2. Методика эксперимента

Для измерения среднего времени задержки распространения сигнала t _ЗД.Р.СР в работе используется кольцевой генератор. Цепь, состоящая из нечетного числа k инвертирующих вентилей, соединенных в кольцо, не имеет устойчивых состояний. В ней возникают автоколебания с периодом, равным времени распространения сигнала по кольцу: Т_ГЕН=2 k t _ЗД.Р.СР; f _ГЕН =1/T_ГЕН.

Кольцо построено на двух микросхемах D1 и D2 К176ЛЕ5 и состоит из 7 вентилей, каждый из которых нагружен на два логических входа. Восьмой вентиль используется как буферный для вывода сигнала в измерительную цепь и обеспечивает независимость частоты автоколебаний от подключенной нагрузки (осциллограф, частотомер). Один из элементов кольца также имеет внешний вывод, используемый только для подключения нагрузочной емкости С при измерениях по п.4.2.

Среднее время задержки распространения сигнала рассчитывается по формулам:

а) при отключенной емкости нагрузки, когда вентили в кольце находятся в одинаковых условиях (п.4.1.):

t _ЗД.Р.СР = 1/14 f _ГЕН

б) при подключенной емкости нагрузки, увеличивающей задержку одного из элементов (п.4.2.):

t _ЗД.Р.СР = {1/(2 f _ГЕН) - 6 t _ЗД.Р.СР ,

где t _ЗД.Р.СР соответствует режиму С_Н=0.

2.2. Для измерения мощности, потребляемой микросхемой в динамическом режиме, используется схема, показанная на рис. 5.

В цепь питания исследуемой микросхемы D3 включено измерительное сопротивление R_ИЗМ. =1кОм. Емкость С_Ф сглаживает пульсации, вызываемые бросками потребляемого тока. Все четыре элемента исследуемой ИС включены параллельно по входам, на них подается управляющее напряжение от триггера Шмитта. Последний собран также на элементах микросхемы К176ЛЕ5 D4.1, D4.2 и служит для формирования крутых фронтов управляющего напряжения из входного синусоидального напряжения U_ВХ. Потребляемый микросхемой D3 ток определяется по падению напряжения на сопротивлении R_ИЗМ. Потребляемая мощность рассчитывается по формуле:

Р _{ПОТ. ДИН} = I _ПОТ. U_ИП.НОМ = 9 U_ИЗМ [мкВт],

где U_ИЗМ - падение напряжения на сопротивлении R_ИЗМ. в милливольтах.

Ожидаемое значение дополнительной мощности, расходуемой при заряде и разряде нагрузочной емкости С_Н, находиться по формуле: ΔP = U²_ИП С_Н f_ПЕР

3. Содержание работы

3.1 На этапе подготовки: ознакомиться с содержанием и методикой выполнения работы, с параметрами микросхем серии К176 [3]. Рассчитать дополнительную мощность Р, потребляемую микросхемой при подключении нагрузочной емкости С_Н-=300 пФ, при U_ИП = 9B на частотах f_ПЕР= l,2,5,10,20,50,100,200 кГц.

3.2. При выполнении работы в лаборатории: снять экспериментальную зависимость времени задержки распространения от напряжения питания и от емкости нагрузки; снять зависимость потребляемой мощности от частоты при С_Н-= 0 и при С_Н-=300 пФ.

Построить графики и оформить отчет.

4. Порядок выполнения

4.1. Установите номинальное напряжение питания кольцевого генератора U_ИП = 9B и по осциллограмме на выходе буферного элемента (вых.1) убедитесь в наличии генерации. Изменяя напряжение питания от 6 до 12 В через 1 В, измерьте частотомером значения частоты генерации (выход 2 кольцевого генератора свободен). Рассчитайте значения t _ЗД.Р.СР, нанесите их на график.

4.2. Установите номинальное напряжение питания. Поочередно подключая к выходу 2 генератора емкости нагрузки С_Н=30,100,300,1000,3000 пФ, снимите зависимость частоты генерации от емкости. Рассчитайте значения t _{ЗД.Р.СР,} нанесите их на график.

4.3. Установите номинальное напряжение питания микросхемы D3 (на емкости С_СР). Подайте на вход триггера Шмитта от внешнего генератора синусоидальный сигнал с амплитудой не более 9В при частоте 1 кГц. Контролируя осциллографом напряжение на выходе триггера Шмитта, подберите такую амплитуду входного сигнала, при которой скважность - отношение периода к длительности импульса сформированного триггером напряжения примерно равна 2.

4.4. Изменяя частоту сигнала, как указано в п.3.1., измерьте мощность, потребляемую микросхемой при С_Н=0. При этом:

а) запись значений напряжения U_ИЗМ начинайте с той минимальной частоты, при которой возможен отсчет U_ИЗМ по вольтметру,

б) после каждого изменения частоты контролируйте величину напряжения питания исследуемой микросхемы D3 и при необходимости подстраивайте его, поддерживая U_ИП=9В;

в) осциллограф должен быть отключен от макета.

Проверьте, как влияет на потребляемую мощность подключение осциллографа к выходу триггера Шмитта.

Рассчитайте и нанесите на график значение Р_ПОТ._ДИН.

4.5. Подключите к выходу одного из элементов исследуемой ИС емкость C_Н = 300 пФ и повторите измерения по п.4.4. Рассчитайте и нанесите на график значения Р_ПОТ._ДИН для этого режима. Нанесите на график также значения суммы Р_ПОТ._ДИН + Р, где Р_ПОТ._ДИН - из п.4.4., а Р - расчетные значения по и.3.1. Сравните расчет с экспериментом.