Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы микроэлектроники. Практикум
.pdf
МИНИСТЕРСТВО ПРОСВЕЩЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
«Алтайский государственный педагогический университет»
высшего образования
(ФГБОУ ВО «АлтГПУ»)
ОСНОВЫ
МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
Практикум
Составители
А.С.Грязнов,Ф.М.Бетеньков
Барнаул
ФГБОУ ВО «АлтГПУ»
2021
УДК 621.3.049(075)
ББК 32.844.1я73
О-753
Основы микроэлектроники : практикум / сост. А. С. Грязнов,
Ф. М. Бетеньков. – Барнаул : АлтГПУ, 2021. – 82 с.
Рецензент:
Овчаров А. В., доктор педагогических наук, профессор (Алтай-
ский государственный педагогический университет)
Практикум содержит описание 8 лабораторных работ, тематика
и содержание которых соответствует 3ФГОС++ Государственному
образовательному стандарту высшего профессионального образования специальности 44.03.05 «Физика и информатика». Материал
практикума делится на две части. Первая часть содержит описание
6 виртуальных лабораторных работ, посвящённых отдельным вопросам электротехники и цифровой электроники. Выполнение этих
работ предусматривает использование для моделирования и анализа
электронных схем средств программы MultiSIM 11.0. Вторая часть
посвящена элементам цифровой техники при работе с АЛУ и ОЗУ
и предусматривает исследование схем с реальными электронными
компонентами на лабораторных стендах ОАВТ.
Практикум рекомендован для слушателей бакалавриата по направлению «Физика и Информатика» курса «Основы микроэлектроники».
Рекомендованокизданиюредакционно-издательскимсоветомАлтГПУ25.02.2021г.
© Алтайский государственный
педагогический университет, 2021
© Грязнов А. С., Бетеньков Ф. М., 2021
Введение
Практикум для слушателей бакалавриата по направлению
«Физика и Информатика» курса «Основы микроэлектроники»
разработан в соответствии с рабочей программой дисциплины.
Дисциплина «Основы микроэлектроники» является одной
из дисциплин предметно-содержательного модуля основной
образовательной программы, реализуемого в учебном плане
по стандарту ФГОС 3++. Целью курса является обучение будущего учителя физики и информатики продуктивному восприятию микроэлектроники как технической базы информатики в объёме, достаточном для адекватного представления
основ устройства и законов функционирования современных
электронных систем.
Материал практикума делится на две части. Первая часть
содержит описание 6 виртуальных лабораторных работ. Выполнение этих работ предусматривает использование для моделирования и анализа электронных схем средств программы
MultiSIM 11.0. Вторая часть предусматривает исследование
цифровых устройств с реальными электронными компонентами на лабораторных стендах ОАВТ (Основы автоматики и
вычислительной техники) и состоит из 2 лабораторных работ.
В описании каждой работы приведены краткие теоретические
сведения, необходимые для её успешного выполнения. Нумерация рисунков, таблиц и формул в описании независима, а
все ссылки относятся только к данной лабораторной работе.
По результатам выполнения каждой работы студентом
оформляется отчёт, требования к содержанию которого приведены в описании конкретной лабораторной работы.
После выполнения работы и оформления отчёта студент
должен защитить полученный им результат в личной беседе с
преподавателем. Для облегчения процесса подготовки к процедуре защиты каждая работа содержит перечень контрольных вопросов и заданий.
3
1
U
P IU= ⋅
вх
U
K
U
t
T
Методические указания к выполнению работ № 1–7,
рассчитанных на использование программы моделирования
электрических и электронных схем MultiSIM 11.0
Краткое руководство по применению программы MultiSIM 11.0
приведено в приложении к настоящему изданию. В принципе
этих сведений достаточно для выполнения заданий всех описанных здесь лабораторных работ.
Подробные сведения о программе MultiSIM (правда, более ранней версии 10.0) и многочисленные примеры её использования можно найти в книге [3], указанной в списке рекомендуемой литературы.
Лабораторная работа № 1
Знакомство с программой MultiSIM.
Основные измерительные приборы
и средства анализа схем в MultiSIM
Цель работы: знакомство с программой моделирования элек-
трических схем MultiSIM 11.0, с основными измерительными
приборами и простейшими средствами анализа схем в MultiSIM.
