Электроника_лаб.работы

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИННОВАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И ПРЕДПРИНИМАТЕЛЬСТВА
СЕВЕРНЫЙ ФИЛИАЛ
ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ
по курсу
«Общая электроника и электротехника»
ВЕЛИКИЙ НОВГОРОД
2005
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1
ИССЛЕДОВАНИЕ RC-УСИЛИТЕЛЕЙ
I. Цель работы
В настоящей работе исследуется характеристики резистивно-емкостного
усилительного каскада и влияние на них параметров элементов схемы и нагрузки.
2. Основные теоретические положения.
Усилитель всегда можно разделить на отдельные промежуточные ячейки –
каскады. В состав каждого каскада входит активный элемент – лампа или транзистор, а
также пассивные элементы, обеспечивающие заданный режим работы активного
элемента.
Источником сигнала для данного каскада служит генератор или выход предыдущего
каскада, а нагрузкой – вход следующего каскада или исполнительное устройство.
Наибольшее распространение получили резистивно-емкостные(RC) каскады. Это
объясняется тем, что они имеют простую схему, малые размеры и хорошие
электрические параметры. Принципиальные схемы RC –каскадов на различных активных
элементах приведены на рис. I.
В работе исследуется RC - усилитель на биполярном транзисторе, включенном по
схеме с общим эмиттером (рис. I, б). Для этой схемы включения транзистора его
выходной характеристикой будет зависимость коллекторного тока (i к ) от выходного
напряжения на транзисторе (Uкэ ). Эта характеристика приведена на рис. 2.
На графике можно выделить три основные области:
I. Область отсечки – область, когда коллекторный и эмиттерный p-n переходы
транзистора смещены в обратном направлении. Транзистор закрыт и через коллекторный
переход протекает неуправляемый тепловой ток Ikt . Напряжение Uкэ при этом
практически равно напряжению питания:
U кэ  Епит  Rk I kt  Епит
0
2. Область насыщения – область левее линии критического режима. При этом в
транзисторе оба p-n перехода смещены в прямом (открытом) направлении. Транзистор
открыт, и через него проходит максимальный ток, ограничиваемый лишь резистором Rк (и
Rэ, если он имеется в схеме). На транзисторе падает минимальное напряжение Uкэ нас ,
равное долям вольта и не зависящее от входного сигнала.
3. Область активного режима – область ограничиваемая областями I и 2, а также
допустимыми значениями I к max доп, U кэ max доп и P к max доп.
При работе транзистора в этой области его эмитерный переход смещен в прямом,
а коллекторный – в обратном направлениях. Величина коллекторного тока определяется
входным, базовым током. Для обеспечения работы p-n-p транзистора в активном режиме
необходимо обеспечить соотношения:
 к   б   э , U бэ || U кэ |
Величина выходного напряжения определяется как:
U вых  U кэ  Епит  Rk I k
Это уравнение прямой, называемой нагрузочной. Для ее построения на выходной
характеристике достаточно определить две крайние точки:
I k  0 , U кэ   Епит ;
U кэ  0
, I k | Епит | / Rk .
Первая точка соответствует работе транзистора в режиме отсечки, а вторая в
режиме насыщения. Очевидно, что при изменении входного сигнала, т.е. iб значение
выходного тока iк и выходного напряжения Uкэ будут определяться координатами точки
пересечения нагрузочной прямой с линией семейства выходных характеристик
соответствующей входному току iб. Координаты этой точки, соответствующие заданному
режиму работы транзистора при отсутствии входного сигнала (iб~=0), называются
рабочими, а точка А – рабочей точкой. При подаче на вход транзистора переменного
сигнала iб~, эта точка будет перемещаться вдоль нагрузочной прямой в соответствии с
изменением тока базы iб~. Так как активный режим ограничен областями I и 2, то для
обеспечения большего диапазона входных токов (большего динамического диапазона
усилителя
U
D  20 lg вх max
U вх min
) необходимо, чтобы нагрузочная прямая находилась в
активной области и была бы возможно более протяженной (Рис.2). Выбор положения
нагрузочной прямой обеспечивает определение величин Епит и Rk (или Rк+Rэ). Рабочая
точка в статическом режиме (iб~=0) выбирается на середине нагрузочной прямой (точка А
на Рис.2). Ее положение определяет значение базового тока Iбо, коллекторного тока Iко и
выходного напряжения Uкэо в статическом режиме. На входной характеристике
транзистора (Рис.3) по значению Iбо легко определить напряжение Uбэо, называемое
напряжением смещения.
Это напряжение может быть получено из напряжения питания Епит (|Епит|>|Uбэо|) с
помощью делителя напряжения R1 и R2 (Рис.I).
С помощью этого делителя необходимо обеспечить напряжение на базе:
U R2  U бэо  I ko Rэ  I дел R2  Епит R2 /(R1  R2) .
Отсюда следует назначение элементов схемы: Rк – коллекторное сопротивление,
ограничивающее ток коллектора и являющееся нагрузкой транзистора. С него снимается
выходной сигнал. R1 и R2 – резисторы делителя напряжения, обеспечивающие
напряжение смещения. Rэ – эмиттерное сопротивление, обеспечивающее температурную
стабилизацию положения рабочей точки. Величина Rэ может быть определена из условия
U RЭ  I ko Rэ  0,1Е пит .
Для исключения влияния отрицательной обратной связи, создаваемой Rэ на
усиление сигнала, Rэ шунтируется по переменному току конденсатором Сэ, выбираемой
из условия: 1 /  н С э  Rэ , где  н  2 ПFн - нижняя частота полосы пропускания
усилителя.
Условно усилительный каскад можно изобразить в виде:
Используя эквивалентную схему активного элемента (биполярного транзистора) и
учитывая, что для переменного сигнала источник питания Епит и Сэ представляют собой
короткое замыкание, эквивалентную схему по переменному току всего каскада можно
изобразить так:
Учитывая, что С1=Скэ+См+Сн, где
Скэ – выходная емкость транзистора (I+I0 пФ),
См – емкость монтажа (I0+20 пФ),
Сн – входная емкость нагрузки,
Ср>>С1, а Rвых=Ri||Rк, где Ri – внутреннее сопротивление транзистора.
Эквивалентная схема Рис.5. преобразуется к виду, приведенному на Рис.6.
Из
Рис.6
следует,
что
схема
представляет
собой
источник
тока

