Рис. 6. ОУ в роли суммирующего усилителя
Интегратор. Это электронное устройство, которое выполняет функцию интегрирования входного напряжения. На рис. 7 показана простейшая схема интегратора, выполненного на базе ОУ, в цепь ООС которого включен конденсатор С.
Рис. 7. ОУ в роли интегратора входного напряжения
Известно, что напряжение на конденсаторе связано с протекающим током iс(t) следующим образом
1
UС C iС (t)dt,
а напряжение на инвертирующем входе ОУ Uвх.инв. 0 в силу ранее принятых допущений. Поэтому входной ток
iвх |
(t) |
uвх (t)-Uвх.инв |
|
uвх (t) |
. |
R |
|
||||
|
|
|
R |
||
В силу того, что ОУ обладает Rвх. инв. , iвх(t) iС (t), и поэтому |
|
||||||||
Uвых |
|
1 |
|
uвх(t) |
dt |
1 |
|
uвх(t)dt |
(7) |
C |
|
R |
C |
||||||
|
|
|
R |
|
|
||||
выходное напряжение пропорционально интегралу входного напряжения. Если допустить, что конденсатор был предварительно заряжен до U0, то можно учесть и постоянную интегрирования как U0
Uвых |
|
1 |
|
uвх(t)dt U0 . |
(8) |
|
R |
C |
|||||
|
|
|
|
Дифференциатор. Это электронное устройство, выполняющее функцию дифференцирования входного напряжения. Дифференциатор так же можно построить на базе ОУ, если элементы R и С в цепи ООС предыдущей схемы поменять местами (рис.8).
Рис. 8. ОУ в роли дифференциатора входного напряжения
Ввиду того, что для ОУ Uвх.инв. 0, а Rвх. инв. , ток через конденсатор
iC (t) C dUC (t) iвх (t), dt
и напряжение на выходе можно записать
Uвых (t) R iвх (t), и поэтому |
|
||||
Uвых |
R iвх |
(t) R C |
dUвх (t) |
. |
(9) |
|
|||||
|
|
|
dt |
|
|
ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНЫХ УСТРОЙСТВ
При выполнении данной лабораторной работы используются пакеты имитационного моделирования на ЭВМ процессов в электронных устройствах
(Micro-Cap или Electronics WorkBench). В качестве ОУ из имеющихся в библиотеке пакетов рекомендуется выбирать элемент с характеристиками,
близкими к идеализированным, в чем следует убедиться, просмотрев его свойства из контекстного меню.
В ходе построения схем желательно сохранять топологию элементов
(взаимные расположения), как на принципиальных электрических схемах. Для более эффективного изучения свойств рекомендуется активно использовать измерительные приборы (вольтметры, амперметры, индикаторы, осциллограф),
которые лучше всего располагать в непосредственной близости от места, где производятся сами измерения (рис.9 и рис.10). Если изучается схема, на работу которой влияют параметры отдельных элементов, для удобства проведения экспериментов желательно предусмотреть возможность плавной регулировки параметров этих элементов.
Рис. 9. Изучение усилительных свойств ОУ в среде Electronics WorkBench
Рис. 10. Снятие осциллограмм интегратора в среде Electronics WorkBench
ПРОГРАММА РАБОТЫ
1.Используя имеющиеся элементы и приборы, соберите следующие схемы практического применения ОУ: компаратор, инвертирующий и неинвертирующий усилитель, сумматор, интегратор, дифференциатор.
Параметры элементов схем, число каналов и уровни напряжений задает преподаватель.
2.Для каждой из собранных схем установите и подключите подходящие измерительные приборы таким образом, что бы наглядно выявить свойства изучаемой схемы: усиление, интегрирование и т.д.
3.«Включив» каждую из схем, получите экспериментальные результаты (для приемлемой точности необходимо провести серию из 3..5 экспериментов,
изменяя в пределах 10-50% параметры элементов схемы)
4.Зарисовать в одной плоскости осциллограммы входного и выходного напряжения при подаче на вход интегратора и дифференциатора напряжения в виде последовательности синусоидальных, треугольных и прямоугольных импульсов.
5.Измерить амплитуду входного и выходного напряжений и определить по осциллограмме скорость изменения выходного напряжения.
