Київський національний технічний університет україни

«КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ»

Фесечко В.А., Худякова Л.А., Сташкевич В.Ф.

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

ДО ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ ПО КУРСУ

«ЦИФРОВА СХЕМОТЕХНІКА»

для студентів факультету електроніки

Будь-якої форми навчання

Київ КПІ 2011

МІНІСТЕРСТВО ВИЩОЇ СЕРЕДНЬОЇ СПЕЦІАЛЬНОЇ ОСВІТИ В УКРАЇНІ

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

«КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ»

Фесечко В.А., Худякова Л.А., Сташкевич В.Ф.

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

ДО ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ ПО КУРСУ

«ЦИФРОВА СХЕМОТЕХНІКА»

для студентів факультету електроніки

Будь-якої форми навчання

Затверджено

На засіданні кафедри

Фізичної та біомедичної електроніки

Протокол № 21 від 25.05.11

Київ КПІ 2011

Фесечко В. А. Методичні вказівки до лабораторних робіт по курсу «Цифрова схемотехніка» для студентів факультету электроніки усіх форм навчання/ В. А. Фесечко, Л. А. Худякова, В. Ф. Сташкевич.-

 

Гриф Методического совета НТУУ «КПИ»

(протокол № від)

 

Затверджено на засіданні

кафедри фізичної та біомедичної електроніки

(протокол № 21 від 25.05.11)

 

 

Навчально-методичне видання

 

ЦИФРОВА СХЕМОТЕХНІКА

 

Методичні вказівки до лабораторних робіт по курсу «Цифрова схемотехніка» для студентів факультету электроніки будь-якої форми навчання

Автори: Володимир Опанасевич Фесечко, канд. техн. наук, проф.

Людмила Александрівна Худякова, ст. викладач

Володимир Філіпович Сташкевич, зав. лабораторії

 

Відповідальний:

редактор В. И. Тимофєєв, доктор техн. наук, проф.

Рецензент О. В. Борисов, канд. техн. наук, проф.

 

За редакцією авторів

 

Вступ

 

Швидкий розвиток сучасної мікроелектроніки і, зокрема, цифрової схемотехніки супроводжується залученням в цю область все більш широкого кола розробників нових функціональних вузлів, пристроїв і систем, а також користувачів компонентної бази і традиційних схемотехнічних рішень в нових прикладних сферах застосування. При цьому фахівцеві в області цифрової схемотехніки необхідно бути кваліфікованим спеціалістом в способах математичного опису функціонування цифрових схем на логічному і електричному рівнях, знати сучасну компонентну базу цифрової схемотехніки та переважні області її застосування, вільно орієнтуватися в промислових серіях інтегральних мікросхем і перспективи їх подальшого вдосконалення, володіти методами побудови структур цифрових пристроїв і систем.

Методичні вказівки містять опис лабораторних робіт з курсу «Основи схемотехніки» розділи «Цифрова схемотехніка» і «Пристрої цифрової електроніки», що викладається студентам факультету електроніки, а також студентам відповідних спеціальностей заочного факультету. Основною метою даного циклу лабораторних робіт є закріплення теоретичних знань, отриманих студентами при вивченні лекційного матеріалу, принципів побудови функціональних вузлів цифрової схемотехніки.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №1

ЕЛЕКТРОННІ КЛЮЧІ

Електронний ключ - основний функціональний вузол дискретної схемотехніки, який призначений для перемикання струмів або потенціалів в навантаженні. Комбінації електронних ключів дозволяють реалізувати будь-які перемикальні функції в пристроях автоматики та обчислювальної техніки.

В якості елементів перемикачів електронних ключів широко використовуються напівпровідникові діоди, біполярні і польові транзистори, тиристори й оптронні пари, що працюють в режимі великого сигналу з яскраво вираженими нелінійними властивостями.

Показники якості електронного ключа - провідність ключа в закритому і відкритому стані, чутливість до керуючого сигналу і завадостійкість, температурна стабільність, потужність, що віддається в навантаження, швидкодія.

