фоэ, 2ч

Если на входе действуют прямоугольные импульсы с длительностью tи, то условие интегрирования запишется как RC >> tи .

Рассмотрим принцип работы интегрирующей RC-цепи в случае действия на входе импульса идеальной прямоугольной формы (на рис. 7.4). В момент t1 на вход цепи подается скачком напряжения U1 c амплитудой U1m = E . Так как напряжение на конденсаторе не может изменяться скачком, то в момент t1 все

нуля и конденсатор C , заряженный до величины UCm ≈ E , начинает разряжаться по экспоненциальному закону, как показано на рис. 7.4 б

τ <tи .

На рис. 7.4 г, д, е можно увидеть, как изменяется форма выходного напряжения при изменении параметров интегрирующей цепи. При достаточно

большой величине постоянной времени цепи τ ≥tи (рис. 7.4 г), за время действия импульса конденсатор C не успевает зарядиться до величины UCm = E , и

10

процесс заряда прекращается в момент t 2 по окончании действия входного

импульса.

Если же постоянная времени цепи мала по сравнению с длительностью входного импульса τ <<tи, то конденсатор успевает полностью зарядиться за время tи , согласно рис. 7.4 д). При этом форма импульса U2 (t ) искажается незначительно. Выходной импульс имеет конечную длительность фронтов.

Рис. 7.4.

Известно, что интегралом от постоянной величины является линейно изменяющаяся функция. Форма выходного напряжения U2 (t ) для τ >>tи , изо-

браженная на рис. 7.4 е, соответствует случаю, близкому к идеальному интегрированию. Высокая линейность выходного напряжения объясняется использованием начального, близкого к линейному, участка экспоненты заряда с боль-

11

шой постоянной времени. Малая амплитуда выходного напряжения объясняется тем. что при большом значении τ конденсатор не успевает за время действия импульса зарядиться до значительного напряжения. Чем лучше линейность пилообразного напряжения на выходе интегрирующей цепи, тем меньше его амплитуда.

7.4. Порядок выполнения работы

Для выполнения лабораторной работы требуется базовый блок, лабораторный макет, 2 проводника, резистор10 кОм – 1 шт, резистор1,6 кОм – 1 шт, резистор 51 кОм – 1 шт., конденсаторы 1,0 мкФ – 1 шт, 1000 пФ – 1 шт, 390 пФ

–1 шт, 0,1 мкФ – 1 шт, двухлучевой осциллограф.

7.4.1.Исследование дифференцирующих, укорачивающих и разделительных RC-цепей

а) соберите схему: на лабораторном макете к гнездам 1 и 2 подключите генератор прямоугольных импульсов ГПИ1, к гнездам 5 и 6 подключите кон-

денсатор 1 мкФ, к гнездам 7 и 8 подключите резистор 51 кОм, к гнездам 3 и 4 подключите вход Y1 осциллографа, а к гнездам 9 и 10 – вход Y 2 . На осциллографе ручки усиления установите в положение 10 В/дел. для обоих лучей, а ручку развертки –0,1 или 0,2 ms/дел.;

б) на приборе 1 базового блока переключатель установите в верхнее положение « П », ручки «Частота» «Грубо» и «Точно» поверните вправо до конца, нажмите клавишу «2». Включите осциллограф и базовый блок, добейтесь устойчивого изображения на экране осциллографа;

в) зарисуйте схему исследуемой цепи; г) зарисуйте форму напряжений на входе и выходе схемы, совместив их

во времени. Измерьте длительности импульса tи и паузы входного сигнала, ам-

плитуду входного и выходного сигналов, определите положение нулевой оси в выходном сигнале;

д) рассчитайте постоянную времени цепи τ = RC , запишите соотношение между τ и длительностью входного импульса tи в одних единицах изме-

рения; е) измените параметры схемы, подключив к гнездам 5 и 6 конденсатор

1000 пФ вместо конденсатора 1 мкФ. Здесь и в дальнейшем изменять элементы цепи нужно при выключенном базовом блоке!

ж) зарисуйте форму выходного напряжения, совместив ее во времени со входным сигналом. Повторите п. д;

и) измените параметры схемы, подключив к гнездам 5 и 6 конденсатор 1000 пФ, а к гнездам 7 и 8 подключите резистор 10 кОм. Повторите п. ж, д;

7.4.2. Исследование интегрирующих RC-цепей

а) соберите схему: на лабораторном макете к гнездам 11 и 12 подключите

12

генератор прямоугольных импульсов ГПИ1, к гнездам 17 и 18 подключите конденсатор 560 пФ, к гнездам 15 и 16 подключите резистор 10 кОм, к гнездам 13 и 14 подключите вход Y1 осциллографа, а к гнездам 19 и 20 – вход Y 2 . Зарисуйте схему исследуемой цепи;

б) зарисуйте форму напряжений на входе и выходе схемы, совместив их во времени;

в) рассчитайте постоянную времени цепи τ , запишите соотношение между τ и длительностью входного импульса tи в одних единицах измерения;

г) измените параметры схемы, подключив к гнездам 17 и 18 конденсатор 0,1мкФ вместо конденсатора 560 пФ, к гнездам 15 и 16 подключите резистор

1,6 кОм.;

д) зарисуйте форму выходного напряжения, совместив ее во времени со входным сигналом. Повторите п. в;

е) измените параметры схемы, подключив к гнездам 17 и 18 конденсатор 0,1 мкФ, а к гнездам 15 и 16 подключите резистор 10 кОм. Повторите п. 7.4.2 д, в.

