Порядок проведения экспериментов

 

5.4.1 Собрать схему инвертирующего усилителя на ОУ (рисунок 5.13), задать параметры резистора R 2 в соответствии с вариантом (таблица 5.1).

Рисунок 5.13

 

Подать на вход схемы от источника сигнала гармоническое колебание с частотой f _вх = 1 кГц и амплитудой U _вх = 10 мВ. Включить схему. Измерить амплитуды сигналов на входе и выходе ОУ.

Примечание – При измерении амплитуды сигнала во всех экспериментах вход осциллографа должен быть включен в режим измерения переменного напряжения (режим «АС»).

Используя измеренные значения амплитуд сигналов, определить коэффициент усиления напряжения усилителя K_{U ООС}. Сравнить полученный результат с результатом, полученным аналитически при подготовке к лабораторной работе.

Сравнить фазы колебаний на входе и выходе усилителя.

Вид экрана осциллографа занести в отчет.

Снять АЧХ усилителя и определить по ней ширину полосы пропускания. Вид АЧХ занести в отчет.

Установить сопротивление резистора R 1 равным R 1 = 1,5 R 2. Повторить все предыдущие операции по п. 5.4.1.

По результатам проведенных исследований сформулировать выводы.

5.4.2. Собрать схему неинвертирующего усилителя на ОУ (рисунок 5.14), задать параметры резистора R 2 в соответствии с вариантом (таблица 5.1).

Подать на вход схемы от источника сигнала гармоническое колебание с частотой f _вх = 1 кГц и амплитудой U _вх = 10 мВ. Включить схему. Измерить амплитуды сигналов на входе и выходе ОУ.

Используя измеренные значения амплитуд сигналов, определить коэффициент усиления напряжения усилителя K_{U ООС}. Сравнить полученный результат с результатом, полученным аналитически при подготовке к лабораторной работе.

Рисунок 5.14

 

Сравнить фазы колебаний на входе и выходе усилителя.

Вид экрана осциллографа занести в отчет.

Снять АЧХ усилителя и определить по ней ширину полосы пропускания. Вид АЧХ занести в отчет.

Установить сопротивление резистора R 1 равным R 1 = 1,5 R 2. Повторить все предыдущие операции по п. 5.4.2.

По результатам проведенных исследований сформулировать выводы.

5.4.3. Собрать схему измерений, приведенную на рисунке 5.15. Подать на вход интегратора прямоугольные импульсы амплитудой 5 В. Частоту повторения импульсов f _вх и сопротивление резистора R 1 задать в соответствии с вариантом индивидуального задания (таблица 5.1).

 

Рисунок 5.15

Включить моделирование. Получить на экране осциллографа изображение входного и выходного сигналов. Перенести полученные изображения в отчет.

По экрану осциллографа измерить интервал времени, в течение которого происходит убывание выходного напряжения интегратора за время действия импульса положительной полярности на входе, а также размах входного (U _вх) и выходного (U _{вых изм} = U _{вых макс} – U _{вых мин}) напряжения.

Вычислить абсолютную (5.6) и относительную (5.7) погрешности интегрирования.

Результаты расчетов занести в отчет.

По результатам проведенных исследований сформулировать выводы.

5.4.4 Снять амплитудно-частотную характеристику интегратора. Перенести вид АЧХ в отчет. По АЧХ определить частоту среза (w _В) и частоту единичного усиления (w₁). Полученные результаты занести в отчет.

Сравнить значения w _В и w₁ с аналогичными параметрами, полученными аналитически при подготовке к лабораторной работе. Сформулировать выводы.

5.4.5 Задать емкость конденсатора С, равной 0,1 мкФ. Повторить все операции, изложенные в п.п. 5.4.3 и 5.4.4.

Сформулировать выводы о зависимости основных параметров и характеристик интегратора от параметров элементов цепи ООС.

5.4.6 Собрать схему измерений, приведенную на рисунке 5.16. Подать на вход дифференциатора импульсы треугольной формы амплитудой 5 В. Частоту повторения импульсов установить равной f _вх = 1 кГц, сопротивление резистора R 1 задать в соответствии с вариантом (таблица 5.1).

Рисунок 5.16

 

Включить моделирование. Получить на экране осциллографа изображение входного и выходного сигналов. Перенести полученные изображения в отчет.

По экрану осциллографа измерить интервал времени D t, в течение которого входное напряжение изменяется от минимального до максимального уровня, а также величину приращения входного напряжения D U _вх (D U _вх = = U _{вх макс} – U _{вх мин}). Измерить выходное напряжение U _{вых изм} при максимальном значении входного напряжения.

Вычислить напряжение U _вых по формуле (5.13). Сравнить полученный результат с измеренным значением.

Результаты измерений и расчетов занести в отчет.

Сформулировать выводы.

