Елютин Експерименталная физика.Лабораторный практикум 2011

невозможно. Такая комбинация входных сигналов S R 0 приводит к неопределенному состоянию, и она запрещена.

Кроме RS-триггеров в цифровой технике получили распространение более сложные триггеры, обладающие большим числом информационных входов.

Условное обозначение и схема D-триггера приведены на рис. 38.2. Кроме собственно триггера, имеющего входы R и S , он содержит еще информационный вход D («Delay» – задержка) и тактовый вход C («Clock» – времязадающий). Состояние триггера может измениться только при поступлении импульса (сигнал логической 1) на этот вход.

Рис. 38.2

При отсутствии импульса на входе C (C 0) сигналы A и B

( A B 1) не зависят от входного сигнала D и триггер сохраняет то состояние, в которое он переключился при поступлении предыдущего импульса. Пусть к моменту поступления очередного импульса на вход C (C 1), на информационном входе D 1, тогда

триггер (на выход Q ) всегда записывается та информация, которая

72

была на входе D. Входы R и S служат для начальной установки триггера.

Триггеры обладают большими функциональными возможностями, позволяющими строить на их основе сложные цифровые устройства, например счетчики импульсов.

Простейший двоичный счетчик импульсов (или делитель частоты) с коэффициентом счета kСЧ 2n образуется путем последовательного соединения n триггеров. На рис. 38.3,а приведена схема из двух последовательно соединенных D-триггеров. Для перевода такого триггера в счетный режим (делитель на 2) достаточно вход D соединить с инверсным выходом Q. Пусть в начальный момент времени сигнал на выходе триггера ТР1 Q1 0. При поступлении

сигнала на выходе равна половине частоты входного сигнала. Триггер ТР2 переключится в том случае, когда на его вход C поступает импульс с выхода ТР1 (см. рис. 38.3,б).

Схема, представленная на рис. 38.3,а, обладает коэффициентом счета kСЧ 22 4, т.е. при поступлении на вход счетчика четырех импульсов появляется один импульс на выходе. Очевидно, что увеличивая количество триггеров, можно увеличивать и коэффициент счета.

Релаксационный генератор импульсов

Если в триггере одну или обе перекрестные связи заменить емкостными, то одно или оба стационарных состояния превращаются в нестационарные, время изменения которых (время релаксации) определяется временем зарядки или разрядки конденсатора. Релаксационные устройства предназначены для генерирования прямо-

73

угольных (или близких к прямоугольным) импульсов с заданными характеристиками, определяемыми параметрами схемы.

Релаксационный генератор импульсов может быть получен из RS-триггера заменой одной из перекрестных связей на емкостную. На рис. 38.4,а приведена схема генератора импульсов на логических элементах И-НЕ. Напряжение, соответствующие логической единице (по отношению к нулевому потенциалу земли), обозначим U 1 , а напряжение, соответствующие логическому нулю – U0. Оче-

видно, что U0 0. Также будем считать, что логические элементы ЛЭ1 и ЛЭ2 (см. рис. 38.4) могут переключаться практически мгновенно. Пусть до момента времени t1 напряжение в точке c равно максимальному значению UМАКС, т.е. конденсатор заряжен до мак-

напряжению логической единицы U1. В точке b напряжение

Ub U0 0 удерживается до следующего логического переклю-

чения. Конденсатор C разряжается через сопротивление R до порогового напряжения переключения логического элемента UП

(UП UМАКС). Время разрядки tИ RC. За время tИ разрядки конденсатора потенциал в точке d медленно растет, что объясняется зарядкой паразитных емкостей в элементе ЛЭ2. В момент t2 , когда

UC UП , происходит мгновенное переключение напряжения в точ-

74

течение всего времени зарядки конденсатора. По отношению к напряжению в точке b напряжение в точке c окажется равным UП U1 0. С этого момента начнется процесс зарядки конденса-

тора током, текущим через R от точки b к точке c. Длительность зарядки tП может быть немного больше длительности импульса tИ из-за различия собственного сопротивления и емкости логического элемента при выходном нуле или единице. Процесс зарядки длится

0,Ud U1, а напряжение U c скачком достигнет уровня относительно нулевого напряжения в точке b. Таким образом, завершиться один период колебаний и релаксационный гене-

ратор будет находиться в исходном состоянии. Время перезарядки конденсатора через резистор R и входное сопротивление элемента ЛЭ1 и определяет длительность импульса tИ и паузы tП выходной последовательности импульсов с периодом следования T. Для данной схемы T 3,6RC.

