Учебное пособие 457

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3

ИССЛЕДОВАНИЕ СИММЕТРИЧНОГО МУЛЬТИВИБРА НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

Цель работы - изучение принципиальной электрической схемы и функционирования мультивибратора на биполярных транзисторах.

Приборы и оборудование: лабораторный макет, двулучевой осциллограф, стабилизированный источник постоянного напряжения.

Общие сведения

Мультивибратор – представляет собой генератор импульсов, близких к прямоугольной форме. Он может работать в трех режимах: автоколебательном, ждущем и в режиме синхронизации.

Мультивибраторы применяются в импульсной технике для генерирования импульсов прямоугольной формы, деления частоты, расширения импульсов, а также в качестве пусковых, переключающих и распределительных устройств.

Автоколебательный мультивибратор служит для генерирования близких к прямоугольной форме импульсов, частота которых определяется параметрами схемы. Он представляет собой двухкаскадный резистивный усилитель, работающий в ключевом режиме, каскады которого соединены между собой емкостной связью (рис. 1). Транзисторы VT1 и VT2 выполняют роль ключей, которые поочередно замыкаются и размыкаются. Коллекторно-базовая связь каскадов осуществляется конденсаторами C1 и С2. Резисторы R2 и R3 обеспечивают требуемый ток базы открытого транзистора и создают цепь перезаряда соответствующего конденсатора связи.

Рассмотрим процессы, происходящие в мультивибраторе, временные диаграммы изображены на рис. 2.

19

Пусть в момент времени t = t0 транзистор VT1 закрыт, а VT2 - открыт, конденсатор С2, заряженный к моменту переключения t0, до напряжения +Uc, прикладываемого к базе VT1, разряжается через открытый VT2 и резистор R3. Ток разряда конденсатора создает положительное (запирающее) напряжение на базе транзистора VT1. К моменту времени t1 конденсатор С2 разрядится до напряжения отпирания VT1, что приводит к переходу транзистора в активное состояние. Его коллекторный ток начинает увеличиваться. Падение напряжения на резисторе R1 возрастает, а на коллекторе VT1 отрицательное напряжение начинает уменьшаться.

Рис. 1. Принципиальная электрическая схема автоколебательного мультивибратора

Таким образом, на коллекторе VT1 создается положительный скачок напряжения (от -Uc до -Uнас), где Uнас - напряжение насыщения на коллекторе открытого транзистора. Этот положительный скачок напряжения через конденсатор С1 передается на базу VT2, его коллекторный ток Iк2 уменьшается, падение напряжения на резистореR4уменьшается, а на коллекторе транзистора VT2 начнет возрастать отрицательное напряжение. Время нарастания этого ф напряжения оценивается формулой

20

ф 2,2R1С1

Поскольку коллекторе VT2 происходит понижение напряжения, которое через конденсатор С2 передается на базу транзистора VT1. Это ведет к прямому смещению его база – коллекторного p – n – перехода и возрастанию тока коллектора Iк1. Одновременно имеет место еще большее «запирание» транзистора VT2.

Процесс нарастания тока Iк1 и уменьшения Iк2 происходит лавинообразно и продолжается до того момента, пока транзистор VT1 не откроется, a транзистор VT2 не закроется.

Рис. 2. Эпюры напряжений на элементах схемы

На этом этапе формируется фронт импульса. После кратковременного формирования фронта импульса (момент t1) наступает сравнительно медленный процесс формирования плоской части импульса (от момента времени t1 до момента t2).

На следующем этапе конденсатор С1 начинает разряжаться через резисторR2и «открытый» (находящийся в насыщении) транзистор VT1. При этом на базе транзистора VT2 поддерживается падение напряжение достаточное для его запирания. Конденсатор С2 в это время заряжается по цепи: «-

21

Еп,R4, С2» и прямо смещенный база - эмиттерный p-n- переход открытого транзистора VT1.

По мере того как напряжение на конденсаторе С1 - Uc1 приближается к нулю, положительное напряжение на базе VT2 уменьшается. Время нахождения в этом состоянии определяется постоянной времени цепи разряда конденсатора разр

R2 С1.

Вмомент времени t2, когда напряжение на базе транзистора VT2 станет меньше нуля, и он переходит в активный режим (открываться). Отрицательное напряжение на его коллекторе Uк2 начинает уменьшаться. Это уменьшение в виде положительного скачка напряжения передается на базу VT2. Ток Iк1 начинает уменьшаться, отрицательное напряжение Uк1 - увеличиваться. Это увеличение в виде отрицательного скачка напряжения передается на базу VT2,коллекторный ток Iк2 увеличивается и т.д.

