6800

Генераторы импульсов на транзисторах и интегральных микросхемах

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Генераторы импульсов на транзисторах и интегральных микросхемах Цель работы - ознакомление с принципом работы мультивибратора на биполярных транзисторах и определение его параметров изучение принципа работы мультивибратора, одновибратора и генерато...

Русский

2013-01-08

98 KB

42 чел.

Генераторы импульсов на транзисторах и интегральных микросхемах

Цель работы - ознакомление с принципом работы мультивибратора на биполярных транзисторах и определение его параметров; изучение принципа работы мультивибратора, одновибратора и генератора прямоугольных импульсов на основе логических интегральных микросхем.

8.1 Основные положения

Импульсные устройства широко используются в системах управления и автоматики для формирования импульсных сигналов с заданными параметрами (амплитуда, длительность импульсов, частота и т.д.). Такие устройства могут строиться на биполярных или полевых транзисторах и используются в специальной аппаратуре, где предъявляются повышенные требования к значениям напряжений и токов формируемых импульсов. Схемы генераторов на логических микросхемах широко используются в различного рода цифровой аппаратуре в силу их удобства сопряжения с другими интегральными элементами. В данной работе рассматриваются четыре простейшие схемы импульсных устройств.

8.1.1 Мультивибратор на биполярных транзисторах

Мультивибратор предназначен для генерирования прямоугольных импульсов.

На рис.8.1,а приведен симметричный мультивибратор на биполярных транзисторах, в котором все элементы в обоих плечах схемы попарно равны, т.е. С1=С2, Rk1=Rk2, R1=R2. Схема мультивибратора состоит из двух усилительных каскадов, охваченных перекрестной положительной обратной связью через конденсаторы С1 и С2.

При подключении источника питания Ек оба транзистора начинают открываться. Однако, за счет разброса параметров транзисторов и при наличии положительной обратной связи такое состояние является неустойчивым и мультивибратор переходит в одно из временно устойчивых состояний, когда один транзистор закрывается, а другой переходит в режим насыщения.

Принцип работы мультивибратора основан на поочередной заряде и разряде конденсаторов с одновременной сменой состояний транзисторов. Рассмотрим работу мультивибратора по временным диаграммам (рис.8.1,б).

Рисунок 8.1 - Схема (а) и временные диаграммы (б) мультивибратора
на биполярных транзисторах

Предположим, что в данный момент времени транзистор VT1 закрылся, а транзистор VT2 открылся и находится в насыщении. При этом конденсатор С2 начинает быстро заряжаться от источника Ек через резистор Rk1 и переход база-эмиттер насыщенного транзистора VT2. Одновременно с этим конденсатор С1, подключенный к коллектору VT2, начинает разряжаться через источник Ек, резистор R1 и открытый транзистор. В первый момент напряжение на базе VT1 равно Uб1=Uc1=–Ек за счет подключения С1 через открытый VT2 параллельно переходу база-эмиттер транзистора VT1. По мере разряда конденсатора С1 отрицательное напряжение на базе VT1, удерживающее его в закрытом состоянии, уменьшается. В момент времени t1  Uб1=Uc1=0, что вызывает отпирание транзистора VT1 и быстрое уменьшение напряжения на его коллекторе. Этот отрицательный перепад напряжения через конденсатор С2 передается на базу транзистора VT2 и частично закрывает его, отчего происходит уменьшение коллекторного тока и возрастание напряжения Uk2. Возникший положительный перепад напряжения передается через конденсатор С1 на базу транзистора VT1 и еще больше открывает его и т.д. Процесс переключения протекает лавинообразно, в результате чего транзистор VT1 открывается и переходит в насыщение, а транзистор VT2 закрывается. Такой процесс называется опрокидыванием (регенерацией) мультивибратора.

В интервале t1-t2 теперь уже конденсатор С1 оказался подключенным к закрытому транзистору VT2 и начинает заряжаться от источника Ек через резистор Rk1 и переход база-эмиттер насыщенного транзистора VT1, а конденсатор С2 разряжается через источник Ек, резистор R2 и открытый транзистор VT1, поддерживая транзистор VT2 в закрытом состоянии. В момент t2  Uб2=Uc2=0 и транзистор VT2 открывается, а VT1 начнет закрываться, а далее весь цикл работы повторяется.

