Елютин Експерименталная физика.Лабораторный практикум 2011

увеличивается. При этом электроны из коллектора начинают проникать в базу, что приводит к резкому увеличению тока IK .

К моменту, когда входное напряжение достигает значения U1П, оба p n перехода транзистора включены в прямом направлении, их сопротивление очень мало и ток коллектора максимален. Разность потенциалов на сопротивлении RK почти столь же велика,

как и напряжение питания. Из уравнения UКЭ EИП IKRK следу-

ет, что напряжение на выходе UВЫХ практически равно нулю.

Дальнейшее увеличение UВХ очень слабо влияет на UВЫХ. О таком режиме работы транзистора (т.е. когда UВЫХ UП1 ) говорят, что транзистор находится в состоянии насыщения.

Таким образом, изменяя входное напряжение, транзистор можно заставить переключаться между двумя состояниями – запиранием и насыщением. Скорость переключения зависит от величины сопротивления RБ. Увеличение RБ делает напряжение UБЭ менее чувст-

вительным к изменениям UВХ , увеличивая величину UП1 UП0 и уменьшая тем самым резкость переключения. Если увеличение входного напряжения сопровождается уменьшением выходного напряжения в пределах от EИП до малого остаточного напряжения, то ключ называют ключом-инвертором.

Одиночный транзистор может переключаться более миллиона раз в секунду. Выход одного ключа можно использовать как вход

61

для второго ключа, а соединение большого количества ключей позволяет выполнить сложные арифметические вычисления с большой скоростью.

Схемы, основанные на ключах, называются логическими элементами. Их назначение – выполнять логические операции на основе двоичной системы счисления, называемой булевой алгеброй. В булевой алгебре выражения могут принимать только два значения: «истинно» или «ложно». Другими словами, информация, с которой они оперируют, представляется в виде 1 (высокий уровень потенциала UВЫХ1 EИП , соответствует логическому значению «ис-

тинно») и 0 (низкий уровень потенциала UВЫХ0 0 – логическое значение «ложно»). В булевой алгебре имеются три основные логические операции: отрицание (инверсия, операция «НЕ»), логическое сложение (дизъюнкция, операция «ИЛИ») и логическое умножение (конъюнкция, операция «И»). Любую сложную функцию любого числа логических переменных можно образовать, используя только две из них: НЕ и ИЛИ (или И). Поэтому, располагая логическими элементами, реализующими основные логические операции, можно построить логическое устройство любой сложности.

Простейшим логическим элементом является элемент НЕ. Это ключ-инвертор. У этого элемента на выходе логическая 1 только тогда, когда на входе логический 0, и наоборот. Условное изображение элемента НЕ и таблица истинности (состояние выхода, в зависимости от сигналов на входе) показаны на рис. 37.2. На условных обозначениях функциональное назначение элементов наносятся в виде специальных символов, характеризующих логику работы. Кружочек в месте присоединений линий-выводов обозначает инверсию.

Рис. 37.2

62

Если немного изменить внутреннюю схему ключа, например добавить еще один вход, то получится схема, работающая как элемент ИЛИ-НЕ (рис. 37.3, а). На выходе у такого элемента будет логическая 1 только тогда, когда на обоих входах (А и B) логический 0, то есть когда напряжения нет ни на А, ни на B. Условное изображение и таблица истинности элемента ИЛИ-НЕ показаны на рис. 37.3,б.

Рис. 37.3

Если за элементом ИЛИ-НЕ будет следовать элемент НЕ, то получится элемент ИЛИ, противоположенный элементу ИЛИ-НЕ. В этом случае, на выходе будет логическая 1, если хотя бы на один из входов (или на оба) подается логическая 1.

Элемент И имеет два входа, и на его выходе 1, только если на оба входа одновременно подана логическая 1. Он состоит из двух элементов НЕ с последующим элементом ИЛИ-НЕ (рис. 37.4,а). Условное обозначение и таблица истинности показаны на рис. 37.4,б.

Если за элементом И будет следовать элемент НЕ, то получится элемент И-НЕ. Элемент И-НЕ противоположен элементу И.

Рис. 37.4

63

появлении сигнала помехи, имеющего уровень UПОМ0 UП0 UВЫХ0

или UПОМ1 UВЫХ1 U1П, произойдет переключение, не предусмотренное нормальным функционированием ключа. Суммарный запас помехоустойчивости определяется следующим образом:

UПОМ1 UПОМ0 UВЫХ1 UВЫХ0 UП1 UП0 UВЫХ UП.

Рис. 37.6

Таким образом, для повышения помехоустойчивости ключа необходимо увеличивать перепад уровней выходных напряжений и уменьшать ширину пороговой зоны.

Также важны характеристики, определяющие быстродействие ключа, т.е. скорость переключения из одного состояния в другое. Частота переключения зависит от длительности переходных процессов при включении и выключении, обусловленных инерционностью транзистора и конечным временем перезарядки паразитных емкостей CП1, CП2, CП3 (на рис. 37.5 показаны пунктиром).