Справочные данные для выполнения работы:
Для участка линейной цепи постоянного тока справедлив закон Ома:
Мощность в цепи постоянного тока
Для четырёхполюсника коэффициент передачи напряжения
определяется как отношение амплитуды выходного сигнала к ам-
плитуде входного
При прохождении через четырёхполюсник гармонического
сигнала имеет место фазовый сдвиг, который можно рассчитать
по формуле
нала, а t – время запаздывания выходного сигнала относительно
входного.
4
.
IR=
ϕ
∆= ⋅
.
вых
.
360
, где T – период синусоидального сиг-
Для периодических импульсов длительностью t с периодом
T
( )
0
1
T
U u t dt
T
= ⋅
∫
1
Uutdt
T
1
Uutd
д
ф
ср.выпр.
U
KU
д
U
K
U
1
следования T скважность
Периодический сигнал характеризуется амплитудным значе-
нием U
ленным значением
щим (по-другому эффективным или среднеквадратичным) значе-
нием
амплитуды
отсутствии специализированных приборов можно применять
вольтметр постоянного тока. Такой вольтметр измеряет среднее
напряжение, и для получения эффективного значения его показания следует умножить на коэффициент формы. Чтобы получить
амплитудное значение, достаточно эффективное значение умножить на коэффициент амплитуды.
, средним значением
a
T
д
Коэффициент формы сигнала
Для измерения переменного однополярного напряжения при
2
0
T
а
а
ср.выпр.
.
qt= .
.
t
, средневыпрям-
T
0
, а также действую-
, а коэффициент
Рис. 1. Идеализированный периодический сигнал
прямоугольной формы
5
1
На рис. 1 изображён идеализированный периодический сигнал
прямоугольной формы, характеризующийся такими основными
параметрами, как период Т, длительность импульса τ
ность паузы τ
На практике невозможно осуществить мгновенное нарастание и
спад сигнала, поэтому реальный прямоугольный импульс (см. рис. 2)
характеризуется конечным временем нарастания (длительностью
фронта τ
, скважность q=T/τи, амплитуда Um и перепад ΔU.
п
) и спада напряжения (длительностью среза τс).
ф
, длитель-
и
Рис. 2. Реальный прямоугольный импульс и его параметры
Ход работы:
1. По краткому руководству ознакомьтесь с программой моде-
лирования электрических схем MultiSIM.
2. Запустите программу MultiSIM 11.0.
3. Соберите на рабочем столе схему, приведённую на рис. 3.
При выборе резисторов руководствуйтесь следующим алгоритмом: Place Basic→RATED_VIRTUAL→RESISTOR_RATED.
Для выбора источника питания реализуйте цепочку действий:
Place Source→POWER_SOURCES→DC_POWER. Для выбора символа заземления реализуйте цепочку действий: Place
Source→POWER_SOURCES→GROUND. Амперметр и вольтметр можно найти в меню в разделе Indicators, ключ – в разделе
Basic→SWITCH→SPST.
6
Рис. 3. Принципиальная схема неразветвлённой электрической цепи
постоянного тока с амперметром и вольтметром
Установите параметры компонентов схемы в соответствии с
вашим номером варианта (см. табл. 1). Проверьте работу ключа, управляемого клавишей А. Включив моделирование (меню
Simulate→Run-Stop), запишите показания вольтметра и амперметра.
Пользуясь законом Ома, подтвердите правильность измерений
расчётом. Вычислите мощность P, выделяющуюся в резисторе
R2. Результаты эксперимента оформите в виде строки таблицы 1.
Таблица1
Варианты заданий
1
Вар.,NV1,ВR1,
кОм
1 6,3 2,2 5,1
2 8 1,3 4,3
3 9 1,5 3,9
4 12 3,3 15
5 4,5 2 8,2
6 5 1,8 6,8
7 10 2,7 10
8 3 3,6 6,8
9 4 1,2 5,1
10 6 3,6 9,1
R2,
кОм
U
изм
,ВI
изм
,мАU
расч
,ВI
расч
мА
P
,
=U∙I,
мВт
7
1
4. В схеме, собранной по рис. 3, увеличьте напряжение источника до 100 В. Выполните моделирование и убедитесь в выходе
из строя резистора R2. Восстановите схему, по очереди выделите
(двойным кликом ЛКМ) резисторы и измените указанную мощность (Maxsimum Rated Power) на 10 Вт. Включите моделирование и убедитесь, что схема работает штатно.
