Импульсные элементы на микросхемах

Министерство образования и  науки РФ

Федеральное государственное бюджетное  образовательное учреждение высшего  профессионального образования

Ижевский Государственный Технический  Университет

Имени М.Т. Калашникова

Факультет «Информатика и вычислительная техника»

Кафедра «Вычислительная техника»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Отчёт по лабораторной работе № 2

«Импульсные элементы на микросхемах»

 

 

 

 

 

 

 

Выполнили:

Студенты группы 5-78-1

Корепанов М.А.

Саляхутдинов К.О.

Суглов С.В.

 

 

Проверил:

Доктор технических наук,

профессор кафедры «Вычислительная  техника»

Гитлин В. Б.

 

 

 

 

 

Ижевск 2012

1. Цель работы

Целью данной работы является изучение способов реализации элементов задержки, формирователей коротких импульсов, одновибраторов, мультивибраторов и автогенераторов на основе стандартных микросхем ТТЛ общего применения.

2. Ход работы

 

1. Исследование элемента И-НЕ при установке на его вход резистора.

Подать питание на элемент. Изменяя  номиналы резистора определить граничное  сопротивление, при котором напряжение на выходе элемента переходит с высокого уровня на низки.

 

 

Граничное сопротивление  равно R = 2,2 Ком.

 

 

Вывод:

Если величина резистора R будет больше граничного, то падение напряжения на нём будет примерно равно пороговому U_п, что вызовет ложный переход элемента ТТЛ в другое состояние (от высокого уровня напряжения на выходе к низкому).

Величину резистора R для повышения помехоустойчивости нужно выбирать как можно меньше.

 

 

 

2. Исследование элементов задержки с интегрирующей RC-цепью.

 

Собрать схему показанную на рис.1. Номинал резистора взять равным 1 КОм. Диод не подключать. На вход элемента задержки с генератора подать импульсы с параметрами: полярность положительная, амплитуда 4В, длительность 2 мкс. Изменяя величину ёмкости конденсатора C, определить диапазон ёмкости, при котором сохраняется устойчивая работа элемента задержки. Для значения ёмкости, соответствующего середине диапазона измерить величины задержек Зарисовать эпюры напряжений.

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1 Схема задержки с интегрирующей RC – цепью.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2, 3. Напряжение на выходе схемы и конденсаторе С.

 

Схема работает устойчиво  при изменении ёмкости от 33 до 220 пФ.  Для ёмкости  

 

 

3. Исследование элемента задержки с интегрирующей цепью.

Собрать схему показанную на рис.4. Повторить действия п.2.

 

 

 

 

Рис. 4 Схема задержки с интегрирующей RC – цепью и диодом.

 

 

 

 

 

 

Рис. 5. Напряжение на выходе схемы.

Схема работает устойчиво  при изменении ёмкости от 33 до 100 пФ. Для ёмкости  

Вывод:

Из осцилограмм видно, что включение диода резко уменьшает время задержки t_З01. К диоду приложено напряжение прямой полярности. Диод открыт, его сопротивление мало, за счет чего конденсатор разряжается через низкоомный путь, образованный открытым диодом и выходным транзистором ТТЛ, подключенным к «земле». За счет этого, время разряда конденсатора существенно уменьшается. Время задержки t_З10 не изменяется, так как к диоду приложено напряжение обратной полярности, диод закрыт и не влияет на процесс перезаряда конденсатора С. 

4. Исследование элемента задержки на диоде и конденсаторе.

 

Собрать схему показанную на рис.4. Повторить действия п.2.

 

 

 

 

Рис. 6. Элемент задержки на диоде и конденсаторе.

 

 

 

 

 

Рис. 7, 8. Напряжение на выходе схемы  и конденсаторе С.

Схема работает устойчиво при изменении ёмкости  от 22 до 47 пФ.  Для ёмкости

 

Вывод:

В момент изменения выходного  напряжения первого элемента ТТЛ  с уровня «1» на уровень «0», напряжение становится меньше порогового, диод открывается, и конденсатор быстро разряжается через открытый диод до низкого уровня. Напряжение на выходе второго элемента ТТЛ переходит с уровня «0» на уровень «1», под управлением выходного напряжения первого элемента без задержки.   

Данный  элемент задержки обладает низкой помехоустойчивостью, по сравнению с остальными, т.к. в  течение длительного времени  он остаётся на грани переключения, когда напряжение на равно пороговому напряжению  

5. Исследование элемента с дифференцирующей цепью.

