От RLC-цепочек к программируемым интегральным схемам. Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Основы электроники и схемотехники»

УДК 681.3.06(07)

Б791

Рецензент: канд. техн. наук, доцент Назаркин О. А.

Болдырихин, О. В.

Б791 От RLC-цепочек к программируемым интегральным схемам [Текст]: методические указания к лабораторным работам по дисциплине "Основы электроники и схемотехники" / О. В. Болдырихин. – Липецк : Изд-во Липецкого государственного технического университета, 2014. – 33 с.

Методические указания соответствуют программе дисциплины "Основы электроники и схемотехники", которая является подготовительной для изучения дисциплин: "Архитектура вычислительных систем", "Основы теории управления", "Микропроцессорные системы". Поэтому рассмотрение материала в целом ориентировано на схемотехнику ЭВМ, а в некоторых частях — на теорию управления.

Предназначены для студентов направлений "Информатика и вычислительная техника", "Программная инженерия", а также родственных направлений и специальностей.

Табл. 2. Ил. 8. Библиогр.: 12 назв.

©ФГБОУ ВПО "Липецкий государственный технический университет", 2014

2

3

ров создаются и изучаются логические элементы (мостик к комбинационной логике) и триггер (мостик к последовательностной логике).

В третьей лабораторной работе изучаются основные типы комбинацион-

ных интегральных схем: логические элементы, шифраторы-дешифраторы,

мультиплексоры-демультиплексоры. Рассматривается сущность механизма де-

шифрации адреса. Сложные комбинационные схемы создаются из самых про-

стых элементов — логических — в различных логических базисах. Проводится мостик от комбинационных элементов к последовательностным — из логиче-

ских элементов создается триггер.

В четвертой работе изучаются основные типы последовательностных ин-

тегральных схем: триггеры, счетчики, регистры, микросхемы памяти и про-

граммируемые микросхемы. В полном виде рассматривается механизм дешиф-

рации адреса.

Теоретической информацией к лабораторным работам служат соответ-

ствующие разделы лекций, которые идут в той же последовательности.

Лабораторная работа № 1. Базовые электронные элементы. RLC-цепочки

Цель работы и рассматриваемые вопросы

Цель работы — изучение основных понятий электроники и схемотехни-

ки, свойств базовых элементов электрических цепей в процессе исследования

RLC-цепочек и их моделей в форме систем дифференциальных уравнений.

Рассматриваемые вопросы:

1.Электромагнитное поле. Электрическая и магнитная составляющие.

2.Напряжение и сила тока. Проводники и диэлектрики.

3.Резистор, конденсатор и катушка индуктивности. Законы коммутации.

4.Ветви, узлы и контуры электрической цепи. Правила Кирхгофа.

5.Модели RC- и RLC-цепочек в виде систем дифференциальных уравне-

ний.

5

6. Собственное и полное решение уравнения RC-цепочки. Процессы в

RC-цепочках.

7. Собственное решение уравнения RLC-цепочки. Процессы в RLC-

цепочках.

Порядок выполнения работы

Первая лабораторная работа состоит в изучении базовых понятий электроники и схемотехники при исследовании процессов в RC- и RLC-цепочках. Лабораторная работа включает четыре задания. Каждое задание имеет два общих признака: цепочка — RC или RLC, постоянная времени — большая (медленные процессы) или малая (быстрые процессы) (табл. 1).

Здесь N — номер студента в списке курса, значения постоянных даны в единицах СИ.

Частные признаки (признаки формирования вариантов) — конкретное значение постоянной и исследуемая величина (см. табл. 1). Выбор исследуемой величины осуществляется по формуле:

s 1 (N 1) mod Ki ,

где

s — номер исследуемой величины (см. табл. 1);

N — номер студента в списке;

6

Ki — количество возможных исследуемых величин для данного задания; mod — операция взятия остатка от целочисленного деления.

В первых трех заданиях исследование заключается в сопоставлении теоретических (расчетных) и экспериментальных результатов, которые оформляются в виде таблицы (табл. 2) и графиков.

Таблица 2

Формат таблицы для заданий 1-3

Примечание. Пример таблицы дан для вариантов, когда исследуемая величина — напряжение на резисторе. Для других вариантов проводится расчет и измерение величины, заданной в них.

В четвертом задании с помощью осциллографа определятся амплитуда и частота затухающих колебаний в RLC-цепочке, сравнение их с расчетными значениями.

Задание 1. Теоретическое и экспериментальное исследование

процессов в RC-цепочках с большой постоянной времени

Создать схему RC-цепочки (RC ≥ 10 c) с источником постоянного напряжения, в которой конденсатор вначале заряжается от источника через резистор,

а потом разряжается через него (рис. 1).

7

Частоту импульсов подобрать так, чтобы произведение RC составляло примерно одну десятую часть периода импульсов. Исследовать работу схемы с помощью осциллографа. Составить и решить уравнение схемы относительно заданной величины. Заполнить таблицу (см. табл. 2) и построить графики полу-

ченных зависимостей.

Задание 3. Теоретическое и экспериментальное исследование

процессов в RLC-цепочках с большой постоянной LC

Создать схему последовательной RLC-цепочки с источником постоянно-

го напряжения, в которой конденсатор вначале заряжается от источника при разомкнутой RLC-цепочке, а затем цепочка замыкается (рис. 3).

Рис. 3. Схема RLC-цепочки с большой постоянной LC

Значения L и C выбрать так, чтобы их произведение было не меньше

100 с2 (LC ≥ 100 c2). (Конечно, практически реализовать такую схему затрудни-

тельно, поскольку конденсатор емкостью 10 Ф имел бы объем порядка кубо-

метра, однако для рассмотрения необходимых вопросов она хорошо подходит).

Величину R необходимо подобрать так, чтобы в контуре возникли затухающие колебания. Исследовать работу схемы с помощью вольтметра и амперметра.

Составить и решить уравнение схемы относительно заданной величины. Запол-

нить таблицу (см. табл. 2) и построить графики полученных зависимостей.

9

Задание 4. Экспериментальное исследование процессов

в RLC-цепочках с малой постоянной LC

Создать схему последовательной RLC-цепочки с источником постоянно-

го напряжения, в которой конденсатор вначале заряжается от источника при разомкнутой RLC-цепочке, а затем цепочка замыкается (рис. 4).

Рис. 4. Схема RLC-цепочки с малой постоянной LC

Произведение LC взять около 0,0001 с2. Исследовать работу схемы с по-

мощью осциллографа. Определить амплитуду и частоту колебаний, сравнить их с расчетными значениями.

Содержание отчета

1.Задание 1

1.1.Схема RC-цепочки.

1.2.Составление уравнения RC-цепочки.

1.3.Решение уравнения RC-цепочки.

1.4.Таблица с результатами исследования.

1.5.Графики расчетных и экспериментальных значений исследуемой вели-

чины.

10