5. Собрать схему, приведённую на рис. 4. Установить параметры прямоугольного сигнала: амплитуда – А Вольт, частота –
F кГц, коэффициент заполнения – k %, смещение – А Вольт.
Рис. 4. Схема для наблюдения импульсных сигналов
Указание:в зависимости от номера N вашего варианта величи-
ны А, F и k предварительно вычислить по формулам:
F = 3N+6; k = 8 + 2N; А = (5 + N).
6. Для осциллографа установить режим открытого входа
(DC), синхронизация Auto. Частоту развёртки и чувствительность канала выбрать в соответствии с параметрами сигнала, исходя из удобства наблюдения. Получить осциллограмму сигнала
в установившемся режиме и скопировать её для отчёта, обращая
внимание на информативность изображения (наличие в поле зрения двух-трёх периодов сигнала и параметров развёртки осциллографа).
7. Выполните необходимые измерения и определите период следования импульсов, их скважность, а также длительность
фронта.
8. Пользуясь опцией Analysis, получите и скопируйте для отчета спектр Фурье сигнала. Не забудьте предварительно установить основную частоту в соответствии с данными вашего вариан-
8
та, а число анализируемых гармоник таким, чтобы спектрограмма
содержала два-три лепестка. Обратите внимание на постоянную
составляющую (амплитуду нулевой гармоники).
Заполните по приведённому образцу таблицу 2, отражающую
информацию о гармониках сигнала, образующих первый лепесток спектра Фурье.
Таблица2
Основы гармоники прямоугольного сигнала
Номер гармоники Частота, кГц Амплитуда, В
0
1
2
3
…
9. Пользуясь осциллограммой, определите амплитудное,
средневыпрямленное и действующее значения прямоугольного
импульсного сигнала. Рассчитайте коэффициент амплитуды и коэффициент формы. Запишите ход вычислений и результаты расчёта.
10. В схеме, представленной на рис. 4, измените форму сигнала на треугольную. Остальные параметры оставьте такими же,
как в пункте 5. Получите осциллограмму сигнала в установившемся режиме и скопируйте её для отчёта.
11. Получите и скопируйте для отчёта спектр Фурье сигнала,
содержащий 8 первых гармоник и заполните таблицу, аналогичную таблице 2.
12. Соберите схему, приведённую на рис. 5. Пользуясь таблицей 3, установите в схеме значения R1 и C1 согласно номеру вашего варианта. Форма сигнала – синусоида, частота – F кГц.
Включите моделирование, получите осциллограммы входного и выходного сигналов и скопируйте их для отчёта. Пользуясь
осциллограммой, рассчитайте для RC-цепочки коэффициент передачи К и фазовый сдвиг Δφ. Результат оформите в виде строки
таблицы.
1
9
1
Рис. 5. Принципиальная схема исследования RC-цепочки
13. Пользуясь Bode Plotter, получите и скопируйте для отчёта
в удобном для анализа и линейном по оси ординат масштабе АЧХ
и ФЧХ приведённой на рис. 5 схемы, предварительно установив
диапазон частот 10 Гц…1 МГц и задав по оси абсцисс логарифмический масштаб.
14. По полученным в предыдущем задании АЧХ и ФЧХ определите значения частот среза и сравните их между собой. Рассчитайте теоретическое значение частоты среза F
полученными экспериментально.
Варианты заданий
и сравните с
ср
Таблица3
Вариант,
N
1 1,2 430 1
2 2,2 680 1,5
3 1,6 720 2
4 3,3 240 3,9
5 2,7 300 6
6 1,8 330 2
7 2,4 390 4
8 1,1 560 3,3
9 2 630 2
10 1 910 1,5
15. В схеме, приведённой на рис. 5, выбрать прямоугольный
вид сигнала (q = 5). Получите и скопируйте для отчёта осцил-
10
R1, кОм C1, нФ F, кГц К Δφ,°
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]