Методические рекомендации и задания к выполнению лабораторных работ по дисциплине ОП.03 «Основы электроники» для специальности 08.02.09 «Монтаж, наладка и эксплуатация электрооборудования промышленных и гражданских зданий»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
ДОНЕЦКОЙ НАРОДНОЙ РЕСПУБЛИКИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
«ДОНЕЦКИЙ ПОЛИТЕХНИИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ»

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ И ЗАДАНИЯ

к выполнению лабораторных работ

по дисциплине ОП.03 «Основы электроники»

для специальности 08.02.09 Монтаж, наладка и эксплуатация электрооборудования промышленных и гражданских зданий

2025

Методические рекомендации и задания к выполнению лабораторных работ по дисциплине ОП.03 «Основы электроники» специальности 08.02.09 «Монтаж, наладка и эксплуатация электрооборудования промышленных и гражданских зданий»

В методических указания представлены практические работы по дисциплине ОП.03 «Основы электроники» для студентов, обучающихся по программе подготовки специалистов среднего звена, по специальности 08.02.09 «Монтаж, наладка и эксплуатация электрооборудования промышленных и гражданских зданий». Методические рекомендации и задания к выполнению лабораторных работ предназначены для проведения лабораторных работ с целью закрепления теоретических знаний студентов и приобретения ими практических навыков обращения с электронными приборами.

Цель проведения лабораторных робот – научиться определять параметры и характеристики электронных приборов, проверять и настраивать работу электронных схем и устройств.

Методические указания по выполнению лабораторных работ имеют строгую логическую последовательность порядка выполнения задания и составления отчета. Составлены в помощь преподавателям и студентам для организации практического обучения по дисциплине ОП.03 «Основы электроники».

Составитель: Бурьянова Валентина Александровна, компьютерной электроники, квалификационной категории «специалист высшей категории»

Рассмотрено и одобрено на заседании цикловой комиссии электротехники и автоматики. Протокол №_1_ от «_30_»__08___ 2025 г. Председатель ЦК ______Л. Н. Корощенко

СОДЕРЖАНИЕ

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА 4

ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН 5

1 МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ К ВЫПОЛНЕНИЮ И КРИТЕРИИ ОЦЕНИВАНИЯ ПР 6

2 ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ В КОМПЬЮТЕРНОМ КЛАССЕ 7

Лабораторная работа №1. Тема: Знакомство с моделирующей программой Electronics Workbench 5.12. 12

Лабораторная работа №2. Тема: Исследование полупроводниковых диодов. 17

Лабораторная работа №3. Снятие статических характеристик биполярного транзистора. 22

Лабораторная работа №4. Тема: Исследование полевого транзистора 27

Лабораторная работа №5. Тема: Исследование тиристора. 31

Лабораторная работа №6. Тема: Исследование выпрямителей и сглаживающих фильтров. 37

Лабораторная работа №7. Тема: Исследование усилителя синусоидальных сигналов 44

Лабораторная работа №8. Тема: Исследование логических схем И и ИЛИ. 49

Лабораторная работа №9. Тема: Изучение строения и работы триггеров. 53

Лабораторная работа №10. Тема: Изучение схемы и работы счётчиков. 58

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 64

Приложение 1 65

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Данные методические указания предназначены для студентов специальности 08.02.09 «Монтаж, наладка и эксплуатация электрооборудования промышленных и гражданских зданий», изучающих дисциплину ОП.03 «Основы электроники»

Методические указания содержат цикл взаимосвязанных лабораторных работ; включающих краткий обобщенный материал для подготовки к практическим работам, который позволит значительно сократить время и качественно выполнить домашние задания. В приложении к лабораторным работам приведено описание программного обеспечения, используемого в при выполнении данных лабораторных работ, а именно описание программы Electronics Workbench 5.12.

При выполнении лабораторных работ студенты закрепляют знания, полученные на лекциях, а также приобретают навыки практической работы с электронными приборами.

Лабораторные работы направлены на освоение следующих умений и знаний в соответствии с государственным образовательным стандартом среднего профессионального образования по специальности 08.02.09 «Монтаж, наладка и эксплуатация электрооборудования промышленных и гражданских зданий», утвержденного приказом Министерства образования и науки ДНР от 01.09.2015 г. № 430.

В результате выполнения лабораторных работ обучающийся должен уметь:

- определять и анализировать основные параметры электронных схем и устанавливать по ним работоспособность устройств электронной техники;

- производить подбор элементов электронной аппаратуры по заданным параметрам.

В результате выполнения лабораторных работ обучающийся должен знать:

• сущность физических процессов, протекающих в электронных приборах и устройствах;

• принципы включения электронных приборов и построения электронных схем;

• типовые узлы и устройства электронной техники.

ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН

ОП.03 «Основы электроники»

Первое полугодие второго года обучения

Номер занятия	Темы лабораторных работ	часы
5	Лабораторная работа №1. Знакомство с моделирующей программой Electronics Workbench 5.12	2
7	Лабораторная работа №2. Исследование полупроводниковых диодов	2
11	Лабораторная работа №3. Снятие статических характеристик биполярного транзистора	2
14	Лабораторная работа №4. Исследование полевого транзистора	2
17	Лабораторная работа №5. Исследование тиристора	2
	Всего	10

Второе полугодие второго года обучения

Номер занятия	Темы лабораторных работ	часы
4	Лабораторная работа №6. Исследование выпрямителей и сглаживающих фильтров	2
7	Лабораторная работа №7. Исследование усилителя синусоидальных сигналов	2
20	Лабораторная работа № 8. Исследование логических схем И и ИЛИ	2
31	Лабораторная работа № 9. Изучение строения и работы триггеров	2
35	Лабораторная работа № 10. Изучение схемы и работы счётчиков	2
	Всего	10
	Всего по дисциплине	20

1 МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ К ВЫПОЛНЕНИЮ И КРИТЕРИИ ОЦЕНИВАНИЯ ПР

Теоретическая подготовка

Теоретическая подготовка необходимая для проведения лабораторной работы, должна проводиться обучающимися в порядке самостоятельной работы. Ее следует начинать внимательным разбором руководства к данной лабораторной работе.

В процессе домашней подготовки студент:

• изучает лекционный материал, материалы по темам в данных методических рекомендациях и дополнительной литературе

• знакомится с заданием лабораторной работы;

• готовит отчет по выполнению лабораторной работы

Проведение лабораторной работы

Выполнение лабораторной работы проводится во время занятий в компьютерном классе Донецкого политехнического колледжа в присутствии преподавателя. В процессе выполнения лабораторной работы студент последовательно выполняет задание. По завершению работы – демонстрирует преподавателю результаты.

В заключительной части подводятся итоги занятия и формулируются выводы по работе.

Защита лабораторной работы

Защита лабораторной работы преподавателю проводится по контрольным вопросам и при наличии оформленного отчёта. После защиты лабораторной работы делается соответствующая запись на титульном листе отчета студента.

Критерии оценок лабораторных работ

Оценка «5» (отлично) ставится, если обучающийся выполняет работу в полном объеме с соблюдением необходимой последовательности проведения лабораторной работы; самостоятельно и рационально исследует заданный электронный прибор или электронную схему, определяет его характеристики; грамотно и аккуратно составляет отчёт по результатам выполненной работы, правильно отвечает на контрольные вопросы.

Оценка «4» (хорошо) ставится, если выполнены требования к оценке 5, но было допущено два-три недочета, не более одной негрубой ошибки и одного недочета или был дан неправильный ответ на один контрольный вопрос и студент не смог исправить эту ошибку в ходе защиты лабораторной работы.

Оценка «3» (удовлетворительно) ставится, если работа выполнена не полностью, но объем выполненной части таков, что позволяет получить правильные результаты и выводы; если в ходе проведения опыта были допущены ошибки, если ответы на контрольные вопросы были неправильными или неточными (но не более половины вопросов).

Оценка «2» (неудовлетворительно) ставится, если работа выполнена не полностью и объем выполненной части работы не позволяет сделать правильных выводов; более половины ответов на контрольные вопросы даны неправильно.

Лабораторные работы выполняются по письменным инструкциям, которые приводятся в данном пособии. Каждая инструкция содержит задание к лабораторной работе, алгоритм выполнения этого задания, контрольные вопросы, указания к содержанию отчёта по лабораторной работе.

Методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов

1. К выполнению лабораторных работ необходимо приготовиться до начала занятия в компьютерном классе. Кроме описания работы в данном учебном пособии, используйте рекомендованную литературу и конспект лекций. К выполнению работы допускаются только подготовленные студенты.

2. При проведении лабораторной работы результаты выполнения задания записывайте четко и кратко, собранные схемы сохраняйте в виде скриншотов.

3. Отчеты по лабораторным работам оформляются согласно требованиям ЕСКД и должны включать в себя следующие пункты:

• название лабораторной работы и ее цель;

• задание для лабораторной работы;

• далее пишется «Ход работы» и выполняются этапы лабораторной работы, согласно указанной последовательности действий;

• результаты выполнения лабораторной работы (к каждой работе даны конкретные указания по этому пункту)

• по завершении работы делается вывод.

