курица. Методические указания по выполнению лабораторных работ для студентов специальности 09. 02. 01 компьютерные системы и комплексы по дисциплине Проектирование цифровых устройств
 Скачать 1 Mb.
|
|
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Лысьвенский филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет» (ЛФ ПНИПУ) Методические указания по выполнению лабораторных работ для студентов специальности 09.02.01– Компьютерные системы и комплексы по дисциплине «Проектирование цифровых устройств» Лысьва 2020 Лабораторная работа №1 Знакомство с моделирующей программой Electronics Workbench 5.12 Цель работы – приобрести практические навыки пользования виртуальными измерительными приборами. Ход лабораторной работы 1. Запустил программу EWB. 2. Из панели контрольно-измерительных приборов (Instruments) выбрал осциллограф  и поместил его на рабочее поле.3. Установил режим однократной развертки – “Pause after each screen”. 4. Подключил источник  импульсов (библиотека компонентов Sources) с параметрами по умолчанию 50%, 1 кГц, 5В.4.1. Измерил амплитуду и период импульсов, вычислил скважность импульсов s = T/TИМП.  Осциллограф использовал в режиме однократной развертки Y/T, синхронизация Auto, вход DC. 4.2. Измерил время нарастания и спада импульсов. Результаты пунктов 4.1. и 4.2. занес в таблицу 1. Таблица 1.1 Амплитуда А, В5Период Т, мс1Длительность импульса ТИМП, мкс0.5Скважность n2Время нарастания ТНАР., мкс5Время спада ТСПАД, мкс5 5. Собрал цепь, содержащую источник прямоугольных импульсов и интегрирующее RC звено. Ко входу звена подключил зеленым проводом канал А осциллографа, к выходу – канал В красным проводом.  5.1. Определил длительность импульса, период следования, определил нарастание выходного сигнала за время импульса. Полученные результаты занес в таблицу 2: Таблица 1.2 Период Т, мс1Длительность импульса ТИМП, мкс500Амплитуда выходного сигнала, мВ3 6. Заменил источник прямоугольных импульсов на источник синусоидальных импульсов  сначала с параметрами 15В, 1 кГц; затем 5В, 5 кГц. 6.1. Определил амплитуду входного и выходного сигналов, коэффициент передачи звена на выбранной частоте и фазовый сдвиг. Таблица 1.3 Амплитуда входного сигнала, В217Амплитуда выходного сигнала, В40,4Фазовый сдвиг j, мкс17020Коэффициент передачи звена К0,190,06 7. Заменил интегрирующее звено цепью простейшего выпрямителя (использовал режим однократной развертки – «Pause after each screen»):  7.1. Определил максимальное напряжение на выходе во время положительной и отрицательной полуволны входного напряжения. U max= 6 В; U -max= 3,4 В Почему во время отрицательной полуволны на выходе имеется некоторое напряжение, хотя диод закрыт, а во время положительной полуволны выходное напряжение всегда меньше входного? 8.1. Что изменилось в осциллограммах при повышении частоты входного сигнала с 1 кГц до 5 кГц? 8.2. Ответы на вопросы: Для чего предназначены кнопки AC, 0, DC, расположенные на панели осциллографа? Кнопка AC - переключение входа в закрытый режим, предназначен для просмотра только переменной составляющей сигнала Кнопка 0 - приводит к отображению прямой линии на уровне начальной точки канала Y Кнопка DC - переключение входа в закрытый режим, предназначен для просмотра полного сигнала. Какие режимы развертки используются на осциллографе? Режимы развертки: непрерывная ждущая; однократная Для чего используется режим Trigger? Что такое режим однократной развертки? Trigger - позволяет настраивать синхронизацию осциллографа - тип синхронизации, уровень и т.д. Для чего используется кнопка Expand? Увеличивается размер экрана, появляется возможность прокрутки изображения по горизонтали. Объясните назначение вертикальных визирных линий. При установке визорных линий в окошках под экраном приводятся результаты измерения напряжения, временных интервалов и их приращений. Как сохранить изображение на экране осциллографа в файл? Внизу интерфейса осциллографа нажать на кнопку Save. Вывод: В ходе лабораторной работы ознакомился с принципами работы программы Electronic Workbench , приобрел практические навыки пользования виртуальными измерительными приборами(осциллограф). Лабораторная работа №2 Исследование полупроводниковых приборов Цель работы – экспериментальное изучение электрических свойств диодов и транзисторов и определение их характеристик. 