МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ПЕТРА ВЕЛИКОГО» ЭЛЕКТРОНИКА ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ЧАСТЬ 1 Учебное пособие Санкт-Петербург 2023 УДК 621.38 ББК 32.85 Кандидат технических наук, доцент, проректор по учебной работе, заведующий кафедрой электротехнологической и преобразовательной техники Санкт-Петербургского Электротехнического университета С.А. Галунин Доктор технических наук, профессор, профессор Высшей школы высоковольтной энергетики Института энергетики СПбПУ В.В.Титков Авторский коллектив: Быстров А.В., Веселовский А.П., Грачев С.Ю., Жилиготов Р.И., Зверев С.Г., Куракина Н.К., Мурашов Ю.В., Образцов Н.В., Савельева И.С., Сафонов Е.П. Электроника. Лабораторный практикум. Часть 1 / Под ред. Ю.В. Мурашова – СПб.: ПОЛИТЕХ, 2023. – 103 с. – ISBN 111-1-1111-1111-6 Учебное пособие содержит описание учебных стендов УЧТЕХ Профи и лабораторных работ. Пособие разработано для студентов, изучающих курсы «Промышленная электроника» и «Электротехника и электроника», и составлено с учетом их будущей специализации. Лабораторные работы содержат краткие теоретические сведения, необходимые для усвоения материалов лекций и подготовке к выполнению практических исследований на учебных стендах. С помощью контрольных вопросов, содержащихся в лабораторных работах, осуществляется как самоконтроль изученных материалов, так и проверка готовности студентов к выполнению лабораторных исследований. В качестве вспомогательных материалов пособие содержит бланк отчета, условные графические обозначения и руководство по эксплуатации мультиметра (материалы размещены в приложении), а также представлены требования к содержанию отчета. 2 Оглавление Описание лабораторного стенда Общие рекомендации по выполнению лабораторных работ Лабораторная работа №1 Лабораторная работа №2 Лабораторная работа №3 Лабораторная работа №4 Лабораторная работа №5 Лабораторная работа №6 Лабораторная работа №7 Приложение 1 Приложение 2 Приложение 3 Приложение 4 Приложение 5 5 10 13 28 38 48 58 69 76 88 89 91 93 95 3 ПРЕДИСЛОВИЕ Настоящее методическое пособие предназначено для студентов, изучающих курсы «Промышленная электроника» и «Электротехника и электроника». Основное назначение: познакомить студентов с лабораторным оборудованием и содержанием выполняемых работ. В курсах «Промышленная электроника» и «Электротехника и электроника» изучают основные электронные приборы, принцип действия и построения типовых функциональных устройств: выпрямителей, преобразователей, усилителей, генераторов и т.д. Методическое пособие составлено с учетом будущей специализации, поэтому содержат описание лабораторных работ как цифровой, так и силовой электроники. Описание каждой работы содержит лишь краткие теоретические сведения, необходимые для понимания принципа действия исследуемого прибора или функционального узла. Поэтому перед выполнением лабораторных работ необходимо изучить теоретический материал соответствующего раздела в курсе лекций и/или рекомендуемой литературе. При подготовке к лабораторной работе необходимо подготовить соответствующие таблицы, схемы и основные расчетные выражения. При выполнении лабораторных работ приобретаются практические навыки в чтении схем, использовании промышленных измерительных электронных приборов, измерении и вычислении эксплуатационных характеристик и параметров исследуемых устройств, анализе полученных экспериментальных результатов. 4 Описание лабораторного стенда Перечень модулей, входящих в цикл «Физические основы электроники»: Модуль питания стенда, миллиамперметры, мультиметры, функциональный генератор, трехфазные выпрямители и диоды, транзисторы, тиристоры, оптоэлектронные приборы, операционный усилитель, логические элементы и триггеры и электронный осциллограф. Описания исследуемых модулей приведены в соответствующих лабораторных работах и техническом описании стенда. Описание модулей, используемых для питания, измерения и т. д., приведено ниже. Модуль питания Модуль питания (см. рисунок 1) предназначен для подачи напряжения 380 В от сети в лабораторный стенд, защиты стенда от токов короткого замыкания и подачи силовых и низких напряжений питания на модули стенда. Рисунок 1. Модуль питания Модуль содержит автоматический трехполюсный выключатель QF1 и вторичный источник питания низковольтных цепей модулей напряжениями ±15 В и +5 В. На лицевой части имеется индикация постоянных напряжений питания +5 В, +15 В и –15 В. Кроме этого, возможен контроль низких постоянных напряжений с лицевой панели (выведены соответствующие гнезда напряжений и общего провода). Модуль «Миллиамперметры» Измерительный модуль «Миллиамперметры» (см. рисунок 2) позволяет измерить стрелочными приборами магнитоэлектрического типа два тока (приборами A1 и A2). Диапазоны измерений приборов приведены в таблице 1. Таблица 1. Диапазоны измерения модуля «Миллиамперметры» Наименование прибора Диапазоны измерения А1 0…0,1; 0…1; 0…10; 0…100 мА А2 0…0,1; 0…1; 0…10; 0…100 мА 5 Рисунок 2. Модуль «Миллиамперметры» Модуль «Мультиметры» Модуль «Мультиметры» (см. рисунок 3) включает в себя два цифровых прибора типа МY68 и используется в основном для измерения напряжений, диапазоны измерений которых приведены в таблице 2. Рисунок 3. Модуль «Мультиметры» Таблица 2. Диапазоны измерения модуля «Мультиметры» Измеряемый параметр Диапазоны измерения 0…±200 мВ; 0...±2 В; 0...±20 В; 0...±200 В; Постоянное напряжение 0...±1000 В Постоянный ток 0...±2 мА; 0...±20 мА; 0...±200 мА; 0...±10 А Примечание. Будьте внимательны при измерении тока – входные гнезда мультиметра необходимо соответственно подключить на «мА» или «10 А»! Мультиметр МY68 соответствует IEC 1010-1 (61010-1@IEC: 2001), КАТ II 1000В и КАТ III 600В. 6 Погрешность определяется как ± (% от показания + число значений единицы младшего разряда: D) При измерении напряжения постоянного тока в диапазонах 0,4; 4; 40; 400 В погрешность прибора составляет ± (0,7% + 2D), в диапазоне 1000 В – ± (0,8% + 2D) Разрешение при измерении напряжения постоянного тока составляет: диапазон 400 мВ: 0,1 мВ диапазон 4 В: 1 мВ диапазон 40 В: 10 мВ диапазон 400 В: 100 мВ диапазон 1000 В: 1 В При измерении напряжения переменного тока в диапазоне 400 мВ погрешность прибора составляет ± (3,0% + 2D), в диапазонах 4; 40; 400 В – ± (0,8% + 3D), в диапазоне 750 В – ± (1,0% + 3D). Разрешение при измерении напряжения переменного тока составляет: диапазон 400 мВ: 0,1 мВ диапазон 4 В: 1 мВ диапазон 40 В: 10 мВ диапазон 400 В: 100 мВ диапазон 750 В: 1 В При использовании данного измерительного прибора вблизи источников электромагнитных помех нужно иметь в виду, что показание прибора может быть нестабильным или иметь большую погрешность. Примечание. Не допускается использование прибора измерительных щупов, если они выглядят поврежденными! или Перед изменением режима работы прибора отключите соединительные провода от исследуемой цепи. Инструкция по эксплуатации прибора находится в Приложении 5. Модуль «Функциональный генератор» Модуль «Функциональный генератор» (см. рисунок 4) предназначен для формирования тестовых сигналов синусоидальной и прямоугольной формы. 7 Рисунок 4. Функциональный генератор Форма выходного сигнала устанавливается с помощью переключателя «Форма». Установка поддиапазона генерируемой частоты выполняется с помощью кнопки «Множитель», плавная установка частоты в поддиапазоне – с помощью регулятора «f, Гц». В модуле предусмотрена возможность регулирования частоты, амплитуды, смещения и скважности выходного сигнала. Диапазон регулирования частот: 10 Гц – 100 кГц. Максимальная амплитуда выходного сигнала 10 В. Модуль оснащен встроенным частотомером, который отображает текущую частоту в «Гц» или «кГц». Электронный осциллограф Электронный осциллограф предназначен для наблюдения на экране функциональных зависимостей сигналов, изменений электрических сигналов во времени, а также для измерения различных электрических величин. На рисунке 5 показана передняя панель осциллографа АКИП-4115/1А. Основные характеристики прибора: Количество каналов: 2 Полоса пропускания: 25 МГц Макс. частота дискретизации: 500 МГц (1 канал), 250 МГц (2 канала) Макс. объем памяти: 32 кБ Интерполяция: Sin X/х, линейная 5 функций математики: сложение, вычитание, умножение, деление, БПФ при длине памяти 1кБ; усреднение (4 /16…128/ 256) Цифровые фильтры (ФВЧ, ФНЧ, полосовой, режекторный) Автоматические (до 32-х параметров) и курсорные ∆-измерения Режим автоизмерения задержек 2-х сигналов (фаза и время - 8 параметров) Режимы: «покадровой» регистрации осциллограмм (запись и воспроизведение до 2500 кадров), накопление (1 с, 2 с, 5 с, беск., выкл.), пиковый детектор 10 нс 8 Сохранение 20 осциллограмм, 20 профилей настроек, 2 шаблонов допускового контроля, выход сигнала «Годен/негоден» Расширенная синхронизация: фронт, длительность, ТВ, время нарастания Большой цветной ЖК-дисплей: 8×18 дел., диагональ 17,8 см Интерфейс: USB 2.0, LAN Коэффициент отклонения (Коткл.): 2 мВ/дел…10 В/дел Погрешность уст. Коткл.: ± 3% Максимальное входное напряжение: 600 В При использовании цифрового осциллографа рекомендуется внимательное изучение прилагаемого к нему руководства. Например, столкнувшись с помехами на экране, неизбежными при исследовании импульсных схем, следует произвести определенные настройки осциллографа. В частности, в меню осциллографа есть кнопка «сбор информации». Среди ее функций есть способ обработки аналогового сигнала в цифровую форму. Изначально, по умолчанию эта функция установлена в режим «выборка» (обычная дискретизации в реальном масштабе времени). При этом на экране осциллографа отображаются все улавливаемые помехи. В этом случае рекомендуем установить способ обработки сигнала в режим «усреднение» и выбрать среднее число усреднений, например, 32 (большее число усреднений увеличивает время обработки сигнала). Таким образом удастся отфильтровать большинство помех. После выключения осциллографа, он, как правило, сохраняет в памяти произведенные настройки и повторно их устанавливать нет необходимости. Однако, в некоторых режимах работы осциллограф может сбросить эти настройки. Помимо этого, каждый канал осциллографа имеет свой настраиваемый фильтр. При необходимости рекомендуем пользоваться и им. В режим Х/У данный осциллограф включается иначе, чем аналоговые осциллографы (переключением ручки развертки в соответствующее положение). Для включения осциллографа в режим Х/У необходимо в блоке «Меню» нажать кнопку «Дисплей». Далее найти в появившемся подменю пункт «Формат» и соответствующей кнопкой переключить режим с YT на XY. Перед тем как перейти в режим Х/У рекомендуем сначала в обычном режиме добиться приемлемых осциллограмм и после этого перейти в режим Х/У. При использовании двухканального осциллографа возникает опасность коротких замыканий в схеме через два провода измерительных шнуров, связанных с корпусом осциллографа (обычно они черного цвета). 9 Рисунок 5. Передняя панель осциллографа АКИП-4115/1А Аналогично, сигнал внешней синхронизации должен подаваться на вход внешней синхронизации только одним проводом. При этом сигнал подается относительно точки, к которой подключен корпус осциллографа («⊥»). Также следует помнить, что при подключении осциллографа к сети через розетку с заземляющим контактом, корпус осциллографа («⊥») будет напрямую соединён с этим заземляющим контактом и, соответственно, с нейтралью сети. Общие рекомендации по выполнению лабораторных работ Порядок выполнения работ Перед выполнением работ все студенты должны изучить правила техники безопасности применительно к лаборатории промышленной электроники, для чего преподавателем проводится инструктаж. Краткий инструктаж проводится также на каждом занятии. При подготовке к лабораторной работе необходимо: 1. ознакомиться с ее содержанием и, пользуясь рекомендованной литературой и конспектом лекций, изучить теоретические положения, на которых базируется работа; 2. выполнить предварительное домашнее задание (при его наличии); 3. изучить схему лабораторного стенда и продумать методику выполнения лабораторной работы; 4. ответить на контрольные вопросы. При выполнении лабораторной работы необходимо: 1. ознакомиться с рабочим местом, проверить наличие необходимых приборов и соединительных проводов; 2. проверить положение стрелок электроизмерительных приборов; приборы с несколькими пределами измерения включить на наибольший предел; 3. произвести сборку схемы; 4. после разрешения преподавателя включить питание и приступить к выполнению работы; 5. в начале каждого опыта, изменяя напряжения и токи в допустимых пределах, качественно оценить характер зависимости, а затем 10 произвести требуемые измерения. При снятии характеристик надо обязательно снять крайние точки. Наибольшее число измерений следует производить на участках резкого изменения наклона характеристик, а на линейных участках независимо от их протяженности достаточно снимать по три точки. Характеристики строятся непосредственно во время проведения эксперимента; 6. в ходе работы и по ее окончанию полученные данные представлять на проверку преподавателю; 7. схему разбирать только после проверки преподавателем результатов опыта (перед разборкой не забудьте выключить источник питания!); 8. по окончании работы привести в порядок рабочее место. Рекомендации по работе с осциллографом Масштабы по напряжению mu каналов ввода сигналов соответствует указанным на осциллографе. При измерении напряжения на шунте масштаб по току: 𝑚 А 𝑚𝑢 = 𝑖 [ ], (1) 𝑅Ш дел где RШ – сопротивление шунта. Масштаб в угловых единицах (градусах): град 𝑚𝜔𝑡 = 360𝑓𝑚𝑖 [ ], дел (2) при этом масштаб по времени mωt должен быть выражен в «с/дел.». Удобнее определять масштаб в градусах, зная период сигнала на экране. Тогда 360 град 𝑚𝜔𝑡 = [ ], (3) 𝑇дел дел где Тдел. – длительность периода на экране в делениях. Рекомендации по обеспечению техники безопасности при работе с осциллографом При применении двухканального осциллографа возникает опасность коротких замыканий в схеме через два провода входов, связанных с корпусом осциллографа. От осциллографа в исследуемую схему должен идти только один провод, связанный с корпусом «⊥», он чёрного цвета. Этот провод необходимо использовать в кабеле, предназначенном для измерения меньших напряжений. При этом оба сигнала будут измеряться относительно точки, к которой подсоединен корпус осциллографа («⊥»). Рекомендуем на одном из осциллографических шнуров общий проводник чёрного цвета изолировать так, чтобы исключить возможность его подключения в схему. Аналогично, сигнал внешней синхронизации должен подаваться на вход внешней синхронизации только одним проводом. При этом сигнал подается относительно точки, к которой подключен корпус осциллографа («⊥»). Также следует помнить, что при подключении осциллографа к сети через розетку с заземляющим контактом, корпус осциллографа («⊥») будет 11 напрямую соединён с этим заземляющим контактом и, соответственно, как правило, с нейтралью сети. Целесообразно, чтобы не менять (мало менять) масштабы, подавать сигналы напряжения на один канал, а тока – на другой. Канал СН2, позволяющий инвертировать входной сигнал, в лабораторных работах удобнее использовать для осциллографирования напряжений. Эти рекомендации являются обязательными! Их невыполнение может привести к выходу из строя модулей стенда. Оформление отчетов по лабораторным работам В отчете должна быть сформулирована цель выполненной работы и представлены следующие материалы: 1. принципиальные электрические схемы экспериментального исследования; 2. предварительное домашнее задание (при его наличии); 3. рассчитанные характеристики и подтверждающие их экспериментальные характеристики, построенные в одних осях координат; 4. сравнительные таблицы экспериментальных и расчетных данных; 5. все остальные экспериментальные характеристики; 6. обработанные осциллограммы; 7. выводы (анализ экспериментальных данных, вида кривых, причин погрешностей и т. д.). Оформление отчета допускается в двух исполнениях: 1. на компьютере с использование специализированного ПО; 2. вручную с использованием бланков установленного образца. При оформлении отчета вручную используются чернила или шариковая ручка. Схемы вычерчиваются карандашом. Графики строятся на листах миллиметровой бумаги карандашом и вклеиваются в отчет. Отчет может быть напечатан на принтере. Опытные точки могут иметь разброс. Экспериментальные кривые проводят плавно, максимально приближая к экспериментальным точкам. На графиках приводят название, обозначают, к какому опыту они относятся, и указывают постоянные величины, определяющие условия опыта. На осях координат надо обязательно указать, какая величина по ним отложена, в каких единицах она измеряется, и нанести деления. 