1. При подготовке к сдаче лабораторной работы, необходимо ответить на предложенные контрольные вопросы.

2. Если отчет по работе не сдан своевременно (до выполнения следующей работы) по неуважительной причине, оценка за лабораторную работу снижается.

3. Если защита лабораторной работы проходит в день её выполнения, то допускается устный ответ на контрольные вопросы, без записи их в отчёт.

2 ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ В КОМПЬЮТЕРНОМ КЛАССЕ

2.1 ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. При выполнении работ на компьютере необходимо соблюдать требования общей и настоящей инструкций по охране труда.

2. К самостоятельной работе на компьютерах допускаются лица, прошедшие медицинский осмотр, обучение профессии, вводный инструктаж по охране труда и первичный инструктаж по охране труда на рабочем месте один раз в полугодие, периодический медицинские осмотры – один раз в два года.

3. При работе на компьютерах, в состав которых входят видео мониторы, на пользователей ПК могут действовать следующие опасные и вредные производственные факторы:

физические:

• повышенный уровень шума на рабочем месте (от вентиляторов процессоров, накопителей на магнитных дисках, принтера);

• повышенное значение напряжения в эклектической цепи, замыкание, которое может произойти через тело человека;

• повышенный уровень статического электричества;

• повышенный уровень электромагнитного излучения;

• повышенная напряженность электрического поля;

• прямая и отраженная от экранов блесткость;

• неблагоприятное распределение яркости в поле зрения;

психофизиологические:

• физические перегрузки статического и динамического действия;

• нервно-психические перегрузки (умственное перенапряжение, перенапряжение анализаторов, монотонность труда, эмоциональные перегрузки).

1. Основным оборудованием рабочего места пользователя компьютера являются монитор, клавиатура, рабочий стол, стул (кресло);

вспомогательным – пюпитр, подставка для ног, шкафы, полки и др.

Рабочие места с монитором должны быть расположены на расстоянии не менее 1,5 м от стены с окнами, от других стен – на расстоянии 1 м, между собой – на расстоянии не менее 1,5 м. Относительно окон рабочее место целесообразно размещать таким образом, чтобы естественный свет падал на него сбоку, преимущественно слева.

1.5 Рабочие места, оборудованные монитором, следует располагать так, чтобы избежать попадания в глаза прямого света. Источники освещения рекомендуется располагать с обеих сторон экрана параллельно направлению взгляда.

Во избежание световых бликов от экрана, клавиатуры в направлении глаз пользователя, от светильников общего освещения или солнечных лучей необходимо применять антибликовые сетки, специальные фильтры для экранов, защитные козырьки, на окнах – жалюзи.

Фильтры из металлической или нейлоновой сетки использовать не рекомендуется, так как сетка искажает изображение из-за интерференции света. Наилучшее качество изображения обеспечивают стеклянные поляризационные фильтры – они устраняют практически все блики, делают изображение четким и контрастным.

1.6 При работе с текстовой информацией (в режиме ввода данных, редактирования текста и чтения с экрана монитора) наиболее физиологическим является изображение черных знаков на светлом (белом) фоне.

1.7 Размещать монитор на рабочем месте необходимо так, чтобы поверхность экрана находилась в центре поля зрения на расстоянии 400 – 700 мм от глаз пользователя. Рекомендуется размещать элементы рабочего места таким образом, чтобы поддерживалось одинаковое расстояние до глаз пользователя от экрана, клавиатуры, пюпитра.

1.8 Работа компьютеров сопровождается электромагнитным излучением низких уровней, интенсивность которого уменьшается пропорционально квадрату расстояния от экрана. Оптимальным для работающего является расстояние 50 см от экрана монитора.

1.9 Удобная рабочая поза при работе на компьютере обеспечивается регулированием высоты рабочего стола, кресла и подставки для ног.

1.10 Для нейтрализации зарядов статического электричества в помещении, где выполняются работы на компьютерах, в том числе на лазерных и светодиодных принтерах, рекомендуется увеличивать влажность воздуха с помощью комнатных увлажнителей. Не рекомендуется носить одежду из синтетических материалов.

2.2 ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ПЕРЕД НАЧАЛОМ РАБОТЫ

2.1 Включить систему кондиционирования воздуха в помещении.

2.2 Проверить надежность установки аппаратуры на рабочем столе. Монитор не должен стоять на краю стола. Повернуть монитор так, чтобы было удобно смотреть на экран – под прямым углом (а не сбоку) и немного сверху вниз; при этом экран должен быть слегка наклонен – нижний его край ближе к оператору.

2.3 Проверить общее состояние аппаратуры, исправность электропроводки, соединительных шнуров, штепсельных вилок, розеток, заземления защитного экрана.

