Лабы / 2 Лаба / DgCXT_Labs_0207_Маликов_2

2

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью работы является изучение схем мультивибраторов на ЛЭ

74НС14, 74НС00, 74HC02.

ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Самой простой схемой мультивибратора на логических элементах является схема, которую можно построить на инвертирующем триггере Шмитта. По логике работы она очень похожа на схему мультивибратора на аналоговом компараторе с гистерезисом.

Обычный элемент НЕ (инвертор) логически похож на инвертирующий аналоговый компаратор без гистерезиса, опорным напряжением для которого является пороговое напряжение ЛЭ UПОР: если входное напряжение ниже порогового, оно воспринимается как уровень лог. «0» и на выходе формируется напряжение лог. «1», и наоборот.

Среди стандартных микросхем практически любой серии, однако,

встречаются несколько необычные элементы, входные каскады которых имеют гистерезис, т.е. являются триггерами Шмитта. Для таких элементов,

рассматривая пример инвертора, переход из лог. «0» в лог. «1» по выходу происходит при меньшем́ уровне входного напряжения UПОР1, чем обратный переход при UВХ = UПОР2. Разница входных напряжений, при которых происходит изменение выходного логического уровня, т.е. UГ = (UПОР2 –

UПОР1), является шириной петли гистерезиса триггера Шмитта (рис. 1).

3

Рис. 1 – Гистерезис инвертирующего триггера Шмитта

Если в аналоговой схеме сравнения напряжений ширину петли гистерезиса можно программировать при помощи резисторов в обвязке компаратора или ОУ, то для ЛЭ с триггером Шмитта величины UПОР1,2

являются паспортными, и никаких резисторов, естественно, не требуется.

Согласно документации, для интегральной микросхемы 74HC14 при напряжении питания 4,5 В величина UПОР2, так же называемая верхним порогом переключения (англ. «positive going threshold») составляет порядка

2,4 В, а величина нижнего порога UПОР1 (англ. «negative going threshold») –

порядка 1,4 В.

Основная задача, решаемая при помощи инвертирующих триггеров Шмитта 74HC14 и их аналогов – обеспечение помехозащищенности входов цифровых схем и узлов, а вовсе не сравнение напряжений, в связи с чем точность, с которой выдерживаются величины UПОР1,2, невелика. Так, при питании 4,5 В ширина петли гистерезиса 74HC14 может изменяться от 0,4 до порядка 1,4 В. В связи с этим расчеты частоты мультивибратора, построенного на таком элементе, дают лишь оценочный результат, что, впрочем, не является проблемой при создании таких радиолюбительских схем, как генераторы звуковых сигналов, гирлянды, мигающие индикаторы и т.д.

4

Рис. 2 – Мультивибратор на инвертирующем триггере Шмитта

Другая крайне популярная схема мультивибратора на ЛЭ строится с использованием инвертеров без гистерезиса, или, чаще, с использованием наиболее распространенных универсальных ЛЭ, работающих в роли инверторов. Данная схема (рис. 3), несмотря на чуть большую сложность, по историческим причинам является более популярной, чем предыдущая. Это связано с некогда крайне высокой распространенностью инвертеров и универсальных ЛЭ, тогда как инвертирующие триггеры Шмитта на заре развития отечественной цифровой схемотехники были не столь доступны радиолюбителям.

Рис. 3 - Мультивибратор на инверторах, исходное состояние

5

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

1. Мультивибратор на инвертирующем триггере Шмитта

Рис. 4 - Схема №1 для исследования мультивибратора на инвертирующем триггере Шмитта

Исходные данные:

R1 = 220 кОм; C1 = 4700 нФ; UП = 3,3 В; UПОР1 = 1,21 В; UПОР2 = 1,82 В

Расчет теоретических значений длительности импульса и паузы:

Выход схемы: UВЫХ1 (1 В/дел)

На конденсаторе: UC1 (500 мВ/дел)

Рис. 5 – Осциллограмма работы схемы №1

2. Простейший мультивибратор на ЛЭ типа 2И-НЕ

Рис. 6 - Схема №2 для исследования простейшего мультивибратора на ЛЭ типа 2И-НЕ

Исходные данные:

R2 = 47 кОм; C2 = 47 нФ; UПОР = 1,68 В; UД1 = 0,78 В; UД2 = 0,61 В

Расчет теоретических значений длительности импульса и паузы:

Таблица 2. Сравнение теоретических и экспериментальных значений схемы

№2

Выход схемы: UВЫХ2 (1 В/дел)

Вход DD2.1: UВХ,DD2.1 (2 В/дел)

Выход DD2.2: UВЫХ,DD2.2 (2 В/дел)

Рис. 7 – Осциллограмма работы схемы №2

3. Мультивибратор на ЛЭ типа 2ИЛИ-НЕ с регулируемым

коэффициентом заполнения

Рис. 8 - Схема №3 для исследования мультивибратора на ЛЭ типа 2ИЛИ-НЕ

с регулируемым коэффициентом заполнения

8

Исходные данные:

R3 = 10 кОм; C3 = 1 нФ; R4 = 470 кОм; C4 = 10 нФ; UПОР = 1,76 В

Расчет теоретических значений длительности импульса и паузы:

Выход схемы: UВЫХ3 (1 В/дел)

Вход DD3.2: UR4 (2 В/дел)

Вход DD3.1: (2 В/дел)

Рис. 9 – Осциллограмма работы схемы №3

9

ВЫВОД

Входе выполнения данной лабораторной работы были получены данные

одлительности импульса и паузы для трех схем мультивибраторов на ЛЭ: 74НС14, 74НС00, 74HC02.

Анализируя полученные таблицы и осциллограммы, делаем вывод, что длительность импульса в схеме мультивибратора на инвертирующем триггере Шмитта (рис. 4) напрямую зависит от емкости конденсатора, точнее, от времени его зарядки и разрядки. При подаче напряжения на вход конденсатор заряжается, и когда напряжение на его верхней обкладке достигает уровня

UПОР2, выходное напряжение схемы скачкообразно изменяется на UВЫХ = 0 В,

и начинается разряд конденсатора. При этом формируется последовательность прямоугольных импульсов на выходе.

Рассматривая схему простейшего мультивибратора на ЛЭ типа 2И-НЕ (рис. 6), делаем вывод, что, когда UВХ,DD2.1 достигает порогового значения, схема меняет состояние на противоположное, а само входное напряжение

DD2.1 меняется скачкообразно.

Также, рассматривая схему мультивибратора на ЛЭ типа 2ИЛИ-НЕ с регулируемым коэффициентом заполнения (рис. 8), делаем вывод, что, когда напряжение UR3 достигает порогового значения, состояние схемы меняется на противоположное, а само напряжение UR3 меняется скачкообразно.

10