Практические задания

1. Используя микросхему К176ЛА9, нарисовать схему RS-триггера на инверторах с разделительными резисторами (рис. 3.3). Инверторы получить из логических элементов, имеющихся в микросхеме. Номиналы разделительных резисторов должны быть в пределах 10…100 кОм.

2. Собрать на макетной плате нарисованную схему, обеспечить возможность подключения осциллографа к нужным точкам схемы для контроля состояния триггера.

3. Подключить питание к схеме и проследить при помощи осциллографа функционирование триггера, подавая на входы уровни логических нуля и единицы. Логические уровни подавать с помощью проводника с резистором 1 кОм, подключаемого к общему проводу схемы (логический нуль) или к плюсу питания (логическая единица).

Работа 4 мультивибратор на логических элементах

Мультивибратором называется электронное устройство, вырабатывающее непрерывные периодические электрические колебания, близкие к прямоугольной форме. Такую форму можно представить как сумму достаточно большого числа простых синусоидальных колебаний с различными амплитудами, фазами и частотами. В математике такое представление произвольной периодической функции в виде суммы синусоид называется рядом Фурье. На рис. 4.1 представлена форма колебаний, выдаваемых мультивибратором.

Рис. 4.1

Здесь t₁ – длительность импульса, t₂ – длительность промежутка между импульсами. t₁ и t₂, вообще говоря, могут быть не равны.

Период Т таких колебаний будет равен (t₁ + t₂), частота (циклическая) .

Ряд Фурье для данного случая можно записать так:

U(t) = U₁ sin(ωt + φ₁) + U₂ sin(2ωt + φ₂) + ... + U_n sin(nωt + φ_n).

Каждый член этого ряда представляет собой гармоническое (синусоидальное) колебание, частота которого равна исходной, умноженной на порядковый номер гармоники. Существуют методы расчета амплитуд U_n и фаз φ_n каждой гармоники.

Конструктивно мультивибратор представляет собой обычно двухкаскадный усилитель, охваченный положительной обратной связью. На транзисторах эту схему можно реализовать так, как показано на рис. 4.2.

Рис. 4.2

Частота колебаний, возникающих в такой схеме, определяется величинами конденсаторов С1 и С2 и резисторов R1 и R2. Эту схему часто называют схемой с перекрестными обратными связями.

Каждый транзистор в этой схеме является не только усилителем, но и инвертором. Это следует из того, что если на базе потенциал равен нулю, то на коллекторе в это время будет максимальный потенциал, близкий к напряжению питания. И наоборот, если на базу дать высокий уровень, на языке цифровой техники это означает логическую единицу, то транзистор откроется, его сопротивление упадет, и потенциал на коллекторе станет низким, что соответствует логическому нулю. Таким образом, имея два инвертора, можно построить мультивибратор, добавив внешние частотозадающие RС-цепи.

Передаточная характеристика инвертора, изготовленного по технологии КМОП (комплементарные пары полевых транзисторов), приведена на рис. 4.3.

Рис. 4.3

Единицей по осям U_вх и U_вых обозначено напряжение логической единицы, которое должно быть одинаково для входа и для выхода. Усиление происходит в узкой активной области, где коэффициент усиления может достигать сотен.

П оскольку выпускаемые промышленностью инверторы в микро- схемном исполнении имеют гораздо больший коэффициент усиления, чем отдельно взятый транзисторный каскад, то схему мультивибратора можно упростить, используя только одну частотозадающую цепочку из резистора и конденсатора. Схема мультивибратора на логических элементах приведена на рис. 4.4.

В качестве инверторов здесь использованы логические элементы 2ИЛИ-НЕ с закороченными входами. Источник питания подразумевается сам собой и на схемах цифровых устройств часто не изобра- жается.

Работу схемы можно пояснить следующим образом. Пусть сразу после включения на выходе первого инвертора возник высокий потенциал. Этот потенциал передается напрямую на вход второго инвертора и обеспечивает низкий потенциал на втором выходе. Правая обкладка конденсатора оказывается с низким потенциалом, а на левой (обозначим эту точку U_вх) начинает по экспоненте возрастать потенциал за счет тока, поступающего через резистор с выхода первого инвертора, на котором высокий потенциал. На рис. 4.5 это участок кривой 1.

Рис. 4.5

Левая обкладка конденсатора напрямую соединена со входом первого инвертора. Через некоторое время, определяемое величинами R и С, напряжение на левой обкладке достигнет активной области на передаточной характеристике инвертора, показанной на рис. 4.3, и напряжение на выходе первого инвертора начнет быстро уменьшаться.

После второго инвертора это уменьшение превращается в увеличение и подается снова на вход первого инвертора через конденсатор, представляющий для быстропеременных токов малое сопротивление, т. е. включается положительная обратная связь, которая приводит к очень быстрому, лавинообразному нарастанию напряжения на входе первого инвертора и на выходе второго инвертора. На втором выходе устанавливается напряжение логической единицы. Этому процессу соответствует участок 2 на рис. 4.5. Напряжение на левой обкладке конденсатора по отношению к общему проводу схемы на некоторое время становится больше напряжения питания, поскольку напряжение на конденсаторе, на котором осталась часть заряда, складывается с напряжением логической единицы на выходе второго инвертора, но оно не может оставаться постоянным. Так как эта обкладка через резистор R соединена с нулевым потенциалом выхода первого инвертора, начинается релаксация этого потенциала к нулю со скоростью, определяемой величиной RC, это участок 3 на рис. 4.5. Входное сопротивление инверторов КМОП очень велико, порядка 10⁹ Ом, поэтому входными токами пренебрегаем. Через некоторое время напряжение на левой обкладке, а следовательно, и на входе первого инвертора понизится до активной зоны, включится положительная обратная связь, которая усугубит это понижение, и напряжение на входе первого инвертора скачком упадет. На рис. 4.5 это участок 4. До логического нуля упадет и напряжение на выходе второго инвертора, и схема вернется в то состояние, из которого было начато ее рассмотрение.

Теперь описанные выше процессы будут периодически повторяться с периодом, равным двум временам релаксации на участках 1 и 3. Времена, соответствующие участкам 2 и 4, можно не учитывать ввиду их малости. Как уже указывалось выше, период приближенно будет равен 2RC.

Процесс перехода инверторов из одного состояния в другое происходит очень быстро, поэтому на выходе второго инвертора будут колебания, близкие к прямоугольным.

На высоких частотах, когда величина RC мала и процессы в RС-цепочке по времени сравнимы с внутренними процессами в инверторах, форма выходных колебаний заметно отклоняется от прямоугольных.

Чтобы улучшить прямоугольность, необходимо такие колебания пропустить через еще один инвертор, при этом также уменьшается влияние нагрузки на работу мультивибратора. Такой способ очень часто применяется в цифровой технике. Ниже показана схема с корректирующим (или буферным) инвертором (рис. 4.6).

Р ис. 4.6