2.4 Отрегулировать освещенность рабочего места.

2.5 Отрегулировать и зафиксировать высоту кресла, удобный для пользователя наклон его спинки.

2.6 Подсоединить к процессору необходимую аппаратура (принтер, сканер и др.). Все кабели, соединяющие системный блок (процессор) с других устройствами, следует вставлять и вынимать только при выключенном компьютере.

2.7 Включить аппаратуру компьютера выключателями на корпусах в следующей последовательности: стабилизатор напряжения, монитор, процессор, принтер (если предстоит печатание).

2.8 Отрегулировать яркость свечения экрана монитора, минимальный размер светящейся точки, фокусировку, контрастность. Не следует делать изображение слишком ярким, чтобы не утомлять глаза.

Рекомендуется:

• яркость свечения экрана – не менее 100 кд/м ;

• отношение яркости экрана монитора к яркости, окружающей его поверхностей в рабочей зоне – не более 3:1;

• минимальный размер точки свечения – не более 0,4 мм для монохромного монитора и не менее 0,6 мм для цветного;

• контрастность изображения знака – не менее 0,8.

2.9 При обнаружении каких-либо неисправностей работу не начинать, уведомить об этом руководителя.

2.3 ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ВО ВРЕМЯ ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

3.1 Необходимо устойчиво размещать клавиатуру на рабочем столе, не допуская ее шатания. Вместе с тем должна быть предусмотрена возможность ее поворотов и перемещений. Положение клавиатуры и угол ее наклона должны соответствовать пожеланиям пользователя.

Если в конструкции клавиатуры не предусмотрено пространство для опоры ладоней, то ее следует размещать на расстоянии не менее 100 мм от края стола в оптимальной зоне моторного поля. При работе на клавиатуре сидеть прямо, не напрягаясь.

3.2 Для уменьшения неблагоприятного влияния на пользователя устройств типа «мышь» (вынужденная поза, необходимость постоянного контроля за качеством действий) следует обеспечить свободную поверхность стола для перемещения «мыши» и удобного положения локтевого сустава.

3.3 Не допускаются посторонние разговоры, раздражающие шумы.

3.4 Периодически при выключении компьютера удалять слегка увлажненной мыльным раствором хлопчатобумажной салфеткой пыль с поверхностей аппаратуры. Не разрешается использовать жидкостные или аэрозольные средства для чистки поверхностей компьютера.

3.5 Запрещается:

• самостоятельно ремонтировать аппаратура, тем более монитор на основе ЭЛТ, в котором кинескоп находится под высоким напряжением (порядка 25 кВт);

• ремонт аппаратуры выполняют только специалисты по техническому облуживанию компьютеров, они же раз в полгода должны открывать процессор и удалять пылесосом накопившуюся там пыль и грязь;

• класть какие-либо предметы на аппаратуру компьютера, бутерброды и напитки на клавиатуру или рядом с ней – это может вывести ее из строя;

• закрывать чем-либо вентиляционные отверстия аппаратуры, что может привести к ее перегреванию и выходу из строя.

3.6 Для снятия статического электричества рекомендуется время от времени прикасаться к металлическим поверхностям (батарея центрального топления и т.п.).

3.7 Для снижения напряженности, труда на компьютере необходимо равномерно распределять и чередовать характер работ в соответствии с их сложностью.

Продолжительность непрерывной работы за монитором без регламентированного перерыва не должна превышать 2 часов.

2.4 ТРЕБОВАТЬ БЕЗОПАСНОСТИ ПОСЛЕ ОКОНЧАНИЯ РАБОТЫ

4.1 Закончить и записать в память компьютера находящийся в работе файл. Выйти из программной оболочки и вернуться в среду MS-DOS, Windows или другую.

4.2 Выключить принтер, другие периферийные устройства, выключить ВДТ и процессор. Выключить стабилизатор, если компьютер подключен к сети через него. Штепсельные вилки вынуть из розеток. Накрыть клавиатуру крышкой во избежание попадания пыли.

4.3 Привести в порядок рабочее место. Оригиналы и другие документы положить в ящик стола.

4.4 Тщательно вымыть руки теплой водой с мылом.

4.5 Выключить кондиционер, освещение и общее электропитание подразделения.

2.5 ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ В АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЯХ

5.1 При внезапном прекращении подачи электроэнергии выключить компьютер в такой последовательности: периферийные устройства, монитор, процессор, стабилизатор напряжения; вынуть штепсельные вилки и из розеток.

5.2 При обнаружении признаков горения (дым, запах гари) отключить аппаратуру, найти источник загорания и принять меры для его ликвидации, уведомить руководителя работ.