Этот процесс проходит лавинообразно. В конце его транзистор VT1 полностью запирается, а транзистор VT2 полностью отпирается.

Выходной сигнал может быть снят с любого коллектора. Форма выходного напряжения близка к прямоугольной, причем Uк1 и Uк2 сдвинуты по фазе на 180° электрических относительно друг друга. Длительность импульса мультивибратора определяется выражением

и 0,7R2 С1

Период колебаний симметричного мультивибратора Т = 2 и 1,4 R2 С1.

Методика эксперимента

Принципиальная схема лабораторной установки приведена на рисунке 1 Объектом исследования является симметричный мультивибратор с коллекторно - базовыми связями, выполненный на транзисторах VT1 и VT2 марки МП42. Схема мультивибратора содержит времязадающие емкости С1 и С2, сопротивления коллекторной нагрузки R1

22

и R4 и сопротивления R2 и R3 в цепях баз транзисторов. Номиналы элементов схемы даны в таблице.

Напряжения, действующие на элементах схемы, снимаются с соответствующих выводов.

В качестве источника питания используется источник питания Еп, с напряжением 5 - 12 В. Параметры сигналов (амплитуда, период повторения, длительность), их форма измеряются и контролируются с помощью двулучевого осциллографа.

Порядок выполнения работы

1.Включить стандартные электроприборы в сеть и дать им прогреться в течение 15 - 20 мин.

2.Собрать электрическую схему и показать преподавате-

лю.

3.Установить напряжение источника Е1= - 10 В и подключить к нему мультивибратор.

4.Снять осциллограммы напряжений на коллекторах, базах транзисторов, убедиться в симметричном режиме работы транзисторов. Сфазировать во времени осциллограммы напряжений на коллекторах и базах транзисторов VT1 и VT2.

5.Определить период колебаний Т, длительность им-

пульса и и время нарастания коллекторного напряжения ф, как интервал времени, в течении которого напряжение на коллекторе транзистора VT1 (VT2) изменяется от значения 0,1 до 0,9 от своего амплитудного значения.

6.Для величин элементов, указанных в таблице 1, рассчитать длительность импульса, период колебаний и время нарастания коллекторного напряжения.

7.Сравнить рассчитанные значения Т, и и ф с экспериментально полученными значениями.

23

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

-принципиальную схему лабораторной установки;

-формулы и результаты расчетов;

-таблицы с расчетными и экспериментальными данными и их сравнительный анализ;

-графические зависимости, осциллограммы, построенные по экспериментальным данным;

-анализ результатов и краткие выводы.

Контрольные вопросы.

1.Что называется мультивибратором?

2.Пояснить назначение элементов схемы мультивибра-

тора.

3.Зарисовать эпюры напряжений и токов, действующих на базе и коллекторе транзисторов.

4.Пояснить цепи заряда и разряда времязадающих емко-

стей.

5.Зарисовать схему мультивибратора и пояснить происходящие в нем процессы.

6.От чего зависит длительность выходных импульсов мультивибратора?

7.Как изменится форма импульсов, если номинал резистора R2уменьшить вдвое?

8.Как изменится форма импульсов, если номинал резистора R1уменьшить вдвое?

Библиографический список

1.Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем / И.П. Степаненко - М.. Энергия, 1977, с.549554.

2.Расчет и проектирование импульсных устройств / под ред. Л.М. Гольценберга - М., «Связь», 1975, 234с.

3.Расчет элементов импульсных и цифровых схем радиотехнических устройств / под ред. Ю.М. Казаринова - М., Выс-

шая школа, 1976, с.49-52, 84-91.

4.Гольценберг Л.М. Импульсные устройства / Л.М. Гольценберг - М., Радио и связь, 1981, 153 с.

24

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

ИССЛЕДОВАНИЕ RS - ТРИГГЕРА НА ИНТЕГРАЛЬНЫХ

МИКРОСХЕМАХ

Цель работы - ознакомиться с основными принципами построения триггерных структурных схем с использованием интегральных элементов «2 ИЛИ – НЕ» микросхем, изучить особенности работы RS триггера.

Приборы и оборудование: лабораторный макет, , ста-

билизированный источник постоянного напряжения, два вольтметра постоянного тока.

Общие сведения

Триггеры представляют собой простейшие последовательсные устройства. Они широко используются во многих узлах электронной аппаратуры в виде самостоятельных изделий, или в качестве базовых элементов для построения других, более сложных приборов: счетчиков, регистров, запоминающих устройств. К общим свойствам триггеров является их способность длительное время оставаться в одном из двух (или нескольких) возможных устойчивых состояний и скачком изменять свое состояние под воздействием внешних сигналов. Каждое состояние легко распознается по значению выходных напряжений.