12 Лабораторная работа №1 «Исследование биполярного и полевого транзисторов» Описание лабораторного стенда В комплект лабораторного стенда входят следующие модули: «Транзисторы», «Функциональный генератор», «Миллиамперметры», «Мультиметры», двухканальный осциллограф. Лицевая панель модуля «Транзисторы» представлена на рисунке 6. На ней приведена мнемосхема и установлены коммутирующие и регулирующие элементы. Рисунок 6. Внешний вид модуля «Транзисторы» Тумблер «Питание» предназначен для включения модуля «Транзисторы». О включенном состоянии модуля указывает световой индикатор, расположенный над тумблером. На мнемосхеме модуля изображены: поле для установки минимодулей с различными транзисторами, потенциометр RP1 для изменения напряжения, подаваемого на базу, токоограничивающий резистор R1, резистор нагрузки R2, сопротивление которого изменяется переключателем SA1. Величины сопротивлений, соответствующие положениям переключателя, приведены в таблице 3. Таблица 3. Положение тумблера SA1 № позиции 1 2 Сопротивление R2, 1 1,2 кОм 3 1,5 4 1,8 5 2,4 Величина постоянного напряжения, подаваемого на коллектор, регулируется потенциометром RP2. Переключатель SA2 предназначен для включения переменного или постоянного напряжения. Для подачи на коллектор только положительных полуволн переменного напряжения служит диод VD. Ток в этой цепи ограничивает резистор R3. Резистор R G имитирует 13 внутреннее сопротивление источника входного сигнала. Конденсатор C исключает влияние внутреннего сопротивления источника входного сигнала на положение рабочей точки покоя. Шунт RШ=50 Ом служит для вывода сигнала на осциллограф пропорционального току через транзистор. На передней панели размещены также гнезда для осуществления внешних соединений (X1 − X9). ИССЛЕДОВАНИЕ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА Цель работы (биполярный транзистор) Изучение характеристик, параметров и режимов работы биполярного транзистора и усилительного каскада с общим эмиттером. Краткие теоретические сведения (биполярный транзистор) Полупроводниковые приборы с двумя и более взаимодействующими pn переходами, а также с тремя или более выводами называют биполярными транзисторами. Транзистор называется биполярным, т.к. его усилительные свойства обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда обеих полярностей. В зависимости от порядка чередования электропроводности областей различают транзисторы n-p-n и p-n-p типов. Условное графическое изображение биполярного транзистора представлено на рисунке 7. n-p-n К Б p-n-p К Б Э Э Рисунок 7. Условное графическое изображение биполярного транзистора Каждая из областей, называемых эмиттером, коллектором и базой, снабжается омическим контактом, от которого делается вывод, обозначаемый Э, К и Б соответственно. В биполярных транзисторах небольшой входящий (для n-p-n типа) или исходящий (для p-n-p типа) ток базы и небольшое положительное (для n-p-n типа) или отрицательное (для p-n-p типа) напряжение между базой и эмиттером позволяет управлять намного большим коллекторно-эмиттерным током. Разницы в принципе работы транзисторов обеих структур нет, но полярность подключения выводов к источнику питания противоположная. Т.к. транзистор имеет симметричную структуру, конструктивно коллектор может быть эмиттером, однако в реальных конструкциях для обеспечения лучшей работы транзистора область коллектора делается большей по размерам. 14 При подключении транзистора к источнику питания один p-n переход включается в прямом смещении, а другой – в обратном. Переход, смещенный в прямом направлении, называют эмиттерным, а соответствующий вывод из наружного слоя – эмиттером. Переход, смещенный в обратном направлении, называют коллекторным, а соответствующий вывод из наружного слоя полупроводника – коллектором. Средний слой полупроводника называют базой. Принцип работы биполярного транзистора можно объяснить на примере функциональной схемы, представленной на рисунке 8. При подключении к транзистору напряжений UЭБ и UКБ через эмиттерный переход осуществляется инжекция дырок из эмиттера в область базы. Одновременно электроны базы будут проходить в область эмиттера. Следовательно, в эмиттерной цепи потечет ток IЭ по пути +UЭБ → RЭ → Э → Б → -UЭБ. Этот ток равен сумме дырочной и электронной составляющих: 𝐼Э = 𝐼Э𝑝 + 𝐼Э𝑛 (4) Э p RЭ n Б К p RК IБ IК IЭ + UЭБ - + UКБ Рисунок 8. Функциональная схема биполярного p-n-p транзистора В транзисторах концентрация носителей заряда в базе значительно меньше, чем в эмиттере. Это приводит к тому, что число дырок, инжектированных из эмиттера в базу, во много раз превышает число электронов, движущихся в противоположном направлении, поэтому ток через эмиттерный переход в основном обусловлен дырками. Эффективность эмиттера оценивается коэффициентом инжекции γ, который для транзисторов типа p-n-p равен отношению дырочной составляющей эмиттерного тока к общему току эмиттера: 𝐼Э𝑝 𝐼Э𝑝 𝐼Э𝑝 𝛾= = = 𝐼Э𝑛 (5) 𝐼Э 𝐼Э𝑝 +𝐼Э𝑛 1+ 𝐼Э𝑝 В современных транзисторах коэффициент γ мало отличается от единицы (γ≈0,999). Инжектированные через эмиттерный переход дырки проникают вглубь базы, для которой они являются неосновными носителями. Попав в базу некоторые дырки рекомбинируют с электронами, однако из-за малой концентрации свободных электронов в базе и малой ширины базы абсолютное большинство дырок достигает коллекторного p-n перехода. Вблизи коллектора дырки начинают взаимодействовать с электрическим полем 15 коллекторного перехода. Это поле для дырок является ускоряющим, поэтому они в результате экстракции быстро втягиваются в коллектор и участвуют в создании тока коллектора. Цепь тока коллектора +UКБ → -UЭБ → +UЭБ → RЭ → Э → Б → К → RК → -UКБ. Те дырки, которые все же рекомбинируют с электронами в области базы, участвуют в создании тока базы, проходящего по цепи +UЭБ → RЭ → Э → Б → -UЭБ. Таким образом ток базы можно записать в следующем виде: 𝐼Э = 𝐼Б + 𝐼К (6) Для оценки влияния рекомбинации носителей заряда в базе на усилительные свойства транзистора используется коэффициент переноса носителей в базе δ, который показывает, какая часть инжектированных эмиттером дырок достигает коллекторного перехода: 𝐼К𝑝 𝛿= (7) 𝐼Э𝑝 Одним из основных параметров транзистора является коэффициент передачи тока эмиттера, который равен отношению приращения тока коллектора к приращению тока эмиттера при неизменном напряжении на коллекторном переходе: 𝛼= ∆𝐼К ∆𝐼Э (8) Коэффициент передачи тока эмиттера может быть также выражен через величины γ и δ: 𝛼 = 𝛿𝛾 (9) Поскольку в цепи коллектора кроме тока, обусловленного экстракцией дырок из базы в коллектор, протекает собственно обратный ток коллекторного перехода IКБ0, то полный ток коллектора: 𝐼К = 𝛼𝐼Э + 𝐼КБ0 ≈ 𝛼𝐼Э (10) Таким образом ток коллектора IК и напряжение эмиттер-база UЭБ при определенном значении тока эмиттера IЭ не зависят от напряжения приложенного к коллекторному переходу UКБ. Отношение тока коллектора к току базы называется коэффициентом усиления транзистора по току в схеме с общим эмиттером (ОЭ): 𝐼 𝛽= К (11) 𝐼Б Характеристики биполярных транзисторов Для анализа работы и определения параметров транзистора используют, в основном, статические входные и выходные характеристики. Входные характеристики биполярного транзистора для схемы с общим эмиттером определяют зависимость тока базы IБ от напряжения база-эмиттер UБЭ при постоянном напряжении коллектор-эмиттер UКЭ (см. рисунок 9): 𝐼Б = 𝑓(𝑈БЭ )|𝑈КЭ=𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 . 16 Рисунок 9. Входные характеристики биполярного транзистора При напряжении UКЭ=0 входная характеристика представляет собой ВАХ двух параллельно включенных переходов в прямом смещении. При повышении напряжения UКЭ вероятность рекомбинации носителей заряда в базе уменьшается, следовательно, уменьшается и ток базы (почти все носители втягиваются в коллектор), что видно из входных характеристик. В схеме с ОЭ напряжение, приложенное к коллекторному переходу, равно разнице UКЭ-UБЭ, поскольку эти напряжения оказываются включенными встречно между точками коллектор-база. Поэтому при напряжении |UКЭ|<|UБЭ| коллекторный переход оказывается включенным в прямом направлении, при этом крутизна выходных характеристик велика (транзистор работает в режиме насыщения). На участке где |UКЭ|>|UБЭ| крутизна характеристик мала и они будут проходить почти параллельно оси абсцисс (активный режим работы транзистора). Небольшой рост тока на пологих участках характеристик обусловлен увеличением напряжения UБЭ, необходимым для поддержания тока базы на заданном уровне, поскольку при увеличении напряжения UКЭ ширина базы уменьшается, и ток базы снижается, а также вследствие ударной ионизации обратно смещенного коллекторного перехода. Выходные характеристики биполярного транзистора для схемы с общим эмиттером определяют зависимость тока коллектора IК от напряжения коллектор-эмиттер UКЭ при постоянном токе базы (см. рисунок 10): 𝐼К = 𝑓(𝑈КЭ )|𝐼Б =𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 . 17 Рисунок 10. Выходные характеристики биполярного транзистора Методические указания по выполнению лабораторной работы Исследование статических характеристик биполярного транзистора Экспериментальное исследование статических характеристик биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, осуществляется на основе схемы представленной на рисунке 11. A2 + A1 RP1 VT1 R1 V1 V2 =U2 Rш Рисунок 11. Принципиальная электрическая схема исследования статических характеристик биполярного транзистора Установить минимодуль с одним из биполярных транзисторов VT1…VT4. Далее включить многопредельный миллиамперметр А1 (модуль «Миллиамперметры») на пределе «×10» (1 мА). Установить потенциометр RP1 в крайнее левое положение. Включить второй миллиамперметр А2 (модуль «Миллиамперметры») на пределе «×100» (10 мА). Включить мультиметр в режиме измерения напряжения постоянного тока для измерения напряжения V2. Тумблер SA2 установить в нижнее положение. Далее подключить второй мультиметр в режиме измерения напряжения постоянного тока для измерения напряжения V1. 18 Входные характеристики снимают для двух значений UКЭ: UКЭ=0 В, UКЭ=5 В (5…6 значений для каждого из значений UКЭ). Чтобы UКЭ=0 В необходимо с помощью провода соединить коллектор с эмиттером, предварительно отключив источник напряжения (отключить миллиамперметр А2 и поставить перемычку между гнездами X1 – X10). При UКЭ≠0 входные характеристики практически совпадают. При желании в этом можно убедиться и снять входные характеристики для нескольких значений UКЭ. Ток базы изменяют с помощью потенциометра RP1. Результаты измерений входных характеристик транзистора заносят в таблицу 4. Таблица 4. Входные характеристики биполярного транзистора UКЭ=0 В UКЭ=5 В № п/п UБЭ, мВ IБ, мкА UБЭ, мВ IБ, мкА 1 2 … n Выходные характеристики снимают при пяти значениях тока базы в интервале от 0 до 100 мкА. Напряжение UКЭ изменяют в диапазоне от минимального значения до 10 В (5…7 значений). Результаты измерений выходных характеристик транзистора заносят в таблицу 5. Таблица 5. Выходные характеристики биполярного транзистора IБ=… мкА IБ=… мкА IБ=… мкА IБ=… мкА № п/п UКЭ, В IК, мА UКЭ, В IК, мА UКЭ, В IК, мА UКЭ, В IК, мА 1 2 n По результатам экспериментов построить графики. По выходным характеристикам построить проходную характеристику IК=f(IБ). По входным, выходным и проходной характеристикам определяют величины β, rд. Коэффициент передачи транзистора по току (11) определяется из проходной характеристики в соответствии со следующим выражением: ∆𝐼 𝛽= К (12) ∆𝐼Б 19 Дифференциальное сопротивление транзистора rд определяется с использованием выходных статических ВАХ транзистора: ∆𝑈 𝑟д = КЭ (13) ∆𝐼К ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА Цель работы (полевой транзистор) Изучение характеристик, параметров и режимов работы МОПтранзистора с каналом n-типа и усилительного каскада с общим истоком. Краткие теоретические сведения (полевой транзистор) Полевой (униполярный) транзистор – полупроводниковый прибор с одним p-n переходом, принцип действия которого основан на изменении объемного сопротивления (проводимости) полупроводникового материала под действием поперечного электрического поля. Электропроводность исходного материала (канала) осуществляется носителями заряда только одного знака (электронами или дырками). В зависимости от типа проводимости полупроводника полевые транзисторы подразделяются на транзисторы с каналом p-типа и n-типа. Все полевые транзисторы по своим конструктивным особенностям делятся на две группы: 1. полевые транзисторы с p-n переходом (канальные или униполярные); 2. полевые транзисторы с изолированным затвором (МДП- или МОПтранзисторы). Условное графическое представлено на рисунке 12. изображение n-канальный С З полевого МОП-транзистора p-канальный С З И И Рисунок 12. Условное графическое изображение полевого МОП-транзистора Проводимость канала полевого транзистора может быть электронной или дырочной. Если канал имеет электронную проводимость, то транзистор называют n-канальным. Транзисторы с каналами, имеющими дырочную проводимость, называют p-канальными. В МОП-транзисторах канал может быть обеднён носителями или обогащён ими. Таким образом, понятие «полевой транзистор» объединяет шесть различных видов полупроводниковых приборов. МОП-транзисторы находят широкое применение в современной электронике. В ряде областей, в том числе в цифровой электронике, они почти полностью вытеснили биполярные транзисторы. Это объясняется следующими причинами. Во-первых, полевые транзисторы имеют высокое 20 входное сопротивление и обеспечивают малое потребление энергии. Вовторых, МОП-транзисторы занимают на кристалле интегральной схемы (ИС) значительно меньшую площадь, чем биполярные. Поэтому плотность компоновки элементов в интегральных схемах значительно выше. В-третьих, технологии производства интегральных схем на МОП-транзисторах требуют меньшего числа операций, чем технологии изготовления ИС на биполярных транзисторах. Структура транзистора с индуцированным каналом n-типа показана на рисунке 13. подложка (кремний) сток (кремний) С n З затвор (алюминий) SiO2 диэлектрик p n подложка И исток (кремний) Рисунок 13. Функциональная схема n-канального МОП-транзистора При нулевом напряжении канал отсутствует. При этом между стоком и истоком включены два обратно смещенных p–n-перехода. Один p–n-переход образуется на границе между подложкой и стоком, а другой – между подложкой и истоком. Таким образом, при нулевом напряжении на затворе сопротивление между стоком и истоком очень велико, ток стока ничтожно мал и транзистор находится в состоянии отсечки. Если между затвором и истоком включен источник напряжения, то электрическое поле затвора выталкивает дырки из приповерхностного слоя подложки и притягивает в этот слой электроны. В результате в области подложки, примыкающей к диэлектрику, образуется проводящий канал nтипа. Такой канал называют индуцированным. С увеличением положительного напряжения затвор-исток UЗИ растет концентрация электронов в канале, следовательно, увеличивается его проводимость. Если между стоком и истоком приложено положительное напряжение, в индуцированном канале возникает ток стока. Его величина зависит как от напряжения UЗИ, так и от напряжения сток-исток UСИ. Напряжение затвора, при котором появляется заметный ток стока, называют пороговым и обозначают UО. Пороговое напряжение МОП-транзистора с индуцированным каналом n-типа положительно. Его величина зависит от технологии изготовления и составляет для современных интегральных МОПтранзисторов 0,5…1,0 В. Чем больше напряжение затвор-исток превышает пороговое, тем большее количество электронов втягивается в канал, увеличивая его 21 проводимость. Если при этом напряжение сток-исток невелико, проводимость канала пропорциональна разности UО-UЗИ. Если напряжение сток-исток превышает напряжение насыщения UНАС=UЗИ-UО, то транзистор переходит в режим насыщения и рост тока прекращается. Объясняется это тем, что напряжение между затвором и поверхностью канала уменьшается в направлении стока. Вблизи истока оно равно UЗИ, а в окрестности стока – разности UЗИ-UСИ. Поэтому при увеличении напряжения UСИ сечение канала уменьшается по направлению к стоку, а его сопротивление увеличивается. При значениях UСИ, превышающих напряжение насыщения, канал перекрывается и ток стока остается практически неизменным. Очевидно, что каждому значению UЗИ>UО соответствует свое значение напряжения насыщения. Характеристики МОП-транзисторов Семейство выходных характеристик транзистора с индуцированным каналом показано на рисунке 14. На выходных характеристиках можно выделить линейную (триодную) область, области насыщения и отсечки. Граница между линейной областью и областью насыщения показана на рисунке 14 пунктиром. Рисунок 14. Выходные (стоковые) характеристики МОП-транзистора В режиме отсечки UЗИ<UО, IС=0 А. Область отсечки расположена ниже ветви выходной характеристики, соответствующей напряжению UЗИ=UО. В линейном (триодном) режиме UЗИ>U0, а напряжение сток-исток не превышает напряжение насыщения: 𝑈СИ ≤ 𝑈НАС = 𝑈ЗИ − 𝑈О (14) Выходная характеристика на участке, соответствующем линейному режиму, аппроксимируется выражением: 2 ], 𝐼С = 𝑏[(𝑈ЗИ − 𝑈О )𝑈СИ − 0,5𝑈СИ (15) где b – удельная крутизна МОП-транзистора. 