Описание лабораторного макета

Схема лабораторного макета, используемого в данной работе, приведена на рис. 37.7.

65

Внее входят: релаксационный генератор импульсов на элементах DD1.1 и DD1.2, ключ-инвертор DD1.3, логический элемент И- НЕ DD1.4 с индикацией выходного напряжения на светодиоде HL1, два D- триггера DD2.1, DD2.2 и дешифраторDD3.1 – DD3.4 с индикацией состояния на светодиодах HL2 – HL5.

Вданной работе используется только выделенная пунктиром часть макета. Остальные элементы лабораторного макета изучаются в работе №38. Макет позволяет исследовать работу логического элемента И-НЕ (DD1.4). Опорный диод VD1 и резистор R7 ограничивают максимальное входное напряжение на микросхему. Светодиод HL1 и резистор R2 – устройство индикации. Питание на макет

подается постоянно EИП 5 В.

Порядок проведения эксперимента

Задание 1.

Составление таблицы истинности элемента И-НЕ 1. Подавая различные комбинации входных сигналов на входы

элемента И-НЕ (DD1.4), определите ту комбинацию входных сигналов, при которой загорается светодиод HL1. Светящийся диод соответствует состоянию логического нуля на выходе элемента. Комбинации входных сигналов UВХ1 (1) и UВХ0 (0) подаются путем подключения входов DD1.4 к гнездам EИП и «Общий» на макете.

2. Составьте таблицу истинности для всех возможных комбинаций входных сигналов.

Задание 2.

Снятие переключательной характеристики ключа-инвертора График UВЫХ f (UВХ ) переключательной характеристики

ключa-инвертора (DD1.4) можно построить двумя способами. Метод вольтметра 1. Соберите схему установки для измерения переключательной

характеристики ключа методом вольтметра (рис 37.8,а). Включите источник питания входного напряжения UВХ.

2. Плавно увеличивая входное напряжение, снимите зависимость выходного напряжения UВЫХ от величины входного напряжения UВХ. В момент переключения, соответствующий пороговой

67

зоне, увеличить число снимаемых точек. Результат запишите в таблицу.

UВХ

UВЫХ

3. Постройте график снятой зависимости. По графику определи-

те UВЫХ1 ,UВЫХ0 ,UП1 ,UП0 ,U1ПОМ,UПОМ0 .

Метод осциллографа.

1. Соберите схему установки для измерения переключательной характеристики ключа методом осциллографа (рис 37.8,б). Установите на генераторе частоту синусоидального сигнала

f1000 Гц.

2.Проведите калибровку напряжения оси X осциллографа следующим образом:

- отключите вход X осциллографа от схемы. Совместите точку на экране с крайней левой линией координатной сетки осциллографа с помощью регулятора .

- на вход X подайте сигнал известной aмплитуды (например

EИП 5 В с гнезда EИП на макете);

- оцените масштаб по оси X . Расстояние от крайнего левого положения точки до крайнего правого по оси X будет равно величине амплитуды подаваемого сигнала.

По оси Y измерения снимаются обычным методом.

Рис. 37.8

68

работе 37 изучались простейшие элементы цифровой техники – логические элементы, выполняющие основные логические операции на основе двоичной системы счисления. Распологая базовыми логическими элементами, можно построить цифровые устройства любой сложности.

Цифровые устройства подразделяются на два класса – комбинационные и последовательностные.

Комбинационные устройства характеризуются отсутствием памяти: сигнал на выходе такого устройства однозначно определяется комбинацией сигналов на входах в настоящий момент. Примерами комбинационных устройств могут служить электронные ключи, логические элементы, дешифраторы и т.д.

Последовательностные устройства обладают памятью, т.е. при смене информации на входах для предсказания значений сигналов на выходах необходимо знать предыдущее состояние устройства. Примерами последовательностных устройств являются триггеры, счетчики импульсов и т.д.

Для построения цифрового устройства нужен источник сигналов: 0 и 1. Для генерирования последовательностей сигналов 0 и 1 используются релаксационные генераторы, формирующие прямоугольные импульсы с заданными характеристиками.

Триггеры

Триггер – это электронное устройство с двумя устойчивыми состояниями, способное под действием входных сигналов скачкообразно переходить из одного состояния в другое.

Строится триггер на логических элементах путем введения перекрестных связей. На рис. 38.1 приведена схема RS-триггера на элементах И-НЕ (из работы №37 следует, что на выходе элемента И-НЕ логический 0, если на всех входах 1, в любом другом случае

– на выходе 1). Триггер имеет два информационных входа S

(«Set» – установка) и R («Reset» – сброс) и два выхода. Штрих над буквой обозначает, что рассматриваемый вход является инверсным, т.е. сигналом для переключения элемента в прямом направлении (в данном случае, при котором произойдет переключение элемента, и на выходе Q установится сигнал логической 1 Q 1 ) является 0.

70