Таким образом, переходя из одного временно устойчивого состояния равновесия в другое, мультивибратор формирует импульсы почти прямоугольной формы. Следует обратить внимание на то, что положительная обратная связь вступает только во время регенерации, т.е. при переключении транзисторов, которые оказываются в этот момент в активном режиме.

Период генерируемых колебаний определяется цепями разряда конденсаторов С1 и С2 [1,2]

,

(8.1)

где  R1=R2=R, C1=C2=C.

Длительность переднего фронта импульсов зависит от времени заряда конденсатора

,

(8.2)

где  Rk1=Rk2=Rk.

8.1.2 Мультивибратор на логических элементах И-НЕ

На рис.8.2,а приведена схема симметричного мультивибратора на двух элементах типа 2И-НЕ. Входы элементов закорочены, т.к. они используются в виде инверторов. По аналогии с мультивибратором на транзисторах здесь также используется перекрестная положительная обратная связь между входами и выходами элементов. Резисторы R1, R2 и конденсаторы С1, С2 являются времязадающими элементами мультивибратора. Диоды VD1 и VD2 служат для улучшения формы импульсов.

Рисунок 8.2 - Схема (а) и временные диаграммы (б) мультивибратора
на элементах И-НЕ

При запирании логического элемента DD1 конденсатор С2 заряжается через его выходное сопротивление и резистор R2. При этом напряжение на его обкладках увеличивается, а напряжение Uвх2, действующее на резисторе R2 за счет зарядного тока этого конденсатора, уменьшается (рис.8.2,б). Элемент DD2 находится в открытом состоянии, пока Uвх2  Uпор, где Uпор – пороговое напряжение, соответствующее отпиранию логических элементов.

Одновременно конденсатор С1 разряжается через выходное сопротивление элемента DD2 и диод VD1, который обеспечивает быстрый разряд этого конденсатора. В момент t1 напряжение Uвх2 = Uпор, что приводит к запиранию DD2 и открыванию DD1, на выходе которого устанавливается низкий уровень Uвых1 = Uo. При этом происходит лавинообразный процесс опрокидывания мультивибратора, в результате которого режимы работы элементов DD1 и DD2 меняются. С этого момента начинается заряд конденсатора С1 и разряд конденсатора С2 и т.д.

Выходные импульсы элемента DD2 сдвинуты на полпериода относительно импульсов DD1. Период колебаний определяется постоянными цепей разряда времязадающих конденсаторов С1 и С2.

8.1.3 Одновибратор на логических элементах И-НЕ

На рис.8.3,а изображена схема одновибратора на двух элементах
2И-НЕ, которая имеет одну времязадающую цепочку
RC с диодом VD. На один из входов элемента DD1 подаются импульсы запуска Uзап. Процессы генерирования импульсов в одновибраторе аналогичны процессам в мультивибраторе.

Рисунок 8.3 - Схема (а) и временные диаграммы (б) одновибратора на элементах И-НЕ

В исходном состоянии устойчивого равновесия логический элемент DD2 закрыт и Uвых равно уровню логической единицы U1. Такое состояние элемента обеспечивается подключением к его входу резистора R малой величины, чтобы обеспечить выполнение условия Uвх2  Uпор. Тогда, при наличии на входе элемента DD1 двух высоких уровней напряжения Uзап и Uвых2, на выходе этого элемента создается низкий уровень напряжения логического нуля Uвых = U0. При этом конденсатор С разряжен.

При подаче в момент t1 на вход запускающего импульса элемент DD1 переходит в состояние логической  единицы, когда Uвых1 = U1. Этот положительный скачок напряжения передается через конденсатор С на вход элемента DD2, который переходит в состояние логического нуля на выходе Uвых2 = U0.

После момента времени t1 конденсатор С заряжается по экспоненциальному закону с постоянной времени , а напряжение Uвых2 уменьшается с той же постоянной времени. В момент времени t2, когда
Uвх2 = Uпор, происходит обратное переключение DD1 и DD2 и одновибратор возвращается в исходное состояние. Диод VD служит для быстрого разряда конденсатора при восстановлении исходного состояния.