.
I г   S U вх    U вх / Rвх , работающий на две RC-цепи: интегрирующую и
дифференцирующую.
Интегрирующая цепь образована С1 и параллельно включенными Rвых и Rн.
Интегрирование сигнала происходит на высоких частотах, где влиянием С р можно
пренебречь. Постоянная времени интегрирующей цепи
 н  С1(Rвых || Rн )  Rэкв С1
Дифференцирующая цепь образована емкостью Ср и последовательно
соединенными Rвых и Rн, так как через них происходит перезаряд Ср на низких частотах.
Влиянием С1 на низких частотах можно пренебречь, т.к. ее величина мала и
сопротивление на этих частотах будет велико. Постоянная времени дифференцирующей
цепи:
 д  С р ( Rвых  Rн )
В области низких частот, пренебрегая влиянием С1, слабо шунтирующей Rн,
эквивалентная схема преобразуется к виду:
В области средних частот можно уже пренебречь Ср, так как ее сопротивление уже
будет мало (Ср – велико), а С1 еще не учитывается и эквивалентная схема предельно
упростится:
В области верхних частот на эквивалентной схеме пренебрегаем влиянием на
распределение токов в цепи емкости Ср, так как ее сопротивление будет мало, но
необходимо учитывать шунтирующее влияние емкости С1.
На основании приведенных эквивалентных схем легко определить такую важную
характеристику усилителя, как коэффициент усиления
K ( j )  U вых ( j ) / U вх ( j ) .
K0  SRэкв  const .
K н ( j )  K0  Kдиф ( j ) .
Для средних частот:
Для низких частот:
Модуль коэффициента усиления:
Kн 
SRэкв
1  (1 /  д )
2
,
П
 arctg (1 /  д ) .
2
В области высоких частот: Кв ( j )  K0  Kинт ( j ) .
SRэкв
Модуль коэффициента усиления: K в ( j ) 
,
2
1  ( н )
П
 arctg ( н ) .
а аргумент  в ( )  
2
а аргумент
 н ( )  
Из этих соотношений можно определить диапазон усиливаемых частот, т.е.
диапазон частот, в предел которого коэффициент усиления уменьшается на величину √2
раза от Кmax=K0.
1
,
 н С1Rэкв
1
1
а нижняя граничная частота  н 
.