22 𝑊 𝑏 = 𝜇𝐶0 , (16) 𝐿 где µ – приповерхностная подвижность носителей заряда, C0 – удельная емкость затвор-канал, L – длина канала, W – ширина канала. Если напряжение сток-исток мало, как часто бывает в импульсных и ключевых схемах, то квадратичным слагаемым в (10) можно пренебречь, в этом случае получаем линейную зависимость: 𝐼С = 𝑏(𝑈ЗИ − 𝑈О )𝑈СИ (17) Величину 𝑏(𝑈ЗИ − 𝑈О ) называют проводимостью канала, а обратную величину – сопротивлением канала: 1 𝑅СИ = (18) ) 𝑏(𝑈ЗИ −𝑈О Таким образом, при малых напряжениях сток-исток МОП-транзистор эквивалентен линейному резистору, сопротивление которого регулируется напряжением затвора. Сопротивление эквивалентного резистора может изменяться от десятков Ом до десятков МОм. Если UЗИ<U0, то сопротивление бесконечно. С увеличением UЗИ сопротивление уменьшается. Режим насыщения МОП-транзистора с индуцированным каналом возникает, когда, UЗИ>UО, а напряжение сток-исток превышает напряжение насыщения 𝑈СИ ≥ 𝑈НАС = 𝑈ЗИ − 𝑈О (19) В области насыщения ветви выходной характеристики расположены почти горизонтально, т. е. ток стока практически не зависит от напряжения UСИ. Таким образом, в режиме насыщения канал МОП-транзистора имеет высокое сопротивление, а транзистор эквивалентен источнику тока, управляемому напряжением затвор-исток. Область насыщения является рабочей, если транзистор используется для усиления сигналов. Области отсечки и линейная используются, когда транзистор работает в режиме ключа. Передаточная (сток-затворная) характеристика МОП-транзистора с индуцированным каналом показана на рисунке 15. При нулевом напряжении на затворе ток стока равен нулю. Заметный ток появляется тогда, когда напряжение затвора превысит пороговое значение UО. 23 Рисунок 15. Передаточная (сток-затворная) характеристика МОПтранзистора Передаточная характеристика МОП-транзистора для области насыщения аппроксимируется выражением: 1 𝐼С = 𝑏(𝑈ЗИ − 𝑈0 )2 (20) 2 Номинальным током МОП-транзистора считается ток при напряжении UЗИ=2U0: 1 𝐼С НОМ = 𝑏𝑈0 2 (21) 2 Методические указания по выполнению лабораторной работы Исследование статических характеристик МОП-транзистора Экспериментальное исследование статических характеристик МОПтранзистора осуществляется в соответствии со схемой, представленной на рисунке 16. Установить минимодуль с одним из полевых транзисторов VT5…VT8. Установить потенциометр RP1 в крайнее левое положение. Включить второй миллиамперметр А2 (модуль «Миллиамперметры») на пределе «×100» (10 мА). Включить мультиметры в режиме измерения постоянного тока («Модуль мультиметров») и осуществить подключение к схеме исследования. Тумблер SA2 установить в нижнее положение. 24 A2 + VT1 V2 RP1 R1 V1 =U2 Rш Рисунок 16. Принципиальная электрическая схема исследования статических характеристик МОП-транзистора Выходные характеристики транзистора IС=f(UСИ) при UЗИ=const снимают для трех значений напряжения UЗИ в диапазоне от 3 до 5 В. Результаты измерений заносят в таблицу 6. Таблица 6. Выходные характеристики МОП-транзистора UЗИ =… В UЗИ =… В UЗИ =… В № п/п IС, мА UСИ, В IС, мА UСИ, В IС, мА UСИ, В 1 2 … n Передаточную характеристику полевого транзистора IС=f(UЗИ) при UСИ=const снимают для трех значений напряжения UСИ. Напряжение UЗИ изменяют в диапазоне от 0 до UЗИ max (5-6 значений). Результаты измерений заносят в таблицу 7. Таблица 7. Передаточная характеристика МОП-транзистора UСИ=… В UСИ=… В UСИ=… В № п/п IС, мА UЗИ, В IС, мА UЗИ, В IС, мА UЗИ, В 1 2 … n По выходным и передаточной характеристикам определяют rд и S. Дифференциальное сопротивление rд вычисляют в некоторой точке на рабочем участке: 25 𝑟д = ∆𝑈𝐶И ∆𝐼𝐶 (22) Крутизна передаточной характеристики линейного участка при отсутствии нагрузки: ∆𝐼 𝑆= 𝐶 (23) ∆𝑈ЗИ Содержание отчета Отчет выполняется СТРОГО индивидуально и должен содержать следующие пункты: 1. наименование и цель работы; 2. принципиальные электрические схемы для выполненных экспериментальных исследований; 3. результаты экспериментальных исследований: таблицы, экспериментально снятые графики входной, выходной и проходной характеристики для биполярного транзистора, выходную и сток-затворную характеристику для полевого транзистора; 4. при оформлении отчета определить и рассчитать: 4.1. для биполярного транзистора: β, rд; 4.2. для МОП-транзистора: rд и S; 5. выводы по работе. Контрольные вопросы По исследованию биполярного транзистора: Каков принцип действия биполярного транзистора? Какие существуют схемы включения биполярных транзисторов? Какова полярность постоянных напряжений, прикладываемых к транзистору типа n-p-n при различных схемах включения? 4. Как выглядят выходные и входные статические характеристики в схеме с общим эмиттером? 5. Как определить статический коэффициент передачи транзистора по току β? 6. Как снять статические выходные характеристики? 7. Нарисуйте схему усилительного каскада с общим эмиттером. 8. Каково назначение элементов усилителя? 9. Что такое область активного усиления, насыщения, отсечки? 10. Что такое ключевой режим? 11. Каковы преимущества ключевого режима? 12. Как определить ток коллектора и напряжение на коллекторе транзистора в точках отсечки и насыщения на постоянном токе? 1. 2. 3. По исследованию полевого транзистора: 1. 2. Каков принцип действия МОП-транзистора? Как выглядят выходные и сток-затворные характеристики в схеме с общим истоком? статические 26 Какова полярность постоянных напряжений, прикладываемых к МОП-транзистору с каналом n-типа, в усилительном каскаде с общим истоком? 4. Что такое статическая сток-затворная характеристика? Как ее построить? 5. Как определить крутизну сток-затворной характеристики? 6. Как снять статические выходные характеристики? 7. Каково назначение элементов усилителя? 8. Что такое область активного усиления, насыщения, отсечки? 9. Что такое ключевой режим? 10. Каковы преимущества ключевого режима? 11. Как определить ток стока и напряжение на стоке транзистора в точках отсечки и насыщения на постоянном токе? 3. 27 Лабораторная работа №2 «Исследование однофазного и трехфазного неуправляемых выпрямителей» Для питания различных электронных устройств требуются постоянные напряжения различного значения. Так как основным источником электрической энергии является сеть переменного тока частотой 50 Гц, то для получения постоянного тока широко применяют различные выпрямители. Выпрямителем называется устройство, предназначенное для преобразования электрической энергии переменного тока (переменного напряжения) в электрическую энергию постоянного тока (постоянного напряжения). Качество постоянного напряжения, поступающего к потребителю, зависит от схемы выпрямления (см. рисунок 17) и типа сглаживающего фильтра. б) VD1 а) VD3 VD1 U2 RН U2 С VD2 RН VD4 в) VD1 Ua Ub VD2 VD3 Uc RН GND GND г) VD1 VD3 VD5 RН Ua Ub Uc VD2 VD4 VD6 GND Рисунок 17. Принципиальные электрические схемы типовых неуправляемых выпрямителей: а) однофазный однополупериодный выпрямитель; б) однофазный двухполупериодный выпрямитель; в) трехфазный нулевой выпрямитель; г) трехфазный двухполупериодный выпрямитель. 28 Основными элементами выпрямительного устройства являются электрические вентили. Переменное напряжение сети поступает либо через трансформатор, либо непосредственно на вентили. Электрические вентили предназначены для преобразования переменного напряжения в пульсирующее, форма которого зависит от схемы выпрямления. Для уменьшения пульсаций после вентилей могут использоваться сглаживающие фильтры, улучшающие форму напряжения. Описание лабораторного стенда При выполнении работы используются следующие модули: «Трехфазные выпрямители и диоды», «Мультиметры», а также двухканальный осциллограф. Лицевая панель модуля «Трехфазные выпрямители и диоды» представлена на рисунке 18. На ней приведены мнемосхемы и установлены регулирующие элементы. На мнемосхеме изображены: трехфазный источник переменного напряжения UZ1, две группы неуправляемых вентилей на диодах VD1…VD6, переменный нагрузочный резистор RН. Трехфазный источник защищен по выходу самовосстанавливающимися предохранителями 0,3 А на каждую фазу. Это следует учитывать при работе с выпрямителями и при перегрузке (разрыве цепи питания) и уменьшать величину нагрузки для восстановления работоспособности схемы. Источник выполнен на основе микроконтроллера, поэтому при работе с осциллографом не следует выбирать синхронизацию «Line» (от сети). Для снятия осциллограмм токов в схеме применены шунты RШ1=RШ2=1 Ом. Включение схемы осуществляется тумблером, расположенным над трехфазным источником. Рисунок 18. Внешний вид модуля «Трехфазные выпрямители и диоды» 29 Питание модуля осуществляется от источников сетевого переменного ~220В и постоянного напряжения ±15 В. ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНОГО ДВУХПОЛУПЕРИОДНОГО НЕУПРАВЛЯЕМОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ Цель работы Исследование характеристик простейшего неуправляемого выпрямителя, выполненного по однофазной двухполупериодной (мостовой) схеме при работе на активную нагрузку. Краткие теоретические сведения Наибольшее распространение получила мостовая схема выпрямления, исследуемая в данной лабораторной работе (см. рисунок 19), из которой видно, что выпрямитель содержит четыре вентиля VD1…VD4, включенных по мостовой схеме. На одну диагональ моста подается переменное напряжение, а с другой диагонали моста выпрямленное напряжение подается на нагрузку RН. Каждая пара диодов (VD1,VD4 и VD2,VD3) работают поочередно. Диоды VD1 и VD4 открыты в первый полупериод напряжения U2, когда потенциал точки А выше потенциала точки В. В интервале от 0 до Т/2 ток протекает от точки «А» через вентиль VD1, резистор RН, вентиль VD4, точку «В», источник U2 (обычно вторичная обмотка трансформатора, которая на схеме не указана) к точке «А». Во второй полупериод потенциал точки «В» выше, чем потенциал точки «А». Ток протекает от точки «В» через вентиль VD2, резистор RН, вентиль VD3, источник U2 к точке «В». VD1 Id VD3 Ud A U2 RН B VD2 VD4 Рисунок 19. Принципиальная электрическая схема однофазного мостового выпрямителя Временные диаграммы, поясняющие принцип работы выпрямителя, выполненного по мостовой схеме показаны на рисунке 20. 30 U, i U2 U2m π π/2 2π ωt 3π/2 ud Ud id ωt Uобр max Uобр ωt Рисунок 20. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы выпрямителя Среднее значение выпрямленного напряжения Ud определяют как среднее за полупериод значение напряжения U2: 1 𝜋 2√2 𝑈𝑑 = ∫0 √2𝑈2 sin 𝜔𝑡 𝑑𝑡 = 𝑈2 ≈ 0,9𝑈2, (24) 𝜋 𝜋 где 𝑈2 – действующее значение U2. Обратное напряжение прикладывается одновременно к двум непроводящим диодам на интервале проводимости двух других диодов. Форма обратного напряжения для диодов VD1, VD4 показана на рисунке 20. Максимальное обратное напряжение определяется амплитудным значением напряжения U2m: 𝜋 𝑈обр 𝑚𝑎𝑥 = √2𝑈2 = 𝑈2𝑚 = 𝑈𝑑 (25) 2 Как видно из рисунка 20, выпрямленное напряжение имеет пульсирующий характер. Разложение такой периодической функции в ряд Фурье показывает, что она состоит из суммы постоянной составляющей (Ud) и четных гармонических составляющих: 2 2 𝑢𝑑 = 𝑈𝑑 + 𝑈𝑑 cos 2𝜔𝑡 − 𝑈𝑑 cos 4𝜔𝑡+. . . (26) 3 15 Для оценки качества выпрямленного напряжения пользуются коэффициентом пульсации KП, который равен отношению амплитудного значения основной гармоники выпрямленного напряжения Um1 к постоянной составляющей, равной среднему значению выпрямленного напряжения: 𝑈 𝐾П = 𝑚1 (27) 𝑈𝑑 31 При мостовой схеме выпрямителя: 2 𝑈𝑚1 = 𝑈𝑑 , (28) 3 тогда KП=0,67. Коэффициент пульсации можно также вычислять по формуле: 2 𝐾П = 2 , (29) 𝑚 −1 где m=2 для исследуемого выпрямителя. Для питания большинства электронных устройств напряжение с такими пульсациями не обеспечивает нормальную работу, поэтому пульсации стремятся уменьшить до заданного уровня. Устройства, с помощью которых достигается снижение пульсаций, называют сглаживающими фильтрами. В зависимости от принципа действия и используемых элементов сглаживающие фильтры разделяют на активные и пассивные. Простейшим пассивным фильтром является емкостной фильтр. При подключении конденсатора параллельно нагрузке сопротивление нагрузки переменной составляющей тока становится значительно меньше, чем постоянной, поэтому падение напряжения на нагрузке от переменной составляющей тока снижается, то есть пульсации выпрямленного напряжения уменьшаются. При наличии фильтра коэффициент пульсаций определяется в соответствии со следующим выражением: 𝑈 −𝑈 𝐾ПФ = 𝑚𝑎𝑥 𝑚𝑖𝑛, (30) 𝑈𝑚𝑎𝑥 +𝑈𝑚𝑖𝑛 где 𝑈𝑚𝑎𝑥 и 𝑈𝑚𝑖𝑛 – максимальное и минимальное значения напряжения на осциллограмме выходного напряжения выпрямителя. Эффективность действия сглаживающих фильтров оценивают коэффициентом сглаживания S, который равен отношению коэффициента пульсаций на входе и выходе фильтра: 𝐾 𝑆= П, (31) 𝐾ПФ где KП – коэффициент пульсаций без фильтра; KПФ – коэффициент пульсаций с фильтром. Методические указания по выполнению лабораторной работы Исследование однофазного двухполупериодного неуправляемого выпрямителя Принципиальная электрическая схема исследуемого однофазного двухполупериодного неуправляемого выпрямителя представлена на рисунке 21. Для реализации данной схемы необходимо подключить мультиметр в режиме измерения постоянного тока для измерения тока нагрузки, подключить мультиметр в режиме измерения напряжения постоянного тока для измерения напряжения на выходе выпрямителя. Подсоединить к схеме осциллограф. Корпус осциллографа (черные выводы каналов CH1 и CH2) подключить к клемме Х13, вход СН1 (красный) – к Х10, а вход СН2 (красный) – к Х12. Таким образом, луч канала СН1 покажет осциллограмму выпрямленного напряжения ud=f(t), а канал СН2 – напряжения 32 на диоде ud=f(t). Включить трехфазный источник, установить потенциометром Rн максимальный ток нагрузки, сохранить осциллограммы ud=f(t) и uvd6=f(t), не забыв проверить положение нулевых линий осциллограмм. VD1 VD5 A V U2 VD2 RН VD6 Рисунок 21. Принципиальная электрическая схема исследуемого однофазного выпрямителя В таблицу 8 заносят результаты расчета в соответствии с выражениями (24), (25) и результаты измерений, полученных с помощью мультиметра и осциллографа. Таблица 8. Результаты расчета и измерений U2m, В Ud, В № при U2=… В 1 Расчетное значение Показания 2 осциллографа 3 Показания мультиметра - Uобр max, В - Внешнюю характеристику Ud=f(Id) однофазного выпрямителя снимают для 5…10 значений сопротивления нагрузки (положений потенциометра Rн), результаты измерений заносят в таблицу 9. Таблица 9. Внешняя характеристика однофазного выпрямителя Положение потенциометра 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 Rн Ud, В Id, мА 5 По экспериментальным данным строят внешнюю характеристику Ud=f(Id). 33 ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХФАЗНОГО ДВУХПОЛУПЕРИОДНОГО НЕУПРАВЛЯЕМОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ Цель работы Исследование характеристик неуправляемого выпрямителя, выполненного по трехфазной мостовой схеме, при работе на активную нагрузку. Краткие теоретические сведения Трехфазные выпрямители по сравнению с однофазными выпрямителями имеют меньшую пульсацию выпрямленного напряжения и могут использоваться без фильтров. Кроме этого трехфазные выпрямители имеют более высокие энергетические показатели. Наибольшее распространение получила трехфазная мостовая схема выпрямления, исследуемая в данной лабораторной работе (см. рисунок 22). Схема трехфазного мостового выпрямителя (схема Ларионова) содержит выпрямительный мост из шести вентилей. Вентили VD2, VD4, VD6, у которых электрически соединены аноды, образуют анодную группу. Вентили VD1, VD3, VD5 с объединенными катодами образуют катодную группу. Нагрузку включают между точками соединения катодов и анодов вентилей. В любой момент времени работают два вентиля. В катодной группе в открытом состоянии будет находиться вентиль с наибольшим положительным потенциалом на аноде, в анодной группе работает вентиль, катод которого имеет наиболее отрицательный потенциал. Мгновенное значение выпрямленного напряжения Ud определяется суммой мгновенных значений двух фазных напряжений, так как эти напряжения действуют согласно по отношению к нагрузке (см. рисунок 23). VD1 VD3 Id VD5 a b c Ud VD2 VD4 RН VD6 Рисунок 22. Принципиальная электрическая схема трехфазного мостового выпрямителя Среднее значение выпрямленного напряжения определяют по среднему значению напряжения Ud за период повторяемости π/3: 𝑈𝑑 = 1 𝜋 ⁄2 3√2 (32) ∫ √2𝑈2 sin 𝜔𝑡 𝑑𝑡 = 𝜋 𝑈2л ≈ 2,34𝑈2, 𝜋 ⁄3 𝜋 ⁄6 где 𝑈2 – действующее значение фазного напряжения; 𝑈2л – действующее значение линейного напряжения. 34 U 0 Ua Ub Uc π π/2 2π ωt 3π/2 Ud 0 VD1 VD1 VD3 VD3 VD5 VD5 VD1 VD4 VD6 VD6 VD2 VD2 VD4 VD4 ωt Рисунок 23. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы трехфазного мостового выпрямителя Максимальное обратное напряжение в данном амплитудному значению линейного напряжения U2лm: 𝑈обр 𝑚𝑎𝑥 = 𝑈2л𝑚 = √6𝑈2 = 1,045𝑈𝑑 случае равно (33) Коэффициент пульсации выпрямленного напряжения определяют согласно выражению (29), где m=6, тогда КП=0,057. Методические указания по выполнению лабораторной работы Исследование трехфазного двухполупериодного неуправляемого выпрямителя Принципиальная электрическая схема исследуемого трехфазного двухполупериодного неуправляемого выпрямителя представлена на рисунке 24. Для реализации данной схемы необходимо подключить мультиметр в режиме измерения постоянного тока для измерения тока нагрузки, подключить мультиметр в режиме измерения напряжения постоянного тока для измерения напряжения на выходе выпрямителя. Подсоединить к схеме осциллограф. Корпус осциллографа (черный вывод) подключить к клемме Х16, вход СН1 (красный) – к Х14. Таким образом, луч канала СН1 покажет осциллограмму выпрямленного напряжения на нагрузке Ud=f(t). Включить трехфазный источник, установить потенциометром Rн максимальный ток нагрузки, сохранить осциллограмму Ud=f(t), не забыв проверить положение нулевых линий осциллограмм. Для получения напряжения на диоде подключить CH2 осциллографа к соответствующим клеммам Х12-Х13. 35 VD1 VD3 VD5 A V RН VD2 VD4 VD6 Рисунок 24. Принципиальная электрическая схема исследуемого трехфазного выпрямителя Внешнюю характеристику Ud=f(Id) трехфазного выпрямителя снимают для 5…10 значений сопротивления нагрузки (положений потенциометра Rн), результаты измерений заносят в таблицу 10. Таблица 10. Внешняя характеристика трехфазного выпрямителя Положение потенциометра 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 Rн Ud, В Id, мА 5 По экспериментальным данным строят внешнюю характеристику Ud=f(Id). Содержание отчета Отчет выполняется СТРОГО индивидуально и должен содержать следующие пункты: 1. наименование и цель работы; 2. принципиальные электрические схемы для выполненных экспериментальных исследований; 3. результаты экспериментальных исследований: таблицы, экспериментально снятые и построенные характеристики, обработанные осциллограммы; 4. внешние характеристики однофазного и трехфазного выпрямителей наносятся на одни координатные оси. 5. выводы по работе. Контрольные вопросы 1. 2. 3. 4. Объясните принцип работы однофазного двухполупериодного неуправляемого выпрямителя. Какова частота пульсаций выпрямленного напряжения однофазного двухполупериодного неуправляемого выпрямителя? Как влияет наличие емкостного фильтра на величину пульсаций выходного напряжения? Как определить обратно приложенное напряжение на диоде в однофазном двухполупериодном неуправляемом выпрямителе? 36 5. 6. 7. 8. 9. Что такое коэффициент пульсаций и как его определить? Объясните принцип работы трехфазного двухполупериодного неуправляемого выпрямителя. Какова частота пульсаций выпрямленного напряжения трехфазного двухполупериодного неуправляемого выпрямителя? Почему трехфазные двухполупериодные неуправляемые выпрямители могут использоваться без фильтров? Как определить обратно приложенное напряжение на диоде в трехфазном двухполупериодном неуправляемом выпрямителе? 37 Лабораторная работа №3 «Исследование трехфазного управляемого выпрямителя» Цель работы Исследование характеристик тиристорного выпрямителя, выполненного по трехфазной мостовой схеме, при работе на активно-индуктивную нагрузку. Краткие теоретические сведения Тиристорами называют полупроводниковые приборы на основе многослойных (четыре или более слоев) p-n структур, способные переходить из закрытого (непроводящего) состояния в открытое (проводящее) состояние. Тиристоры делятся на неуправляемые, или переключающие, — динисторы, и управляемые — тринисторы. Отдельную разновидность управляемых тиристоров составляют симисторы — многослойные переключающие приборы с вольтамперной характеристикой (ВАХ) для прямого и обратного напряжений. Условно-графическое обозначение тиристора представлено на рисунке 25. К УЭ А Рисунок 25. Условное графическое обозначение тиристора Тиристор представляет собой четырехслойную полупроводников p и n типов проводимости (см. рисунок 26). + структуру А Rн P1 П1 N1 U П2 УЭ P2 П3 N2 - К Рисунок 26. Четырехслойная структура тиристора (с катодным управлением) 38 Вывод от крайней области P1 называют анодом, вывод от крайней области N2 называю катодом, а вывод от одной из промежуточных областей (N1 или P2) называют управляющим электродом. П1, П2, П3 – p-n переходы (см. рисунок 26). В зависимости, от какой промежуточной области тиристора сделан вывод управляющего электрода, различают тиристоры с анодным и с катодным управлением. Если на анод тиристора подать положительный потенциал относительно катода, то p-n переходы П1 и П3 будут смещены в прямом направлении, а p-n переход П2 – в обратном. Сопротивление этого p-n перехода большое. Поэтому большая часть напряжения UA будет приложена к переходу П2 и анодный ток тиристора представляет собой малый обратный ток этого перехода. Сопротивление прибора в целом большое, ток, текущий через тиристор, очень мал. В этом случае говорят, что тиристор находится в закрытом состоянии. Если между управляющим электродом и катодом пропустить небольшой ток управления IУ, то в зависимости от величины этого тока произойдет переключение тиристора из закрытого в открытое состояние. Сопротивление тиристора в открытом состоянии небольшое (менее одного Ома) и ток, текущий через тиристор, будет определяться в основном сопротивлением нагрузки RH. Напряжение UA, при котором тиристор переключается в проводящее состояние, при определенном напряжении (токе) на управляющем электроде UУ (IУ) называют напряжением включения UВКЛ или напряжение переключения UПЕР. тиристора. Тиристор может находиться во включенном состоянии неограниченно долго, пока существуют условия для протекания в его основной цепи достаточного анодного тока, т.е. включенное состояние тиристора является устойчивым. Наличие двух устойчивых состояний тиристора (открытое и закрытое), позволяет использовать его в качестве переключателя в различных схемах автоматики и вычислительной техники. Меняя напряжение UУ, подаваемое на управляющий электрод, а значит, и ток управления IУ, можно изменять напряжение переключения UПЕР. тиристора. Чем больше ток управления, тем меньше значение напряжения переключения. И если в цепи управления создать ток управления спрямления IУспр., то тиристор откроется сразу, как если бы это был обычный диод. Структуру тиристора можно изобразить в виде двух транзисторов разной электропроводности, соединенных между собой так, как показано на рисунке 27. 39 + + Rн Rн P1 I VT1 N1 N1 U U Iк2 Iк1 P2 P2 VT2 I N2 - - Рисунок 27. Структура и схема двухтранзисторной модели тиристора Коллекторный ток транзистора VT2 является базовым током транзистора VT1, и, наоборот, коллекторный ток транзистора VT1 является базовым током транзистора VT2. В такой схеме возникает внутренняя обратная связь, которая после включения тиристора делает цепь управления неэффективной, так как оба транзистора поддерживают друг друга в открытом состоянии и без цепи управления, т.е. закрыть тиристор по цепи управления невозможно. Поэтому он называется однооперационным тиристором или в зарубежной терминологии SCR (Silicon Controled Rectifier). Для запирания тиристора необходимо каким-либо способом снизить анодный ток до нуля и удерживать его на нулевом уровне в течение времени рассасывания неосновных носителей, накопившихся в базах транзисторов VT1 и VT2. Основные тенденции развития тиристорных выпрямителей определяются увеличением граничных параметров тиристоров, использованием более эффективных способов охлаждения (жидкостных, испарительных) и усовершенствованием и упрощением систем управления. Все это позволяет реализовать все большие мощности при умеренных весогабаритных показателях. Характерной особенностью управляемых тиристорных выпрямителей является возможность воздействия на выходной параметр (ток, напряжение) сигналом управления лишь один раз в течение полупериода питающего фазного напряжения. Закрытие тиристоров происходит при снижении тока ниже значения тока удержания. Принципиальная электрическая схема трехфазного двухполупериодного тиристорного выпрямителя представлена на рисунке 28. 40 VS1 VS3 Id VS5 a b c Ud VS2 VS4 RН VS6 Рисунок 28. Принципиальная электрическая трехфазного двухполупериодного тиристорного выпрямителя Временные диаграммы (см. рисунок 29), поясняющие работу выпрямителя, приведены при допущении, что тиристоры являются идеальными элементами без потерь, а индуктивность сглаживающего дросселя 𝐿 → ∞, ток нагрузки полностью сглажен и угол управления тиристорами выпрямителя 𝛼 = 0. u u2a T 6 u2b u2c 2T 3 T 3 5T 6 T 2 VS1, VS3, VS5 VS2, VS4, VS6 VS1 T VS3 2T 3T 2 VS5 VS1 VS3 t VS5 t VS4 VS6 VS2 VS4 VS6 VS2 t U d 0 0 U d 6U 2 t Рисунок 29. Временные диаграммы, поясняющие работу выпрямителя при угле управления 𝛼 = 0 При принятых допущениях для трехфазного двухполупериодного выпрямителя справедливы следующие основные расчетные соотношения. Среднее значение напряжения на выходе выпрямителя U d имеет следующий вид при аналитическом описании: 1 𝑇 ⁄3+𝑡 3√6𝑈 𝛼 (34) √6𝑈2 sin 𝜔𝑡 𝑑𝑡 = 𝜋 2 cos 𝛼, ∫ 𝑇 ⁄6 𝑇 ⁄6+𝑡𝛼 где 𝑈2 – действующее значение фазного напряжения на вторичных обмотках трансформатора. Формула (34) отражает зависимость среднего значения напряжения на выходе от угла управления. Данная зависимость называется регулировочной характеристикой. Среднее значение тока, протекающего через нагрузку: 41 𝑈𝑑𝛼 = 𝐼𝑑𝛼 = 𝑈𝑑𝛼 𝑅Н = 3√6𝑈2 𝜋𝑅Н cos 𝛼, (35) где 𝑅Н – сопротивление нагрузки. Среднее и действующее значение тока, протекающего через тиристоры выпрямителя (VS1-VS6): 𝐼 𝐼тир, 0 = 𝑑𝛼 (36) 3 𝐼 𝐼тир, действ = 𝑑𝛼 √3 Максимальное значение напряжения на тиристорах: 𝑈тир, макс = √3√2𝑈2 (37) (38) Описание лабораторного стенда В комплект лабораторной установки входят следующие модули: «Тиристорный преобразователь», «Нагрузка», «Модуль питания», «Мультиметры», модуль «Измерительный» и «Измеритель мощности». Лицевая панель модуля «Тиристорный преобразователь» представлена на рисунке 30. На ней изображена мнемосхема и установлены коммутирующие, регулирующие и измерительные элементы, а также гнезда для внешних соединений (Х1…Х20). На мнемосхеме показаны трансформатор T и реверсивный тиристорный преобразователь, состоящий из комплекта «Вперед» (UZ1) и комплекта «Назад» (UZ2). С помощью тумблера SA1 устанавливаются заданные параметры трансформатора (фактически подключаются дополнительные реакторы). Параметры трансформатора в зависимости от положения тумблера SA1 приведены в таблице 11. Таблица 11. Параметры трансформатора Индуктивное Активное Первичное Вторичное сопротивление сопротивление, Положение фазное фазное рассеяния, приведенное к тумблера напряжение напряжение приведенное к вторичной U1, В U2, В вторичной стороне ra, Ом стороне xa, Ом 1 220 48 4,3 1,65 2 220 48 0,3 1,5 В модуле установлена система управления (СУ) преобразователя, построенная на основе микроконтроллера. При подаче напряжения на гнезда А, В, С микроконтроллер СУ обеспечивает требуемый порядок включения элементов схемы, в том числе контактора К1, и подачу управляющих импульсов на тиристоры в соответствии с заданным углом управления. Потенциометр RP1 служит для регулирования напряжения на входе системы управления СУ с целью установки требуемого угла управления. Измерительный прибор Р1 служит для измерения угла управления α. 42 В модуле «Тиристорный преобразователь» установлены датчики тока (ДТ) и напряжения (ДН), служащие для получения осциллограмм напряжений и токов в схеме. На гнезда Х16 и Х17 подаются сигналы напряжения, а на гнезда Х19 и Х20 – сигналы тока. Гнезда Х15, Х18 и общий провод «⊥» служат для подключения выходных цепей ДН и ДТ к осциллографу. Коэффициент преобразования датчиков напряжения k Н=40, коэффициент преобразования датчиков тока kТ=0,25 А/В. Фактические значения напряжения и тока определяются умножением значений, измеренных при помощи осциллографа, на соответствующий коэффициент датчика. С помощью тумблеров SA2 и SA3 изменяется полоса пропускания датчиков, что позволяет наблюдать на экране осциллографа сигнал (положение «2») или его первую гармонику (положение «1»). Питание модуля «Тиристорный преобразователь» осуществляется через гнезда А, В, С на лицевой панели от источника трехфазного переменного напряжения (линейное напряжение 380 В) через автомат QF2, расположенный в модуле питания. Максимальный выпрямленный ток установки не должен превышать Id=1 A. Модуль «Тиристорный преобразователь» снабжен защитой от перегрузки, срабатывающей при токе Id=2 A. Нагрузкой для модуля «Тиристорный преобразователь» является модуль «Нагрузка» (см. рисунок 31). Она обеспечивает работу исследуемого преобразователя на активно-индуктивную нагрузку. На лицевой панели изображена мнемосхема и установлены коммутирующие и регулирующие элементы. В нагрузке регулируются только активные сопротивления, а индуктивности остаются почти неизменными. Регулирование производится переключателем SA1. Значения резисторов, соответствующие положениям переключателя, приведены в таблице 12. Таблица 12. Активное сопротивление нагрузки Положение переключателя 1 2 3 SA1 Сопротивление нагрузки, 100 200 400 Ом 4 5 7 600 1000 1600 В данной работе используется одна фаза модуля «Нагрузка». Сглаживающий реактор L1 индуктивностью 80 мГн вместе с резистором RP1 выполняют роль регулируемой активно-индуктивной нагрузки. В таблице 13 приведены измерительные приборы, а в таблице 14 датчики тока и напряжения, используемые в лабораторной работе, в соответствии с принятыми обозначениями на принципиальной схеме (см. рисунок 32). 43 Рисунок 30. Модуль «Тиристорный преобразователь» Рисунок 31. Модуль «Нагрузка» Таблица 13. Перечень измерительных приборов Измеряемые величины Действующее значение вторичного напряжения трансформатора U2 Среднее значение выпрямленного напряжения Ud Среднее значение выпрямленного тока Id Обозначение прибора Предел измерения Месторасположение прибора (название модуля) PV1 ~ 0…200 В Мультиметры PV2 = 0…200 В Мультиметры PA1 – Модуль измерительный 44 Таблица 14. Перечень датчиков Измеряемый сигнал Обозначение прибора Месторасположение прибора (название модуля) Мгновенное значение выпрямленного напряжения ud ДН1 Тиристорный преобразователь Методические указания по выполнению лабораторной работы Необходимо собрать схему для выполнения лабораторной работы в соответствии с принципиальной электрическаой схемой исследуемого трехфазного двухполупериодного тиристорного выпрямителя представленной на рисунке 32. В модуле «Тиристорный преобразователь» переключить тумблер SA1 в положение, соответствующее заданным параметрам трансформатора (в соответствии с указаниями преподавателя). Установить переключатель SA1 на модуле «Нагрузка» в положение максимального сопротивления (крайнее правое положение). Установить переключателем SA1 необходимое сопротивление на модуле «Нагрузка». При включенном автомате QF1 «Модуля питания» запрещается переключать тумблер SA1 в модуле «Тиристорный преобразователь», изменять места включения измерительных модулей и производить другие пересоединения. Порядок выключения – обратный. Выключатель «Модуля питания стенда» выключается только в конце работы. При срабатывании защиты по току необходимо отключить автомат QF1 «Модуля питания», проверить схему, включить автомат «Модуля питания». Тумблеры SA2 и SA3 датчиков напряжения (ДН1) и тока (ДТ1) в модуле «Тиристорный преобразователь» установить в положение «2» (фильтр выключен). Установить требуемые пределы измерений на измерительных приборах согласно таблице 3. Снять осциллограммы выпрямленного напряжения ud. Для этого подключить выходы осциллографа к датчику напряжения ДН1 (канал CH1 – гнездо X15, корпус осциллографа соединить с гнездом «⊥»). Проверить величину заданного угла α и сопротивление нагрузки RН. Сохранить осциллограммы udα. Измерить и записать действующее значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора вольтметром PV1 модуля «Мультиметры» и варьируя угол управления α рассчитать и построить регулировочную характеристику в соответствии с формулой (34). Снять регулировочные характеристики выпрямителя Udα=f(α) при двух значениях сопротивления нагрузки (по указанию преподавателя). Характеристики снимать, изменяя угол α ручкой потенциометра RP1 в модуле «Тиристорный преобразователь» так, чтобы выпрямленное напряжение Udα 45 изменялось в диапазоне от максимального значения до нуля. Результаты измерений занести в таблицу 15. Построить характеристики на одной координатной плоскости. Таблица 15. Регулировочная характеристика RН=… Ом RН=… Ом № α, град Ud, В α, град Ud, В 1 … n Снять внешние характеристики Ud=f(Id) при заданных значениях α (по указанию преподавателя). Характеристики снимать, изменяя ток нагрузки Id переключателем SA1 в модуле «Нагрузка». Результаты измерений занести в таблицу 16. Построить характеристики на одной координатной плоскости. По формуле (36) рассчитать теоретическую зависимость и нанести её на график. Снизить ток нагрузки Idα до нуля (установить переключатель SA1 модуля «Нагрузка» в крайне правое положение), выключить автомат QF2 «Модуля питания». A Модуль питания B C N QF2 A B Тиристорный преобразователь C К + X4 X3 X1 RP1 СУ Uупр X2 X7 T UZ1 V PV1 PA1 X14 A VS1 VS3 VS5 VS2 VS4 VS6 X16 V PV2 ДН1 X8 X1 L1 Нагрузка RP1 X15 X17 X7 X11 Рисунок 32. Принципиальная электрическая схема исследования трехфазного двухполупериодного тиристорного выпрямителя 46 Таблица 16. Внешняя характеристика α, град № Id , А Ud, В 1 … n α, град Id , А Ud, В Содержание отчета Отчет выполняется СТРОГО индивидуально и должен содержать следующие пункты: 1. наименование и цель работы; 2. принципиальные электрические схемы для выполненных экспериментальных исследований; 3. результаты экспериментальных исследований: таблицы, экспериментально снятые и построенные характеристики, обработанные осциллограммы; 4. на экспериментальную регулировочную характеристику нанести расчетную (теоретическую) зависимость; 5. выводы по работе. Контрольные вопросы Назовите основные величины, используемые при описании работы выпрямителей. 