1. Задание: Исследовать параметры полупроводниковых диодов Порядок выполнения работы: 1.1. Запустил программу EWB 5.12. 1.2. Собрал схему для исследования параметров полупроводниковых диодов. 1.2.1. Из библиотеки компонентов источников питания  Sources на поле поместил источник заданного напряжения  и заземление –  .1.2.2. Из библиотеки пассивных элементов Basic на поле  поместил резистор  , подстроечный резистор  и ключ  .1.2.3. Из библиотеки индикаторных устройств Indicators  поместил амперметры  и вольтметры  .1.2.4. Из библиотеки Diodes  на поле поместил диод  .1.2.5. Соединил все компоненты по схеме. Установил необходимые параметры компонентов:  1.3. Снял вольтамперные характеристики диода, меняя значение подстроечного резистора от 0% до 100% через интервал 20% Уменьшение можно производить нажатием клавиши «R», увеличение – «Shift+R». Шаг увеличения/уменьшения можно задать. 1.3.1. Исследовал прямую ветвь диода. Для переключения ключа использовал клавишу Space (Пробел). 1.3.2. Исследовал обратную ветвь диода. 1.3.3. Полученные данные занес в таблицу (точность измерения – два знака после запятой): Таблица 2.1 Прямая ветвьОбратная ветвьI, мАU, мВI, мкАU, В00001,06656,62-23,667688,73,999-3,9995,995701,45,999-5,9999,822714,27,999-7,99920,54733,310-10 1.4. Построил график вольт-амперной характеристики.  1.5. Изменил температуру работы диода (для этого щелкнул два раза на диод и в появившемся окне «Diode Properties» выберал закладку «Analysis Setup» установил температуру равную 60° С) и повторил пункты 1.3. и 1.4. Таблица 2.2 Прямая ветвьОбратная ветвьI, мАU, мВI, мкАU, В00001.37605.12-23.87634.94-46.17648.36-610.02662.28-820.84683.310-10  2. Задание: Исследовать параметры стабилитрона 2.1. Собрал схему для исследования параметров стабилитрона.  2.2. Снял вольт-амперные характеристики стабилитрона, меняя значение подстроечного резистора от 0% до 100% через интервал 20%: 2.2.1. Исследовал прямую ветвь стабилитрона. Для переключения ключа использовал клавишу Space (Пробел). 2.2.2. Исследовал обратную ветвь стабилитрона. 2.2.3. Полученные данные занес в таблицу (точность измерения – два знака после запятой): Таблица 2.3 Прямая ветвьОбратная ветвьI, мАU, мВI, мАU, В00001,06656,61,82-1,823,67688,73,64-3,645,99701,45,45-5,459,82714,27,27-7,2720,54733,39,21-9,21 2.3. Построил график вольтамперной характеристики стабилитрона.  2.4. Изменил температуру работы стабилитрона на 85° С и повторил пункты 2.2 и 2.3 Таблица 2.4 Прямая ветвьОбратная ветвьI, мАU, мВI, мАU, В00001,61565,51,82-1,824, 02593,83,64-3,646,31607,75,45-5,4510,17622,47,27-7,2721,08644,99,21-9,21  3. Задание: Исследовать параметры транзистора 3.1. Из библиотеки транзисторов Transistors  поместил на поле p-n-p транзистор  . Собрал схему для исследования параметров транзистора: 3.2. Снял семейство входных и выходных характеристик биполярного транзистора, меняя значение подстроечного резистора от 0% до 100%, поддерживая значение напряжения Uкб близким, напряжению, заданному в таблице. Полученные данные занес в таблицу (точность измерения два знака после запятой): Таблица 2.5 Iк, мАIк, мАIк, мАIк, мАUэб, мВUкб=12 В (R2=100%)Uкб=7,2 В Uкб=2,4 В Uкб=0 ВIэ=19,69 мА (R1=100%)18,2318,0817,9217,84884,4Iэ=9,35 мА (R1=80%)8,678,68,528,48846,4Iэ=3,24 мА (R1=40%)3,012,982,952,93807,8Iэ=0 мА (R1=0%)0,010,0070,00200 3.3. Построил графики входных и выходных характеристик транзистора: IЭ = f(UЭБ) при UКБ = const IК = f(UКБ) при IЭ = const Изменил температуру работы транзистора и повторите пункты Таблица 2.6 Iк, мАIк, мАIк, мАIк, мАUэб, мВUкб=12 В (R2=100%)Uкб=7,2 В Uкб=2,4 В Uкб=0 ВIэ=19,69 мА (R1=100%)18,6118,4518,2818,20818,9Iэ=9,35 мА (R1=80%)8,918,848,768,71777,2Iэ=3,24 мА (R1=40%)3,273,233,23,18735Iэ=0 мА (R1=0%)0,010,0070,00200 Ответы на вопросы: Определение полупроводникового диода? Электро-преобразовательный полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом, имеющим два вывода. В чём отличие диода Шоттки от полупроводникового диода? пропускает электрический ток в одном направлении и не пропускает его в другом, как и другие классические диоды, но обеспечивает высокое быстродействие и малое падение напряжения при переходе. Какой участок вольтамперной характеристики стабилитрона является рабочим