Одно из основных применений триггеров - запоминание информации. Под памятью триггера подразумевают способность оставаться в заданном состоянии и после прекращения действия переключающего сигнала, но при подключенном питании. Приняв одно из состояний за «1», а другое - за «0», можно считать, что триггер хранит (помнит) один разряд числа, записанного в двоичном коде.

- Понятие «триггер» охватывает много видов устройств, которые существенно различаются между собой по выполня-

25

емым функциям, схемному исполнению, способам управления, электрическим и конструктивным параметрам.

На рисунках 1 и 2 представлены простейшие симметричные асинхронные триггеры, собранные на логических элементах «ИЛИ-HE» и «И-НЕ» и их условные изображения.

Асинхронный RS-триггер обладает двумя устойчивыми состояниями, которые обеспечиваются за счет связи выхода одного элемента с одним из входов другого. Свободные входы служат для управления и называются информационными, или логическими. Симметрия схемы не означает симметрии элек-

Рис. 1. RS - триггер на логических элементах 2ИЛИ-НЕ

Рис. 2. RS - триггер на логических элементах 2И-НЕ

трических режимов обоих каскадов. За счет перекрестного соединения выходов и входов создаются условия, при которых при отсутствии входных сигналов один из логических элементов будет заперт, а другой открыт.

Одному их выходов триггера присваивают наименование прямого и обозначают буквой Q, а другому - наименование

_

инверсного и обозначают Q, чтобы подчеркнуть, что в логи-

26

ческом смысле сигнал на этом выходе противоположен первому.

Вход, по которому триггер устанавливается в единичном

_

состоянии (Q=1 и Q=0), называют входом S (от английского

_

Set - установка), а в нулевое (Q = 0, Q = 1) - входом R (Reset - возврат).

Для логики ИЛИ-HE на входах возможны четыре комби-

нации сигналов: S = R = 0; S = 1, R = 0; S = 0, R = 1; S = R = 1.

Каждой комбинации соответствует определенное поведение триггера.

Комбинацию входных сигналов S = R = 0 называют нейтральной, или режимом хранения информации (или памя-

тью): при ней триггер хранит состояние, в которое он был приведен в предыдущем такте. Если же на два входа подать переключающие сигналы S = R = 1, то на выходах появляются логические нули и устройство утратит свойство триггера. По-

этому комбинацию S = R = 1 называют неопределенной. Пере-

ход от неопределенной комбинации входных сигналов к нейтральной у RS-триггеров называют запрещенной комбинацией, так как она ведет к непредсказуемому поведению триггера.

Переключающим сигналом для элемента ИЛИ-HE служит единица; триггер, который переключается сигналами логической единицы, называется триггером с прямым управлением.

Логическая структура и способ изображения RS-триггера на элементах «И-НЕ» приведены на рис. 2. Схема такого триггера не отличается от триггера на элементах «ИЛИ-HE», но закон функционирования выходной переменной другой, поскольку элементы И-НЕ переключаются сигналами логического нуля (S = 0 или R = 0). Этот вариант триггера называют

RS-триггером с инверсными входами (RS -триггер). При графических обозначениях подобные триггеры для наглядности изображают в отрицательной логике.

27

Состояния RS-триггера (прямого управления) и RS - триггера (с инверсными входами) представлены в табл. 1. Символ «Х» соответствует неопределенному (запрещенному) состоянию триггера.

Состояние на выходе RS-триггера может быть определено в соответствии с логическим выражением:

В случае RS-триггером с инверсными входами состояние триггера определяется выражением::

Синхронные (тактируемые) RS-триггеры имеют на вхо-

де каждого плеча схемы совпадения, первые входы которых объединены и принимаются входами синхронизирующих (так-

28

тирующих) импульсов. На вторые входы подают информационные сигналы. Такое включение обеспечивает поступление на входы R и S триггера информационных сигналов только во время действия потенциала импульсов синхронизации. Один из вариантов синхронизируемого RS-триггера изображен на рис. 3.

Рис. 3. Синхронный статический RS –триггер (RCSтриггер) на логическом элементе (ЛЭ) И-НЕ (а); (б) - условное обозначение синхронного RS –триггера

Рассмотрим работу триггера (рис. 3, а). Пусть триггер находится в положении Q = 1, а на вход R подан сигнал логической единицы. В этом случае при подаче тактирующего импульса на вход C нижняя схема И-НЕ сформирует на своём выходе сигнал нуль. Он вызовет появление выходного сигнала Q = 1, как и в асинхронном RS - триггере, который по цепи обратной связи подаётся на второй вход верхней схемы И триггера и фиксирует, таким образом, состояние RCS-триггера. Следовательно, по окончании тактового импульса, хотя левая нижняя схема совпадений и закроется, состояние триггера не изменится.