Електронні ключі характеризуються такими основними параметрами: U⁰₁, U¹₁ - граничні рівні нульового та одиничного вхідних сигналів; U_пор - порогова напруга; U⁰_2мах, U¹_2min - граничні рівні нульового та одиничного вихідних сигналів; Р⁰, Р¹ - потужність, яка споживається від джерела напруги живлення при нульовому й одиничному напрузі на виході; t⁰¹_з.р, t¹⁰_з.р - тривалість затримки поширення сигналу через електронний ключ при перемиканні вихідного потенціалу відповідно з нульового стану в одиничне та навпаки; t⁰¹_ф, t¹⁰_ф - тривалість фронту наростання і спадання вихідного імпульсу.

В лабораторну роботу № 1 «Ключі на транзисторах» входять:

 

1.1 Перемикач напруги на біполярному транзисторі (рис.1.1).

1.2 Перемикач напруги на МДН-транзисторі з індукованим каналом (рис.1.1).

 

 

Рис.1.1

 

 

ПЕРЕМИКАЧ НАПРУГИ НА БІПОЛЯРНОМУ ТРАНЗИСТОРІ

Мета роботи - дослідити статичні та динамічні характеристики електронного ключа на біполярному транзисторі (БТ), який ввімкнений за схемою із загальним емітером, і схемних методів покращення його параметрів.

 

Опис лабораторної установки

В лабораторну установку входять: універсальний лабораторний стенд «ІМПУЛЬС - М», генератор імпульсів Г5-54 і осцилограф С1-55.

Досліджуваний електронний перемикач напруги зібраний на транзисторі VТ₁ n-р-n типу ВС 846В (рис. 1.2), який ввімкнено за схемою із загальним емітером.

За відсутності вхідного імпульсу від генератора Г₁ (U₁ = 0 В) транзистор замкнений, так як U_еб менше U_пор. На колекторі транзистора VТ₁ встановлюється високий потенціал U¹₂ = E_k ≈ +5 В. При подачі на вхід ключа від генератора Г₁ позитивного імпульсу, амплітуда якого перевищує порогову напругу ключа, транзистор переходить в активний режим, а потім в режим насичення. На його колекторі (виході ключа) встановлюється низький потенціал U⁰₂ = U_кн ≈ 0. Перехідні процеси відкривання та замикання транзистора залежать від параметрів вхідного сигналу, параметрів і схемної реалізації електронного ключа. Досліджувана схема дозволяє визначити вплив колекторного опору R_к = R₆ або R_к = R₆ | | R₇ на статичні і динамічні параметри електронного ключа, ємності навантаження С₂ на динамічні параметри, ємності прискорюючого конденсатора С₁ і нелінійного зворотного зв'язку через діод VD₁ на характер перехідних процесів в транзисторному ключі. В ході дослідження перехідних процесів перемикання транзистора VT₁ виникає необхідність визначення діаграми зміни в часі струму бази транзистора. Для цієї мети в базу транзистора VT₁ включений низькоомний резистор R₄, напруга на якому може бути проконтрольована в контрольних точках КТ2 і КТЗ лабораторного стенду.

 

Рис. 1.2

 

Домашнє завдання

1. Вивчити роботу електронного ключа та його схемних варіантів (з прискорюючим конденсатором, з нелінійним зворотним зв'язком) в статичному і динамічному режимах. Вивчити призначення компонентів електронного ключа та їх вплив на статичні і динамічні параметри (В.М. Рябенький, В.Я. Жуйков, В.Д. Гулий «Цифрова схемотехніка», 2009р, с.102-121; Ерофеев Ю.Н. Основы импульсной техники. 1979, с. 82-101, 125-142; Зубчук В.И., Сигорский В.П., Шкуро А.Н. «Справочник по цифровой схемотехнике», 1990г.).

2. Перевірити умови режиму відсічки транзистора VT1 для температури Т_окр = +80⁰ С, U⁰₁ = 0, якщо при Т_окр = +25⁰ С для транзистора ВС 846В и I_к0 < 1мкА. Визначити U¹₂ при Т_окр = +80⁰ С і R_к = R_6.

