Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Схемотехника высокопроизводительных систем. Лабораторный практикум
.pdf
По величине максимального тока нагрузки можно определить
I
1
н max
B
I
1
н
U
1
вых
U0
Eп
ЛЭ
I
1
н
V
A
Rн
U
1
вых
нагрузочную способность N испытуемого элемента как отношение
0
I
к входному току логического нуля:
н max
Здесь I
N = I
0
– входной ток нуля ЛЭ того же типа. Он находится
вх
0
н max
/ I
0
.
вх
по входной характеристике ЛЭ (см. рис. 1.8).
Схема для снятия выходной характеристики единицы приведена
на рис. 1.11.
Рис. 1.11. Схема снятия выходной характеристики единицы
Для снятия выходной характеристики единицы ЛЭ на его вход
нужно подать напряжение Uвх = U0. Ток нагрузки задается с помощью
регулируемого сопротивления Rн и измеряется с помощью амперметра. Устанавливающееся значение выходного напряжения измеряется
вольтметром. Результаты измерений записывают в таблицу, на основании которой строят график выходной характеристики.
Типовая выходная характеристика единицы показана на рис. 1.12.
Рис. 1.12. Выходная характеристика единицы
11
За максимальное значение тока I
1
н max
нагрузки логической еди-
ницы принимается такое значение тока, начиная с которого происходит резкое снижение выходного напряжения. На графике (рис 1.12)
этому соответствует точка В.
1.2. Порядок выполнения
1. Запустите программу моделирования электронных схем
Multisim. В главном меню выберите пункт «Simulate/Digital Simulation
Settings…» и установите режим эмуляции Real. Данный режим обес-
печивает более точное эмулирование уровней цифровых сигналов,
динамических характеристик и пр. Для питания логических элементов в схему необходимо поместить элементы VCC и DGND (Главное
меню «Place/Component..». В диалоговом окне выберите «Group:
Sources», «Family: POWER_SOURCES», выбрать «Component: VCC»,
нажать кнопку «OK» и разместите компонент в схеме. Аналогично
для DGND). Данный пункт необходимо выполнять перед началом
сбора любой схемы из данных методических указаний.
2. Соберите схему по рис. 1.5 для получения передаточной харак-
теристики логического элемента. В качестве исследуемой схемы используйте трехвходовый элемент ИЛИ-НЕ 74LS27 из библиотеки TTL
модели 74LS, включаемый по схеме рис. 1.4, а. В качестве источника
входного сигнала Uвх используйте регулируемый источник постоянного напряжения DC_POWER, изменяя им входное напряжение
в диапазоне от 0 до 5 В через 1 В. На участке быстрого изменения
U
шаг изменения Uвх следует уменьшать до 0,1...0,05 В. Экспери-
вых
ментальные данные сведите в таблицу, на основании которой постройте график передаточной характеристики.
3. В схеме по рис. 1.5 в качестве исследуемой схемы вместо элемента ИЛИ-НЕ используйте трехвходовый элемент И-НЕ из той же
библиотеки и той же модели, включаемый по рис. 1.4, б. Для снятия его
передаточной характеристики повторите действия, изложенные в п. 2.
12
4. Соберите схему, приведенную на рис. 1.7, для снятия входной
характеристики трехвходового элемента И-НЕ. Входное напряжение
изменяйте в диапазоне от 0 до 5 В с шагом 1 В. На участке быстрого
изменения Iвх шаг изменения Uвх уменьшите до 0,1...0,05 В. Постройте график входной характеристики.
5. Соберите схему по рис. 1.9 для снятия выходной характеристики нуля трехвходового элемента И-НЕ. Изменением сопротивления
нагрузки Rн изменяйте ток нагрузки и фиксируйте в таблице ток и
выходное напряжение. Постройте график выходной характеристики
нуля. Определите экспериментальное значение нагрузочной способности (коэффициента разветвления) ЛЭ и сравните полученный результат с данными справочника для элементов серии ТТЛ.
6. Соберите схему для снятия выходной характеристики единицы, показанную на рис. 1.11, и проведите эксперимент при условиях
п. 5. Постройте график выходной характеристики единицы.
Отчет о работе
Содержание отчета:
1. Титульный лист с номером, названием работы, номером группы,
фамилиями обучающегося и преподавателя.
2. Цель работы.