и почему? Рабочим участком ВАХ стабилитрона является участок //, который характеризуется напряжением стабилизации и ограничен минимальным и максимальным значениями тока. Для чего стабилитроны соединяют последовательно? Для повышения напряжения стабилизации. Как называется средняя область транзистора – элемент, управляющий величиной тока, протекающего через транзистор? Какие существуют схемы включения биполярного транзистора? Различают схему включения с общей базой, общим эмиттером, общим коллектором. Лабораторная работа 3 Проектирование цифровых устройств в пакете Electronics Workbench Цель работы – Изучение способов построения цифровых устройств в пакете Electronics Workbench. Основные теоретические сведения В ходе выполнения лабораторных работ изучаются способы моделирования цифровых устройств, начиная от простейших логических элементов до сложных многофункциональных узлов, применяемых в той или иной комбинации в вычислительной технике, автоматике, информационно-измерительной технике и в других областях прикладной радиоэлектроники. Логические элементы Известно, что математической основой цифровых вычислительных устройств является двоичная арифметика, в которой используются всего два числа – 0 и 1. Выбор двоичной системы счисления диктовался требованиями простоты технической реализации самых сложных задач с использованием всего одного базового элемента – ключа, который имеет два состояния: включен (замкнут) или выключен (разомкнут). Если первое состояние ключа принять за условную (логическую) единицу, то второе будет отражать условный (логический) ноль или наоборот. Возможные комбинации показаны на рис. 3.1, 3.2 и 3.3. (все проверить в Electronics Workbench). На рис. 3.1 показаны ключи 1 и 0, управляемые клавишами 1 и 0 соответственно, и вспомогательные устройства в виде батареи 5 В с внутренним сопротивлением 100 Ом и лампа накаливания на 6 В с мощностью 30 мВт, которые позволяют судить о состоянии ключа: если он находится в положении 1, лампа горит (рис. 3.1, а), или не горит, если он находится в положении 0 (рис. 3.1, б).   [1] а) б) Рисунок 3.1. Схемы электромеханических имитаторов логической единицы (а) и нуля (б)   а) б) Рисунок 3.2. Электромеханические имитаторы логической единицы (а) и нуля (б) в инверсном режиме Возможно другое расположение ключей по отношению к вспомогательным устройствам, показанное на рис. 3.2. В этих схемах состояние индикаторов нуля или единицы противоположно, показанному на рис. 3.1. При нажатии на клавишу 1 индикатор фиксирует сос тояние 0 (рис. 3.2, а) и наоборот (рис. 3.2, б). Следовательно, схемы на рис. 3.2 по выходному сигналу (состоянию индикаторных лампочек) обратны (инверсны) по отношению к схемам на рис. 3.1. Поэтому такие ключи называют инверторами. Поскольку в цифровых системах содержится огромное количество ключей (только в одном микропроцессоре их несколько миллионов) и они не могут сообщать друг другу о своем состоянии миганием лампочек, то для взаимного обмена информацией используются электрические сигналы напряжения. При этом ключи, как правило, применяются в инверсном режиме в соответствии со схемами на рис. 3.3. На рис. 3.3 сопротивление 490 Ом имитирует внутреннее сопротивление нагрузки ключа (аналог коллекторного сопротивления в транзисторном ключе), сопротивление 10 Ом – сопротивление замкнутого электронного ключа, сопротивление 500 Ом – сопротивление разомкнутого ключа с учетом внешней нагрузки. Как видно из рис. 3.3, наличие на выходе логического нуля (инверсия 1) индицируется напряжением 100 мВ (в практических конструкциях может быть и больше), а наличие логической единицы — напряжением 2,55 В (нормируется на уровне 2,4 В). Электронные ключи проектируются таким образом, чтобы при наихудших сочетаниях входных и выходных параметров ключи могли различать сигналы логической единицы и нуля.   