3. Визначити коефіцієнт насичення транзистора VT1 при Т_окр = +25⁰ С, U⁰₁ = +5В при двох значеннях колекторного опору (R_к = R₆ и R_к =R₆ II R₇₎, якщо β = 350-1000.

 

 

Робоче завдання

1. Встановити лабораторний стенд «ИМПУЛЬС - М» в режим «ЛАБ 1» за допомогою перемикача лабораторних робіт, який знаходиться на задній панелі стенда.

2. Ввімкнути кнопку «СЕТЬ».

3. Зняти й побудувати передаточну характеристику U₂ = f (U₁). За допомогою цією характеристики визначити статичні параметри ключа U⁰ _1max, U¹ _1min, U⁰ ₂, U¹ ₂ при відключених компонентах: діод VD1, конденсатор С1 і опір R7.

Для цього на вхід ключа необхідно подати позитивний прямокутний імпульс тривалістю t_вх = 100 мкс з частотою 1 кГц. Змінюючи його амплітуду U₁ визначити амплітуду сигналу на виході U₂. Значення U⁰_1max відповідає найбільшій амплітуді вхідного сигналу, при якій VT1 залишається закритим, з U¹_1min — найменшій амплітуді вхідного сигналу, який забезпечує насичення транзистора VT1.

4. Повторити п.1 при підключеному діоді VD1 (натиснути П1)

5. Повторити п.1 при підключеному конденсаторі С1 (натиснути П2).

6. Повторити п.1 при підключеному резисторі R7 (натиснути П4). Результати вимірювань за пп. 2-5 звести в таблицю 1.1.

 

Таблиця 1.1

Uвх , В
Uвых, В
VD1, В (П1 вкл)
C1, В (П2 вкл)
R7, В (П4 вкл)

 

7. Визначити перехідну характеристику U₂ (t) транзисторного ключа при його вмиканні та розмиканні. При цьому VD1, С1, R7, С2 – розімкнені. На вхід ключа треба подати позитивний прямокутний імпульс з амплітудою U¹₁ = 5 В, тривалістю tвх = 40 мкс та частотою 10 кГц. При цьому використати зовнішню синхронізацію осцилографа від генератора прямокутних імпульсів. З урахуванням масштабів зарисувати діаграми вхідного U1(t) та вихідного U2(t) імпульсів. За допомогою осцилографа визначити динамічні параметри ключа t⁰¹зд.р., t¹⁰зд.р., t⁰¹ф, t^{0 1}ф (При цьому треба використати на осцилографі масштаб по часу, при якому можна найбільш точно визначити параметри).

8. Повторити п.5 при підключеному діоді VD1 (натиснути П1).

9. Повторити п.5 при підключеному конденсаторі С1 (натиснути П2).

10. Повторити п.5 при підключеному конденсаторі С2 (натиснути П3).

11. Повторити п.5 при підключеному резисторі R7 (натиснути П4).

Примітка: Діаграми вихідної напруги по пп. 6-11 побудувати на загальному графіку, динамічні параметри ключа по пп. 6-11 звести в таблицю 1. 2.

Таблиця 1.2

	t^01зд.р. мкс	t^10зд.р, мкс	t^01ф, мкс	t^10ф. мкс
R6 (П1-П4 откл)
VD1 (П1 вкл)
C1 (П2 вкл)
R7 (П4 вкл)
C2 (П3 вкл)

 

 

Висновки

 

 

Контрольные вопросы

 

1. Що таке коефіцієнт насичення і як він залежить від параметрів компонентів досліджуваної схеми?

2. Поясніть вплив нелінійного зворотного зв'язку на перехідні процеси в ключі.

3. Поясніть вплив прискорюючого конденсатора на перехідні процеси в ключі.

4. З яких міркувань вибирається оптимальне значення ємності прискорюючого конденсатора?

5. Поясніть вплив температури навколишнього середовища на порогову напругу ключа і коефіцієнт насичення транзистора.

6. Поясніть вплив ємності навантаження на динамічні параметри ключа.