 д Ср ( Rвых  Rн )
Верхняя граничная частота
в 
1

Зависимость модуля коэффициента усиления от частоты (АЧХ) приведена на
Рис.I0,а), а на Рис.I0,б) приведена зависимость аргумента (ФЧХ) от частоты.
Другой важной характеристикой усилителя является его амплитудная
характеристика – зависимость амплитуды выходного сигнала от амплитуды сигнала на
входе усилителя. Эта характеристика снимается на средней частоте полосы пропускания
усилителя ƒ0= (ƒв+ƒн)/2, называемой квазирезонансной. На Рис.II приведены
амплитудные характеристики идеального и реального усилителей.
Uвых min, существующее при Uвх=0 обусловлено наличием шумов усилителя, а
нелинейность в области больших амплитуд обусловлена нелинейностью активного
элемента и переходом его в области I и 2. Угол наклона линейного участка
характеристики определяется коэффициентом усиления:
  arctgK 0 .
Отношение
D  20 lg
U вх max
Uвх min
называется динамическим диапазоном
усилителя. В этом диапазоне нелинейные искажения минимальны и не превышают
заданных значений. Очевидно, что снимать частотные характеристики усилителя следует
для Uвх=Uвх ном=Uвх max/2
3. Теория метода и описание лабораторной установки
В основе лабораторных работ №3 и №4 лежит исследование частотных
характеристик усилительных каскадов. Снятие этих характеристик производится на
установке, блок-схема которой приведена на Рис.I2.
При снятии частотных характеристик необходимо поддерживать амплитуду
входного напряжения так, чтобы усилитель работал в линейном режиме (контролировать
по отсутствию заметных искажений гармонического сигнала на выходе усилителя по
осциллограмме). По результатам измерений строятся нормированные частотные
характеристики:
М( f ) 
K( f )
K max
;
K( f ) 
U вых ( f )
.
U вх ( f )
По оси частот рекомендуется использовать логарифмический масштаб. Точки
характеристики, соответствующие частотам fmin и fmax, на которых К(f)=0,707Кmax снимать
обязательно.
Амплитудную характеристику снимать на средней частоте полосы пропускания,
увеличивая амплитуду входного сигнала до появления заметных ограничений сигнала на
выходе усилителя.
4. Порядок выполнения работы
В работе исследуется схема усилителя на биполярном транзисторе, включенном
по схеме с ОЭ. Для этого выход генератора подключается ко входу макета.
Переключатель S2 включается в положение I. С помощью переключателей S3 и S4
включить эмиттерные емкости, шунтирующие эмиттерные сопротивления.
5. Задание на лабораторную работу
5.I. Соберите схему установки в соответствии с Рис.I2 и включите приборы.
5.2. Снимите амплитудную частотную характеристику усилителя для двух значений
разделительной емкости и при 2-х различных Rн.
5.3. Определите полосу пропускания и частоту f0 квазирезонанса усилителя.
5.4. На частоте f0 снимите амплитудную частотную характеристику.
5.5. Постройте характеристики и определите динамический диапазон усилителя.
6. Содержание отчета о работе.
Отчет должен содержать схему RC-усилителя и его основные характеристики,
результаты измерений и проделанных расчетов, выводы, объясняющие теоретические и
экспериментальные данные.
7. Контрольные вопросы
7.I Что такое входные и выходные характеристики транзистора?
7.2. Что такое нагрузочная прямая, условия ее построения и выбора рабочей точки?
7.3. Каким образом обеспечивается режим работы каскада по постоянному току, и как
определяются параметры элементов? Схемы?
7.4. Каково назначение элементов схемы?
7.5. Каким образом строится эквивалентная схема каскада по переменному току?
7.6. Каково влияние элементов схемы на частотную характеристику усилителя?
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2
ИССЛЕДОВАНИЕ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ОБРАТНЫХ СВЯЗЕЙ В УСИЛИТЕЛЯХ
I.
Цель работы
В работе экспериментально исследуется влияние трех видов отрицательных
обратных связей на амплитудные и частотные характеристики транзисторных
усилителей.
2. Основные теоретические положения
Обратной связью называют воздействие части энергии выходного сигнала на его
вход.
Связи могут быть как положительными, так и отрицательными. Связь, при которой
полярность входного сигнала противоположна полярности сигнала, поступающего по
цепи обратной связи, называется отрицательной.
Пассивная электрическая цепь, через которую сигнал с выхода усилителя
передается на его вход, называется цепью обратной связи. Усилитель вместе с цепью
обратной связи образуют замкнутый контур (Рис.I), именуемый петлей обратной связи.
При анализе влияния обратных связей на
характеристики усилителей приняты следующие
обозначения:
.
.
.
.
.
.
K  U вых / U вх , К ос  U вых / U г ,
.
.
.
  U  / U вых ,
.
где
U вых
- напряжение на выходе усилителя;
.
U вх
- напряжение на входе усилителя (без учета обратной связи);
.
Uг
- напряжение источника сигналов (генератора);
.
U
- напряжение, подаваемое на вход усилителя из цепи обратной связи
(на выходе цепи О.С.);
.
K - коэффициент передачи усилителя без учета О.С.;
.
К ос - коэффициент передачи усилителя с О.С.;
.
 - коэффициент передачи цепи О.С.
Напряжение на выходе усилителя с обратной связью равняется (Рис.2)
.
. .
. .
.
. .
. .
U вых  К U вх  К (U г  U  )  K (U г   U вых ) ,
.
откуда
К ос 
.
U вых
.
Uг
.