Рис. 38.4

75

Дешифратор

Дешифратором («Decoder») называется комбинационное устройство с n входами, в котором каждой предусмотренной комбинации значений входных сигналов (входному набору) соответствует сигнал на одном из выходов. Иными словами, на каждом из выходов дешифратора сигнал равен единице (или нулю) только при определенном сочетании входных сигналов. В дешифраторе, в котором предусмотрена реакция на каждый из возможных входных наборов, число выходов N определяется равенством N 2n. Такой дешифратор называется полным в отличие от неполного, реагирующего лишь на некоторые из входных наборов. Пусть, например, n 3. Для полного дешифратора число выводов N 23 8. Выходы дешифратора нумеруются числами от 0 до 2n 1.

На рис. 38.5 приведены условное обозначение и таблица состояний полного дешифратора с тремя входами.

Рис. 38.5

В данной работе изучается полный двухвходовый дешифратор, реализованный на элементах И-НЕ. При этом на выходе, соответствующему определенной входной последовательности сигнал будет равен 0, а на всех остальных – 1.

Описание лабораторного макета

Схема лабораторного макета приведена в описании работы №37 на рис. 37.7. В нее входят: релаксационный генератор импульсов на элементах DD1.1 и DD1.2, ключ-инвертор DD1.3, два D-триггера

76

DD2.1, DD2.2 и дешифратор DD3.1 – DD3.4 с индикацией состояния на светодиодах HL2 – HL5.

Макет позволяет исследовать работу релаксационного генератора импульсов, триггера, счетчика и дешифратора. Соединив генератор импульсов со счетчиком и дешифратором, исследуется работа делителя частоты с индикацией состояний.

Порядок проведения эксперимента

Задание 1.

Изучение релаксационного генератора импульсов

1.Соберите схему релаксационного генератора импульсов. Для этого выход DD1.2 (гнездо A ) соедините перемычкой с конденсатором C1 (гнездо A ) (рис. 37.7). Ключ-инвертор DD1.3 служит для увеличения скорости нарастания фронта импульса.

2.Подключите один канал двухлучевого осциллографа на выход DD1.3, а второй канал на вxoд DD1.1. Зарисуйте полученные осциллограммы напряжений, используя единый для всех графиков масштаб по оси времени. Переключите осциллограф со вxoда DD1.1 на выход DD1.2, дорисуйте новую осциллограмму к полученным ранее.

3.Рассчитайте период следования импульсов генератора для двух крайних положений переменного соротивления R1 (для крайне правого положения R1=560 Ом, для левого – R1=180 Ом). По осциллографу определите период следовния импульсов (с выхода DD1.3) для двух крайних положений переменного соротивления R1, сравните с расчетным.

Задание 2.

Изучение счетчика импульсов

1.Соберите схему счетчика импульсов (рис. 38.3,а) и подключите к нему генератор импульсов ( C1 1 мкФ). Для получения схемы

счетчика импульсов необходимо входы S и R DD2.1 подключить

к EИП (рис. 37.7), вход D соединить с выходом Q DD2.1 (гнездо B ), выход генератора импульсов с DD1.3 соединить с входом C

DD2.1.

2. Подключите один канал двухлучевого осциллографа на вход C первого триггера DD2.1, а второй канал на выxoд первого триг-

77

гера Q1 DD2.1 (гнездо C ), зарисуйте полученные осциллограммы напряжений используя единый для всех графиков масштаб по оси времени. Переключите осциллограф с выxoда первого триггера Q1

DD2.1 (гнездо C ) на выход второго тгиггepa Q2 DD2.2, дорисуйте новую осциллограмму к полученным ранее.