8.1.4 Генератор импульсов на элементах НЕ

При построении мультивибраторов на основе логических элементов микросхем для стабилизации режима работы по постоянному току используется отрицательная обратная связь через резистор времязадающей цепи, а положительная обратная связь осуществляется через конденсатор. Такие схемы эквивалентны мультивибратору на ОУ. Логический элемент – это усилитель с большим коэффициентом усиления, имеющий два значения логического уровня напряжения: Uo - уровень логического нуля, U1 - уровень логической единицы.

На рис.8.4 приведена схема мультивибратора на трех элементах НЕ (инверторах). Резистор R реализует  общую отрицательную обратную связь в контуре из трех инверторов. Емкостная обратная связь охватывает два инвертора и тем самым реализует положительную обратную связь. Для возникновения в схеме генерации глубина положительной обратной связи должна быть больше, что достигается определенным выбором резистора R.

Пусть в интервале времени 0 - t1 на выходе DD1 установился потенциал высокого уровня U1 = U1, чему соответствуют потенциалы U2 = U0 на выходе DD2 и U3 = U1 на выходе DD3. Конденсатор С заряжается по цепи через выходное сопротивление DD3, резистор R и выходное сопротивление DD2. При этом входное напряжение Uвх1 элемента DD1 нарастает и в момент t1, когда Uвх1 = Uпор, начинается переключение DD1, которое влечет за собой переключения DD2. Регенеративный процесс опрокидывания завершается установлением уровней U1 = U0, U2 = U1 и U3 = U0.

Рисунок 8.4 - Схема (а) и временные диаграммы (б) мультивибратора на элементах НЕ

В интервале конденсатор С перезаряжается через выходное сопротивление DD2, резистор R и выходное сопротивление DD3. По мере перезаряда конденсатора С напряжение Uвх1 экспоненциально убывает. Когда Uвх1 = Uпор, переключается DD1 и в результате регенеративного процесса мультивибратор переходит во временно устойчивое состояние на интервале t2, которое было рассмотрено выше.

8.2 Описание схем эксперимента

В работе исследуются четыре схемы генераторов прямоугольных импульсов, приведенные на рис.8.5.

На рис.8.5,а приведена схема мультивибратора на биполярных транзисторах. Ключи S1 и S2 служат для подключения в схему конденсаторов С1 и С3. При замыкании только одного ключа получаем схему несимметричного мультивибратора.

На рис.8.5,б приведена схема симметричного мультивибратора на элементах И-НЕ. На рис.8.5,в приведена схема заторможенного мультивибратора (одновибратора) на элементах И-НЕ. Запуск схемы осуществляется от генератора импульсов Ег. На рис.8.5,г приведена схема генератора импульсов на элементах НЕ.

Приведенные схемы имеют такое же изображение на накладной панели стенда с указанием номеров контрольных точек Х1-Х12.

Рисунок 8.5 - Схемы мультивибратора на биполярных транзисторах (а):
R1=R2=10 кОм, С1=С2=С3=С4=0,022 мкФ; мультивибратора на элементах И-НЕ (б): R1=R2=1 кОм, С1=С2=0,47 мкФ; одновибратора на элементах И-НЕ (в): R1=560 Ом, С1=0,22 мкФ; генератора импульсов на элементах НЕ: R=390 Ом, С=0,22 мкФ

8.3 Порядок выполнения работы

Перед началом экспериментов подготовьте стенд к работе в соответствии с указаниями данной инструкции. Обратите внимание на использование коммутатора стенда при снятии нескольких осциллограмм одновременно.

8.3.1 Исследование мультивибратора на транзисторах

8.3.1.1 Снять осциллограммы в контрольных точках схемы мультивибратора. Соединить перемычками гнезда «Y1(I)» и Х1, «Y2» и Х2, «Y3(II)» и Х4, «Y4» и Х3. Осциллографирование четырех временных диаграмм произвести с использованием коммутатора стенда.

