Описание универсального лабораторного стенда

Стенд работает от сети переменного тока напряжением (220±22)В, частотой (50±5)Гц и содержанием гармоник до 5%.

Конструкция стенда

Стенд выполнен в виде настольного переносного прибора. Конструктивно стенд состоит из двух стандартных приборных кожухов. В верхнем кожухе размещается передняя панель управления (рис. 1), в нижнем – кассета с печатными платами, силовой трансформатор и передняя панель с контрольными гнездами.

Панель управления содержит:

· переключатель “Номер работы” со световой индикацией;

· переключатель “кГц(a)” на десять положений;

· переключатель с кнопками “S1-S5” и световой индикацией;

· переключатель с кнопками разрядов “Р7-Р0” и “А1-А0” и световой индикацией;

· переключатель с кнопками команд для работ 9-14;

· кнопки “коммутатор” для подключения входов осциллографа и коммутатора к измерительным гнездам;

· измерительные гнезда “Y1(I)”, “Y2”, “Y3(II)”, “Y4” для подключения входов коммутатора и гнездо “Y” для подключения входа цифрового вольтметра;

· органы управления коммутатором: ручка “Y2” регулирует отклонение по вертикали луча канала Y2; ручка “Y3” регулирует отклонение по вертикали луча канала Y3; ручка “Y4” регулирует отклонение по вертикали луча канала Y4;

Панель с контрольными гнездами имеет наборное поле, на котором определенным образом расположены группы гнезд. К этим гнездам подключены контрольные точки исследуемых электрических схем лабораторных работ. С правой стороны панели расположены кнопка “Сеть” с индикацией и пять ручек управления стендом:

· ручки “E1” и “E2” источников сигнала постоянного тока с диапазоном измерения регулировки ±7 В;

· ручка “E_г” источников сигналов синусоидальной формы с диапазоном регулировки 0÷7 В, частота которых изменяется переключателем “кГц(a)” в диапазоне от 80 Гц до 20 кГц;

· ручка “U_вх” регулировки источника сигналов постоянного тока в работах 3 и 9;

· ручка “R_н” регулировки сопротивления нагрузки в электрических схемах работ 1, 2, 3.

На наборном поле панели внизу справа расположены подстроечные потенциометры “Е_г” и “R_н”.

 

 

Лабораторные работы снабжены сменными панелями, на которых изображены исследуемые электрические схемы с указанием контрольных точек. Накладная панель крепится на панели с контрольными гнездами. Фиксатор состоит из прижимной планки и винта. На накладной панели в местах контрольных точек имеются отверстия, под которыми расположены контрольные гнезда для данной лабораторной работы. Эти отверстия пронумерованы и используются для подключения к гнездам измерительных приборов.

На левой боковой стенке нижнего кожуха (рис. 2) установлены гнезда “I” и “II” для подключения входов осциллографа С1-93, гнездо “V” для подключения цифрового вольтметра. Гнезда “СИНХР.” и “ “ _Ù_ ” служат для подключения входа внешней синхронизации и выхода генератора развертки С1-93. На задней стенке установлен предохранитель и клемма заземления стенда. Электрическая схема стенда разделена на отдельные блоки, которые размещены на семи печатных платах PL1-PL7. Печатные платы установлены в общей кассете таким образом, что съём их производится с задней стороны стенда.

 

 

Рисунок 2. – Левая боковая стенка нижнего кожуха

 

 

Лабораторная работа №1

Исследование логического элемента “И – НЕ”

 

Цель работы: исследование статических характеристик ТТЛ логического элемента “И – НЕ”; синтез комбинационных схем на логических элементах.

 

Теоретическая часть

Основу современных цифровых устройств составляют интегральные логические элементы ЛЭ, одним из которых является элемент “2И-НЕ ” (рис. 1.1). ЛЭ “2И-НЕ ” представляет собой ключ, имеющий 2 входа, 1 выход и реализующий функцию отрицания логического произведения входных сигналов. Принципиальная схема ТТЛ ЛЭ и его условное графическое обозначение УГО приведены на рис. 1.1. Это универсальный элемент с помощью которого, в сочетании с логической парой “ИЛИ-НЕ”, возможно построение любой логической системы.

а) б)

Рисунок 1.1. – Принципиальная схема (а) и УГО на принципиальных

схемах (б) ТТЛ ЛЭ “2И-НЕ” (в режиме инвертора)

 

Работа ЛЭ по постоянному току описывается статической передаточной характеристикой (рис.1.2).

Рисунок 1.2. – Статическая передаточная характеристика

Работа ЛЭ по переменному току описывается схемой замещения (рис. 1.3).

На рис. 1.2 приведены рабочие точки ЛЭ: А₁ в состоянии отсечки – логическая “1”, А₀ – в состоянии насыщения – логический “0”.

