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

44 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

65640. Просодія українського емоційного мовлення (експериментально-фонетичне дослідження) 458 KB
  Неослабний інтерес широкого кола лінгвістів взагалі та фонетистів зокрема до проблем дослідження емоційного мовлення є цілком закономірним в новітню епоху розвитку лінгвістики на антропоцентричних засадах де прагматика посідає чільне місце.
65641. СИСТЕМНІ МЕТОДИ БОРОТЬБИ ЗІ ЗЛОЧИНАМИ В ЕКОНОМІЦІ 204.5 KB
  В сучасних умовах найбільшою небезпекою характеризується злочинність у сфері економіки структура якої визначена законодавцем і як відомо містить у собі три групи злочинів злочини проти власності злочини в сфері економічної діяльності і злочини проти інтересів служби в комерційній і іншій організаціях.
65642. ЕКОЛОГО-ЕКОНОМІЧНІ ОСНОВИ ВИКОРИСТАННЯ БІОІННОВАЦІЙ 304.5 KB
  Одним із таких завдань є оцінка нововведень з позиції їх відповідності умовам відтворення системи екологоекономічних відносин адже наслідки що проявляються у довгостроковій перспективі можуть становити загрозу екологічній безпеці та стійкому розвитку економіки України.
65643. ПАТОГЕНЕТИЧНІ МЕХАНІЗМИ ПРОГРЕСУВАННЯ ЛЕГЕНЕВОЇ НЕДОСТАТНОСТІ ПРИ ПОЄДНАНОМУ ПЕРЕБІГУ ХРОНІЧНИХ ГНІЙНО-ДЕСТРУКТИВНИХ ЗАХВОРЮВАНЬ ЛЕГЕНІВ І ЦИРОЗУ ПЕЧІНКИ ТА ЇХНЯ КОРЕКЦІЯ 224 KB
  Особливі надії на вирішення проблеми гнійних форм ХНЗЛ повязують з підвищенням ефективності антибактеріальної терапії із своєчасним і раціональним використанням ендоскопічної діагностики і терапії хірургічного лікування реабілітації хворих у післяопераційному періоді...
65644. НАПРЯМИ ПІДВИЩЕННЯ ЕКОНОМІЧНОЇ ЕФЕКТИВНОСТІ ВИРОБНИЦТВА ТА ПЕРЕРОБКИ ОВОЧІВ ВІДКРИТОГО ҐРУНТУ 361 KB
  Сприятливі ґрунтовокліматичні умови в Україні створюють необхідні передумови та значний економічний потенціал для організації ефективного виробництва овочів відкритого ґрунту. Незважаючи на те що площі їхніх посівів збільшуються ефективність...
65645. ОПЕРНА ТВОРЧІСТЬ ФРАНЦА ШРЕКЕРА: ПРОБЛЕМИ ЦІЛІСНОСТІ СТИЛЮ 174.5 KB
  Творчість видатного австрійського композитора диригента педагога Франца Шрекера 1878-1934 є однією з малодосліджених сторінок у вітчизняному музикознавстві. І хоча ці найяскравіші твори Шрекера впродовж 10х років ХХ століття здобули успіх майже на всіх провідних оперних сценах Західної Європи...
65646. ФОРМУВАННЯ БАЗОВИХ УПРАВЛІНСЬКИХ КОМПЕТЕНЦІЙ У МАЙБУТНІХ МЕНЕДЖЕРІВ ЕКОНОМІЧНОГО ПРОФІЛЮ ЗАСОБАМИ ІНТЕРАКТИВНИХ ТЕХНОЛОГІЙ 199.5 KB
  Постійне збільшення обсягу знань до якого необхідно вивести майбутнього фахівця за роки навчання у вищому навчальному закладі ВНЗ підвищення вимог до його професійної і спеціальної підготовки не може не викликати гостру потребу всебічного та глибокого дослідження системи формування в студентів...
65647. Державне управління системою охорони здоров’я на регіональному рівні 469.5 KB
  Горького завідувач кафедри організації вищої освіти управління охороною здоровя і епідеміології ФІПО; доктор наук з державного управління доцент Карамишев Дмитро Васильович Національний фармацевтичний університет завідувач кафедри менеджменту і адміністрування...
65648. Мова творів В. Пелевіна в психолінгвістичному і лінгвокультурному аспектах 189.5 KB
  Останніми роками в русистиці спостерігається тенденція до досліджень художнього тексту методами не лише лінгвістичних а й соціальних культурологія психологія соціологія наук. Інтерес мовознавців до художнього тексту легко пояснити враховуючи антропоцентричну спрямованість гуманітарних розробок...