Задание 3.

Изучение дешифратора 1. Соберите схему счетчика импульсов с индикацией состояний.

2.Определите последовательность включения светодиодов.

3.Постройте аналитически графики напряжений (пример см. рис. 38.3,б): а) на выходе генератора импульсов; б) на выходе пер-

вого триггера DD2.1 ( Q1 ); в) на выходе второго триггера DD2.2 ( Q2 ); г) на выходах дешифратора DD3.1; DD3.2; DD3.3; DD3.4,

используя единый для всех графиков масштаб по оси времени. Отметьте на полученных графиках моменты включения светодиодов.

Контрольные вопросы

1.Какая комбинация входных сигналов является запрещенной, если RS-триггер построен на элементах ИЛИ-НЕ?

2.От каких параметров схемы зависит частота следования импуль-сов релаксационного генератора?

3.Какие сигналы являются входными для дешифратора в данной работе?

4.Во сколько раз изменится частота следования импульсов релак-сационного генератора, если емкость конденсатора уменьшить в 4 раза, а величину сопротивления увеличить в 2 раза?

Литература

1.Хоровиц П. Хилл У. Искусство схемотехники. Т.2. М.: Мир. 1993. С. 122-136.

2.Аваев Н.А. Наумов Ю.Е. Фролкин В.Т. Основы микроэлектроники. М.: Радио и связь. 1991. С. 203-206.

78

3. Фролкин В.Т. Попов Л.Н. Импульсные и цифровые устройст-

ва. М.: Радио и связь. 1992. С. 163-164, 211-215, 313-323.

РАБОТА 39

КОМПАРАТОР НАПРЯЖЕНИЙ

Цель – изучение работы компаратора напряжений с положительной обратной связью, определение ширину гистерезиса передаточной характеристики компаратора.

Введение

Основная функция компаратора – сравнение напряжения сигнала на одном входе UВХ с опорным напряжением UОП на другом

входе и выработка сигнала высокого уровня (UВЫХ1 ) или низкого

(UВЫХ0 ) на выходе в зависимости от знака разности U ( U

UОП UВХ ). Предназначены компараторы для сопряжения аналоговых (непрерывных) входных сигналов с цифровой техникой. Выходная мощность современных компараторов достаточна для управления десятью и более логическими элементами (P 500 мВт). Особенно широко они используются в схемах аналогоцифрового преобразования (АЦП). Компараторы напряжений являются, практически, простейшими одноразрядными АЦП, поэтому от них требуется высокое быстродействие.

Условное обозначение микросхем интегральных компараторов напряжений (ИКН) приведено на рис. 39.1,а, идеальная передаточная характеристика, т.е. зависимость UВЫХ f (UВХ ), представлена на рис. 39.1,б.

Передаточная характеристика компаратора является знаковой функцией. Например, при подаче входного сигнала UВХ на вход 2

компаратора, а UОП – на вход 1, на возможны следующие варианты выходного сигнала:

79

где UСР – выходное напряжение, величина которого зависит от вида нагрузки, причем UВЫХ0 UСР UВЫХ1 .

Рис. 39.1

К основным параметрам ИКН относятся: чувствительность или разрешающая способность – минимальная разность сигналов, которую можно обнаружить компаратором и зафиксировать на выходе как сигнал, соответствующий переходу из одного состояния в другое, и время переключения – время с момента подачи входного напряжения до момента, когда на выходе установится сигнал соответствующий срабатыванию. Основные источники погрешности компаратора: случайные изменения входного тока IВХ и измене-

ние напряжения источника питания UИП.

При медленно изменяющемся входном сигнале напряжение на выходе может изменяться достаточно медленно. Кроме того, если во входном сигнале присутствует шум, то компаратор может многократно переключится в те моменты, когда напряжение на входе проходит через точку переключения, т.е. через уровень опорного напряжения UОП (рис. 39.2,а). Оба недостатка позволяет устранить положительная обратная связь (ПОС). Это процесс передачи части энергии выходного сигнала на вход, при котором происходит увеличение напряжения входного сигнала.

80