К
. .
1  К
,
. .
т.е. коэффициент усиления с О.С. изменяется в (1   К ) раз по сравнению с
усилителем без О.С.
. .
. .
Величину (1   К ) называют глубиной О.С., а  К - петлевым усилением. Если
. .
связь отрицательная, то  К имеет отрицательное значение (1  К ) и общий
коэффициент усиления уменьшается.
По способу присоединения цепи обратной связи к входу усилителя различают
последовательную и параллельную обратные связи, а по способу подключения цепи
обратной связи к выходу усилителя различают связь по току или по напряжению.
Эквивалентные схемы этих вариантов и схемы их реализации приведены на Рис.3.
На Рис.3,а) изображена схема усилителя с последовательной отрицательной
обратной связью по напряжению. Действительно, выходное напряжение, снимаемое с Rэ
.
.
.
.
одновременно, является напряжением обратной связи U  , так как U вх =U г - U 
.
Так как напряжение обратной связи U  вычитается из напряжения источника
сигнала, уменьшая его, то связь отрицательная, а так как это напряжение включено
.
последовательно с напряжением источника сигнала U г , то связь последовательная.
На Рис.3,б) изображена схема усилителя с последовательной отрицательной
обратной связью по току. То, что связь отрицательная и последовательная, легко
заметить, сравнивая эту схему с предыдущей. Эта связь по току, потому что напряжение
.
обратной связи на Rэ- U  создается током эмиттера Iэ≈Iк, а этот ток прямо связан с
выходным напряжением, так как
U вых  Епит  I к Rк  Епит  I э Rk
На Рис.3,в) изображена схема усилителя с параллельной отрицательной обратной
.
связью по напряжению. Действительно, выходное напряжение U вых и входное
.
.
.
.
.
.
напряжение U вх определяют ток обратной связи через Rсв; I вх  I г  I   I г  I св .
Следовательно, обратная связь отрицательная.
На Рис.3,г) изображена схема усилителя с параллельной отрицательной обратной
связью по току. В этой схеме ток входной (базовый), управляющий работой транзистора
.
.
.
.
.
.
I вх  I б  I г  I вых  I э  I k .
равен
Следовательно, связь отрицательная (уменьшается входной ток) и по току
(выходной ток определяет величину обратной связи).
Введение отрицательной обратной связи в усилитель приводит:
I). К расширению его полосы пропускания на величину глубины обратной связи:
В области высших частот:
.
.
. .
К ос
А) коэффициент передачи К осв.ч. 
, где  н.ос   н /(1   К )
1  j н.ос
. .
1
Б) верхняя граничная частота  в.ос 
 (1   К ) в .
 н.ос
В области нижних частот:
.
.
А) коэффициент передачи
К осн.ч. 
Б) нижняя граничная частота
. .
К ос
, где  дос  (1   К ) д ,
1  1 / j дос
 н.ос 
1
 дос
. .
  н /(1   К ) .
2). К увеличению стабильности коэффициента усиления, так как
.
.
d K oc
1
dK

.
. .
.
K oc
(1   K ) K
3). К изменению входного и выходного сопротивлений усиления.
При последовательной обратной связи напряжение генератора сигналов
приложено к последовательно соединенным входному сопротивлению усилителя и
выходному сопротивлению цепи обратной связи, по которым протекает общий входной
ток. Следовательно, последовательная обратная связь увеличивает входное
сопротивление:
Rвх.ос= (1+βК)Rвх.
При введении параллельной обратной связи напряжение генератора приложено к
параллельно соединенным входному сопротивлению усилителя и выходному
сопротивлению цепи обратной связи. Входное сопротивление при этом виде связи
уменьшается::
R вх.ос=Rвх/(1+βК).
Аналогичным образом влияет введение отрицательной обратной связи на
выходное сопротивление усилителя. Связь по напряжению уменьшает выходное
сопротивление на величину глубины обратной связи, а обратная связь по току
увеличивает выходное сопротивление на эту же величину.
3. Теория метода и описание лабораторной установки
(см. лабораторную работу №3)
4. Порядок выполнения работы
(см. лабораторную работу №3)
5. Задание на лабораторную работу
5.I. После ознакомления с установкой включите приборы.
5.2. Снимите амплитудно-частотную характеристику каскада с ООС последовательной по
току и без ООС (S3 и S4 – выключены и включены, соответственно).
5.3. Снимите амплитудно-частотную характеристику усилителя с ООС параллельной по
напряжению и без ООС (S5 включен и выключен).
5.4. Снимите амплитудно-частотную характеристику эмиттерного повторителя.
5.5. Для трех исследованных видов обратных связей, по АЧХ определите среднюю
частоту полосы пропускания (частоту квазирезонанса) и снимите амплитудные
характеристики каскадов с отрицательными обратными связями на этой частоте.
5.6. Для каскадов с ООС последовательной по току и параллельной по напряжению
проведите анализ изменения выходного сопротивления при введении обратных
связей. Для этого при ООС и при выключенной ООС проведите измерения Uвых1 и
Uвых2, соответствующие подключению сопротивлений нагрузки Rн1=10кОм и Rн2=1кОм.
Выходное сопротивление находится из соотношения:
Rвых 
U вых1 / U вых2  1
Rн1 .
Rн1 / Rн 2  U вых1 / U вых2
6. Содержание отчета
(см. лабораторную работу №3)
7. Контрольные вопросы
7.I. Что такое обратная связь и как она влияет на коэффициент передачи усилителя?
7.2. Какие существуют виды обратных связей в усилительных устройствах?
7.3. Как влияют обратные связи на характеристики усилителей?
7.4. Как изменяется АЧХ усилителей при введении частотно зависимых ООС? Поясните
на примерах.
7.5. Какие меры необходимо принимать при введении обратных связей в многокаскадных
усилителях для обеспечения их устойчивости?
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3
ИССЛЕДОВАНИЕ СХЕМ НА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ
I.
Цель работы
В данной работе исследуется применение операционных усилителей (ОУ) для
линейного усиления, дифференцирования, интегрирования сигналов и для
генерирования меандровых колебаний. Целью работы является изучение построения
устройств, выполняющих эти функции.
2.
Основные теоретические положения
ОУ называют высококачественный дифференциальный усилитель напряжения с
большим коэффициентом усиления.
ОУ обладает большим (десятки мегом) входным сопротивлением (Rвх), большим
коэффициентом усиления (К0) (104+ 105 и более), полосой пропускания от нуля до ƒmax.
ОУ имеет инвертирующий вход (I), изменение потенциала
(U-) на котором приводит к противофазному изменению
выходного напряжения (Uвых), и неинвертирующий вход (2),
изменение потенциала (U+) на котором приводит к
синфазному изменению напряжения на выходе.
Для упрощения расчетов ОУ идеализируют, принимая
К0=∞, Rвх=∞, Rвых=0.
С учетом этих предположений можно считать, что
Uвх=U+ - U-=Uвых/К0=0, т.е. напряжение на дифференциальном
входе ОУ практически равно нулю.
ОУ используются как масштабирующие, инвертирующие и неинвертирующие
усилители, сумматоры, интеграторы, дифференциаторы, а также в генераторах и
компараторах.
2.I. Инвертирующий масштабирующий усилитель
Так как входной ток I1 ОУ равен нулю, то можно считать:
I oc  I1 
U вых  U  U   U г