3. Схемы исследования входной, выходной и передаточной харак-
теристик ЛЭ.
4. Таблицы с экспериментальными результатами по исследованию
входной, выходной и передаточной характеристик ЛЭ.
5. Графики входной, выходной и передаточной характеристик ЛЭ.
6. Выводы.
Контрольные вопросы
1. Назовите статические характеристики логических элементов, что они ха-
рактеризуют?
2. Какие способы подачи входного напряжения применяют для многовходо-
вых логических элементов? Назовите преимущества и недостатки каждого
из них.
13
3. Для чего используются передаточные характеристики? Каков внешний вид
типовых характеристик для инвертора серии ТТЛ?
4. Начертите схему для снятия входной характеристики логического элемен-
та. Что она характеризует?
5. Каков вид типовых выходных характеристик нуля и единицы логических
элементов серии ТТЛ?
6. Как определяется нагрузочная способность логического элемента?
7. Каким образом определяется средняя мощность, потребляемая логическим
элементом?
14
Лабораторная работа № 2.
t
t
з
1,0
t
з
0,1
U
вх
U
1
вх
0,5U
1
вх
t
U
вых
U
1
вых
0,5U
1
вых
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ
Цель работы – приобретение навыков исследования динамиче-
ских характеристик ИМС.
2.1. Краткие теоретические сведения
Параметры ЛЭ, зависящие от времени, называются динамиче-
скими. К динамическим параметрам относятся:
быстродействие;
динамическая помехоустойчивость;
зависимость тока питания ЛЭ от частоты входного сигнала [1, 2].
Быстродействие характеризуется временем задержки распростра-
нения сигналов. Основными из них являются:
1,0
t
– время задержки распространения сигнала при подаче
з
на вход U
0,1
t
з
на вход U
Под временем задержки t
мента достижения Uвх значения 0,5U
1
;
вх
– время задержки распространения сигнала при подаче
0
.
вх
1,0
понимают интервал времени от мо-
з
1
при изменении от уровня ло-
вх
гического нуля к уровню логической единицы до момента, когда U
убывая, достигнет значения 0,5U
1
(рис. 2.1).
вых
вых
Рис. 2.1. Задержки распространения сигнала
15
Под временем задержки t
4
3
&
&
1
&
&
2
мента достижения Uвх значения 0,5U
0,1
понимают интервал времени от мо-
з
1
при изменении от уровня ло-
вх
гической единицы к уровню логического нуля до момента, когда
U
, нарастая, достигнет значения 0,5U
вых
1
(рис. 2.1).
вых
Среднее время задержки сигнала:
t
з ср
= (t
1,0
з
+ t
0,1
з
) / 2.
Время задержки сигнала логических элементов довольно мало. По-
этому, чтобы экспериментально измерить его более точно, используют
цепочку одинаковых элементов. Измеряют общее время распространения сигнала по цепочке, а затем делят его на количество элементов.
Схема для определения t
для ЛЭ таким способом показана
з ср
на рис. 2.2. Цепочка состоит из трех последовательно соединенных
элементов 2И-НЕ.
Рис. 2.2. Схема определения t
з ср
В данной схеме прямоугольные импульсы от генератора подают-
ся на вход элемента 1 цепочки, а также на первый вход элемента 4.
Ко второму входу элемента 4 подключен выход цепочки элементов.
Пока напряжение на выходе генератора импульсов равно 0, на первом
входе элемента 4 будет логический ноль, а на втором – логическая
единица, что соответствует логической единице на выходе элемента 4.
При появлении на выходе генератора и соответственно на первом
входе элемента 4 высокого напряжения, соответствующего логической единице, на выходе элемента 4 установится логический ноль,
16
который вновь сменится на логическую единицу после переключения
&
&
&
&
&
T при
F = 500 кГц
t
U
вых
элементов 1, 2 и 3. Таким образом, на выходе элемента 4 будут фор-
мироваться отрицательные импульсы, длительность которых будет
равна времени задержки в цепочке из трех логических элементов.
Длительность ΔT импульсов измеряется с помощью осциллогра-
фа. Чтобы получить величину времени задержки распространения
сигнала одним ЛЭ, нужно разделить ΔT на количество ЛЭ в цепочке
(в данном случае 3 ЛЭ). Вид отрицательного импульса, сформированного на выходе 4-го элемента при частоте сигналов генератора
500 кГц, показан на рис. 2.3.
