представленной на рис.10.1, в которую входят биполярные транзисторы КГ315Г типа NP-N и электромагнитное реле РЭС-9 с переключающими контактами KV. Электронный секундомер определяет установленную выдержку времени, а лампа HL4 сигнализирует о срабатывании реле. Конденсатор С12 емкостью 200 мкФ и резистор R1 соединены с базой транзистора VT3, опыты проводятся при различных значениях сопротивления резистора R1. Исследуется и строится характеристика 60 транзисторного реле, изучаются методы повышения стабильности срабатывания реле  Порядок выполнения работы 1. Собрать схему, поставив ручки переключения резистора R1 в нулевое положение. 2. Рассчитать параметры реле времени в зависимости от изменения сопротивления R1(определить выдержки времени соответствующие положениям галетного переключателя SA10). 3. Снять характеристику электронного реле времени. 4. Определить относительную погрешность выдержки времени для выбранного деления шкалы при изменении сопротивления резистора R1 по формуле:  где tу ном - расчетная выдержка времени. Лабораторная работа №11 ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ЦИФРОВЫХ СХЕМ Цель работы: изучение принципа действия цифровых счетчиков и триггера Шмидта. Основные теоретические сведения Триггер Шмидта При входном импульсном сигнале с пологими фронтом и срезом импульс на выходе формирующего логического элемента также не будет прямоугольным, так как некоторое время ключевая схема будет находиться в усилительном режиме. Кроме того, на фронте и срезе выходного импульса будут присутствовать усиленные помехи, поступившие на схему из проводов питания. Импульс с зашумлѐнным и несформированным фронтом непригоден для переключения тактовых входов триггеров, регистров и счѐтчиков. В таких случаях используют так называемую схему триггера Шмидта, состоящую из двухкаскадного усилителя, охваченного слабой положительной обратной связью. Логические элементы со свойствами триггера Шмидта имеют внутреннюю положительную обратную связь, глубина которой подобрана так, чтобы получить передаточную характеристику со значительным гистерезисом. Передаточная характеристика элемента Шмидта микросхемы К155ТЛ1 (рис. 11.1,б) двухпороговая и имеет вид показанный на рис. 11.1, а  Счетчики импульсов. Подсчет числа импульсов является наиболее распространенной операцией в устройствах цифровой обработки информации. Повышенный интерес к таким устройствам объясняется их высокой точностью, возможностью применения регистрирующих приборов с непосредственным цифровым представлением результата, а также возможностью осуществления связи с ЭВМ. В результате цифровой обработки информации измеряемый параметр (угол поворота, перемещение, скорость, частота, время, температура и т.д.) преобразуется в импульсы напряжения, число которых в соответствующем масштабе характеризует значение данного параметра. Эти импульсы подсчитываются счетчиками импульсов и выражаются в виде цифр. По целевому назначению счетчики подразделяют на простые и реверсивные. Простые счетчики, в свою очередь, подразделяют на суммирующие и вычитывающие. Суммирующий счетчик предназначен для выполнения счета в прямом направлении, т.е. для сложения. С приходом счетного импульса на вход счетчика его показание увеличивается на единицу. Вычитающий счетчик служит для осуществления счета в обратном направлении, т.е. для вычитания. Каждый счетный импульс поступающий на вход вычитающего счетчика, уменьшает его показание на единицу. Реверсивные счетчики предназначены для выполнения операции счета, как в прямом, так и в обратном направлении, т.