Rос
R1
,
где Uг – напряжение генератора,
т.к. U-=U+=0, то
U вых
U
R
  г , а U вых   oc U г .
Roc
R1
R1
2.2. Неинвертирующий масштабирующий усилитель
Учитывая, что I oc
Uвх=0, U-=U+=Uг,

U вых  U 
U
 I1  
Roc
R1
;
можно получить соотношение:
R  R1
R  R1
U вых  oc
U   oc
Uг .
R1
R1
2.3. Суммирующий усилитель
Так как входной ток ОУ отсутствует, то по первому
закону Кирхгофа можно записать
U вых  U вх U вх  U г1
U  U гn

 ...  вх
Roc
R1
Rn
.
Следовательно,
R
R
R
U вых  ( oc U г1  oc U г 2  ...  oc U гn ) ,
R1
R2
Rn
т.е. схема обеспечивает весовое суммирование входных
сигналов.
2.4. Дифференцирующий (рис.5) и интегрирующий (рис.6) усилители
Пренебрегая входным током ОУ, для
дифференцирующего усилителя можно записать
U вых  U 
d (U   U г )
C
Roc
dt
, U-=0,
U вых   RC
dU г
dt
.
Рассуждая аналогично, для интегрирующего усилителя
имеем
Откуда
C
d (U вых  U )
U вых 
dt