Собрать схему, показанную на рис. 9. Подать импульсы с параметрами указанными в п.2. Величину резистора взять  равной 1 кОм. Определить диапазон ёмкостей, при котором сохраняется устойчивая работа схемы. Измерить значение длительности импульса и зарисовать напряжения во всех точках схемы для одного из значений ёмкостей.

 

 

 

Рис. 9. Элемент с дифференцирующей цепью.

Рис. 10. Эпюр напряжения на резисторе R.         Рис. 11. Эпюр выходного напряжения

Схема работает устойчиво при изменении  ёмкости от 47 до 470 пФ.  Для ёмкости

Вывод: В данной схеме установлен диод, который уменьшает вероятность пробоя переходов база-эмиттер входного транзистора второго элемента ТТЛ. При положительном импульсе на входе 2-го элемента ТТЛ диод закрыт и не влияет на работу схемы. При отрицательном импульсе, когда правая обкладка конденсатора отрицательна по отношению к левой обкладке, диод открывается и ограничивает напряжение на входе на уровне напряжения открытого диода . Кроме того, открытый диод способствует быстрому разряду конденсатора .  Недостатком этой схемы является снижение помехоустойчивости 2-го элемента ТТЛ, так как низкий уровень напряжения на сопротивлении больше уровня «0» на величину начального напряжения на конденсаторе  

6. Исследование формирователя импульсов с RC-цепью.

Собрать схему показанную на рис.12. Повторить действия п.5.

 

 

 

Рис. 12. Формирователь импульсов с RC-цепью.

 

 

 

 

 

 

Рис. 13Напряжение на конденсаторе                      Рис. 11. Эпюр выходного напряжения

 С и выходе схемы.

Схема работает устойчиво при изменении ёмкости  от 33 до 100 пФ.  Для ёмкости

 

Вывод:

Процессы заряда и разряда конденсатора в данном формирователе импульсов полностью аналогичны процессам заряда и разряда конденсатора в элементе задержки с интегрирующей цепью.

Из  диаграмм видно, что импульс генерируется на участке спада напряжения, на конденсаторе. В момент полного окончания  разряда конденсатора напряжение на входе становится равным уровню нуля и поддерживает напряжение на выходе 2-го элемента ТТЛ на высоком уровне. Конденсатор начинает перезаряжаться по направлению к высокому уровню, так как напряжение на выходе 1-го элемента стало равным высокому уровню. Через время равное 1,4 мкс состояние формирователя полностью восстанавливается. 

7. Исследование одновибратора.

Собрать схему, показанную на рисунке. На вход подать напряжение логической единицы. Длительность импульса, подаваемого на установить равной 0,5 мкс. Величину резистора взять равной 1 кОм. Определить диапазон ёмкостей, при котором сохраняется устойчивая работа схемы. Измерить значение длительности импульса и зарисовать напряжения во всех точках схемы для одного из значений ёмкостей.

 

 

 

 

 

 

Рис. 15 Одновибратор.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 16 Эпюры входного и выходного напряжений одновибратора.

 Длинна импульса на  входе равна , а на выходе . Номинал конденсатора .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 17 Эпюры входного напряжения схемы и входа элемента U1.

 

Вывод:

На вход подаётся напряжение «1», это используется для принудительного сброса одновибратора в устойчивое состояние, если на выходе схемы необходимо получить импульс с длительностью,  меньшей .

Диод  нужен для ограничения отрицательных  выбросов напряжения на уровне напряжения открытого диода.

При поступлении отрицательного импульса, 1-й элемент ТТЛ переключается, на выходе установится , начинается перезарядка конденсатора . Перепад напряжения с выхода 1-го элемента передаётся через на вход 2-го элемента, поэтому на выходе 2-го элемента устанавливается низкий уровень. Это напряжение подаётся на второй вход 1-го элемента и поддерживает на уровне _{, несмотря на то, что короткий запускающий импульс уже закончился. Когда напряжение на входе 2-го элемента уменьшится до порогового, начнётся переключение 1-го элемента. Далее одновибратор восстанавливается} . По прошествии этого времени одновибратор полностью восстанавливает своё состояние.

У данного  одновибратора большой диапазон ёмкостей, в котором он сохраняет своё устойчивое состояние, поэтому он применяется чаще всего.