7.5. Выполнение работы с использованием программы моделирования электронных устройств “Electronics Workbench”

7.5.1. Соберите схему для исследования прохождения импульсных сигналов через дифференцирующую RC-цепь, приведенную на рис. 7.5.

Рис. 7.5

7.5.2.Установите форму выходного напряжения функционального генератора – прямоугольный импульс, частоту 1 кГц, амплитуду 10 Вольт, коэффициент заполнения 50 %, смещение 10 Вольт. Для четырех значений емкости конденсатора 10 мкФ, 1 мкФ, 0.1 мкФ и 0.01 мкФ зарисуйте графики с экрана осциллографа в одном масштабе.

7.5.3.Измените схему, поменяв местами резистор и конденсатор. Для трех значений емкости конденсатора 1 мкФ, 0.1 мкФ и 0.01 мкФ зарисуйте графики с экрана осциллографа в одном масштабе.

13

7.6. Содержание отчета

В отчете приведите схемы исследуемых цепей, совмещенные во времени осциллограммы напряжений на входе и выходе схем, выводы. Входной сигнал можно не повторять и изобразить его один раз, т.к. он не изменяется, а выходные расположить под входным, подписав справа около каждого соотношение

между τ и длительностью входного импульса tи в одних единицах измерения.

В выводах объясните изменение формы выходного напряжения с учетом физических процессов в цепях.

Контрольные вопросы

1.Изобразите дифференцирующую цепь и запишите условие дифференцирования.

2.Изобразите интегрирующую цепь и запишите условие интегрирования.

3.Изобразите графически, как изменяется напряжение на резисторе в RCцепи при изменении параметров R и C , если на входе – прямоугольный им-

пульс с длительностью tи .

4. Изобразите графически, как изменяется напряжение на конденсаторе в RC-цепи при изменении параметров R и C , если на входе – прямоугольный

импульс с длительностью tи .

5. Запишите и проанализируйте формулы, описывающие изменение напряжения на конденсаторе Uc (t), резисторе UR (t), и ток I (t) в RC-цепи при

подаче на ее вход прямоугольного импульса.

6. Как влияют паразитные факторы на работу дифференцирующей цепи?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8

ИССЛЕДОВАНИЕ СИММЕТРИЧНОГО ТРИГГЕРА СО СЧЕТНЫМ ЗАПУСКОМ

Цель работы: исследование работы триггера со счетным запуском с помощью снятия осциллограмм напряжений в различных точках схемы триггера. Проверка условий работоспособности триггера.

Краткие теоретические сведения

8.1.Принцип работы симметричного триггера

Триггер – это электронное устройство, имеющее два состояния устойчивого электрического равновесия, а переход из одного состояния в другое происходит скачком под влиянием внешнего переключающего сигнала. В обоих устойчивых состояниях равновесия триггер может находиться как угодно долго

14

до прихода внешнего переключающего сигнала.

Рис. 8.1

15

Наличие двух четко различимых состояний триггера позволяет приписать одному из них, например, символ "0", а другому – "1". Соединив определенным образом ряд триггеров, можно собрать устройство, которое в двоичной системе счисления может как угодно долго хранить любое двоичное число. Изменяя состояние того или иного триггера в этом устройстве, это число можно изменять и производить математические операции. Благодаря данному свойству триггерные схемы широко используются в цифровых устройствах.

Наибольшее распространение получили триггеры, построенные на основе двух транзисторных ключей, замкнутых в кольцо положительной обратной связи. На рис. 8.1 изображена электрическая схема симметричного триггера с кол-

лекторно-базовыми связями и внешним источником смещения Eб. Данный

триггер имеет два состояния устойчивого электрического равновесия: 1) VT1– открыт и насыщен, VT 2 – закрыт; 2) VT1 – закрыт, VT 2 – открыт и насыщен.

Источник Eб служит для надежного запирания одного из транзисторов. Ре-

зультирующее напряжение на базе каждого транзистора (по величине и знаку) и его состояние определяется соотношением отрицательного напряжения сме-

щения Eб и положительного напряжения, подаваемого с коллектора другого

транзистора.

Состояние схемы, в котором оба транзистора открыты и находятся в активном режиме, является неустойчивым. Любое случайное изменение токов или напряжений в схеме приведет к возникновению лавинообразного процесса

возрастания тока одного транзистора и убыванию тока второго. Пусть I к1 уве-

личился, это вызовет уменьшение потенциала коллектора транзистора VT1, которое передается на базу VT 2. Уменьшение потенциала базы VT 2 приведет к

уменьшению тока I к2 и увеличению потенциала коллектора транзистора VT 2, которое передается на базу VT1. Увеличение потенциала базы VT1 вызовет ещё большее увеличение тока I к1, и т.д.– процесс переключения триггера раз-

вивается лавинообразно.