U Uг
R
.
1
 U г (t )dt .
RC
Приведенные схемы осуществляют преобразование
входных сигналов с погрешностью примерно в К0 раз
меньше, чем обычные интегрирующие и
дифференцирующие RC-цепи.
2.5. Мультивибратор на ОУ
Допустим, что
напряжение на выходе
принимает максимальное
положительное значение.
Напряжение Uг на
инвертирующем входе имеет
значение
U   U вых R2 /(R1  R2 ) , а
U- начинает увеличиваться
на меру заряда емкости С с
постоянной времени  = RC,
U-=Uвых(1-exp(-t/  )) до тех
пор, пока U-<U+ на выходе
ОУ сохраняется
положительное напряжение. При превышении U- величины U+ напряжение на выходе
меняет знак, и емкость начинает разряжаться. Напряжение на выходе ОУ остается
отрицательным до тех пор, пока U->U+, т.е. напряжение на емкости остается больше
напряжения на инвертирующем входе.
Осциллограммы напряжений на выходе и входах ОУ показаны на рис.8.
T  2RC ln(1  2R2 / R1) .
На осциллограммах условно показано, что выходное напряжение достигает
значений питающих напряжений  Е .
3. Описание лабораторной установки
Лабораторная установка состоит из макета и осциллографа. В состав макета
входят генератор сигналов специальной формы, регулируемой амплитудой и периодом
следования, а также набор схем функционального преобразования сигналов,
выполненных на основе ОУ. Выбор формы выходного сигнала производится
переключателем S1. Входной сигнал может быть подан на одну их четырех схем
функционального преобразования сигналов ОУ. Выбор схемы осуществляется
переключателем S2.
В работе исследуются инвертирующий, интегрирующий и дифференцирующий
усилители, а также автоколебательный мультивибратор, выполненные на основе ОУ.
Параметры исследуемых схем можно изменять резисторами R1 … R4. Схема макета
приведена на рис.9.
Для анализа влияния различных схем на форму и параметры входных сигналов с
помощью осциллографа на макете предусмотрены гнезда. На эти гнезда выведены
входные и выходные сигналы.
4. Задание на лабораторную работу и порядок ее выполнения
1) При подготовке к работе изучите соответствующие разделы рекомендованной
литературы и ознакомьтесь с устройством макета
2) Включите макет и осциллограф и подготовьте их к работе.
3) Проведите измерение амплитудной характеристики инвертирующего усилителя для
среднего значения сопротивления обратной связи R1. Зафиксируйте частоту входного
сигнала, на которой производились измерения.
4) Снимите зависимость коэффициента передачи инвертирующего усилителя от
величины сопротивления обратной связи R1.
5) Определите граничную частоту интегрирующего усилителя для двух крайних значений
сопротивления R2. Рассчитайте постоянную времени  n  1 /  гр и определите период Т
меандровых и треугольных сигналов, для которых усилитель будет интегрирующим.
6) Исследуйте прохождение меандровых и треугольных сигналов через интегрирующий
усилитель для двух значений периодов входного сигнала Т> n и Т< n . Зарисуйте
осциллограммы входных и выходных сигналов на одном графике для каждой формы
входного сигнала и его периода.
7) Проделайте пп. 4.5 и 4.6 для дифференцирующего усилителя.
8) Снимите зависимость периода колебаний мультивибратора от величины 
времязадающей цепи.
Зарисуйте осциллограммы входных и выходных сигналов на одном графике для каждого
значения Т.
5. Содержание отчета
Отчет должен содержать схемы исследуемых устройств, результаты расчетов и
измерений, графики зависимостей, измерение которых проводилось в работе, и краткие
выводы.
6. Контрольные вопросы
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
Что такое ОУ и каковы его основные характеристики?
Чем определяется коэффициент передачи ОУ, охваченного обратной связью?
Нарисуйте схему дифференцирующего усилителя и поясните принцип его работы.
Нарисуйте схему сумматора и поясните принцип его работы.
Как построить компаратор на ОУ?
Нарисуйте мультивибратор на ОУ и поясните принцип его работы.
Чем обусловлены более высокие точностные характеристики интегратора на ОУ, чем
на RC-цепочке?
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4
ИССЛЕДОВАНИЕ ТРИГГЕРОВ НА ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМАХ
I.
Цель работы
Целью работы является ознакомление с различными видами триггеров,
выпускаемых в интегральном исполнении, а также со способами построения на их основе
счетчиков импульсов.
2. Основные теоретические положения
Триггеры разделяются на три основных класса: асинхронные потенциальные,
асинхронные импульсные и синхронные.
Асинхронные потенциальные триггеры изменяют сове состояние под действием
изменения амплитуды входных сигналов. Длительность воздействия этих сигналов
значительно превосходит время переходных процессов в самом триггере.
Асинхронные импульсные триггеры характеризуются тем, что входные сигналы
воздействуют на них лишь кратковременно в момент изменения из «I» в «0» или
наоборот.
Синхронные триггеры кроме основных (информационных) входов имеют также
вход для подачи тактового сигнала. Состояние синхронных триггеров может изменяться
только под воздействием изменения дополнительного – тактового сигнала из «I» в «0», а
основные сигналы могут только разрешать или запрещать это изменение.
В зависимости от функциональных возможностей триггеры подразделяются на: RS,
D, T, У – К и другие триггеры.
2.1. Асинхронный потенциальный RS-триггер
Асинхронный потенциальный RS-триггер имеет два входа R и S и два выхода –
прямой Q и инверсный Q . Вход S предназначен для установки триггера в единичное
состояние (Q=1), а вход R – для установки триггера в нулевое состояние (Q=0) – сброс.
Одновременная подача сигналов R=S=1 запрещена. Закон функционирования триггера
задается таблицей истинности (табл.1), в которой Q – выходной сигнал триггера в момент

времени, предшествующий моменту подачи входных сигналов, а Q - выходной сигнал
триггера в момент времени, следующий за моментом изменения входных сигналов.

