От RLC-цепочек к программируемым интегральным схемам. Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Основы электроники и схемотехники»-1
.pdf
15
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ "ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"
Кафедра автоматизированных систем управления
О. В. БОЛДЫРИХИН
От RLC-цепочек к программируемым интегральным схемам
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к лабораторным работам
по дисциплине "Основы электроники и схемотехники"
Липецк Липецкий государственный технический университет
2014
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
Содержание |
|
Пояснения к циклу работ в целом ......................................................................... |
4 |
Лабораторная работа № 1. Базовые электронные элементы. RLC-цепочки 5 |
|
Цель работы и рассматриваемые вопросы ........................................................... |
5 |
Порядок выполнения работы ................................................................................. |
6 |
Содержание отчета................................................................................................ |
10 |
Контрольные вопросы........................................................................................... |
11 |
Контрольные задания............................................................................................ |
12 |
Лабораторная работа № 2. Полупроводниковые элементы........................... |
12 |
Цель работы и рассматриваемые вопросы ......................................................... |
12 |
Порядок выполнения работы ............................................................................... |
13 |
Содержание отчета ................................................................................................ |
18 |
Контрольные вопросы........................................................................................... |
19 |
Контрольные задания............................................................................................ |
20 |
Лабораторная работа № 3. Комбинационные интегральные схемы............ |
20 |
Цель работы и рассматриваемые вопросы ......................................................... |
20 |
Порядок выполнения работы ............................................................................... |
21 |
Содержание отчета ................................................................................................ |
22 |
Контрольные вопросы........................................................................................... |
23 |
Контрольные задания............................................................................................ |
23 |
Лабораторная работа № 4. Последовательностные интегральные схемы.. |
24 |
Цель работы и рассматриваемые вопросы ......................................................... |
24 |
Порядок выполнения работы ............................................................................... |
24 |
Содержание отчета ................................................................................................ |
29 |
Контрольные вопросы........................................................................................... |
30 |
Контрольные задания............................................................................................ |
31 |
Библиографический список .................................................................................. |
32 |
3
Пояснения к циклу работ в целом
В данном цикле лабораторных работ центральным является понятие элек-
тронного элемента. Основой для выделения самих работ служат следующие важнейшие классификационные деления в электронике:
—аналоговая электроника – цифровая электроника;
—дискретные электронные элементы – интегральные схемы;
—линейные элементы – нелинейные элементы;
—комбинационная логика – последовательностная логика.
Первые две лабораторные работы — аналоговая электроника, дискретные электронные элементы: линейные (первая работа), нелинейные (вторая работа).
Последние две — цифровая электроника, интегральные схемы: комбинацион-
ные (третья работа) и последовательностные (четвертая работа). При этом все работы органично связаны между собой не только сквозным понятием элек-
тронного элемента в его развитии, но и акцентируемыми точками соприкосно-
вения вышеперечисленных классификационных понятий. В трех последних ла-
бораторных работах присутствуют элементы как анализа, так и синтеза.
В первой лабораторной работе на основе принятой в настоящее время концепции электромагнитного поля вводятся базовые электронные элементы:
резистор, конденсатор и катушка индуктивности. Рассматриваются RC- и RLC-
цепочки. Происходящие в них процессы изучаются экспериментально и теоре-
тически на основе их моделей в виде дифференциальных уравнений.
Во второй работе изучаются основные полупроводниковые элементы:
диоды и транзисторы. Развивается понятие сопротивления, рассмотренное в первой работе. Вводятся и рассматриваются понятия статического сопротивле-
ния, динамического сопротивления и отрицательного сопротивления. Вводится и развивается понятие вольтамперной характеристики. Изучаются основные режимы работы транзистора: линейный — ретроспектива к линейным элемен-
там, насыщения и отсечки — мостик от аналоговой электроники к цифровой.
Кроме того, рассматриваются еще две точки соприкосновения — из транзисто-
4
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).
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 1 |
|
|
Задания, их общие и частные признаки |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
||
№ |
Общие признаки |
Частные признаки |
|
||||
|
|
|
|
|
|||
|
Цепочка |
Ограничение |
Значение постоянной |
Исследуемая величина |
|||
|
|
на постоянную |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
1 |
RC |
RC ≥ 10 |
RC=10+((N-1)/4) |
1 |
- UR, 2 - UC, 3- I |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
RC |
RC ≤ 0,01 |
RC=0,01-((N-1)/10000) |
1 |
- UR, 2 |
- UC |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
RLC |
LC ≥ 100 |
LC=100+(N-1) |
1 |
- UR, 2 |
- UC, 3 |
- UL, 4 - I |
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
RLC |
LC ≈ 0,0001 |
|
1 |
- UR, 2 |
- UC, 3 |
- UL |
|
|
|
|
|
|
|
|
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
№ |
Время от |
Напряже- |
Напряже- |
Абсолют- |
Относи- |
Приведен- |
||
|
начала |
ние на ре- |
ние на ре- |
ная |
по- |
тельная |
ная |
по- |
|
процесса t, |
зисторе |
зисторе |
грешность |
погреш- |
грешность |
||
|
с |
расчетное |
измерен- |
измерения |
ность из- |
измерения |
||
|
|
URр , В |
ное URи , В |
UR , В |
|
мерения |
UR/ URmax |
|
|
|
|
|
|
|
UR/ URр |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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
Рис. 1. Схема RC-цепочки с большой постоянной времени
Исследовать работу схемы с помощью вольтметра и амперметра. Соста-
вить уравнение схемы относительно заданной исследуемой величины и решить его. Заполнить таблицу (см. табл. 2) и построить графики полученных зависи-
мостей.
Задание 2. Теоретическое и экспериментальное исследование
процессов в RC-цепочках с малой постоянной времени
Создать схему RC-цепочки (RC≤0,01c) с генератором прямоугольных им-
пульсов скважностью 0,5, в которой конденсатор заряжается через резистор в первом полупериоде и разряжается во втором (рис. 2).
Рис. 2. Схема RC-цепочки с малой постоянной времени
8
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