Лабораторные электричество

Автогенератор как система с обратной связью (ОС) может быть представлен в виде структурной схемы, показанной на рис. 10.1. Его комплексная передаточная функция KОС ( ) связана с комплексными

передаточными функциями звена прямой передачи K( ) и звена ОС B( ) зависимостью

При условии K( )B( ) 1 в системе с обратной связью самопроизвольно, без внешнего воздействия, возникают колебания.

Мультивибратор является автогенератором периодической последовательности импульсов. Название «мультивибратор» в переводе означает «генератор множества колебаний» и отражает основную особенность – генерируемые им колебания имеют сложную форму, образованную суммой множества гармонических колебаний.

Мультивибраторы применяются в импульсной технике в качестве задающих генераторов прямоугольных импульсов, расширителей импульсов, делителей частоты, в качестве пусковых и переключающих устройств. Мультивибраторы могут работать в трех режимах: ждущем, автоколебательном и синхронизации.

Вждущем режиме мультивибратор имеет одно состояние устойчивого равновесия, из которого он может быть выведен пусковым импульсом. При подаче пускового импульса схема переходит в состояние временно устойчивого равновесия (квазиравновесия). В состоянии квазиравновесия в схеме протекают релаксационные процессы, связанные с зарядом (разрядом) емкостей в цепях связи. Эти процессы в итоге приводят к возвращению схемы в исходное состояние устойчивого равновесия.

Вавтоколебательном режиме мультивибратор работает как генератор с самовозбуждением. Этот режим характеризуется наличием двух различных состояний квазиравновесия, которые периодически сменяют друг друга.

Врежиме синхронизации мультивибратор работает как генератор с самовозбуждением, но на него воздействует извне еще специальное синхронизирующее напряжение, частота которого определяет частоту генерируемых им колебаний.

Рассмотрим работу мультивибратора в автоколебательном режиме на примере схемы, выполненной на биполярных транзисторах. Как видно из рис. 10.2, он представляет собой двухкаскадный инвертирующий усилитель на резисторах, охваченный ПОС. Выход первого каскада, собранного на транзисторе VT1 и резисторах Rк1, RБ1, подключен через емкость C2 к входу

второго каскада, собранного на транзисторе VT2 и резисторах Rк 2 , RБ 2 , а выход второго каскада через емкость C1 подключен к входу первого каскада. Согласно структурной схеме рис. 10.1 в мультивибраторе как системе с ОС

82

перезаряжаться. В момент времени t1 напряжение на емкости C2 достигнет

напряжения на коллекторе VT2 (UК 2 EП RК 2IК 2 ). Через емкость связи C2

это уменьшит напряжение на базе VT1, и транзистор VT1 начнет закрываться. Из-за глубокой ПОС схема лавинообразно перейдет в новое состояние квазиравновесия: транзистор VT1 заперт, а VT2 – насыщен. Напряжение на коллекторе VT1 увеличивается не мгновенно, а по экспоненте, так как параллельно ему подключена емкость C2 , которая

заряжена до напряжения EП по цепи, указанной на рис. 10.4б.

Время заряда емкости C2 через резистор RК 1 определяет длительность

насыщения транзистора VT2 положительно заряженная обкладка емкости C1

оказывается замкнутой практически на корпус. Поэтому отрицательное напряжение емкости C1 приложено к базе транзистора VT1 и поддерживает

его в закрытом состоянии. В момент времени t1 емкость находится под напряжением -EП Оно является начальным при формировании положительного импульса напряжения UК 1 (UС (0) EП ). Начиная с t1 , емкость C1 начнет разряжаться по цепи – источник напряжения, резистор RБ1 (аналогичной цепи, показанной на рис. 10.4а). После разряда емкость C1

начнет перезаряжаться. И если бы она не была подключена к базе транзистора VT1, то в установившемся режиме C1 зарядилась бы до

формируется импульс напряжения UК 2 .

Следующие друг за другом два состояния квазиравновесия образуют колебательный процесс, в результате которого мультивибратором формируется периодическая последовательность импульсов, близких к прямоугольной форме. Как следует из (10.2), длительность импульсов определяется как

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Лабораторная установка состоит из базового устройства, выполненного на отдельном шасси по схеме рис. 10.2. Переключатели SA1 и SA2 позволяют переключать номиналы емкостей C1 и C2 , переменный резистор RБ1

позволяет изменять величину сопротивления. Эти изменения дают возможность наблюдать влияние RБ и емкостей на длительность импульсов.

Переменный резистор RК 1 позволяет управлять длительностью фронта

импульса, который формируется на коллекторе транзистора VT1. Напряжение питания EП = 10 В подается от отдельного источника

постоянного напряжения. Для исследования сигналов при выполнении лабораторной работы используется электронный осциллограф.

ПОДГОТОВКА К РАБОТЕ

1.Изучить основные принципы работы мультивибратора в автоколебательном режиме.

2.Нарисовать в рабочей тетради один каскад инвертирующего усилителя на резисторах и принципиальную схему мультивибратора на биполярных и полевых транзисторах.

3.Решить задачу заряда конденсатора в RC -цепи от источника постоянного напряжения E при начальном условии:UC (0)= 0 при t = 0.

ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАДАНИЕ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

1.Исследовать влияние величин емкостей C1 и C2 на длительность импульсов И1 и И 2 и период следования импульсов Т. Для этого просмотреть и зарисовать осциллограммы напряжений UК1(t ), UБ1(t ),

UК 2(t ), UБ2(t ). Измерения И1, И 2 провести при минимальных значениях RК 1, RБ1, чему соответствует RК 1= RК 2 = 2 кОм и RБ1 = RБ 2 = 51 кОм. Рассмотреть симметричный случай: C1 =C2 = 4700 пФ и несимметричные случаи: C1 = 4700 пФ, C2 = 0,01 мкФ; C1 = 0,01 мкФ, C2 = 4700 пФ.

2.Исследовать влияние RБ1 на колебательный процесс. Просмотреть и зарисовать осциллограммы напряжений, провести измерение параметров импульсов в случае C1 =C2 при RБ1= 51 кОм (минимальное значение RБ1 ) и RБ1= 98 кОм (максимальное значение RБ1).

3.Исследовать влияние RК 1 на колебательный процесс при фиксированных значениях RБ , C1 и C2 для случаев RК1 МИН = 2 кОм и RК1МАКС = 6,7 кОм.

Просмотреть и зарисовать осциллограммы напряжений UК 1 , UК 2 , измерить длительность фронтов импульсов.

86

Наиболее наглядное преставление логической функции дает таблица истинности, в которой каждой из возможных комбинаций входных переменных ( Xn = 0 или 1) ставится в соответствие определенное значение

выходной функции Y = 0 или 1.

Цифровые электронные схемы выпускаются в виде интегральных схем (ИС) сериями, которые включают ряд специализированных устройств. Основу каждой серии составляет базовый логический элемент. Логическими элементами (ЛЭ) называют электронные схемы, способные выполнять простейшие логические операции. На рис. 11.1 приведены условные обозначения и таблицы истинности ЛЭ: НЕ, ИЛИ, И, И - НЕ, ИЛИ - НЕ.

Как правило, базовые ЛЭ выполняют операции И - НЕ либо ИЛИ - НЕ. По схемотехническому решению ЛЭ на биполярных транзисторах различают следующие типы логики: транзисторно-транзисторная (ТТЛ), эмиттерносвязанная (ЭСЛ), интегральная инжекционная (И2Л). Наряду с ними широко применяются ЛЭ на полевых транзисторах с изолированным затвором, т.н. МОП-структуры (МОПЛ), а также на комплементарных полевых транзисторах с каналами р- и n-типа, т.н. КМОП-структуры (КМОПЛ). На практике широко применяются ИС ТТЛ серии К155 и ИС КМОПЛ серий К176, К561.

НЕ ИЛИ И И - НЕ ИЛИ - НЕ

Рис. 11.1. Условные обозначения и таблицы истинности логических элементов

На рис. 11.2а показана схема базового ЛЭ ТТЛ. Многоэмиттерный транзистор VT1, включенный на входе, который может иметь от двух до восьми входов (эмиттеров), выполняет логическую функцию И. Транзисторы VT2, VT3, VT4 образуют сложный инвертор, выполняющий логическую функцию НЕ. На транзисторе VT2 и резисторах R2 , R3 собран

предварительный фазоинвертирующий усилитель. На транзисторах VT3 и VT4 собран выходной усилитель. Все транзисторы работают в ключевом режиме. При хотя бы одном нулевом входном сигнале транзистор VT1 открыт и находится в режиме насыщения. Напряжение коллектора VT1 в этом случае низкое. Поскольку UБ2 UК1, то транзистор VT2 закрыт и

88

Y 1. В этом случае, если схема нагружена, то через открытые p-канальные транзисторы и нагрузку будет протекать ток от источника питания. Только при подаче на все входы логической 1 открытые n-канальные транзисторы замкнут выход на корпус и получим Y 0 . Кроме этого закрытые p- канальные транзисторы отключают нагрузку от источника питания. Нетрудно убедиться, что схема с параллельным соединением n-канальных транзисторов и последовательным p-канальных выполняет функцию ИЛИ - НЕ.

ЛЭ характеризуются рядом статических и динамических параметров. К ним относятся напряжение источника питания, уровни напряжений логического 0 и логической 1, нагрузочная способность, помехоустойчивость, быстродействие, потребляемая мощность.

Статические свойства схем И - НЕ и ИЛИ - НЕ наглядно отражаются их передаточной характеристикой – зависимостью напряжения на выходе от напряжения на одном из входов UВЫХ f (UВХ ) (рис. 11.3). Для схем И - НЕ и ИЛИ - НЕ передаточную характеристику снимают при подаче одинаковых сигналов на входы. В этом случае они выполняют логическую функцию НЕ. Передаточную характеристику строят по результатам измерений UВЫХ f (UВХ ). В точках этой зависимости, в которых коэффициент усиления

на выходе поддерживается уровень логической 1, а при UВХ UПОР0 – уровень логического 0.

UВЫХ

U1ВЫХ МИН

U0ВЫХ МАКС

Рис. 11.3. Передаточная характеристикя логического элемента НЕ

По принципу действия логические устройства делятся на два класса:

комбинационные и последовательностные. Комбинационные логические устройства (КЛУ) не обладают памятью. Их логическое состояние однозначно определяется комбинацией входных переменных в данный

90