Сигнал Q является функцией входных сигналов R и S и предыдущего состояния

триггера Q. Функция Q называется функцией переходов триггера. В таблице две
последние строки соответствуют запрещенному состоянию входа R=S=1, поэтому в этих

случаях функция Q не определена. По таблице истинности составляется диаграмма

Q   S  RQ
Вейча для функции Q (Рис.1), из которой получаем ее выражение
(I)
, причем на входные сигналы накладывается ограничение, задаваемое уравнением
RS=0. Для реализации уравнения (I) из элементов И – НЕ преобразуем выражение (I):
Q   S  RQ  S  RQ
(2)
Схема триггера, составленная по уравнению (2) представлена на Рис.2,а, а
временные диаграммы, поясняющие работу RS-триггера – на Рис.2,б.
2.2. Синхронный D-триггер
D-триггер имеет один информационный вход D и вход для подачи тактового
сигнала С. Выходной сигнал триггера принимает значение входного сигнала D в момент
времени, когда тактовый сигнал С изменяется из «I» в «0», dC=I. Табл.2 задает закон
функционирования D-триггера. Из диаграммы Вейча на Рис.3 получаем функцию
переходов в виде
(3)
Q   DdC  QdC
D-триггер является синхронным элементом задержки входного сигнала D на один
такт С (Рис.4). Из (3) следует, что входной сигнал D не должен изменяться в момент
времени, когда dC=1, так как это привело бы к неопределенности переходов

( Q  D  ø).
2.3. Асинхронный импульсный Т-триггер
Триггер типа Т имеет один выход Т и изменяет свое состояние при каждом
изменении входного сигнала Т из «I» в «0». Преобразование потенциального сигнала в
импульсный записывается с помощью перехода d. DT – обозначение импульсного
сигнала. Составив таблицу истинности, задающую функцию переходов dT-триггера
(Табл.3), получим:
Q   Q  dT 
1
 Q  dT
QdT
(4)
Временные диаграммы на Рис.5 поясняют работу Т-триггера.
Из Рис.5 видно, что сигнал на выходе Q имеет в два раза меньшую частоту, чем у
входного сигнала Т. Следовательно, из Т-триггеров легко получить делители частоты
сигнала на величину, кратную двум, а также асинхронные счетчики входных сигналов
объемом памяти 2n , где n – число последовательно соединенных Т-триггеров.
Т-триггер легко получить из D-триггера (Рис.6). Для этого достаточно вход Q
соединить с выходом D, тогда с изменением каждого синхронизирующего импульса из
«I» в «0» триггер будет изменять свое состояние на противоположное.
2.4. У-К-триггер
У-К-триггер имеет два информационных входа и вход тактового сигнала С. В
дискретные моменты времени t д при У=I триггер устанавливается в состояние Q=I при