– запас помехоустойчивости ЛЭ при передаче “0” и “1”, т.е. допустимая аддитивная амплитуда помехи, не вызывающая ложного срабатывания ЛЭ;

– пороговые напряжения переключения ЛЭ при переходе из “1” в “0” и из “0” в “1” соответственно.

Рисунок 1.3. – Схема замещения ТТЛ ЛЭ

 

Типовые значения параметров схемы замещения ТТЛ ЛЭ «И-НЕ»:

 

Порядок выполнения работы

1. Макет лабораторной работы №1

2. Экспериментально снять статическую передаточную характеристику

логического элемента DD1 “И-НЕ” в режиме инвертора.

Для того, чтобы установить передаточную характеристику логического элемента DD1 “И-НЕ” необходимо, плавно поворачивая ручкой U_вх, регулировать величину входного сигнала от нуля до значения , при котором элемент переходит из состояния логической единицы “1” в состояние логического “0”. При этом необходимо с помощью цифрового вольтметра зафиксировать пороговые значения входных напряжений и .

При измерении зафиксировать две точки на участках устойчивых состояний “1” и “0”, три значения – в переходной области.

3. Исследовать работу трехвходового логического элемента “3И-НЕ” DD5. Его функция описывается таблицей истинности. Составить таблицу истинности (табл. 1.1), для этого необходимо представить все возможные комбинации переменных x1, x2, x3 от (0,0,0) до (1,1,1) и каждой комбинации поставить в соответствие . Затем проверить эту таблицу экспериментально, для чего входы ЛЭ DD5 соединительными проводниками подключить к выходам x1, x2, x3 генератора Г, а выход этого ЛЭ – к индикатору У (его свечение соответствует высокому уровню – логическая “1”, а наоборот – логический “0”).

Рисунок 1.4. – Макет лабораторной работы №1

 

Нажать кнопку “Сброс” для установки генератора Г в исходное состояние. Затем нажимая кнопку “Пуск” каждый раз фиксировать выходной сигнал ЛЭ по индикатору У и определить его соответствие табл. 1.1.

 

Таблица 1.1 –

Таблица истинности ЛЭ “3И-НЕ”

№ п.п.

x1

x2

x3

 

4. С помощью передаточной характеристики логического элемента (пункт 2) определить параметры логического элемента: выходные напряжения , пороговые напряжения . Определить статическую помехоустойчивость, т.е. максимальную амплитуду помехи, которая, будучи наложенной на сигнал, не вызывает ложного срабатывания.

5. Для заданных преподавателем логических выражений 3х переменных составить таблицы истинности и реализовать их с помощью ЛЭ DD2-DD6. Данные занести в табл. 1.2.

 

 

Таблица 1.2 –

Таблица истинности комбинационной схемы, реализующей функцию

F = xxxxxx.

№ п.п.

x1

x2

x3

Примечание: при реализации функции F использовать входы x1, x2, x3 () генератора Г, наборное поле логической “1” и логического “0”; дизъюнктивную функцию преобразовать в конъюнктивную по правилу Де Моргана, затем собрать схему и проверить таблицу истинности с использованием индикатора У.

 

Содержание отчета

1. Схемы эксперимента.

2. Для ЛЭ “2И-НЕ”: таблица истинности, график статической передаточной характеристики и статические параметры.

3. Для элемента “3-И-НЕ”: таблица истинности.

4. Преобразование с помощью правила Де Моргана заданных логических функций F и структурные схемы реализации их в базисе “И-НЕ”.

5. Выводы по работе.

 

4. Контрольные вопросы

1. Привести передаточные характеристики для инвертирующего и неинвертирующего элемента.

2. Что такое “помехоустойчивость ЛЭ”?

3. Привести уровни логических “0” и “1”, пороги срабатывания ЛЭ для серии К155.

 

Лабораторная работа №2

Дешифратор и мультиплексор

 

Цель работы: исследовать работу дешифратора и мультиплексора.

 

Теоретическая часть

Дешифратором называется устройство, распознающее кодовые комбинации. Дешифратор имеет число входов, равное разрядности принимаемого кода n, и число выходов, равное возможному числу кодовых комбинаций N = 2ⁿ. Такое устройство вырабатывает сигнал “1” на каждом выходе только в том случае, когда на вход поступает код числа, соответствующего номеру этого выхода. Дешифратор (рис. 2.1) является полным, т.е. имеет восемь выходов, соответствующих 3х разрядному коду числа. На рис. 2.1 приведено условное графическое обозначение дешифратора, которое используется в структурных, функциональных и принципиальных схемах.