Лавинообразный процесс переключения закончится при запирании одного транзистора или насыщении другого, и триггер займет одно из двух состояний устойчивого равновесия. В результате вышерассмотренных процессов триггер переходит в состояние, когда VT1 открыт и насыщен, VT 2 закрыт. Напряжения на коллекторах и базах транзисторов определяются соотношениями:

16

Uб1 >Uпор ;

Uб2 = −Eб + I к0Rб2 <0,

где I к0 – обратный ток закрытого транзистора,

I кн – ток коллектора насыщенного транзистора.

Включение ускоряющих (форсирующих) конденсаторов C1 и C2 параллельно резисторам R1 к R2 создает броски базовых токов и приводит к ускорению процессов переключения триггера, но искажает форму прямоугольных импульсов.

В исходном состоянии конденсатор C1 разряжен, т.к. его левая обкладка подключена к коллектору VT1, и ее потенциал близок к нулю, а правая обкладка подключена к базе VT 2 – её потенциал тоже мал. Конденсатор С2 заряжен

до напряжения, примерно равного Eк, указанной на рисунке полярностью, т.к.

его правая обкладка подключена к коллектору закрытого транзистора VT 2 и имеет потенциал коллектора, а левая подключена к базе VT1 и имеет небольшой потенциал, близкий к нулю.

При подаче отрицательного запирающего импульса на базу VT1 транзистор выходит из насыщения, ток коллектора I к1 уменьшается, потенциал кол-

лектора VT1 увеличивается, вызывая отпирание VT 2, и в схеме возникает лавинообразный процесс переключения, как описано выше, приводящий к запиранию VT1 и насыщению VT 2.

В момент переключения начинаются (а после переключения триггера продолжаются) следующие переходные процессы:

– заряд ранее разряженного конденсатора C1 базовым током транзистора VT 2 по цепи:

Eк → Rк1 →C1→ rэб2 → , с постоянной времени τз ≈C1 Rк1. В базовой цепи VT 2 создается бросок прямого тока, способствующий

более быстрому открыванию VT 2;

– разряд конденсатора C2 во время переключения идет по цепи

+C2 →VT 2 →rбэ1 → −С2.

Этот процесс создает бросок обратного тока в базе VT1, способствуя более быстрому его закрыванию. После закрывания VT1 процесс разряда C2

продолжается с постоянной времени τр по двум параллельным цепям:

17

причем τр >τз . Указанные переходные процессы приводят к тому, что напря-

жения на базах и коллекторах транзисторов не сразу достигают новых стационарных значений: U к1 Eк, U к2 0, Uб1 <0, Uб2 >0 (см. эпюры рис. 8.1)

и форма импульсов на выходе отличается от идеально прямоугольной.

Заряд C1 обуславливает заметное затягивание фронта U к1, a также незначительный положительный выброс Uб2 . Разряд C2 создает отрицательный выброс на базе Uб1, который убывает по мере разряда С2.

По окончании переходных процессов триггер будет находиться в новом устойчивом состоянии до прихода следующего запускающего импульса.

В момент t2 второй отрицательный импульс, поданный на базу открыто-

го теперь VT 2, вызовет выход его из насыщения, уменьшение коллекторного тока транзистора VT 2, увеличение потенциала коллектора VT 2 и открывание VT1. Восстанавливается цепь положительной обратной связи, развивается процесс лавинообразного переключения и идут переходные процессы:

1. Заряд C2 по цепи

+ Eк → Rк2 → C2 → rэб1 → ,

вызывающий более быстрое открывание VT1 и затягивание фронта импульса на коллекторе VT 2.

вызывающий более быстрое закрывание VT 2 и появление отрицательного выброса в форме напряжения Uб2 .

Фронты импульсов на коллекторах закрывающихся транзисторов будут определяться зарядом суммарной ускоряющей С2 и паразитной Сп емкости, подключенной параллельно к коллектору (рис. 8.2, а) и составляет tф+ ≈ 3(С2 +Сп)Rк .

Фронты импульсов на коллекторах открывающихся транзисторов определяются разрядом только паразитной емкости через открытый и насыщенный транзистор, который происходит гораздо быстрее, чем заряд (рис. 8.2, б) и со-

ставляет tф− ≈3Спrтрн ( rтрн – сопротивление насыщенного транзистора, которое

гораздо меньше, чем Rк). В результате длительности фронтов импульсов на коллекторах транзисторов при их открывании гораздо меньше длительностей фронтов импульсов на коллекторах при их закрывании: tф+ >>tф−.

18

а) б) Рис 8.2

8.2. Способы запуска триггеров

Существуют схемы раздельного и счетного запуска симметричных триггеров. При раздельном запуске триггер имеет два входа и запускающие импульсы одной полярности подаются поочередно то на один, то на другой вход триггера.

Рис. 8.3

При счетном запуске триггер имеет один общий, счетный вход, и каждый импульс из общей последовательности однополярных импульсов, поступающих на этот вход, вызывает срабатывание триггера.

19