2. Объясните принцип работы трехфазного двухполупериодного тиристорного выпрямителя. 3. По каким признакам классифицируются выпрямители? 4. Какова частота пульсации в изучаемой схеме? 5. Что такое внешняя характеристика выпрямителя? 6. Что такое регулировочная характеристика, от каких параметров зависит ее вид? 7. Будут ли осциллограммы, снятые в лабораторной работе отличаться от временных диаграмм? Почему? 8. Порядок включения и выключения лабораторной установки. Какие переключения, и при каких условиях запрещается производить? 9. Как снять внешние и регулировочные характеристики выпрямителя при помощи измерительных приборов стенда? 10. Как определить масштабы по напряжению (току) и времени при осциллографировании сигналов при помощи осциллографа? 1. 47 Лабораторная работа №4 «Исследование инвертирующего усилителя и интегратора» Цель работы Изучение схем включения и характеристик инвертирующего усилителя и интегратора. Краткие теоретические сведения Операционный усилитель (ОУ) – это усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления, имеющий дифференциальный вход и один выход. В настоящее время СУ применяют не только для выполнения различных операций над аналоговыми величинами (сложение, вычитание, интегрирование и др.), но и для других целей. Их применяют в усилительной технике, устройствах генерирования сигналов синусоидальной формы, импульсной формы, в стабилизаторах напряжения, активных фильтрах и т.д. Условно-графическое обозначение операционного усилителя представлено на рисунке 33. Рисунок 33. Условное графическое ОУ Функциональная схема операционного усилителя представлена на рисунке 34. +Uп U1 U2 Входной каскад Каскады промежуточного усиления Оконченный каскад Uвых -Uп Рисунок 34. Функциональная схема ОУ Дифференциальный каскад, применяемый в качестве входного каскада усилителя, составляет основу ОУ. Выходным каскадом ОУ обычно служит эмиттерный повторитель (ЭП), обеспечивающий требуемую нагрузочную способность усилителя. Поскольку коэффициент усиления по напряжению ЭП близок к единице, необходимое значение коэффициента усиления операционного усилителя достигается с помощью дополнительных усилительных каскадов, включаемых между дифференциальным каскадом и ЭП. 48 Операционные усилители оценивают по усилительным, входным, выходным, дрейфовым и частным параметрам. Важнейшей характеристикой ОУ является амплитудная (передаточная) характеристика, представляющая собой зависимость выходного напряжения от входного напряжения при постоянной частоте. Характеристика, снятая при подаче, например, сигнала на неинвертирующий вход усилителя при нулевом сигнале на инвертирующем входе, имеет горизонтальный и наклонный участки (см. рисунок 35). Горизонтальные участки соответствуют режиму полностью открытого (насыщенного), либо закрытого транзистора выходного каскада (эмиттерного повторителя). При изменении напряжения входного сигнала на этих участках выходное напряжение усилителя остается без изменения и определяется + − напряжениями 𝑈вых 𝑚𝑎𝑥 и 𝑈вых 𝑚𝑎𝑥 , значения которых зависят от напряжения источников питания и схемы выходного каскада. Наклонному (линейному) участку кривых соответствует пропорциональная зависимость выходного напряжения от входного. Угол наклона участка определяется коэффициентом усиления ОУ. Uвых +Uп + Uвых max Линейный участок Uвх Uсд Uсм Uвых max -Uп Рисунок 35. Амплитудная характеристика ОУ Коэффициент усиления ОУ определяется из линейного участка амплитудной характеристики в соответствии с выражением: ∆𝑈 𝐴 = вых (39) ∆𝑈вх Значение коэффициента усиления зависит от типа ОУ и может составлять от нескольких сотен до сотен тысяч и более. В операционном усилителе, как и в любом усилителе, необходимо, чтобы при Uвх=0 Uвых=0, т.е. дифференциальный каскад должен быть сбалансирован. Однако в реальных ОУ условия баланса обычно нарушается. При Uвх=0 выходное напряжение может быть больше или меньше нуля на ∆Uвых. Выходное напряжение будет равно нулю при некотором значении напряжения на входе, которое называют входным напряжением смещения 49 нуля – Uсм. Основной причиной появления Uсм является разброс параметров элементов дифференциального усилительного каскада (в частности, транзисторов). Зависимость параметров ОУ от температуры вызывает температурный дрейф входного и выходного напряжения. Входное сопротивление, входные токи смещения, дрейф и разность входных токов смещения, а также максимальное входное напряжение характеризуют входные цепи операционного усилителя, которые зависят от схемы используемого дифференциального входного каскада. Наличие перечисленных параметров приводит к тому, что при использовании ОУ приходится вводить дополнительные элементы для балансировки входного каскада. Выходными параметрами ОУ являются выходное сопротивление и максимальные выходные напряжение и ток. Операционный усилитель должен обладать малым выходным сопротивлением, чтобы при малых сопротивлениях нагрузки иметь максимальное выходное напряжение, которое приблизительно равно напряжению питания. Максимальный выходной ток ОУ определяется допустимым током коллектора выходного каскада (эмиттерного повторителя). При усилении гармонических колебаний проявляются частотные свойства транзисторов и паразитные емкости ОУ, которые приводят к снижению коэффициента усиления в области высоких частот. Эту зависимость оценивают по амплитудно-частотной характеристике, которая показывает зависимость коэффициента усиления ОУ от частоты входного сигнала при номинальном входном напряжении (см. рисунок 36). В диапазоне частот от нуля до f коэффициент усиления имеет постоянное значение (близкое к постоянному). При частотах больших, чем f , коэффициент усиления уменьшается. По амплитудно-частотной характеристике определяют полосу пропускания ОУ. ГР ГР A, о.е. A, дБ 1 1 0,71 2 83 80 -3 дБ A [дБ]=20lgA Полоса Полоса пропускания пропускания fГР 2 10 10 4 fГР f1 10 6 10 8 10 10 f, Гц 10 2 10 4 f1 10 6 108 1010 f, Гц Рисунок 36. Амплитудно-частотная характеристика ОУ Рассмотрим некоторые схемы включения ОУ, режим работы которого осуществляется в пределах линейного участка амплитудно-частотной характеристики. Реальные значения параметров ОУ позволяют, в частности, без внесения заметных погрешностей при расчете на ОУ принимать А→∞, RВХ→∞, RВЫХ→0. 50 Широкое практическое использование ОУ в аналоговых схемах основывается на применении различного рода внешних обратных связей. Схема инвертирующего усилителя, приведенная на рисунке 37, содержит параллельную отрицательную обратную связь по напряжению. Неинвертирующий вход соединяют с корпусом, входной сигнал подают через резистор R1 на инвертирующий вход. Резистор RОС обеспечивает обратную связь. RОС R1 0 0 0 Uвх RН Uвых 0 Рисунок 37. Принципиальная электрическая схема инвертирующего усилителя Данный усилитель обеспечивает фазу (полярность) выходного сигнала противоположную входному. Коэффициент усиления по напряжению такого усилителя определяется следующим образом: 𝑅 𝐴 = − ОС (40) 𝑅1 Входное сопротивление инвертирующего усилителя: 𝑅ВХ = 𝑅1 Выходное сопротивление инвертирующего усилителя: (41) 𝑅 𝑅1 𝑅ВЫХ ОУ (1+ ОС ) 𝑅ВЫХ = , (42) 𝐴 где 𝑅ВЫХ ОУ – выходное сопротивлении ОУ без обратной связи. Также широкое практическое применение получил интегратор. Интегратор – устройство, сигнал которого в любой момент времени прямо пропорционален интегралу от входного сигнала. Таким образом данное устройство предназначено для интегрирования аналоговых сигналов. Принципиальная электрическая схема интегратора на ОУ представлена на рисунке 38. С R 0 0 0 Uвх RН Uвых 0 Рисунок 38. Принципиальная электрическая схема интегратора на ОУ 51 Напряжение на выходе интегратора определяется в соответствии со следующим выражением: 1 𝑡 𝑈вых (𝑡) = 𝑈𝐶 (0) − ∫0 𝑈вх (𝑡) 𝑑𝑡, (43) 𝑅𝐶 где 𝑈𝐶 (0) – напряжение на конденсаторе в начальный момент времени. Описание лабораторного стенда В лабораторной работе исследуется операционный усилитель (ОУ) КР140УД608. Лицевая панель лабораторного модуля «Операционный усилитель» представлена на рисунке 39. Рисунок 39. Модуль «Операционный усилитель» На панели модуля представлена мнемосхема исследуемого усилителя и установлены регулирующие и коммутирующие элементы. С помощью потенциометра RP1 на вход усилителя (гнезда Х4, Х8, Х9, Х12) может быть подано регулируемое постоянное напряжение как с положительной, так и отрицательной полярностью или переменный сигнал от функционального генератора, подключаемого между гнездами Х11 – Х14. С помощью переключателей SA1…SA4 изменяются параметры соответствующих элементов схемы (см. таблицу 17). В качестве источника переменного входного сигнала используется «Модуль функциональный генератор». Измерение постоянных напряжений осуществляется вольтметром модуля мультиметров. Для осциллографирования сигналов применяется двухканальный осциллограф. 52 Таблица 17. Параметры элементов SA1 SA2 R4, кОм С2, нФ 1 2 3 4 5 1 2 20 50 100 150 200 6,8 10,0 SA3 С1, нФ 1 2 1,5 10,0 SA4 R5, кОм 1 2 200 400 Сопротивления на входах операционного усилителя равны R1=R2=R3=10 кОм; сопротивление нагрузки Rн=10 кОм. Напряжение питания ОУ двухполярное Uп=±15 В. Методические указания по выполнению лабораторной работы Исследование инвертирующего усилителя Принципиальная электрическая схема исследования инвертирующего усилителя представлена на рисунке 40. Необходимо собрать цепь отрицательной обратной связи по напряжению, соединив перемычками гнезда Х6 – Х7. К инвертирующему входу усилителя подключить источник постоянного регулируемого напряжения. Неинвертирующий вход усилителя заземлить. Для измерения напряжений на входе и выходе усилителя между подключить мультиметры в режиме измерения напряжения постоянного тока. Обратите внимание на полярности мультиметров при их подключении на входе и выходе инвертирующего усилителя. Установить переключатель SA1 в соответствующее положение с учетом заданного по варианту значения сопротивления R4. Включить питание модуля. R4 + R1 0 - Uвх 0 V1 R3 0 0 RP1 Uвых RН V2 Рисунок 40. Принципиальная электрическая схема исследования инвертирующего усилителя Снимите амплитудную характеристику усилителя на постоянном токе UВЫХ=f(UВХ) для заданного по варианту сопротивления обратной связи R4, используя схему, представленную на рисунке 40. Для этого изменяйте постоянное напряжение на входе, регулируемое при помощи потенциометра RP1. Данные заносите в таблицу 18. По построенной характеристике определить коэффициент передачи инвертирующего усилителя, сравните с расчетным значением в соответствии с выражением (40). 53 Таблица 18. Амплитудная характеристика ОУ № UВХ, В 1 … n UВЫХ, В Снимите амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) инвертирующего усилителя для заданного значения R4, используя принципиальную электрическую схему на рисунке 41. Для этого необходимо подключить «Функциональный генератор», отсоединив источник постоянного регулируемого напряжения. Для измерения напряжений на входе и выходе усилителя подключить мультиметры в режиме измерения напряжения переменного тока. Обратите внимание на полярности мультиметров при их подключении на входе и выходе инвертирующего усилителя. Установить переключатель SA1 в соответствующее положение с учетом заданного по варианту значения сопротивления R4. Установить на выходе функционального генератора переменное синусоидальное напряжение (~) частотой порядка 300 Гц. С помощью функционального генератора установить напряжение на выходе операционного усилителя 10 В. Снимите и постройте зависимость действующего напряжения на выходе инвертирующего усилителя от частоты UВЫХ=f(fсиг). Результаты измерений занесите в таблицу 19. R4 R1 0 V1 0 G R3 0 0 Uвх Uвых RН V2 Рисунок 41. Принципиальная электрическая схема для снятия амплитудночастотной характеристики инвертирующего усилителя Таблица 19. Амплитудно-частотная характеристика инвертирующего усилителя № fсиг, Гц UВЫХ, В 1 … n Постройте АЧХ и по ней определите полосу пропускания усилителя для коэффициента частотных искажений на высоких частотах. 54 Исследование интегратора на операционном усилителе Соберите интегратор согласно принципиальной электрической схеме на рисунке 42, соединив перемычками гнезда Х1 – Х5, Х2 – Х7, Х4 – Х11, Х12 – Х14. Подключите «Функциональный генератор». Установить переключатель SA2 в соответствующее положение с учетом заданного по варианту значения емкости С2. Исследование работы интегратора осуществляется в режиме генератора пилообразного напряжения. Для этого на функциональном генераторе установить прямоугольное знакопеременное напряжение с частотой fсиг, заданной в таблице вариантов, и амплитудой Umax=13,5 В. Напряжение на входе uВХ и выходе uВЫХ контролируйте при помощи осциллографа, подключив вход СН2 осциллографа к выходу усилителя (гнездо Х10), вход СН1 – к инвертирующему входу усилителя (гнездо Х4), а корпус осциллографа «⊥» – к Х14. При необходимости подстройте амплитуду Umax знакопеременного прямоугольного сигнала так, чтобы пилообразный выходной сигнал интегратора стал симметричным относительно нуля. Сохраните осциллограммы. Снимите зависимость амплитуды выходного напряжения от частоты Uпmax=f(fсиг) при постоянном по амплитуде входном прямоугольном сигнале, используя схему на рисунке 42. Амплитуды напряжений замеряйте при помощи осциллографа. Результаты занесите в таблицу 20. C2 CH2 (Y) R1 0 0 0 CH1 (X) G 0 Uвх RН Uвых R3 Рисунок 42. Принципиальная электрическая схема исследования интегратора Таблица 20. Амплитудно-частотная характеристика интегратора № fсиг, Гц Uпmax, В 1 … n Постройте зависимость амплитуды выходного напряжения от частоты Uпmax=f(fсиг) и отметьте полосу пропускания. Выключите питание модуля 55 Содержание отчета Отчет выполняется СТРОГО индивидуально и должен содержать следующие пункты: 1. наименование и цель работы; 2. принципиальные электрические схемы для выполненных экспериментальных исследований; 3. результаты экспериментальных исследований: таблицы, экспериментально снятые и построенные характеристики, обработанные осциллограммы; 4. выводы по работе. Контрольные вопросы 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. № 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Что называется операционным усилителем? Каковы основные параметры операционного усилителя? Какие допущения принимаются для операционного усилителя при выводе коэффициента передачи с различными обратными связями? Какой знак будет иметь выходное напряжение инвертирующего усилителя, если на вход подано отрицательное напряжение? Что такое амплитудная и амплитудно-частотная характеристики усилителя? Как определить полосу пропускания усилителя? Как по амплитудной характеристике ОУ определить напряжение смещения и коэффициент усиления? Как получить на выходе интегрирующего усилителя пилообразное напряжение? Таблица вариантов Инвертирующий Интегратор усилитель Форма напряжения R4, кОм С2, нФ uВХ 20 10,0 50 10,0 100 10,0 150 10,0 200 10,0 20 10,0 50 6,8 100 6,8 150 6,8 200 6,8 20 6,8 50 6,8 100 10,0 150 10,0 fсиг, Гц 200 200 200 400 400 400 200 200 200 400 400 400 200 200 56 № Инвертирующий усилитель R4, кОм 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 200 20 50 100 150 200 20 50 100 150 Интегратор Форма напряжения uВХ С2, нФ fсиг, Гц 10,0 10,0 10,0 10,0 6,8 6,8 6,8 6,8 6,8 6,8 200 400 400 400 200 200 200 400 400 400 57 Лабораторная работа №5 «Исследование компараторов и мультивибратора» Цель работы Изучение различных схем включения и характеристик компараторов и мультивибратора на базе операционного усилителя. Краткие теоретические сведения Простейший компаратор получается из операционного усилителя (ОУ), в котором отсутствует отрицательная обратная связь. Рассмотрим принцип работы компаратора напряжений на основе ОУ, схема которого представлена на рисунке 43. В основе компаратора лежит ОУ на инвертирующий вход, которого поступает входное напряжение UBX, а неинвертирующий вход соединён с источником опорного напряжения UОП. Принцип работы компаратора, изображённого на рисунке 43, заключается в следующем, когда входное напряжение UBX больше опорного UОП, то выходное напряжение принимает значение отрицательного напряжения насыщения –UНАС и остаётся неизменным пока входное напряжение UBX не уменьшиться ниже опорного напряжения UОП, в этом случае на выходе будет напряжение положительного насыщения +UНАС. На рисунке 43 представлен компаратор с инвертирующим выходным сигналом по отношению к входному сигналу. U uвх Uоп 0 0 Uоп 0 0 Uвх t Uвых Uвых t Рисунок 43. Принципиальная электрическая схема компаратора и временная диаграмма, поясняющая принцип работы Существует много разновидностей компараторов, но в их основе лежат две основные схемы: одновходовая и двухвходовая. Одновходовая схема позволяет сравнивать разнополярные напряжения по модулю, то есть по абсолютной величине. Двухвходовый же компаратор сравнивает два напряжения с учётом знака. Основным недостатком одновходового компаратора является необходимость использования стабилизированного отрицательного напряжения, что приводит к усложнению схемы. Поэтому он не получил широкого распространения. 