Рис. 2.3. Определение времени задержки
На рис. 2.4 приведен второй вариант схемы для определения вре-
мени задержки распространения логического элемента. За счет обратной связи и задержек сигналов на 5-ти ЛЭ схема генерирует импульсы, период которых равен суммарному времени задержки распространения всех ЛЭ, входящих в цепочку.
Рис. 2.4. Определение времени задержки распространения сигнала
17
Измерение периода генерируемых сигналов выполняется с ис-
&
&
&
&
&
+
5V
T
t
U
вых
пользованием осциллографа. Осциллограмма выходного сигнала
схемы показана на рис. 2.5.
Рис. 2.5. Осциллограмма выходного сигнала схемы на рис. 2.4
Измерив по осциллографу период генерируемых импульсов и разделив его на удвоенное число ЛЭ, в схеме получим время задержки
распространения сигнала одним ЛЭ.
Схема, приведенная на рис. 2.6, также содержит цепочку из 5-ти
последовательно соединенных элементов 2И-НЕ, на вход которой
от генератора подаются прямоугольные импульсы. Схема позволяет
наблюдать задержку выходного сигнала цепочки элементов относительно входного на экране осциллографа.
Рис. 2.6. Определение времени задержки распространения сигнала
На вход канала А осциллографа с выхода генератора подается
сигнал частотой 1 МГц, а на вход канала В подается сигнал с выхода
цепочки элементов. За счет задержек прохождения сигнала через
18
5 ЛЭ импульсы по каналам А и В осциллографа будут сдвинуты
U
, В
5
-10
T
t
во времени. Для лучшей их идентификации следует задать различные
амплитуды прямоугольных сигналов: с генератора – двуполярный
сигнал амплитудой в 10 В, а с выхода ЛЭ – униполярные импульсы
амплитудой в 5 В. Вид графиков сигналов по каналам А и В на экране
осциллографа приведен на рис. 2.7.
Рис. 2.7. Осциллограмма определения
времени задержки фронта
Время задержки распространения сигнала одним ЛЭ находится
делением ΔТ на количество ЛЭ в цепочке.
Быстродействие ЛЭ также характеризуют следующими параметрами:
1,0
t
– длительность отрицательного фронта (спада) выходного
сигнала;
0,1
t
– длительность положительного фронта (нарастания) выход-
ного сигнала.
К динамическим параметрам также относятся максимальная рабочая частота F
работоспособность ЛЭ, и динамическая мощность Р
изменения входного сигнала, при которой сохраняется
мах
. Эта мощность
дин
обусловлена появлением сквозных токов и перезарядкой паразитных
емкостей транзисторов при непрерывном переключении ЛЭ из состояния логического нуля в состояние логической единицы и обратно.
С ростом частоты значение Р
увеличивается. Таким образом,
дин
увеличивается полная мощность, потребляемая ЛЭ, равная сумме
статической и динамической мощностей.
19
На рис. 2.8 приведена схема КМОП-инвертора, позволяющая ис-
+
5V
A
VT2
VT1
следовать зависимость тока питания от частоты входного сигнала.
Далее на основании этого рассчитывается зависимость потребляемой
динамической мощности от частоты переключения.
Рис. 2.8. Определение зависимости тока питания
от частоты входного сигнала
Величина сквозного тока, протекающего от источника питания
через переходы исток – сток транзисторов VT1 и VT2, зависит от скорости переключения ЛЭ. Чем медленнее переходит переключение
из состояния U
= U0 в состояние U
вых
= U1 (или наоборот), тем
вых
большую часть времени транзисторы будут находиться в «полуоткрытом» состоянии и тем больше будет потребляемый ЛЭ сквозной
ток (а значит и потребляемая мощность).
Частота импульсов входного сигнала задается с помощью генератора импульсов. Потребляемый ток измеряется амперметром. Двухканальный осциллограф, подключенный к входу и выходу инвертора, позволяет контролировать его функционирование на разных частотах. Предельная частота входного сигнала, при которой еще сохраняется функционирование ЛЭ, – это и есть максимальная рабочая частота F
мах
.
Динамическая помехоустойчивость характеризует максимально
допустимую амплитуду помехи при заданной ее длительности, которая не приводит к ложному срабатыванию элемента. Величина допустимой амплитуды помехи зависит от длительности этой помехи.
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]