8.3.1.2 Измерить с помощью осциллографа период колебаний Т1 мультивибратора. Нажать кнопки S1 и S2 и зафиксировать новое значение периода колебаний Т2.

Отжать кнопку S1 и снять осциллограммы для случая несимметричного мультивибратора в соответствии с п.8.3.1.1.

8.3.2 Исследование мультивибратора на элементах И-НЕ

8.3.2.1 Снять осциллограммы в контрольных точках схемы мультивибратора Х5, Х6 и Х7, используя указания п.8.3.1.1.

8.3.2.2 Измерить с помощью осциллографа период колебаний мультивибратора.

8.3.3 Исследование одновибратора на элементах И-НЕ

Снять осциллограммы на входе (Х8) и выходе (Х9) одновибратора. Измерить с помощью осциллографа длительность выходного импульса одновибратора.

8.3.4 Исследование генератора импульсов на элементах НЕ

Снять осциллограммы в контрольных точках схемы Х10, Х11 и Х12 с использованием коммутатора стенда. Измерить период колебаний генератора.

8.4 Обработка результатов эксперимента
и оформление отчета

8.4.1 Определить расчетные значения периода колебаний мультивибратора на транзисторах по формуле (8.1) раздела 8.1 и сравнить с экспериментальными значениями Т1 и Т2 п.8.3.1.2 (R1=R2=10кОм, С1=С2=С3=С4=0,022мкФ).

8.4.2 Сравнить осциллограммы мультивибратора на элементах И-НЕ, снятые в п.8.3.2.1, с временными диаграммами, приведенными на рис.8.2,б (раздел 8.1). Проанализировать форму импульсов в контрольных точках на интервале одного периода колебаний мультивибратора.

8.4.3 Сравнить осциллограммы одновибратора на элементах И-НЕ, снятые в п.8.3.3,, с временными диаграммами, приведенными на рис.8.3,б (раздел 8.1), и проанализировать их.

8.4.4 Сравнить осциллограммы генератора импульсов, снятые в п.8.3.4, с временными диаграммами, приведенными на рис.8.4,б (раздел_8.1), и проанализировать их.

Отчет о выполненной работе должен содержать: цель работы, принципиальные схемы эксперимента, осциллограммы, результаты измерений и расчетов с их кратким анализом.


Вопросы для самопроверки

  1.  Объясните принцип работы мультивибратора на биполярных транзисторах.
  2.  Объясните, за счет чего в схеме мультивибратора обеспечивается открытое и закрытое состояние транзисторов.
  3.  Поясните, в какой промежуток времени в мультивибраторе действует положительная обратная связь.
  4.  Поясните по временным диаграммам работу мультивибратора на элементах И-НЕ.
  5.  Какими цепями определяется заряд и разряд конденсаторов в мультивибраторе на элементах И-НЕ.
  6.  Какие параметры влияют на частоту импульсов мультивибратора?
  7.  Поясните по временным диаграммам работу одновибратора на элементах НЕ.
  8.  Поясните назначение диода в одновибраторе.
  9.  Объясните работу мультивибратора на элементах НЕ.
  10.  По каким цепям происходит заряд и разряд конденсатора в схеме мультивибратора на элементах НЕ?