Аналогично, при комбинации S = 1 и C = 1 триггер установится в состояние Q = 1. Комбинация S = R = C = 1 является

29

запрещённой, так как может привести к неопределённости как и в асинхронном триггере. Если сигнал C=1, то рассматриваемый RCS - триггер будет работать как обычный асинхронный RS - триггер.

Состояние на выходе RS-триггера может быть определено в соответствии с логическим выражением:

Для исключения неопределенного состояния RCSтриггера входные переменные должны соответствовать условию: RnCnSn 0

Методика эксперимента

Для экспериментов используется макет, в состав которого входят две микросхемы транзисторно-транзисторной логики серии К155 и ИЛИ-HE. Одна из схем содержит 4 логических элемента «2ИЛИ-НЕ» (К155ЛЕ1), другая - 4 логических элемента «2И-НЕ» (К155ЛАЗ), входные и выходные электроды которых подключены к маркированным клеммам, расположенным на верхней панели макета. Использование внешних проводников позволяет реализовать различные схемы соединения логических элементов.

Логические переменные «0» и «1» на внешних входах логических схем соответственно задаются напряжениями 0 В (общий провод) и +5 В (напряжение питания).

Порядок выполнения работы

1. Включите источник питания макета, предварительно установив на его выходе напряжение Еп = 4 – 5 В и подключите вольтметр выходу одного из элементов «2ИЛИ-НЕ».

30

2. Комбинируя логические переменные на входах логического элемента «2И-НЕ», составьте таблицу истинности (табл. 2).

3. Подключите вольтметр выходу одного из элементов «2И-НЕ» и получите для него таблицу истинности (табл. 2).

Таблица 2 Таблица истинности логических элементов «2ИЛИ-НЕ»

и «2И-НЕ»

4. Используя логические элементы «2ИЛИ - НЕ» соберите асинхронный RS-триггер в соответствии со схемой на рис. 1.

5. Подключите вольтметры к выходам Qn 1 и Qn+1 и комбинируя входные переменные на входах R и S, составьте таблицу истинности RS-триггера. (Результаты занесите в табл. 3).

6. Используя логические элементы «2И - НЕ» соберите асинхронный RS-триггер с инверсными входами в соответствии со схемой на рис. 2.

31

7. Подключите вольтметры к выходам Qn 1 и Qn+1 и, комбинируя входные переменные на входах R и S, составьте таблицу истинности для асинхронного RS-триггера с инверсными входами. (Результаты занесите в табл. 3).

8. Сравните экспериментальные данные (табл. 3) с соответствующими данными, представленными в табл. 1.

Таблица 3 Экспериментальная таблица истинности для асинхрон-

ных RS - триггеров.

9.Используя логические элементы «2И - НЕ» соберите синхронный RCS-триггер в соответствии со схемой на рис. 3.

10.Составьте таблицу истинности для асинхронного RS-триггера с инверсными входами. (Результаты занесите в табл. 4).

11.Занесите в табл. 4 значения выходной переменной

Qn 1 , вычисленные в соответствии с формулой (3). Сравните

32

экспериментальные данные (табл. 3) с результатами вычислений.

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

-функциональные схемы исследуемых в лабораторной работе триггеров;

-формулы и результаты расчетов;

-таблицы с расчетными и экспериментальными данными и их сравнительный анализ;

33

- краткие выводы.

Контрольные вопросы

1.Поясните таблицы истинности, полученные для логических элементов «2И - НЕ» и «2ИЛИ - НЕ»

2.Что такое триггер? Что отличает триггер от логических элементов комбинационного типа?

3.Объясните построение и поясните работу RS - триггеров на двух логических элементах «2ИЛИ-НЕ» и «2ИНЕ».

4.Какой комбинацией входных сигналов достигается режим хранения информации RS - триггеров на элементах

«2ИЛИ-НЕ» и «2И-НЕ»?

5.Почему переход от неопределенной комбинации входных сигналов к нейтральной у RS -триггеров называют запрещенной комбинацией?

6.Что отличает синхронные (тактируемые) RSтриггеры от асинхронных?

7.Проанализируйте таблицу 4. Как влияет состояние входа «С» на функционирование триггера?

Библиографический список

1.Алексенко А.Г. Основы микросхемотехники / Алексенко А.Г. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2004. – 448 с.

2.Быстров Ю.А. Электронные цепи и микросхемотехника / Ю.А. Быстров, И.Г. Мироненко – М.: Высшая школа, 2002. –

384с.

34