5.4.7 Частоту повторения импульсов установить равной f _вх = 2 кГц. Повторить исследование по п. 5.4.6. Сравнить результаты, полученные в п.п. 5.4.6 и 5.4.7. Сформулировать выводы.

5.4.8. Снять амплитудно-частотную характеристику дифференцирующего усилителя. Перенести вид АЧХ в отчет. По АЧХ определить наибольшее значение коэффициента усиления K_{U OOC}, а также нижнюю граничную частоту (w _Н) и частоту единичного усиления (w₁). Полученные результаты занести в отчет.

Сравнить значения w _Н и w₁ с аналогичными параметрами, полученными аналитически при подготовке к лабораторной работе. Сформулировать выводы.

Сформулировать выводы о зависимости выходного напряжения дифференциатора от скорости нарастания входного напряжения, а также о зависимости нижней частоты среза АЧХ от параметров элементов цепи ООС.

 

Примерный перечень контрольных вопросов

 

5.5.1 Что называется операционным усилителем?

5.5.2 Как определяется коэффициент усиления напряжения при неинвертирующем включении ОУ?

5.5.3 Как определяется коэффициент усиления напряжения при инвертирующем включении ОУ?

5.5.4 Из каких функциональных узлов состоит схема ОУ?

5.5.5 Что называется интегратором?

5.5.6 Что называется дифференциатором?

5.5.7 Как связано выходное напряжение интегратора со входным напряжением?

5.5.8 Как связано выходное напряжение дифференциатора со входным напряжением?

5.5.9 Как определить граничную частоту и частоту единичного усиления в схеме интегратора?

5.5.10 Как определить граничную частоту и частоту единичного усиления в схеме дифференциатора?

5.5.11 Как зависит точность интегрирования от параметров RC -цепи?

5.5.12 Из каких условий выбирают постоянную времени интегратора для обеспечения высокой точности интегрирования?

 

 

Варианты исходных данных

 

Таблица 5.1

№№ п/п	Усили- тель	Интегр.		Диффер.	№№ п/п	Усили- тель	Интегр.		Диффер.
	R 2, кОм	fвх, кГц	R 1, кОм	R 1, кОм		R 2, кОм	fвх, кГц	R 1, кОм	R 1, кОм
1	100	0,8	75	1	16	85	1,6	64	5,6
2	120	0,5	62	1,5	17	55	1,7	93	1,1
3	91	0,9	56	2	18	112	1,8	86	1,2
4	68	0,95	115	2,5	19	73	1,9	57	2,6
5	51	1	130	3	20	84	2	65	6,4
6	110	1,1	135	3,5	21	47	1,1	67	6,8
7	82	1,2	43	4,3	22	96	1,2	98	2,4
8	75	1,3	58	4,5	23	78	1,3	85	2,8
9	62	1,4	100	5,1	24	64	1,4	55	3,2
10	56	1,5	120	3,3	25	93	1,5	112	3,9
11	115	1.6	91	2,7	26	86	0,8	73	4,3
12	130	1,7	68	1,8	27	57	0,5	84	4,7
13	135	1,8	51	1,3	28	65	0,9	47	2,5
14	43	1,9	110	6,2	29	67	0,95	96	3,1
15	58	2	82	1,6	30	98	1	78	3,4

 

6 Лабораторная работа № 4. Исследование логических элементов

 

Логические элементы составляют основу логических устройств, применяемых в цифровой электронике. Чтобы выполнить синтез любого логического устройства, необходимо знать, какую простейшую логическую функцию реализует тот или иной логический элемент. Целью лабораторной работы № 4 является закрепление знаний по основам цифровой электроники, а также освоение методики исследования логических элементов, реализующих простейшие логические функции.

Завершается работа оформлением и защитой с оценкой отчета. Защита осуществляется методом экспресс-опроса в рамках теоретического и практического материала по теме лабораторной работы.

На выполнение и защиту лабораторной работы № 4 отводится 2 академических часа.

 

 

Краткие сведения из теории

 

Логическим элементом называется физическое устройство, реализующее одну из операций алгебры логики или простейшую логическую функцию. Входные и выходные сигналы логических элементов могут принимать значения, соответствующие двум уровням напряжения – низкому или высокому. При положительной логике низкий уровень напряжения соответствует «логическому нулю», высокий – «логической единице» (при отрицательной логике – наоборот).

Схема, составленная из конечного числа логических элементов, называется логической схемой.

Для описания алгоритмов работы и структуры логических схем используют аппарат алгебры логики (булевой алгебры). В основе алгебры логики лежит три логических операции:

- логическое отрицание (операция НЕ, инверсия), обозначаемое надчеркиванием над логической переменной или логическим выражением (; );

- логическое сложение (операция ИЛИ, дизъюнкция), обозначаемое знаком «+» или «Ú» (; );

- логическое умножение (операция И, конъюнкция), обозначаемое одним из знаков: «´», «×», «&» или «Ù» (х ₁ х ₂; ; ; х ₁& x ₂; ).