Мультиплексор (коммутатор) – устройство для переключения в определенном порядке сигналов с нескольких входов на один выход. Во многих схемах мультиплексор выполняет функцию многопозиционного переключателя. Управление мультиплексором производится по адресным и разрешающим входам. Число информационных входов N связанно с числом адресных входов n следующим выражением N = 2ⁿ.

 

DD

 

Рисунок 2.1. – Дешифратор трехразрядного кода

 

Набор сигналов на адресном входе определяет соединение информационных входов с выходом. Например, мультиплексор с двумя информационными входами 2x1 можно реализовать следующим образом:

 

Рисунок 2.2. – Мультиплексор 2x1

На принципиальных схемах мультиплексор имеет обозначение, приведенное на рис. 2.3

Рисунок 2.3. – Мультиплексор 2ⁿx1

Порядок выполнения работы

1. Макет лабораторной работы №2

 

Рисунок 2.4. – Макет лабораторной работы №2

 

2. Исследовать работу дешифратора DD7 в соответствии с таблицей истинности, необходимо составить эту таблицу и проверить её экспериментально.

Для этого необходимо установить дешифратор в исходное положение, нажав на кнопку “Сброс”. С помощью соединительных проводников подключать индикатор “У” к выходам дешифратора и, нажимая кнопку “Пуск”, фиксировать по индикаторам x1, x2, x3 состояния каждого кода, а по индикатору “У” –состояния выходов дешифратора, данные занести в табл. 2.1. Привести временную диаграмму работы дешифратора по тактам.

Примечание: исследуется полный дешифратор DD7 с инверсными выходами, т.е. на выходе, соответствующему входному коду числа будет сигнал “0”, а на всех остальных выходах – “1”.

Таблица 2.1 –

Таблица истинности дешифратора

№п.п.

x1

x2

x3

D0

D1

D2

D3

D4

D5

D6

D7

3. Исследовать функционирование мультиплексора DD8. Т.к. для серии ТТЛ свободный вход соответствует уровню логической “1”, то следует поочередно подключать низкий уровень (“0”) на соответствующий информационный вход. С помощью соединительных проводов подключить индикатор “У” к выходу мультиплексора и, нажимая кнопку “Пуск”, фиксировать по индикаторам x1, x2, x3 состояния адресных входов, а по индикатору “У” – выхода мультиплексора. Данные занести в табл. 2.2.

 

Таблица 2.2 –

Таблица истинности мультиплексора

№ п.п.

x1

x2

x3

Y

 

4. Исследовать работу мультиплексора в качестве преобразователя параллельного кода в последовательный. По указанию преподавателя установить восьмиразрядный двоичный код на входах D₀…D₇ мультиплексора используя соединительные проводники и гнезда “0”. Нажать кнопку “Сброс” и, нажимая кнопку “Пуск”, фиксировать прохождение последовательного восьмиразрядного кода по выходу при смене состояний на адресных входах от “000” до “111”. Привести временную диаграмму работы мультиплексора в режиме преобразователя параллельного кода в последовательный по тактам. Данные занести в табл. 2.3.

 

Таблица 2.3 –

Таблица истинности мультиплексора в режиме преобразователя параллельного кода D₀…D₇ в последовательный

№ п.п.

x1

x2

x3

Y

 

Содержание отчета

1. Схемы эксперимента.

2. Условные графические обозначения на электрических схемах дешифратора и мультиплексора.

3. Таблица истинности дешифратора и временная диаграмма его работы.

4. Результаты исследования функционирования мультиплексора.

5. Временная диаграмма работы мультиплексора в качестве преобразователя параллельного кода в последовательный.

6. Выводы по работе.

 

4. Контрольные вопросы

1. Дать определение дешифратора и определить области его применения.

2. Дать определение мультиплексора и указать области его применения.

3. Почему “свободный” ТТЛ вход эквивалентен логической “1”, а “свободный” МОП вход – логическому “0”?

4. Приведите пример использования преобразователя параллельного кода в последовательный.

 

Лабораторная работа №3

Исследование одновибратора, мультивибратора и генератора импульсов на элементах “И-НЕ”

 

Цель работы: исследование схем одновибратора, мультивибратора и генератора импульсов на элементах “И-НЕ”, экспериментальное определение основных характеристик релаксационных генераторов и сравнение их с теоретическими значениями.

 

Теоретическая часть

Одновибраторами называются регенеративные переключающие устройства, имеющие одно устойчивое и одно временно устойчивое состояния равновесия. Одновибраторы, в основном, используются для формирования прямоугольных импульсов определенной амплитуды и заданной длительности под действием внешних (входных) запускающих импульсов. Этот импульс вызывает скачкообразный переход одновибратора во временно устойчивое (квазиравновесное) состояние. В этом состоянии в одновибраторе протекают переходные процессы, которые завершаются обратным переходом схемы в устойчивое состояние. В итоге под действием запускающего импульса генерируется только один импульс определенной длительности.