К=I в состояние Q=0, а при У=К=1 в состояние Q = Q . На основании описанного закона
функционирования переходов задается Табл.4. Составив по таблице диаграмму Вейча
(Рис.6) получим
(5)
Q   QУ  QK
Временные диаграммы, поясняющие работу У-К-триггера, показаны на Рис.7.
Чтобы рассмотреть переходные процессы в триггере, необходимо записать
функцию перехода У-К-триггера с учетом тактовых сигналов. В зависимости от схемного
включения У-К-триггеры описываются одной из функций переходов:
Q   QУdC  Q KdC
(6)
Q   Qd (УС )  Qd ( KC )
(7)
Функция (7) эквивалентна (6), если на входные сигналы У и К наложить
ограничение: эти сигналы не должны применяться при значении тактового сигнала t д .
При У=К=1 У-К-триггер выполняет функцию асинхронного импульсного Т-тригера (4).
2.5. Счетчики
Подсчет импульсов, выполняемый в устройствах цифровой обработки
информации, осуществляется с помощью счетчиков. По назначению счетчики делятся на
суммирующие, вычитающие и реверсивные. Суммирующий счетчик увеличивает свое
состояние при поступлении на вход очередного импульса. Вычитающий счетчик
выполняет счет в обратном направлении, т.е. каждый импульс, поступающий на его вход,
уменьшает его состояние на единицу.
Реверсивные счетчики предназначены как для сложения, так и для вычитания в
зависимости от управляющих сигналов.
Счетчики в основном строятся на основе триггеров. Основными характеристиками
счетчиков являются: модуль счета или коэффициент пересчета счетчика Ксч ;
быстродействие счетчика.
Модуль счета характеризует число возможных различных состояний счетчика, т.е.
предельное число импульсов, которое может быть сосчитано счетчиком.
Быстродействие счетчика характеризуется: ƒсч - частотой поступления счетных
импульсов, tуст – временем установки счетчика.
Простейшим счетчиком является счетный триггер, осуществляющий подсчет
импульсов по модулю 2. Соединив последовательно несколько таких триггеров, можно
получить схему многоразрядного счетчика с модулем счета Ксч=2n, где n – число
триггеров в счетчике.
Схема счетчика, построенного на Т триггерах, представлена на Рис.9.
Счетчик строится таким образом, что выход Q i-го разряда подключен
непосредственно к счетному входу следующего i+1-го разряда.
Рассмотрим работу схемы. Пусть счетчики находятся в состоянии (Рис.10). При
поступлении первого счетного импульса I-й триггер подготовится к переключению и
примет состояние Q1=I по окончании счетного импульса. На счетчике установится код I00.
После окончания второго счетного импульса первый триггер возвратится в исходное
состояние (Q1=0), но импульс перехода из «I» в «0» этого триггера вызовет срабатывание
2-го триггера (Q2=1). В результате после прихода 2-х импульсов в счетчик запишется код
0I0. После 7-го импульса все разряды счетчика будут установлены в единичное
состояние. Восьмой импульс вызовет его переполнение, и все разряды установятся в
состояние «0».
Наращивая число разрядов счетчика, можно увеличивать его объем Ксч. На Рис.10
приведена схема двоичного счетчика на 3 разряда и временные диаграммы, поясняющие
принцип работы этой схемы (Рис.9).
Сигнал Q на выходе последующего триггера имеет в 2 раза меньшую частоту, чем
на входе. Следовательно, счетчик может делить частоту сигнала на величину Ксч=2n.
Счетчики, построенные по указанному принципу, имеют коэффициент деления,
кратный двум. На практике возникает необходимость в делении частоты входных
сигналов на величину Ксч, некратную двум. Принцип построения таких счетчиков
заключается в исключении лишних, избыточных состояний счетчика. Число триггеров в
счетчике выбирается из условия: число триггеров n-счетчика должно быть равно
ближайшему целому числу, большему или равному величине log2Ксч. Исключение
избыточных состояний осуществляется, например, возвратом счета в исходное состояние
после поступления требуемого числа импульсов (N= Ксч). Например, при реализации
делителя на три необходимо использовать два триггера, которые могут осуществлять
деление на величину Ксч=4. Значит, имеется одно избыточное состояние Q1Q2 (11),
которое необходимо исключить. Для исключения избыточного состояния используется
Q1Q2 (01) и разрешающий после этого сброс счетчика входным
импульсом в исходное состояние Q1 Q2 (00).
декодирующий состояние
3. Описание лабораторной установки
-
Лабораторная установка состоит из макета, включающего в себя:
генератор одиночных импульсов, запускающийся от кнопки;
генератор периодической последовательности импульсов;
набор различных типов интегральных триггеров и счетчик, построенный на их основе.
В макете предусмотрена возможность подачи различных сигналов с помощью
перемычек. Состояние схем индицируется светодиодами.
4. Задание на лабораторную работу и порядок ее выполнения
1)Внимательно ознакомьтесь с рекомендованной литературой и устройством макета.
2)Исследуйте работу триггеров от генератора одиночных импульсов и составьте для них
таблицы истинности.
3)Соберите счетчик с коэффициентом счета Ксч=8 и изучите его работу от генератора
одиночных импульсов.
4)Соберите счетчик с коэффициентом счета, заданным преподавателем и изучите его
работу.
5. Содержание отчета о работе
Отчет должен содержать схемы исследуемых элементов и устройств,
осциллограммы входных и выходных сигналов, а также таблицы функционирования.
6. Контрольные вопросы.
1)Поясните принцип работы и назначение RS триггера.
2)Поясните принцип работы и назначение D и Т триггеров.
3)Поясните принцип работы У-К-триггера.
4)Каким образом можно построить счетчик импульсов с коэффициентом счета кратным
двум на Т, D или У-К-триггерах?
5)Каким образом можно построить счетчик импульсов с коэффициентами счета не
кратным двум?
ЛИТЕРАТУРА
I.
Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. – М.: Высшая школа, 1983.
2.
Зернов Н.В., Карпов В.Г. Теория радиотехнических цепей. – М.: Энергия, 1972.
3.
Гоноровский И.С. радиотехнические цепи и сигналы. – М.: Сов.радио, 1977.
4.
Ушаков В.Н. Основы радиоэлектроники и радиотехнические устройства. – М.:
Высшая школа, 1976.
5.
Манаев Е.И. Основы радиоэлектроники. – М.: Радио и связь, 1985.
6.
Ефимчик М.К., Щукевич С.С. Оснвы радиоэлектроники. – Минск: Изд-во БГУ им.
В.И.Ленина, 1981.
МЕРОПРИЯТИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ
для студентов, выполняющих лабораторные работы по курсу
«Общая электроника и электротехника».
I.
Перед началом работы в лаборатории каждый студент изучает инструкцию по ТБ в
лаборатории и расписывается в соответствующем журнале. Перед выполнением
каждой лабораторной работы студент должен ознакомиться с содержанием данной
инструкции.
2.
Все работы в лаборатории могут производиться только с ведома преподавателя,
проводящего занятия в данной группе или дежурного лаборанта.
3.
До начала работы все ее участники должны подробно ознакомиться со схемой
соединений приборов, усвоить расположение цепей и элементов схемы, обратить
особое внимание на место расположения выключателей питающей сети.
4.
Воспрещается:
4.I. Оставлять без надзора работающие установки.
4.2.Делать какие-либо переключения и заменять предохранители.
4.3.По окончании работы аппаратура должна быть выключена.
5.
В случае поражения электрическим током необходимо обесточить установку и до
прихода врача оказывать первую медицинскую помощь.