6.Получив экспериментальные значения, проверьте достоверность известных Вам теоретических соотношений по каждой из схем и вычислите получившуюся погрешность.
7.По результатам опытов заполнить таблицы 1-5
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 1 |
|
|
|
|
|
|
Исследование ОУ в роли компаратора |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
№ опыта |
|
1 |
|
2 |
3 |
|
4 |
|
|
5 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Uвх. инв., мВ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Uвх. неинв., мВ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Uвых. , В |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 2 |
|
Исследование неинвертирующего усилителя на базе ОУ (R1 = |
,Ом; R2 = |
, Ом) |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
№ опыта |
|
1 |
|
2 |
3 |
|
4 |
|
|
5 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Uвх. , мВ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U вых |
опыт , В |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Uвых |
теор |
, В |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 3 |
|
Исследование инвертирующего усилителя на базе ОУ (R1 = |
|
,Ом; R2 = |
, Ом) |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
№ опыта |
|
1 |
|
2 |
3 |
|
4 |
|
|
5 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Uвх. , мВ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Uвых |
опыт |
, В |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Uвых |
теор |
, В |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 4 |
Исследование суммирующего усилителя (R11 = ,Ом; R12 = ,Ом; ... R2 = , Ом) |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
№ опыта |
|
1 |
2 |
3 |
|
|
4 |
|
5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Uвх1 , В |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Uвх2 , В |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Uвх3 , В |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
... |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U вых опыт |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U вых теоретич. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 5 |
Аналитические выражения для напряжений на входе и выходе |
||||||||||
|
|
интегратора и дифференциатора |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Вход |
|
|
Выход интегратора |
|
Выход дифференциатора |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Форма |
|
Выражение |
|
Форма |
Выражение |
|
Форма |
|
Выражение |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
синусоида |
|
sin(2 t/T) |
|
... |
... |
|
|
... |
|
... |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
треугольник |
|
... |
|
... |
... |
|
|
... |
|
... |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
прямоугольник |
|
... |
|
... |
... |
|
|
... |
|
... |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Содержание отчета
1.Титульный лист
2.Тема, цель работы,
3.Исходные данные для исследований
4.Краткие теоретические сведения
5.Практическая часть
По каждому из устройств с 1 по 6 придерживаться следующего порядка:
5.1Название устройства
5.2Принципиальная схема
5.3Описание принципа действия, назначение элементов
5.4Рисунок проведения опытов в Electronics Workbench или Micro-Cap
5.5Расчеты по данному опыту
5.6Проверка достоверности расчетов с теорией
5.7Результаты опытов, оформленные в виде таблиц и осциллограмм
5.8Краткие выводы – результаты проверки и величины погрешности
6.Общие выводы по работе в целом
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.Что такое операционный усилитель, и какими свойствами он обладает?
2.Что такое дифференциальный сигнал?
3.Где применяют операционный усилитель?
4.Какие устройства могут быть построены на базе операционного усилителя?
5.Какими свойствами обладает идеальный операционный усилитель?
6.Как выводятся уравнения, связывающие напряжения на входе и выходе инвертирующего и неинвертирующего усилителя, сумматора?
7.Как выводятся уравнения, связывающие напряжения на входе и выходе интегратора, дифференциатора, компаратора?
8.Можно ли по осциллограммам напряжений, снятым на входе и выходе электронных устройств, построенных на основе операционного усилителя,
судить об их работоспособности?
9.Должен ли операционный усилитель усиливать синфазный сигнал?
10.Для чего в схемах инвертирующего и неинвертирующего усилителя применяют отрицательную обратную связь?
11.Можно ли в схемах интегратора, дифференциатора обойтись без конденсатора?
12. Почему не существует идеального операционного усилителя на практике?
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2
ИССЛЕДОВАНИЕ ЦИФРОВЫХ ЛОГИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ
Цель работы - Исследовать основные элементы цифровых логических устройств. Получить практические навыки применения Булевой алгебры для анализа и синтеза электронных схем и составления таблиц истинности экспериментально и расчетным путем.
КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Логические элементы составляют основу цифровых логических устройств (ЦЛУ) и выполняют логические операции над информацией в цифровой форме. Наибольшее распространение получила двоичная форма представления информации, в которой сигналы принимают только два значения: “0” или “1”, соответствующие одному из двух состояний ключа. Поэтому логические элементы целесообразно выполнять на базе электронных устройств, работающих в ключевом режиме. Само по себе конструктивное исполнение логических элементов может быть практически такое же, как и ОУ (рис.2)
Логическая операция – особый вид математических преобразований, в соответствии с которыми входная информация (xi) в цифровой (двоичной) форме преобразуется в выходную информацию (F) в цифровой (двоичной) форме. С логическими операциями над двоичными переменными тесно связана так называемая Булева алгебра.
Наиболее распространены три самые элементарные логические операции: 1. Логическое сложение (дизъюнкция), или операция ИЛИ, знак “+”:
(10)
2. Логическое умножение (конъюнкция), или операция И, знак “ х ”:
(11)
3. Логическое отрицание (инверсия), или операция НЕ:
(12)
Любая сколь угодно сложная логическая операция может быть представлена комбинацией представленных трех элементарных логических операций и реализована с помощью соответствующих цифровых логических устройств, выполненных в виде отдельных микросхем (чипов), либо в виде функциональных блоков в составе более сложных интегральных схем. На рис. 11
показаны логические элементы, реализующие простейшие логические операции.
а б в
Рис. 11. Обозначения логических элементов, реализующих логические операции:
а – НЕ; б – ИЛИ; в – И
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 6 |
|
|
Некоторые законы Булевой алгебры |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Название закона |
|
Элемент И |
|
Элемент ИЛИ |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Закон тождества |
|
|
1 А=А |
|
|
0+А=А |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Закон нуля |
|
|
0 А=0 |
|
|
1+А=1 |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Закон инверсии |
|
|
А |
|
=0 |
|
|
|
|
А+ |
|
=1 |
|
|
||||||
|
А |
|
А |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Ассоциативный закон |
|
(А В) С=А (В С) |
|
(А+В)+С=А+(В+С) |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Закон поглощения |
|
|
А (А+В)=А |
|
|
А+А В=А |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Закон Де Моргана |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
А В |
А |
В |
|
А В |
А |
В |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Соответствие входной и выходной информации для логических элементов может быть не только выражено логическими операциями, но и представлено в табличной форме с помощью так называемых таблиц истинности.
Таблица истинности – специальная таблица, в которой однозначно перечислены всевозможные состояния на выходе соответствующего логического элемента или целого ЦЛУ при любой комбинации входных сигналов. С
возрастанием количества входов логических элементов возрастает размерность таблиц истинности. Количество комбинаций, описывающих все состояния
входных двоичных сигналов, определяется как 2N , где N - число входов логического элемента.
Если ЦЛУ обладает эффектом памяти, то есть его состояние на выходе зависит не только от текущих состояний его входов, но и его предыдущих состояний, то вместо таблиц истинности, которые не учитывают предысторию,
удобнее пользоваться временными диаграммами, в которых последовательная смена состояний (так называемая последовательная логика) однозначно хронологически связана.
Среди множества ЦЛУ различают несколько больших подгрупп,
выполняющих наиболее востребованные логические операции и хранение информации. К таким подгруппам можно отнести:
A.Устройства, не обладающие памятью:
1.Мультиплексоры. Они направляют один из 2n входных сигналов на выход.
2.Демультиплексоры. Направляют входной сигнал в один из 2n выходов.
Мультиплексоры и демультиплексоры, помимо информационных входов и выходов, содержат n разрядный адресных вход, с помощью которого выбирается номер канала.
3.Шифраторы. Преобразуют входной унитарный (позиционный) код в двоичный.
4.Дешифраторы. Осуществляют преобразование обратное шифратору.
B.Устройства, обладающие памятью:
5.Защелки и триггеры. Служат для запоминания логического состояния. По способу управления известно множество защелок и триггеров (RS-, JK-, D-, T- и др.)
6.Регистры. Образованы линейкой определенных триггеров и служат для записи, хранения, сдвига, вывода информации.
7.Счетчики. Осуществляют пропорциональное приращение выходного кода под действием входных импульсов – прямой счет, либо пропорциональное уменьшение выходного кода под действием входных импульсов – обратный счет.