До поступления внешнего запускающего импульса (см. рис.3.1) на входах DD2 будет низкий уровень, а на входах DD1 – высокий. При этом на выходе DD1 (выходе одновибратора) будет низкий уровень, что сохраняет устойчивое состояние равновесия одновибратора. Из этого состояния одновибратор может быть выведен запускающим импульсом (формы импульсов на входе и выходе устройства показаны на рис. 3.1).

 

Рисунок 3.1. – Схема одновибратора на логических элементах “2И-НЕ”

 

Для одновибратора величина и длительность выходного импульса t_им определяются следующими выражениями:

,

где ,

;

,

.

После окончания формирования выходного импульса одновибратор будет сохранять устойчивое состояние равновесия.

Автоколебательные генераторы (мультивибраторы) используют положительную обратную связь для создания незатухающих колебаний. Мультивибратор на ЛЭ содержит две RC цепочки, определяющие длительность импульса t_им и паузы t_п. Простейший мультивибратор на ЛЭ “2И-НЕ” с двумя RC цепочками (классическая схема) для надежной работы требует дополнительной цепи возбуждения колебаний.

Схема мультивибратора изображена на рис. 3.2 и не содержит данной цепи, поэтому при включении питания иногда возможен срыв колебаний. Для мультивибратора при С1=С2=С, R1=R2=R величины t_им и паузы t_п равны:

, где – логический перепад.

Рисунок 3.2. – Схема мультивибратора

 

Генераторы, предназначенные для формирования колебаний резко несинусоидальной формы, называются релаксационными. Особенность их состоит в существовании 2-х взаимно чередующихся процессов: регенерации (процесс переключения энергии от источника к цепи заряда и наоборот) и релаксации (самопроизвольный выход генератора из устойчивого состояния). Схема генератора на 3-х инверторах приведена на рис. 3.3.

Величины t_им и t_п исходя из некоторых допущений, для генератора определяются по формулам:

,

.

 

Рисунок 3.3. – Генератор импульсов на 3х элементах “НЕ”

Порядок выполнения работы

1. Макет лабораторной работы №3 представлен на рис. 3.4

 

Рисунок. 3.4. – Макет лабораторной работы №3 для исследования:

а) одновибратора, б) мультивибратора, в) генератора импульсов

 

2. Исследование мультивибратора на ЛЭ “И-НЕ” (классическая схема).

2.1 Снять осциллограмму в контрольных точках схемы U_вх1, U_вых1, U_вых2. Построить в одной системе координат. Снять осциллограммы с помощью коммутатора. Амплитудные значения импульсов определяются без коммутатора и с коммутатором, а затем рассчитывают коэффициент передачи коммутатора.

2.2 Измерить с помощью осциллографа длительность импульса и период следования Т.

2.3 Рассчитать теоретические значения t_им и Т, если R1 = R2 =510 Ом, С1 = С2 = 0.47 мкФ. Сравнить теоретические и практические значения, объяснить расхождения.

3. Исследование одновибратора на ЛЭ «И-НЕ»

3.1 Снять осцилограмму на входе и выходе схемы.

3.2 Измерить с помощью осциллографа длительность выходного импульса одновибратора .

3.3 Определить длительность импульса на выходе одновибратора, если R1=560 Ом, С=0,22 мкФ. Сравнить теоретические и практические значения, объяснить расхождения. Определить время восстановления работы одновибратора и сравнить его с длительностью входного импульса .

4. Исследование генератора импульсов с тремя инверторами.

4.1 Снять осциллограмму в контрольных точках схемы , , .

4.2 Измерить с помощью осциллографа длительность импульса и период следования Т.

4.3 Рассчитать длительность импульса и период Т при R =560 Ом, С=0,47 мкФ. Сравнить теоретические и практические значения, объяснить расхождения.

 

Содержание отчета

1. Схемы эксперимента.

2. Осциллограммы одновибратора, мультивибратора и генератора тактовых импульсов в контрольных точках.

3. Теоретические расчеты параметров импульсных колебаний схем с объяснением причин полученных расхождений с экспериментальными данными.

4. Выводы по работе.

4. Контрольные вопросы

1. Определить назначение диода VD в схеме одновибратора.

2. Указать цепь заряда конденсатора С1 для мультивибратора и одновибратора.

3. Указать цепь разряда конденсатора С1 для мультивибратора и одновибратора

4. Сформулировать требования к длительности запускающего импульса.

5. Нарисуйте цепь принудительного запуска мультивибратора в случае срыва его колебаний.

 

Лабораторная работа №4