58 Наибольшее распространение получила схема двухвходового компаратора, в котором отсутствует необходимость в отрицательном напряжении. Схема данного компаратора представлена на рисунке 44. В основе двухвходового компаратора лежит дифференциальный усилитель, в котором отсутствует отрицательная обратная связь, поэтому разность между входным напряжением UBX и UОП опорным напряжение усиливается ОУ, не имеющего снижения коэффициента усиления из-за отсутствуя отрицательной обратной связи, и выделяется на выходе ОУ. В данной схеме входные резисторы R1 и R2 имеют одинаковое значение. Амплитудная характеристика данного компаратор представлена на рисунке 44. При использовании компаратора в схемах, где входное напряжение медленно меняется и амплитуда сигнала очень близка к опорному напряжению, то шумы на входном выводе могут вызвать ложные срабатывания компаратора и на его выходе могут появиться дополнительные импульсы, что продемонстрировано на рисунке 45. Uвых R1 0 0 Uвх Uоп 0 Uвх R2 Uвых 0 Uоп Рисунок 44. Принципиальная электрическая схема двухвходового компаратора и его амплитудная характеристика U uвх Uоп t Uвых t Ложные срабатывания Рисунок 45. Временная диаграмма, поясняющая принцип работы двухвходового компаратора Для устранения таких ложных срабатываний компаратора, известных, как «дребезг контактов», в его схему вводится некоторый гистерезис, путём 59 добавления положительной обратной связи (ПОС) к операционному усилителю, данная схема получила название триггера Шмитта. Уровни напряжения, при которых происходит переключение триггера Шмитта называются верхним уровнем (порогом) срабатывания триггера UВП и нижним уровнем (порогом) срабатывания триггера UНП. Работа триггера Шмитта во многом похожа на работу компаратора, только в отличие от него в триггере опорное напряжение не постоянно, а зависит от разности выходного и опорного напряжений, то есть имеет различные значения. Принципиальная электрическая схема триггера Шмитта и его амплитудная характеристика представлены на рисунке 46. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы триггера Шмитта представлены на рисунке 47. Uвых R1 0 0 Uвх 0 R2 Uоп Uвых 0 Uоп Uнп Uвп Uвх R3 Рисунок 46. Принципиальная электрическая схема компаратора и временная диаграмма, поясняющая принцип работы U Uвп uвх Uнп t Uвых t Рисунок 47. Временная диаграмма, поясняющая принцип работы триггера Шмитта Рассмотрим инвертирующий триггер Шмитта. В исходном состоянии входное напряжение не превышает верхнего уровня срабатывания триггера UВП, поэтому на выходе присутствует положительное напряжение насыщения UНАС+ (примерно на 1…2 В ниже положительного напряжения питания UПИТ+), когда входное напряжение достигает верхнего порога переключения UВП выходное напряжение резко упадёт до уровня отрицательного напряжения насыщения UНАС- (примерно на 1…2 В выше отрицательного напряжения 60 питания UПИТ-). Верхний уровень напряжения переключения триггера Шмитта определяется в соответствии с выражением (44). 𝑈ВП = 𝑈ОП + 𝑅2 (|𝑈НАС+ |+𝑈ОП ) 𝑅2 +𝑅3 (44) Далее триггер остаётся в устойчивом состоянии до тех пор, пока входное напряжение не станет меньше нижнего порога срабатывания UНП, а на выходе триггера установится положительное напряжение насыщения UНАС+. Нижний порог срабатывания триггера определяется выражением (45). − |+𝑈ОП ) 𝑅 (|𝑈 𝑈НП = 𝑈ОП − 2 НАС (45) 𝑅2 +𝑅3 Петля гистерезиса может быть изменена подбором резисторов R2 и R3. При этом ширина петли гистерезиса UГИС определяется разностью верхнего порога срабатывания UВП и нижнего порога срабатывания UНП в соответствии с выражением (46). 𝑈ГИС = 𝑈ВП − 𝑈НП = 𝑅2 (|𝑈НАС+ |+|𝑈НАС− |) 𝑅2 +𝑅3 (46) Триггеры Шмитта на ОУ являются основой для построения различных генераторов импульсов, поэтому важнейшими характеристиками ОУ работающих в импульсных схемах является быстродействие, которое зависит от задержек срабатывания и времени нарастания выходного напряжения. Автоколебательным мультивибратором или просто мультивибратором называют генератор прямоугольных импульсов. В его основе лежит триггер Шмитта или компаратор с гистерезисом, но в отличие от триггера напряжение на инвентирующем входе в мультивибраторе формируется интегрирующей цепочкой R1C (см. рисунок 48). Данный мультивибратор состоит из операционного усилителя, который охвачен положительной обратной связью через резисторы R2R3 и отрицательной обратной связью при помощи интегрирующей цепочки R1C. В основе работы мультивибратора лежит триггер Шмитта, который создается положительную обратную связь (ПОС) при помощи резисторов R2 и R3. Таким образом, в момент подачи питания конденсатор полностью разряжен, то есть на инвертирующем входе ОУ напряжение равно нулю. В тоже время на выходе ОУ, вследствие неидеального ОУ, присутствует некоторое положительное напряжение, часть которого через ПОС R 2R3 поступает на неинвертирующий вход ОУ. Далее происходит усиление этого напряжения и на выходе ОУ происходит дальнейший рост напряжения. Напряжение с выхода ОУ поступает также через цепочку R1C, но вследствие того, что интегрирующая цепочка задерживает сигнал, то рост напряжения на конденсаторе С, а, следовательно, и на инвертирующем входе будет происходить медленнее, чем на неинвертирующем. И в результате разность напряжений на инвертирующем и неинвертирующем входах будет расти, а, следовательно, будет происходить рост выходного напряжения. В некоторый момент времени напряжение на конденсаторе UC (а также на инвертирующем входе) достигнет напряжения верхнего порогового уровня UВП триггера Шмитта и выходное напряжение UВЫХ скачком станет равным 61 отрицательному напряжению насыщения UНАС-. В результате чего ток через резистор R1 изменится на противоположный, а конденсатор С начнёт разряжаться. Разряд конденсатора будет происходить до напряжения нижнего порога переключения UВП триггера. После этого также скачкообразно произойдёт переключение выходного напряжения с отрицательного насыщения к положительному напряжению насыщения UНАС+ триггера Шмитта. Данные переключения иллюстрирует временная диаграмма на рисунке 49. R1 С 0 0 0 R2 Uвых 0 R3 Рисунок 48. Принципиальная электрическая схема мультивибратора Uвых t Uс Uвп t Uнп Рисунок 49. Временная диаграмма, поясняющая принцип работы мультивибратора Частота выходных импульсов мультивибратора зависит от постоянного времени интегрирующей цепочки R1C, а также от ширины петли гистерезиса и в общем случае определяется в соответствии с выражением (47). 1 𝑓= (47) 1+𝛽 , 2𝑅1 𝐶 ln( где 𝛽 = 𝑅2 𝑅2 +𝑅3 ) 1−𝛽 . В случае равенства сопротивлений резисторов в цепи ПОС R2 и R3 выражение (47) примет вид в соответствии с выражением (48). 1 𝑓≈ (48) 2,2𝑅1 𝐶 62 Описание лабораторного стенда В лабораторной работе исследуется операционный усилитель (ОУ) КР140УД608. Лицевая панель лабораторного модуля «Операционный усилитель» представлена на рисунке 50. Рисунок 50. Модуль «Операционный усилитель» На панели модуля представлена мнемосхема исследуемого усилителя и установлены регулирующие и коммутирующие элементы. С помощью потенциометра RP1 на вход усилителя (гнезда Х4, Х8, Х9, Х12) может быть подано регулируемое постоянное напряжение как с положительной, так и отрицательной полярностью или переменный сигнал от функционального генератора, подключаемого между гнездами Х11 – Х14. С помощью переключателей SA1…SA4 изменяются параметры соответствующих элементов схемы (см. таблицу 21). В качестве источника переменного входного сигнала используется «Модуль функциональный генератор». Измерение постоянных напряжений осуществляется вольтметром модуля мультиметров. Для осциллографирования сигналов применяется двухканальный осциллограф. Таблица 21. Параметры элементов SA1 SA2 R4, кОм С2, нФ 1 2 3 4 5 1 2 20 50 100 150 200 6,8 10,0 SA3 С1, нФ 1 2 1,5 10,0 SA4 R5, кОм 1 2 200 400 63 Сопротивления на входах операционного усилителя равны R1=R2=R3=10 кОм; сопротивление нагрузки Rн=10 кОм. Напряжение питания ОУ двухполярное Uп=±15 В. Методические указания по выполнению лабораторной работы Исследование компаратора Принципиальная электрическая схема исследования компаратора представлена на рисунке 51. Для выполнения лабораторной работы необходимо источник опорного напряжения подключить к неинвертирующему входу ОУ (соединить перемычкой гнезда Х3 – Х12). Между гнездами Х11 – Х14 подключить источник входного сигнала uвх (модуль «Функциональный генератор»), и соединить перемычкой гнезда Х4 – Х11.Вольтметр включить между гнездами X12 – X14. Включить питание модуля. R1 0 0 0 CH1 (X) + CH2 (Y) R3 G RP1 0 Uвх RН Uвых - V Uоп Рисунок 51. Принципиальная электрическая схема исследования компаратора Снять осциллограммы работы компаратора при сравнении постоянного (опорного) и переменного напряжений. Для этого канал СН2 осциллографа подключить к выходному гнезду Х10 операционного усилителя, а канал СН1 – к входному переменному напряжению (гнездо Х4), корпус осциллографа «⊥» соединить с гнездом X14. Установить амплитуду переменного синусоидального напряжения ручкой модуля «Функциональный генератор» на уровне 2,5 В с частотой 10 Гц и на протяжении всех опытов не изменять. Опорное напряжение UОП установить согласно таблице вариантов. Сохранить показания осциллографа входное uвх и выходное uвых напряжения. Построить амплитудную характеристику с учетом полученной осциллограммы и значения UОП. Выключите питание модуля Исследование триггера Шмитта Принципиальная электрическая схема исследования триггера Шмитта представлена на рисунке 52. Для выполнения лабораторной работы необходимо собрать схему двухвходового компаратора с положительной обратной связью, соединив гнезда Х10 – Х13. Включить питание модуля. 64 R1 0 0 0 CH1 (X) + CH2 (Y) R3 G RP1 0 Uвх RН Uвых R5 - V Uоп Рисунок 52. Принципиальная электрическая схема исследования триггера Шмитта Снять осциллограммы работы триггера Шмитта при сравнении постоянного (опорного) и переменного напряжений. Для этого канал СН2 осциллографа подключить к выходному гнезду Х10 операционного усилителя, а канал СН1 – к входному переменному напряжению (гнездо Х4), корпус осциллографа «⊥» соединить с гнездом X14. Установить амплитуду переменного синусоидального напряжения ручкой модуля «Функциональный генератор» на уровне 2,5 В с частотой 10 Гц и на протяжении всех опытов не изменять. Опорное напряжение UОП установить согласно таблице вариантов. Сохранить показания осциллографа входное uвх и выходное uвых напряжения. Построить амплитудную характеристику с учетом полученной осциллограммы и значения UОП. Переключив развертку осциллографа в положение X/Y. Сохранить показания осциллографа. По показаниям осциллографа определить ширину петли гистерезиса. Выключите питание модуля Исследование мультивибратора Для выполнения лабораторной работы необходимо собрать схему мультивибратора (см. рисунок 53). Для этого отсоединить все источники напряжений от входных цепей операционного усилителя (гнезда Х4, Х8, Х9, Х12). Собрать цепь положительной обратной связи, соединив перемычкой гнезда: Х10 – Х12 и Х13 – Х14, а затем RC-цепь, установив дополнительные перемычки между гнездами: Х6 – Х7, Х1 – Х5 и Х2 – Х14. При помощи переключателей SA1, SA2 и SA4 установить заданные значения сопротивлений и емкостей в соответствии с таблицей вариантов. Включить питание модуля. 65 R4 0 0 0 CH1 C2 0 RН Uвых R3 R5 Рисунок 53. Принципиальная электрическая схема исследования мультивибратора Снять осциллограммы работы мультивибратора. Для этого канал СН1 осциллографа подключить к выходному гнезду Х10 операционного усилителя, а корпус осциллографа «⊥» соединить с гнездом X14. Сохранить показания осциллографа. Обработать осциллограммы. Определить масштабы по осям Y и X, частоту на выходе. Сравнить экспериментальное значение частоты на выходе мультивибратора с расчетной. Исследовать влияние сопротивлений R4 и R5 на изменение частоты на выходе мультивибратора. Для этого с помощью переключателя SA1 установить любое значение R4. Сохранить осциллограммы. По показаниям осциллографа определить выходную частоту мультивибратора. Установить первоначальное значение сопротивления R4. Аналогичные действия повторить для сопротивления R5. Полученные экспериментальные данные заносятся в таблицы 22, 23. Таблица исследования № опыта Нумерация 22. осциллограмм экспериментального С2, нФ R4, кОм R5, кОм 20 400 2 10 6,8 6,8 400 3 6,8 20 50 100 150 200 200 1 Наименование файла 400 200 66 Таблица 23. Результаты расчета и экспериментальных исследований R3,кОм R4,кОм R5,кОм C2,нФ fвых,Гц fвых_опыт,Гц δ, % β Выключите питание модуля Содержание отчета Отчет выполняется СТРОГО индивидуально и должен содержать следующие пункты: 1. наименование и цель работы; 2. принципиальные электрические схемы для выполненных экспериментальных исследований; 3. результаты экспериментальных исследований: таблицы, экспериментально снятые и построенные характеристики, обработанные осциллограммы; 4. выводы по работе. Контрольные вопросы 1. 2. 3. 4. 5. 6. Что называется компаратором? Почему операционный усилитель, включенный без обратной связи, работает как релейный элемент (компаратор)? Зачем в компараторе применяется положительная обратная связь? Как получить периодические прямоугольные импульсы на выходе компаратора? Что такое передаточная (амплитудная) характеристика и как она выглядит для разных схем компаратора? Как зависит вид передаточной (амплитудной) характеристики регенеративного компаратора от сопротивления обратной связи? № варианта 1 2 3 4 5 6 7 8 UОП, В 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 1,8 1,6 1,4 Таблица вариантов R4, кОм R5, кОм 20 200 50 200 100 200 150 200 200 400 20 400 50 400 100 400 С2, нФ 10 10 10 10 10 10 10 10 67 № варианта 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 UОП, В 1,2 1,0 1,5 1,3 1,1 0,9 0,7 1,7 1,5 1,3 1,1 0,9 0,7 0,6 0,8 0,7 R4, кОм 150 200 20 50 100 150 200 20 50 100 150 200 20 50 100 150 R5, кОм 400 200 200 200 200 200 400 400 400 400 400 200 200 400 400 400 С2, нФ 10 10 10 10 6,8 6,8 6,8 6,8 6,8 6,8 6,8 6,8 6,8 6,8 6,8 6,8 68 Лабораторная работа №6 «Исследование логических элементов» Цель работы Изучение работы интегральных логических элементов И, ИЛИ, НЕ и приобретение навыков по реализации логических функций. Краткие теоретические сведения Логические элементы (ЛЭ) являются основой для построения различных систем цифровой обработки информации и предназначены для выполнения операций алгебры логики (булевой алгебры) над дискретными сигналами при двоичном способе их представления, т.