Перечисленные логические операции могут быть применены к двоичным (булевым) переменным.

Булевыми переменными называются такие переменные х ₁, х ₂,..., х _n, которые могут принимать только одно из двух значений «0» или «1».

Логической (переключательной) функцией называется такая функция Y = f (х ₁, х ₂,..., х _n), которая так же как и ее аргументы (булевы переменные) может принимать только одно из двух значений «0» или «1».

Конкретная комбинация значений аргументов называется набором. Каждый набор имеет индекс, численно равный десятичному эквиваленту двоичного числа. Очевидно, что функция от п переменных в общем случае может быть определена на 2 ^п наборах их значений.

Логические функции от одной и двух переменных принято называть элементарными. Эти функции имеют специальные названия и обозначения и используются при воспроизведении более сложных логических функций.

Для выражения логических функций от многих переменных достаточно иметь ограниченное число разнотипных элементарных логических функций, называемое системой. Система логических функций называется функционально полной, если при помощи этих функций можно выразить любую сложную логическую функцию. Примеры функционально полных систем:

- конъюнкция, дизъюнкция, инверсия;

- конъюнкция, инверсия;

- дизъюнкция, инверсия;

- стрелка Пирса (отрицание дизъюнкции);

- штрих Шеффера (отрицание конъюнкции).

Первая система булевых функций образует так называемый булев ба зис функций, а две последние – универсальный базис.

Логическое отрицание описывается логической функцией  и может быть реализовано с помощью логического элемента, называемого инвертором. Условное графическое обозначение инвертора приведено на рисунке 6.1, а. На рисунке 6.1, б показано обозначение инвертора, используемое в программе Electronics Workbench.

                                а                                б

Рисунок 6.1

 

Функция логического сложения двух переменных х ₀ и х ₁ – Y = х ₀ V х ₁ может быть реализована с помощью логического элемента дизъюнктора, условное графическое обозначение которого представлено на рисунке 6.2, а (соответственно, используемое в Electronics Workbench – на рисунке 6.2, б).

                               а                               б

Рисунок 6.2

 

Функция логического умножения двух переменных х ₀ и х ₁ – Y = х ₀ х ₁ может быть реализована с помощью логического элемента конъюнктора, условное графическое обозначение которого представлено на рисунке 6.3, а (соответственно, используемое в Electronics Workbench – на рисунке 6.3, б).

 

                             а                                     б

Рисунок 6.3

 

Для реализации логических функций отрицание дизъюнкции и отрицание конъюнкции используются соответствующие элементы Пирса (ИЛИ-НЕ) и Шеффера (И-НЕ). Условные графические обозначения элементов приведены на рисунке 6.4.

 

Рисунок 6.4

 

Одной из форм представления логической функции является таблица истинности. Таблицейистинности или комбинационной таблицей называется таблица, которая содержит все возможные комбинации (наборы) входных переменных х_{п- 1},..., х ₁, х ₀ и соответствующие им значения выходных переменных y_i логической функции Y. В общем случае таблица истинности содержит 2 ^п строк. На рисунке 6.5 в качестве примера представлена таблица истинности некоторой логической функции (Y = f (x ₀, x ₁, x ₂)) трех переменных.

№№ набор.	х 2	х 1	х 0	Y
0	0	0	0	0
1	0	0	1	0
2	0	1	0	0
3	0	1	1	1
4	1	0	0	0
5	1	0	1	1
6	1	1	0	1
7	1	1	1	1

 

Рисунок 6.5

 

На практике однотипные логические элементы, реализующие элементарные логические функции, объединяют по несколько элементов в одном корпусе цифровой интегральной микросхемы (ИМС). На рисунке 6.6 показаны примеры таких микросхем 155 серии транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ).

Рисунок 6.6

 

В справочной литературе для каждой цифровой ИМС указывают ее функциональный состав. Например, для ИМС К155ЛА1 в справочнике записано: два элемента 4И-НЕ (или кратко – 2-4И-НЕ).

 

Подготовка к работе

 

6.2.1 Изучить теоретические положения по теме проводимых исследований, используя конспект лекций, рекомендованную литературу и подраздел 6.1 методических указаний.

6.2.2 Используя справочную литературу, ознакомиться с техническими характеристиками ИМС серий К555, К1531, содержащих логические элементы, реализующие элементарные логические функции.

6.2.3 Подготовить отчет в соответствии с требованиями, изложенными в разделе 1 методических указаний.

 

Задание на проведение исследований

 

6.3.1 На основе экспериментальных данных составить таблицы истинности простейших логических элементов и их сочетаний.

6.3.2 Определить логические функции по таблицам истинности логических элементов, полученным экспериментально.