е. они могут работать в режиме сложения и вычитания. Основными показателями счетчиков являются модуль счета (коэффициент счета К) и быстродействие. Быстродействие счетчика характеризуется максимальной частотой fсч следования счетных импульсов и связанным с ней временем tуст установки счетчика. Счетчики импульсов выполняются на основе триггеров. Счет числа поступающих импульсов производится с использованием двоичной системы счисления. Основным узлом двоичного счетчика (служащим также его разрядом) является триггер со счетным запуском, осуществляющий подсчет импульсов по модулю 2. Многоразрядные двоичные суммирующие счетчики с непосредственной связью выполняются путем последовательного соединения счетных триггеров. Счетные импульсы подаются на 63 счетный вход первого триггера. Счетные входы последующих триггеров связаны непосредственно с прямыми выходами предыдущих триггеров: вход второго триггера соединен с выходом первого триггера, вход третьего – с выходом второго и т.д. Принцип действия двоичного счетчика с непосредственной связью рассмотрим на примере трехразрядного счетчика, показанного на рис. 11.2, а. Схема выполнена на Т-триггерах с внутренней задержкой. Работу схемы иллюстрируют временные диаграммы, приведенные на рис. 11.2, б. Перед поступлением счетных импульсов все разряды счетчика устанавливаются в состояние «0» (Q1 = Q2 = Q3 = 0) подачей импульса на вход "Установка нуля". При поступлении первого счетного импульса первый разряд подготавливается к переключению в противоположное состояние и после окончания действия входного импульса переходит в состояние Q1 = 1. В счетчик записывается число 1. Уровень 1 с выхода Q1 воздействует на счетный вход второго разряда, подготавливая его к переключению. По окончанию второго счетного импульса первый разряд счетчика переходит в состояние "0", а второй разряд переключается в состояние "1". В счетчике записывается число 2 с кодом 010. Подобным образом осуществляется работа схемы с приходом последующих импульсов. Первый разряд счетчика, как видно из рис. 18, б, переключается с приходом каждого входного импульса, второй разряд - каждого второго, а третий разряд срабатывает на каждый четвертый счетный импульс. В процессе работы двоичного счетчика частота следования импульсов на выходе каждого последующего триггера уменьшается вдвое по сравнению с частотой его входных импульсов (рис. 18, б) Это свойство схемы используют для построения делителей частоты. При использовании схемы в качестве делителя частоты входной сигнал подают на счетный вход первого триггера, а входной снимают с последнего триггера. Выходная и входная частоты связаны соотношением fвых = fвх/Ксч. Счетчики с Ксч = 10 называют десятичными или декадными. Они нашли широкое применение для регистрации числа импульсов с последующим визуальным отображением результата.  Для построения счетчика с Ксч = 10 необходимо иметь 4-х разрядный двоичный счетчик, число состояний которого следует уменьшить с 16 до 10. Счетная последовательность десятичного счетчика может быть представлена в двоично-кодированном десятичном коде (Q4 Q3 Q2 Q1 - 8 4 2 1), в котором каждая десятичная цифра кодируется 4-х разрядным числом. Счетная последовательность суммирующего десятичного счетчика в этом случае совпадает с двоичной последовательностью от 0000 до 1001, после чего следует 0, и последовательность повторяется. Последовательное соединение двух схем десятичного счета дает пересчет на 100, трех - на 1000 и т.д. Первая декада производит счет единиц входных импульсов от 0 до 9. Десятый импульс устанавливает разряды первой декады в состояние "0", а формируемый на его выходе импульс записывает "1" во вторую декаду, что соответствует 65 числу 10. Вторая декада считает десятки (от 10 до 90), третья - сотни (от 100 до 900) и т. д. Схема типового десятичного счѐтчика серии К155ИЕ2 приведена на рис. 11.3, таблица состояний – в таблице 11.1. Для деления частоты на два используется тактовый вход С0 и вывод Q0. Для деления частоты в 5 раз подаѐтся входная последовательность на вывод 1. Выходной сигнал получаем на выходе Q3. Чтобы получить на выходах счѐтчика двоично-десятичный код, необходимо соединить выводы 12 и 1. Входная последовательность подаѐтся на тактовый вход С0  Подготовка к работе. 1. Изучить принцип работы, назначение выводов и функциональные возможности счетчика типа К155ИЕ2. 2. Изобразить временные диаграммы, поясняющие работу счетчика. 3. Изучить схему лабораторного эксперимента рис. 11.3 |