е. сигналами, принимающими только два значения: «0» и «1». ЛЭ могут быть выполнены на отдельных компонентах (резисторах, диодах, транзисторах и др.), а также в интегральном исполнении в виде микросхем (интегральные логические элементы). Интегральные ЛЭ по типу принципиальной электрической схемы базового элемента в серии разделяют на элементы диодно-транзисторной логики (ДТЛ), транзисторнотранзисторной логики (ТТЛ), эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ), инжекционно-интегральной логики (И2Л), элементы на комплементарных МОП-транзисторах (КМОП – структуры) и др. В цифровой электронике в любой точке схемы может присутствовать только один из двух уровней напряжения – или высокий (логическая единица – «1»), или низкий (логический ноль – «0»). Высокий или низкий уровень напряжения в определенной точке схемы может иметь несколько значений. Например, он может представлять замкнутый или разомкнутый переключатель или транзистор в режиме насыщения, один бит числа, факт события или необходимость предпринять определенное действие. Высокое и низкое состояния можно определить, как утверждения истины или ложности, которые используются в булевой логике. В большинстве случаев высокий уровень означает истину, а низкий – ложь. Но значение уровней условно: высокий уровень может означать ложь, а низкий истину. Какой из этих двух вариантов использовать, зависит в конечном итоге от разработчика. Точные значения напряжений, представляющих низкий и высокий уровни, зависят от конкретной используемой логической микросхемы. Как правило, +5 В считается высоким уровнем, а 0 В – низким. Но такое представление не всегда обязательно. Например, некоторые логические микросхемы считают любое напряжение в диапазоне от +2,4 В до +5 В высоким уровнем, а в диапазоне от 0 В до 0,8 В – низким. Диапазоны напряжений высокого и низкого уровней для других микросхем могут быть совершенно другими. Простейшими логическими операциями, которые выполняются с помощью логических элементов, являются следующие: логическое отрицание 69 (инверсия) – операция НЕ, логическое сложение (дизъюнкция) – операция ИЛИ и логическое умножение (конъюнкция) – операция И. Операция НЕ или логическое отрицание (инверсия) означает, что функция принимает значение противоположное аргументу, если x=0, то y=1; если x=1, то y=0. Операция НЕ обозначается чертой над переменной (аргументом): 𝑦 = 𝑥̅ . Логический элемент НЕ имеет один вход и один выход, его условное графическое обозначение представлено в таблице 22. Логическую функцию наиболее наглядно представляют таблицей соответствия или истинности, в которой для каждой комбинации значений переменных указывают значение функции. Операция ИЛИ – логическое сложение (дизъюнкция) обозначается знаком «+» или «˅»: 𝑦 = 𝑥1 + 𝑥2 ; 𝑦 = 𝑥1 ˅𝑥2 . Логический элемент ИЛИ имеет несколько входов (в исследуемых элементах количество входов равно двум) и один выход, его условное графическое обозначение и таблица истинности представлены в таблице 22. Операция И – логическое умножение (конъюнкция) обозначается знаком «•» или «˄»: 𝑦 = 𝑥1 ∙ 𝑥2 ; 𝑦 = 𝑥1 ˄𝑥2 . Логический элемент И имеет несколько входов (в исследуемых элементах количество входов равно двум) и один выход, его условное графическое обозначение и таблица истинности представлены в таблице 22. Используя логические элементы НЕ, ИЛИ, И, можно реализовать различные логические функции нескольких аргументов. Для того, чтобы затратить наименьшее количество ЛЭ при реализации конкретной логической функции, необходимо использовать основные аксиомы и законы булевой алгебры при синтезе логической схемы (схемы соединения логических элементов НЕ, ИЛИ, И). Применение аксиом и законов алгебры логически позволяет производить упрощение логических функций, т.е. представлять их в наиболее простой форме. Основные законы алгебры логики: рефлексивности, коммутативности, ассоциативности, дистрибутивности, двойного отрицания, поглощения и де Моргана. Законы рефлективности: 𝑎˅𝑎 = 𝑎 𝑎˄𝑎 = 𝑎 (49) (50) 𝑎˅𝑏 = 𝑏˅𝑎 𝑎˄𝑏 = 𝑏˄𝑎 (51) (52) Законы коммутативности: 70 Законы ассоциативности: (𝑎˄𝑏)˄𝑐 = 𝑎˄(𝑏˄𝑐) (𝑎˅𝑏)˅𝑐 = 𝑎˅(𝑏˅𝑐) (53) (54) Законы дистрибутивности: 𝑎˄(𝑏˅𝑐) = (𝑎˄𝑏)˅(𝑎˄𝑐) 𝑎˅(𝑏˄𝑐) = (𝑎˅𝑏)˄(𝑎˅𝑐) (55) (56) Закон двойного отрицания: ̅̅̅̅ (𝑎 ̅) = 𝑎 (57) 𝑎˄(𝑎˅𝑏) = 𝑎 𝑎˅(𝑎˄𝑏) = 𝑎 (58) (59) ̅̅̅̅̅̅̅̅ (𝑎˅𝑏) = 𝑎̅˄𝑏̅ ̅̅̅̅̅̅̅̅ (𝑎˄𝑏) = 𝑎̅˅𝑏̅ (60) (61) Законы поглощения: Законы де Моргана: Кроме перечисленных выше логических элементов НЕ, ИЛИ, И промышленность выпускает также логические элементы ИЛИ-НЕ и И-НЕ, с помощью которых реализуются соответствующие логические функции. Условные графические обозначения таблицы истинности выше описанных логических элементов представлены в таблице 22. Логические элементы И, И-НЕ, ИЛИ и ИЛИ-НЕ часто могут иметь больше, чем два входа (логические элементы исключающее ИЛИ и исключающее ИЛИ-НЕ могут иметь только два входа). Таблица 24. Логические элементы и их описание Логический Таблица Аналогия с элемент истинности переключателем НЕ (инверсия) Аналогия с транзистором +5 В Вход Вход 1 Выход Вход Выход Выход 0 1 1 0 + - Вкл.=1 Выкл.=0 Сигн. лампа (выход) Выход Вход 71 Логический элемент Таблица Аналогия с истинности переключателем И (конъюнкция) Аналогия с транзистором +5 В A B & A B Выход Выход A B Выход 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 0 1 A A B Выход + - Сигн. лампа (выход) Вкл.=1 Выкл.=0 B И-НЕ (элемент Шеффера) +5 В A B & A B Выход Выход A B Выход 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 +5 В A + - A Сигн. лампа (выход) Вкл.=1 Выкл.=0 B Выход B ИЛИ (дизъюнкция) +5 В A B 1 A B Выход Выход A B Выход 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 A A + - B Сигн. лампа (выход) Вкл.=1 Выкл.=0 B Выход ИЛИ-НЕ (элемент Пирса) +5 В A B 1 A B Выход Выход A B Выход 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 0 A B Выход 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 – 1 0 Исключающее ИЛИ-НЕ A B Выход 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 +5 В A + - Вкл.=1 Выкл.=0 A B Сигн. лампа (выход) Выход B Исключающее ИЛИ A B =1 A B A B A B Выход Выход =1 Выход Выход – – – 72 Описание лабораторного стенда Работа проводится на лабораторном модуле «Логические элементы и триггеры», лицевая панель которого изображена на рисунке 54. В работе исследуются простейшие комбинационные логические схемы типа «И-НЕ», «И», «ИЛИ-НЕ», «ИЛИ», «НЕ», «Исключающее ИЛИ», внутренняя структура которых построена на основе КМОП-логики (комплиментарная структура «металл-окисел-полупроводник»). Рисунок 54. Модуль логических элементов и триггеров (с выделением используемых в ходе лабораторной работы блоков) Источник «Уровень логический» предназначен для формирования логических сигналов высокого «1» и низкого «0» уровней. Включение соответствующих сигналов осуществляется при помощи тумблеров SA1 и SA2. С помощью светодиодов осуществляется индикация сигналов, соответствующих логической «1». Генератор «Импульс одиночный» формирует одиночные импульсы с положительной ( ) и отрицательной ( ) полярностью. При нажатии на кнопку SB1 на выходе генератора, находящемся в состоянии «0», вырабатывается сигнал логической «1», а при нажатии на кнопку SB2 – сигнал логического «0». С помощью светодиодов осуществляется индикация сигналов логической «1». «Генератор импульсов» предназначен для образования последовательности прямоугольных импульсов с частотами 0,1 кГц; 0,2 кГц и 1,6 кГц. 73 Устройства коммутации (тумблеры, кнопки) предназначены для подключения входных цепей исследуемых схем к соответствующим гнездам. Органы управления и индикации объединены в функциональные группы и снабжены надписями на лицевой панели (см. рисунок 54). Методические указания по выполнению лабораторной работы Необходимо составить таблицу истинности логического элемента «ИНЕ». Соберите схему, представленную на рисунке 55, подключив выходы гнезд «Уровень логический» к соответствующим входам логического элемента «И-НЕ». Включить тумблер «Питание». Задавая различные комбинации входных логических сигналов (Х1, Х2) тумблерами SA1 и SA2, фиксируйте по светодиоду выходной сигнал Y логического элемента. Составьте таблицу истинности исследуемого элемента. Результаты занесите в таблицу 23. Выключите тумблер «Питание». Уровень логический «1» SA 1 «0» «1» SA 2 «0» X1 Вход 1 Вход 2 И-НЕ Y & Выход X2 Рисунок 55. Схема соединений для исследования логического элемента И-НЕ Проверка работы логического элемента «И-НЕ», осуществляется подключением выходных гнезд «Генератора импульсов» с частотой 0,1 кГц и 0,2 кГц к «Входу 1» и «Входу 2» логического элемента соответственно (см. рисунок 55). Далее включите тумблер «Питание». Зарисуйте временные диаграммы сигналов на входах и выходе логического элемента, для чего необходимо перевести осциллограф в режим внешней синхронизации «EXT», соединив вход осциллографа «TRIG IN» с гнездом «Генератора импульсов» 0,1 кГц. Затем вход осциллографа СН1 подключите к «Входу 1» элемента «ИНЕ», а вход осциллографа СН2 – к «Входу 2» элемента (корпус осциллографа «⊥» соедините с общей точкой модуля). Для увеличения числа входов элемента «И-НЕ» используйте коннекторы. Сохраните на внешнем носителе входные сигналы. Переключите вход осциллографа СН2 к «Выходу» элемента «И-НЕ», и сохраните на внешнем носителе выходной сигнал. Выключите тумблер «Питание». Таблица 25. Результаты экспериментальных исследований Y X1 X2 ИИЛИНЕ И ИЛИ (для Исключающее ИЛИ X1) НЕ НЕ 0 0 1 0 0 1 1 1 74 По аналогии выполните экспериментальные исследования для логических элементов «И», «ИЛИ-НЕ», «ИЛИ», «НЕ», «Исключающее ИЛИ». Содержание отчета Отчет выполняется СТРОГО индивидуально и должен содержать следующие пункты: 1. наименование и цель работы; 2. принципиальные электрические экспериментальных исследований; 3. результаты экспериментальных соответствующие таблицы; 4. обработанные осциллограммы; 5. выводы по работе. схемы для исследований, выполненных помещенные в Контрольные вопросы Какие виды логики вы знаете? Назовите основные преимущества и недостатки КМОП-логики по сравнению с ТТЛ. 3. Какие логические элементы исследуются в данной работ и к какому виду логики они относятся? 4. Перечислите основные параметры логических элементов. 5. Приведите структурную схему логического элемента «2И-НЕ» на основе ТТЛ и КМОП-логики. 6. Составьте таблицы истинности для логических элементов «И-НЕ», «И», «ИЛИ-НЕ», «ИЛИ», «НЕ», «Исключающее ИЛИ». 7. Начертите схемные обозначения трехвходовых логических элементов «И-НЕ», «И», «ИЛИ-НЕ», «ИЛИ», «НЕ», «Исключающее ИЛИ». 8. Можно ли использовать логический элемент «Исключающее ИЛИ» в качестве элемента «НЕ»? Если да, то как; если нет, то почему? 9. Как составить таблицу истинности логического элемента в лабораторной работе? 10. Как снять временные диаграммы входных и выходного сигналов логического элемента при помощи осциллографа в лабораторной работе? 11. Начертите принципиальную схему, реализующую логическую функцию «Равнозначность», составьте таблицу истинности и состояний ЛЭ. 12. Начертите принципиальную схему, реализующую логическую функцию «Неравнозначность», составьте таблицу истинности и состояний ЛЭ. 1. 2. 75 Лабораторная работа №7 «Исследование последовательностных цифровых интегральных микросхем» Цель работы Изучение работы триггеров и двоичного асинхронного суммирующего счетчика в интегральном исполнении. Краткие теоретические сведения Зависимость выходного сигнала не только от мгновенного сигнала на входе логических переменных, но и от тех значений переменных, которые действовали на входе в предыдущий момент времени, является ключевой особенностью последовательностных логических устройств. Для этого необходимо, чтобы логическое устройство обладало памятью. Функцию запоминания значений логических переменных в цифровых схемах выполняют триггерные элементы. Триггером называется устройство, способное формировать два устойчивых значения сигнал и скачкообразно изменять эти значения под действием внешнего управляющего сигнала. Данное свойство позволяет применять триггер в качестве элемента памяти. Основой триггеров является бистабильная ячейка (см. рисунок 56). Данная ячейка имеет только два устойчивых состояния «0» и «1». Триггер установлен в единичное состояние, когда на его выходе появляется напряжение высокого уровня, в ином случае триггер считается сброшенным. 1 Q 1 Q Рисунок 56. Схема реализации бистабильной ячейки По моменту реакции на входной сигнал триггеры подразделяют на асинхронные и синхронные. Асинхронный триггер изменяет свое состояние непосредственно в момент изменения сигнала на его информационных входах, а синхронный триггер изменяет свое состояние лишь в определенные моменты времени, соответствующие действию активного сигнала на его входе синхронизации и не реагирует на любые изменения информационных сигналов при пассивном значении сигнала на входе C. По типу используемых входов различают RS-, D-, T-, JK-триггеры. Входы триггеров: 76 R – раздельный вход сброса триггера; S – раздельный вход установки триггера; K – вход сброса универсального триггера; J – вход установки универсального триггера; T – счетный вход триггера; D – информационный вход переключения триггера в состояние, соответствующее логическому уровню на этом входе; C – вход управления или синхронизации. Кроме выше представленных входов некоторые триггеры могут иметь вход V, который блокирует работу триггера, и он сколь угодно долго может сохранять ранее записанную в него информацию. По виду активного логического сигнала, действующего на информационных входах, триггеры различают на статические (управляемые уровнем) и динамические (управляемые перепадом входного сигнала). При этом сами входы могут быть прямыми и инверсными. Условное графическое обозначение и реализация на логических элементах асинхронного RS-триггера с прямыми входами показаны на рисунке 57. Асинхронным называется потому, что меняет свое состояние в момент подачи входного сигнала на входы S и R. Временная диаграмма, поясняющая работу RS-триггера с прямыми входами представлена на рисунке 58. Таблица состояний асинхронного RS-триггера с прямыми входами показана в таблице 24. Рисунок 57. УГО RS-триггера с прямыми входами и его реализация на базе ЛЭ S t R t Q t Q t Рисунок 58. Временная диаграмма, поясняющая работу асинхронного RS-триггера с прямыми входами 77 Таблица 26. Таблица истинности асинхронного RS-триггера с прямыми входами ̅ Примечание S R Q Q ̅ 𝑖−1 хранение 0 0 Q 𝑖−1 Q установка 0 1 0 1 «0» установка 1 0 1 0 «1» запрещенное 1 1 состояние Условное графическое обозначение и реализация на логических элементах асинхронного RS-триггера с инверсными входами показаны на рисунке 59. Временная диаграмма, поясняющая работу RS-триггера с инверсными входами представлена на рисунке 60. Таблица состояний асинхронного RS-триггера с инверсными входами показана в таблице 25. Рисунок 59. УГО RS-триггера с инверсными входами и его реализация на базе ЛЭ S t R t Q t Q t Рисунок 60. Временная диаграмма, поясняющая работу асинхронного RS-триггера с инверсными входами 78 Таблица 27. Таблица истинности асинхронного инверсными входами ̅ S R Q Q 0 0 - - 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 Q 𝑖−1 ̅ 𝑖−1 Q RS-триггера с Примечание запрещенное состояние установка «1» установка «0» хранение В отличие от RS-триггера, JK-триггер не имеет запрещенных комбинаций входных сигналов. JK-триггеры могут быть как асинхронными, так и синхронными. Обычно JK-триггеры делаются синхронными. Работа синхронного JK-триггера может быть представлена в виде логического выражения: ̅ 𝑄𝑖 )𝐶 + 𝑄𝑖 𝐶̅ 𝑄𝑖+1 = (𝐽𝑄̅𝑖 + 𝐾 (62) Условное графическое обозначение и реализация на логических элементах синхронного JK-триггера показаны на рисунке 61. Временная диаграмма, поясняющая работу синхронного JK-триггера представлена на рисунке 62. Таблица состояний синхронного JK-триггера показана в таблице 26. С t J t & J TT J A K & Q Q C С t B & K t A Q & K B Q t Q Рисунок 61. УГО синхронного JK-триггера и его реализация на базе ЛЭ Q t t Рисунок 62. Временная диаграмма, поясняющая работу синхронного JKтриггера 79 Таблица 28. Таблица истинности синхронного JK-триггера ̅ K Примечание C J Q Q ̅ 𝑖−1 x хранение 0 x Q 𝑖−1 Q ̅ 𝑖−1 0 хранение 0 Q 𝑖−1 Q 1 установка 0 0 1 «0» 0 установка 1 1 0 «1» ̅ 𝑖−1 1 инверсия 1 Q 𝑖−1 Q Счетчиком называется последовательностное устройство, предназначенное для счета импульсов и фиксации их числа в двоичном коде. Импульсами счета для триггеров более старших разрядов являются ̅ триггеров младших разрядов. Это представление сигналы с выходов Q или Q справедливо как для суммирующих, так и для вычитающих счетчиков. Различия при этом состоят в направлении переключения предыдущего разряда, вызывающего переключение следующего. При суммировании следующий разряд переключается при переходе предыдущего от «1» к «0» под действием сигнала переноса, а при вычитании – при переходе предыдущего от «0» к «1» под действием сигнала. Следовательно, различие между вариантами заключается в разном подключении входов триггеров к выходам предыдущих. Простейший вид счётчика – двоичный может быть построен на основе T-триггера. T-триггер изменяет своё состояние на прямо противоположное при поступлении на его вход синхронизации импульсов. Обычно требуется посчитать большее количество импульсов. В этом случае можно использовать выходной сигнал первого счетного триггера как входной сигнал для следующего триггера, то есть соединить триггеры последовательно. Так можно построить любой счётчик, считающий до максимального числа, кратного степени два. Такой счетчик называется двоичным счетчиком, а тот факт, что состояние триггеров меняется на противоположное в различные моменты времени по мере распространения цифрового сигнала, отображается термином: асинхронный двоичный счетчик. Схема счётчика, позволяющего посчитать любое количество импульсов, меньшее шестнадцати, приведена на рисунке 63. Количество поступивших на вход импульсов можно узнать, подключившись к выходам счётчика Q1 … Q4. Это число будет представлено в двоичном коде. Для того чтобы разобраться, как работает схема двоичного счётчика, воспользуемся временными диаграммами сигналов на входе и выходах этой схемы, приведёнными на рисунке 64. 