а) б) Рисунок 3.3. Электромеханические имитаторы логической "1" (а) и "0" (б) в инверсном режиме с индикаторами выходного напряжения  а) б) в) г) Рисунок 3.4. Графические обозначения буферного логического элемента (а), элементов И (AND) (б), ИЛИ (OR) (в), Исключающее ИЛИ (XOR) (г) и их инверсные варианты во втором ряду (NOT, NAND, NOR, XNOR соответственно) В цифровой технике практические аналоги рассмотренных схем принято называть логическими элементами. При этом в зависимости от выполняемых функций каждый элемент имеет свое название и соответствующее графическое обозначение. На рис. 3.4 показаны обозначения базовых логических элементов, применяемые в данной программе. Электромеханическим аналогом буферного элемента являются имитаторы на рис. 3.1, а логического элемента НЕ (NOT) — на рис. 3.2 и 3.3. Электромеханические аналоги двухвходовых элементов И, ИЛИ-НЕ показаны на рис. 3.5.   а) б) Рисунок 3.5. Электромеханические имитаторы двухвходовых элементов При наличии в программе EWB такого замечательного инструмента, как логический преобразователь, исследования логических схем целесообразно проводить с его помощью. В качестве примера на рис. 3.6 приведена схема для исследования элемента Исключающее ИЛИ.  Рисунок 3.6. Исследование логического элемента «Исключающее ИЛИ» с помощью логического преобразователя Подключение исследуемого элемента к логическому преобразователю очевидно из рисунка 3.6. Очевидно также и то, что при наличии двух входов возможны только четыре комбинации входных сигналов, что отображается на экране преобразователя в виде таблицы истинности, которая генерируется после нажатия клавиши  .Для получения булева выражения исследуемого элемента необходимо нажать клавишу  . Это выражение приводится на дополнительном дисплее, расположенном в нижней части лицевой панели, в виде двух слагаемых, соответствующих выходному сигналу ИСТИНА (сигнал логической единицы на выходе OUT). Сопоставление полученного выражения с таблицей истинности убеждает нас в том, что таких комбинаций действительно две, если учесть, что в полученном выражении приняты следующие обозначения: А' = 0 – инверсия А = 1, В' = 0 – инверсия В = 1, знак + соответствует логической операции ИЛИ.С помощью логического преобразователя можно проводить не только анализ логических устройств, но и их синтез. Допустим, что нам требуется составить схему и булево выражение для логического элемента, у которого выходная комбинация в таблице истинности не 0110, как на рис. 3.6, а 1101. Для внесения необходимых изменений отмечаем курсором в столбце OUT (третий столбец в таблице истинности) подлежащий изменению символ, изменяем его с помощью клавиатуры и затем, перемещаясь по столбцу клавишами управления курсором, изменяем по необходимости символы в других строках. После внесения всех изменений последовательно нажимаем на клавиши  и получаем результат, представленный на рис. 3.7. Синтезированное логическое устройство показано в верхнем левом углу рис. 3.7, а его булево выражение – на дополнительном дисплее. Рисунок 3.7. Результат синтеза логического устройства по заданной таблице истинности В общем случае для выполнения синтеза целесообразно действовать следующим образом. Щелчком курсора по иконке логического преобразователя непосредственно на линейке приборов раскрываем его лицевую панель. Активизируем курсором клеммы-кнопки А, В...Н (начиная с А), количество которых равно количеству входов синтезируемого устройства. Вносим необходимые изменения в столбец OUT и после нажатия на панели преобразователя указанных выше клавиш управления получаем результат в виде схемы на рабочем поле программы и булево выражение в дополнительном дисплее. Обязательно попробуйте – пригодиться для ответа на 4-й вопрос.  Рисунок 3.8. Окно установки количества входов логического элемента В заключение заметим, что для двухвходовых элементов на рис. 3.4 можно увеличить количество входов до восьми, открывая двойным щелчком по значку компонента диалоговое окно (рис. 3.8). По умолчанию в этом окне указано минимально возможное число входов, равное двум. Контрольные вопросы и задания Известно, что единицей измерения информации является бит. Какие значения может принимать эта единица? Проведите моделирование оставшихся без рассмотрения двухвходовых логических элементов на рис. 3.4 с использованием логического преобразователя и установите для каждого из них соответствие таблицы истинности и булева выражения. Разработайте схемы электромеханических имитаторов двухвходовых логических элементов на рис. 3.4 (за исключением элемента И). Проведите синтез трехвходового логического устройства с выходной комбинацией, представленной в таблице 3. Таблица 3. Таблица состояний трехвходового логического устройства |