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

33534. Проблематика и жанровые особенности романа М.Шолохова «Тихий Дон» 16.39 KB
  Действительно Шолохов в отличие от автора “Войны и мира†не дает в романе теоретического обоснования своей исторической концепции несмотря на то что его трактовка исторических событий нередко отличается от главенствовавшей тогда в исторической науке. В своем романе Шолохов рисует жизнь русского донского казачества. В этом романе Шолохов освещает проблемы связанные с войной и революцией начала 20 века. Но есть в романе и другое.
33535. Политическая лирика В.Маяковского 18.44 KB
  Февральская и Октябрьская революции явились для Маяковского началом реального воплощения его идей о новом свободном человеке и счастливом мироустройстве. Отныне романтический индивидуализм присущий лирическому герою Маяковского уступил место соборности единению с миллионами я сменилось на мы конфликт личности и общества был снят самой историей. Футуристическая эстетика Маяковского сменилась доктриной коммунистического футуризма и Левого фронта искусств с его идеями искусства как жизнестроения. Знаменитые Окна РОСТА регулярно...
33536. Идейно-тематические особенности рассказов М.Зощенко. Герои, конфликты 15.7 KB
  Несмотря на то что герой не считает себя удачливым в жизни так как выходит ему время от времени перетык и прискорбный случай он философствует Жизнь штука не простая а сложная имеет на все свои взгляды: и на мужицкую жизнь блекота и слабое развитие техники и на культуру иностранную которую он знает. Я всегда стремился к изображению положительных сторон жизни. которые проповедовали свободу искусства от политики изображали действительность исходя из фактов жизни быта. Главным фактом в то время была революция которую...
33537. Повесть В.Распутина «Прощание с Матерой» как итоговое произведение «деревенской» прозы 17.11 KB
  Жанр повести можно определить как философскую притчу. Таким образом один из основных философских смыслов повести заключается в том что не нами начинается жизнь на земле и не нашим уходом заканчивается. В повести двадцать две главы в которых воспроизводится быт жителей Матеры в последние три месяца их пребывания на острове. Трагическая развязка повести проявляет авторскую позицию.
33538. «Матренин двор» А. Солженицына как начало второго этапа развития «деревенской прозы. Особенности этого этапа 17.23 KB
  Хозяйка дома Матрена одинокая женщина лет шестидесяти. Матрена Васильевна избу не жалела ни для мышей ни для тараканов ибо в шуршании мышей непрерывном как далекий шум океана шорохе тараканов не было ничего злого не было лжи. Матрена отличалась трудолюбием: вставала в четырепять утра тихо вежливо стараясь не шуршать топила русскую печь ходила доить козу по воду ходила и варила в трех судочках . Матрена никому не могла отказать: без нее ни одна пахота не обходилась.
33539. Основные конфликты «деревенской» прозы 50-х гг 15.2 KB
  Деревенская проза ведет свое начало с 50х годов. Очеркистыдеревенщики 50 60х годов не позволяли себе сомневаться в необходимости колхозов не поднимали руку на то как осуществлялось партийное руководство ими но показывали сколько вреда наносят бездумные директивы галочная система. 50е ГОДЫ овечкинский этап МОМЕНТ ПРОЗРЕНИЯ после лакировочнобесконфликтного наваждения 40х годов. Овечкинское направление в литературе 50х годов было: резкой реакцией на литературную мифологию 40х годов; возвращением деревенской прозы...
33540. «Василий Теркин» А.Твардовского. Образ героя, художественные особенности 20.78 KB
  Твардовский возобновил работу над образом Василия Теркина которую он начал еще в 1940 г. Твардовский развертывает биографию Теркина как судьбу многих бойцов как обобщение тяжелого и славного пути всей Советской Армии. Создавая образ Теркина автор типизировал массовые явления действительности и прямо указывал на распространенность таких героев: Парень в этом роде В каждой роте есть всегда Да и в каждом взводе. Твардовский по его признанию освобождал ее от всего что сводит книгу к какойто частной истории мельчит ее лишает ее той...
33541. Тип героя и конфликты в рассказах В.Шукшина 16.71 KB
  Автор настойчиво подчеркивает его чудаковатость которая отличает героя от других правильных людей. Создается проблемная для героя ситуация: тайком присвоить бумажку или объявить всем о находке и отдать ее владельцу ведь она этакая зеленая дурочка лежит себе никто ее не видит. Употребляя по отношению к неодушевленному предмету слово дурочка Шукшин передает нюансы душевного состояния героя: радость от находки и от сознания того что никто кроме него не видит бумажку.
33542. Произведение “Царь-рыба” 13.6 KB
  Здесь он царь царь природы. И ведет он себя как царь: он аккуратен все свои дела доводит до конца. Но зачем природе царь не ценящий богатства которым владеет Неужели она покорится и не свергнет его Тогда появляется царьрыба царица рек посланная для борьбы с царем при роды. Каждый рыбак мечтает поймать царьрыбу ведь это знак свыше.