80 Q1 S TT Q2 S TT Q3 S TT Q4 S D D D D С С С С R R R R TT Рисунок 63. Схема четырёхразрядного двоичного счётчика С t Q1 t Q2 t Q3 t Q4 t Рисунок 64. Временная диаграмма четырёхразрядного двоичного счётчика Пусть первоначальное состояние всех триггеров счётчика будет нулевым. Это состояние мы видим на временных диаграммах. После поступления на вход счётчика тактового импульса (который воспринимается по заднему фронту) первый триггер изменяет своё состояние на противоположное, то есть единицу. Так как по приходу первого импульса изменилось состояние первого триггера, то этот триггер содержит младший разряд двоичного числа (единицы). Подадим на вход счётчика ещё один тактовый импульс. Значение первого триггера снова изменится на прямо противоположное. На этот раз на выходе первого триггера, а значит и на входе второго триггера сформируется задний фронт. Это означает, что второй триггер тоже изменит своё состояние на противоположное. Это отчётливо видно на временных диаграммах, приведённых на рисунке 64. Продолжая анализировать временную диаграмму, можно определить, что на выходах приведённой схемы счётчика последовательно появляются цифры от 0 до 15. Эти цифры записаны в двоичном виде. При поступлении на счётный вход счётчика очередного импульса, содержимое его триггеров 81 увеличивается на 1. Поэтому такие счётчики получили название суммирующих двоичных счётчиков. Существуют готовые микросхемы асинхронных двоичных счётчиков. Классическим примером такого счётчика является микросхема 555ИЕ5. Подобные схемы существуют и внутри САПР программируемых логических интегральных схем. Описание лабораторного стенда Работа проводится на лабораторном модуле «Логические элементы и триггеры», лицевая панель которого представлена на рисунке 65. Рисунок 65. Модуль логических элементов и триггеров В работе исследуются следующие последовательностные цифровые схемы: JK-триггер, RS-триггер, собираемый, например, на основе двух логических элементов «И-НЕ», асинхронный четырехразрядный двоичный счетчик, который имеет общий вход сброса «R», счетный вход «С» и четыре выхода (Q1, Q2, Q3, Q4), соответствующие младшему и старшему разрядам четырехразрядного кода соответственно. Все исследуемые цифровые микросхемы построены на основе КМОП-логики (комплементарная структура «металл-окисел-полупроводник»). Источник «Уровень логический» предназначен для формирования логических сигналов высокого «1» и низкого «0» уровней. Включение соответствующих сигналов осуществляется при помощи тумблеров SA1 и SA2. С помощью светодиодов осуществляется индикация сигналов, соответствующих логической «1». 82 Генератор «Импульс одиночный» формирует одиночные импульсы с положительной ( ) и отрицательной ( ) полярностью. При нажатии на кнопку SB1 на выходе генератора, находящемся в состоянии «0», вырабатывается сигнал логической «1», а при нажатии на кнопку SB2 – сигнал логического «0». С помощью светодиодов осуществляется индикация сигналов логической «1». «Генератор импульсов» предназначен для образования последовательности прямоугольных импульсов с частотами 0,1 кГц; 0,2 кГц и 1,6 кГц. Устройства коммутации (тумблеры, кнопки) предназначены для подключения входных цепей исследуемых схем к соответствующим гнездам. Органы управления и индикации объединены в функциональные группы и снабжены надписями на лицевой панели (см. рисунок 65). Методические указания по выполнению лабораторной работы Исследование RS-триггера Экспериментальные исследования RS-триггера выполняются в соответствии со схемой, представленной на рисунке 66. Для увеличения числа гнезд используются коннекторы. S и R входы подключите к выходным гнездам «Уровень логический». Включить тумблер «Питание». Составьте таблицу истинности RS-триггера задавая тумблерами SА1 и SА2 различные комбинации входных логических сигналов (Х1, Х2), подаваемых на входы S и R. ̅ соответствует Уровню логической «1» на выходе триггера Q и Q свечение светодиодов. Результаты занесите в таблицу 27. Выключите тумблер «Питание». «1» «0» SA 1 X1 S & Q Уровень логический & «1» «0» SA 2 X2 R 1 Q Рисунок 66. Схема соединений для исследования RS-триггера Таблица 29. Результаты экспериментальных исследований RS-триггера ̅ S R Q Q 0 1 1 0 1 1 0 0 Примечание: комбинация входных сигналов R=S=0 является запрещенной! 83 Проверка работы RS-триггера осуществляется подключением выходных гнезд «Генератора импульсов» с частотой 0,1 кГц и 0,2 кГц к S и R входам триггера соответственно (см. рисунок 66). Включите тумблер «Питание». Сохраните на внешнем носителе осциллограммы сигналов на входах и выходах RS-триггера. Для этого осциллограф необходимо перевести в режим внешней синхронизации «EXT», соединив вход осциллографа «TRIG IN» с гнездом «Генератора импульсов» 0,1 кГц. Затем вход осциллографа СН1 подключите ко входу S триггера, а вход осциллографа СН2 – ко входу R (корпус осциллографа «⊥» соедините с общей точкой модуля). Переключите ̅ триггера, вход осциллографа СН2 к выходу Q, а затем к инверсному выходу Q сохраните осциллограммы выходных сигналов. Для размножения входов и выходов RS-триггера используйте коннекторы. Выключите тумблер «Питание». Исследование JK-триггера Экспериментальные исследования JK-триггера выполняются в соответствии со схемой, представленной на рисунке 67. Для этого J и K входы подключите к выходным гнездам «Уровень логический», а синхронизирующий вход С – к гнезду ( ) генератора «Импульс одиночный». Включите тумблер «Питание». «1» «0» SA 1 X1 Уровень логический «1» «0» SB2 SA 2 X2 J TT Q С K Q Рисунок 67. Схема соединений для исследования JK-триггера Cоставьте таблицу истинности JK-триггера, задавая тумблерами SА1 и SА2 различные комбинации входных логических сигналов (Х1, Х2) при одновременном нажатии на кнопку SB2 (синхронизирующий импульс) Уровню логической «1» на выходе триггера Q соответствует свечение ̅ , определяете при помощи светодиода. Состояние инверсного выхода Q осциллографа. Результаты занесите в таблицу 28. Обратите внимание, на каком фронте синхроимпульса «С» происходит переключение JK-триггера. Выключите тумблер «Питание». Таблица 30. Результаты экспериментальных исследований JK-триггера ̅ C J K Q Q 0 1 1 0 1 1 0 0 84 Проверка работы JK-триггера осуществляется в счетном режиме. Для этого на входы J и K подайте сигналы логической «1» с выходных гнезд «Уровень логический», а на вход С – прямоугольные импульсы с частотой 1,6 кГц с выхода «Генератора импульсов». ̅ (𝑡). Сохраните на внешнем носителе три осциллограммы: C(𝑡), Q(𝑡), Q Сначала вход осциллографа СН1 подключите к синхронизирующему входу С триггера, а вход осциллографа СН2 – к выходу Q (корпус осциллографа «⊥» соединить с общей точкой модуля), затем переключить вход осциллографа ̅ триггера, сохраните осциллограммы сигналов. СН2 к инверсному выходу Q ̅ противоположны по знаку. Выключите тумблер Убедитесь, что сигналы Q и Q «Питание». Исследование асинхронного четырехразрядного двоичного счетчика Составьте таблицу состояний асинхронного четырехразрядного двоичного счетчика. Для этого собрать схему в соответствии с рисунком 68, подключив выходные гнезда генератора «Импульс одиночный» к синхронизирующему С и R входам счетчика. Включив питание модуля, установите все разряды счетчика (Q1…Q4) в исходное (нулевое) положение. Для этого необходимо нажать на кнопку SB2, и подать сигнал логического «0» на входы R всех триггеров. Заполните таблицу состояния счетчика (см. таблицу 29), периодически нажимая на кнопку SВ1, формирующей одиночные положительные импульсы ( ) на входе С счетчика. Состояния выходных разрядов счетчика (Q1, Q2, Q3, Q4) определять по свечению светодиодов. Q1 S SB1 Генератор «Импульс одиночный» TT Q2 S TT Q3 S TT Q4 S D D D D С С С С R R R R TT SB2 «Сброс» Рисунок 68. Схема соединений для исследования асинхронного четырехразрядного двоичного счетчика Проверка работу счетчика осуществляется подключением выходного гнезда «Генератора импульсов» с частотой 1,6 кГц к синхронизирующему С входу. Включите тумблер «Питание». Сохраните на внешнем носителе осциллограммы сигналов на входе C и выходах Q1, Q2, Q3 счетчика. Для этого осциллограф переведите в режим внешней синхронизации «EXT», соединив вход осциллографа «TRIG IN» с выходом старшего разряда счетчика Q4. Масштаб развертки осциллографа TIME/DIV переведите в положение 0,5 ms/DIV. Затем вход осциллографа СН1 подключите к выходу младшего разряда Q1 счетчика, а вход осциллографа СН2 – к входу С (корпус 85 осциллографа «⊥» соедините с общей точкой модуля). Сохраните осциллограммы сигналов С и Q1. Последовательно переключая вход осциллографа СН1 к выходам Q2, Q3, сохраните осциллограммы выходных сигналов счетчика. Выключите тумблер «Питание». Таблица 31. Результаты экспериментальных асинхронного четырехразрядного двоичного счетчика № импульса (вход C) Q1 Q2 Q3 Уст. «0» 0 0 0 1 2 … 15 исследований Q4 0 Содержание отчета Отчет выполняется СТРОГО индивидуально и должен содержать следующие пункты: 1. наименование и цель работы; 2. принципиальные электрические экспериментальных исследований; 3. результаты экспериментальных соответствующие таблицы; 4. обработанные осциллограммы; 5. выводы по работе. схемы для исследований, выполненных помещенные в Контрольные вопросы Что называется триггером? Чем отличаются последовательностные схемы от комбинационных? Что означает термин «запрещенная комбинация» для RS -триггера? При каких комбинациях входных сигналов изменяется состояние RS-триггера? ̅ JK-триггера после 5. В каком положении устанавливается выход Q и Q ухода синхронизирующего импульса для различных сочетаний сигналов J и K? 6. Чем отличаются таблицы истинности RS и JK-триггера? 7. Начертите схему Т-триггера, реализованную на базе JK-триггера. 8. Начертите схему D-триггера, реализованную на базе JK-триггера. 9. На основе каких элементов строятся счетчики? 10. Нарисовать схему двоичного суммирующего четырехразрядного счетчика на базе JK-триггеров? 1. 2. 3. 4. 86 11. Чем отличаются асинхронные счетчики от синхронных? Перечислить основные преимущества синхронных счетчиков по сравнению с асинхронными. 12. Сколько разрядов должен иметь двоичный счетчик, чтобы обеспечить возможность счета 64 импульсов? 87 Приложение 1 Условные графические обозначения 88 Приложение 2 Образец бланка для отчета 89 90 Приложение 3 Экспериментальное исследование усилительного каскада на биполярном транзисторе с общим эмиттером Экспериментальное исследование усилительного каскада на биполярном транзисторе с общим эмиттером, осуществляется на основе схемы представленной на рисунке 1. RG C G A2 R2 + CH2 A1 RP1 V VT1 R1 CH1 =U2 Uвых VD1 Rш Uвх Рисунок 1. Принципиальная электрическая схема исследования усилительного каскада на биполярном транзисторе Переключить осциллограф в режим временной развертки. Включить функциональный генератор и установить синусоидальный сигнал с частотой f в соответствии с таблицей вариантов (см. таблицу 1); уменьшить сигнал до нуля регулятором амплитуды. Переключить вход СН1 осциллографа в положение вход закорочен «GND». Включить питание стенда. При токе IБ=0 А с помощью потенциометра RP2 (см. рисунок 2) установить заданное значение U2 и далее не изменять его при всех экспериментах (не трогать ручку потенциометра RP2). Диод VD1 (см. рисунок 1) не показан на мнемосхеме модуля (см. рисунок 2), он предназначен для защиты базоэмиттерного перехода транзистора от напряжения отрицательной полярности. Определение амплитуды выходного напряжения (полуволны) в классе В. Для этого с помощью потенциометра RP1 установить IБ=0 А и, регулируя амплитуду входного сигнала, добиться максимальной неуплощенной полуволны синусоидального выходного напряжения; зарисовать и обработать осциллограмму. Если длительность полуволны меньше полупериода, повысьте потенциометром RP1 постоянный ток IБ и, изменяя переменный входной сигнал, добейтесь воспроизведения усилителем примерно половины неискаженного синусоидального напряжения с максимальной амплитудой. Уменьшите входной сигнал (подаваемый от модуля «Функциональный генератор») до нуля и запишите ток IБ, который пришлось установить в рабочей точке покоя, чтобы не было искажений. Эта рабочая точка покоя соответствует классу АВ. Исследование работы транзистора в ключевом режиме (класс D). Установите IБ=0 А и увеличьте входное синусоидальное напряжение регулятором амплитуды «Функционального генератора» до перехода 91 транзистора в ключевой режим. Зарисуйте и обработайте осциллограмму выходного напряжения. Определение тока коллектора IК и напряжения UКЭ на постоянном токе в двух точках: отсечки и насыщения. Для этого установите амплитуду входного синусоидального сигнала равной нулю. Для измерения напряжения UКЭ переключите вольтметр, подключенный между гнездами Х5 – Х10, к гнездам Х4 – Х10. При помощи потенциометра RP1 установите ток базы IБ=0 А , замерьте ток IКО и напряжение UКЭ О , соответствующие точке отсечки транзистора. Для измерения тока коллектора и напряжения на коллекторе, соответствующие точке насыщения, установите потенциометр RP1 в крайне правое положение и по приборам определите ток IК НАС и напряжение UКЭ НАС. Выключите питание модуля. Внимание. С целью получения достоверного результата при измерении напряжения на коллекторе транзистора рекомендуется использовать вольтметр с высоким входным сопротивлением из модуля «Мультиметры». Рисунок 2. Внешний вид модуля транзисторов № варианта 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Таблица 1. Варианты выполнения лабораторной работы U2, В f, кГц № U2, В f, кГц варианта 10,0 0,2 13 10,5 1,4 10,0 0,3 14 10,5 1,5 10,5 0,4 15 11,0 1,6 10,5 0,5 16 11,0 1,7 11,0 0,6 17 9,0 1,8 11,0 0,7 18 9,0 1,9 9,0 0,8 19 9,5 2,0 9,0 0,9 20 9,5 2,1 9,5 1,0 21 11,0 2,2 9,5 1,1 22 11,0 2,3 10,0 1,2 23 10,5 2,4 10,0 1,3 24 10,5 2,5 92 Приложение 4 Экспериментальное исследование усилительного каскада на полевом транзисторе с общим истоком Экспериментальное исследование усилительного каскада на полевом транзисторе с общим истоком, осуществляется на основе схемы представленной на рисунке 1. RG C G A2 R2 + VT1 CH2 A1 RP1 V R1 CH1 =U2 Uвых VD1 Rш Uвх Рисунок 1. Принципиальная электрическая схема исследования усилительного каскада на МОП-транзисторе Соединить перемычкой гнезда X3 – X6. Переключить тумблер SA2 в нижнее положение, тем самым, подключив к схеме источник постоянного напряжения U2. Подключить канал СН1 осциллографа к входу усилителя (гнездо X6), а канал СН2 к выходу усилителя (гнездо X4). Переключить осциллограф в режим временной развертки. Включить функциональный генератор и установить синусоидальный сигнал с частотой f в соответствии с таблицей вариантов (см. таблицу 1); уменьшить сигнал до нуля регулятором амплитуды. Переключить вход СН1 осциллографа в положение вход закорочен «GND». Включить питание стенда. При напряжении UЗИ=0 В установить с помощью потенциометра RP2 (см. рисунок 2) заданное значение U2 и далее не изменять его при всех экспериментах (не трогать ручку потенциометра RP2). Определение амплитуды выходного напряжения (полуволны) в классе В. Для этого с помощью потенциометра RP1 установить UЗИ=2 В и, регулируя амплитуду входного сигнала, добиться максимальной неуплощенной полуволны синусоидального выходного напряжения, зарисовать и обработать осциллограмму. Если длительность полуволны меньше полупериода, повысьте потенциометром RP1 постоянное напряжение UЗИ и, изменяя переменный входной сигнал, добейтесь воспроизведения усилителем ровно половины неискаженного синусоидального напряжения с максимальной амплитудой. Уменьшите входной сигнал до нуля и запишите напряжение UЗИ, которое пришлось установить в рабочей точке покоя, чтобы не было искажений. Эта рабочая точка покоя соответствует классу АВ. Исследование работы транзистора в ключевом режиме (класс D). Установите UЗИ=2 В и увеличьте входное синусоидальное напряжение 93 регулятором амплитуды «Функционального генератора» до перехода транзистора в ключевой режим. Зарисуйте и обработайте осциллограмму выходного напряжения. Определение тока стока и напряжения сток-исток на постоянном токе в двух точках: отсечки и насыщения. Для этого установите амплитуду входного синусоидального сигнала равным нулю, переключите вольтметр, подключенный между гнездами Х5 – Х10, к гнезду Х4 – Х10. При помощи потенциометра RP1 установите напряжение на затворе UЗИ=2 В, замерьте ток IС О и напряжение на стоке UСИ О, соответствующие точке отсечки транзистора. Для измерения тока стока и напряжения на стоке, соответствующие точки насыщения, установите потенциометр RP1 в крайне правое положение, по приборам определите ток IС НАС и напряжение UСИ НАС. Выключить питание модуля. Рисунок 2. Внешний вид модуля транзисторов № варианта 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Таблица 1. Варианты выполнения лабораторной работы U2, В f, кГц № U2, В f, кГц варианта 10,0 0,2 13 10,5 1,4 10,0 0,3 14 10,5 1,5 10,5 0,4 15 11,0 1,6 10,5 0,5 16 11,0 1,7 11,0 0,6 17 9,0 1,8 11,0 0,7 18 9,0 1,9 9,0 0,8 19 9,5 2,0 9,0 0,9 20 9,5 2,1 9,5 1,0 21 11,0 2,2 9,5 1,1 22 11,0 2,3 10,0 1,2 23 10,5 2,4 10,0 1,3 24 10,5 2,5 94 Приложение 5 95 96 97 98 99 100 101 102 Учебное издание Быстров Александр Васильевич Веселовский Анатолий Платонович Грачев Сергей Юльевич Жилиготов Руслан Игоревич Зверев Сергей Геннадьевич Куракина Наталья Константиновна Мурашов Юрий Васильевич Образцов Никита Владимирович Савельева Ирина Сергеевна Сафонов Евгений Павлович ЭЛЕКТРОНИКА ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ЧАСТЬ 1 103