5.3 В случае возникновения пожара немедленно сообщить в пожарную часть, принять необходимые меры для эвакуации людей и приступить к тушению первичными средствами пожаротушения.

 
 
 
 

Лабораторная работа №1. Тема: Знакомство с моделирующей программой Electronics Workbench 5.12.

Цель работы: научиться пользоваться виртуальными измерительными  приборами программы EWB для дальнейшего их использования в последующих лабораторных работах.

План

1 Инструктаж по технике безопасности

2 Теоретические сведения

3 Порядок выполнения работы

4. Контрольные вопросы

5. Содержание отчета

6. Защита выполненной работы

ХОД РАБОТЫ

1 Инструктаж по технике безопасности

• проверить  правильность подключения оборудования к электросети;

• проверить исправность проводов питания и отсутствие оголенных участков проводов;

• убедиться в наличии заземления системного блока, монитора и защитного экрана;

• отрегулировать освещение  на рабочем месте,

• убедиться в  отсутствии бликов на экране;

2 Теоретические сведения

Описание контрольно-измерительных приборов в программе EWB.

Панель контрольно-измерительных приборов (Instruments) находится над полем рабочего окна программы EWB и содержит цифровой мультиметр, функциональный генератор, двухканальный осциллограф,  измеритель амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик:

Общий порядок работы с приборами такой: иконка прибора при помощи мыши переносится на рабочее поле и подключается проводниками к исследуемой схеме. Для приведения прибора в рабочее (развернутое) состояние необходимо дважды щелкнуть курсором по его иконке или вызвать его контекстное меню и выбрать пункт Open . 

Осциллограф (Oscilloscope)

Описание осциллографа. Лицевая панель осциллографа.

Осциллограф имеет два канала ( Channel) А и В с раздельной регулировкой смещения по вертикали (Yposition). Выбор режима по входу осуществляется нажатием кнопок AC, 0, DC. Режим AC предназначен для наблюдения только сигналов переменного тока (режим “закрытого входа”, поскольку на входе усилителя осциллографа включается разделительный конденсатор). В режиме 0входной зажим замыкается на землю. В режиме DC (по умолчанию) можно производить осциллографические измерения как постоянного, так и переменного тока (режим “открытого входа”, поскольку входной сигнал поступает на вход вертикального усилителя непосредственно).

Режим развертки выбирается кнопками Y/T, B/A, A/B. В режиме Y/T (обычный режим, включен по умолчанию) реализуется  следующий режим развертки : по вертикали – напряжение сигнала, по горизонтали – время; в режиме B/A : по вертикали – сигнал канала В, по горизонтали – сигнал канала А в режиме A/B: по вертикали  - сигнал канала А, по горизонтали – сигнал канала В.

В режиме развертки Y/T длительность развертки ( Timebase) может быть задана в диапазоне от 0,1 нс/дел (ns/div ) до 1 с/дел ( s/div) с возможностью установки смещения в тех же единицах по горизонтали, то есть по оси X ( X position).

В режиме Y/T предусмотрен также ждущий режим Trigger с запуском развертки ( Edge ) по переднему или заднему фронту запускающего сигнала при регулируемом уровне (Level ) запуска, а также в режиме Auto, от канала А, от канала  В или от внешнего источника (Ext), подключаемого к зажиму в блоке управления (Trigger). Названные режимы запуска развертки выбираются кнопками : AUTO, A, B, EXT.

Можно установить режим однократной развертки через системное меню Analysis, опция Analysis Options на закладке Instruments установить флаг “Pause after each screen”. Для режима непрерывной развертки – выключить флаг “Pause after each screen”. В программе EWB по умолчанию стоит режим непрерывной развертки.

Соединительным проводам можно задать цвет. Выделив нужный провод, щелкните правой кнопкой мыши и из появившегося контекстного меню выберите пункт Wire Properties (Свойство проводов), задайте цвет.

Заземление осциллографа осуществляется с помощью клеммы Ground в правом верхнем углу прибора.

При нажатии на кнопку Expand лицевая панель осциллографа существенно меняется:

 

Лицевая панель осциллографа в режиме EXPAND

Увеличивается размер экрана, появляется возможность прокрутки изображения по горизонтали и его сканирования с помощью вертикальных визирных линий (синего и красного цвета), которые за ушки можно установить в любое место экрана, при этом в индикаторных окошках под экраном приводятся результаты измерения напряжения, временных интервалов и их приращений (между визирными линиями).

Изображение можно инвертировать нажатием кнопки Reverse и записать данные в файл нажатием кнопки Save. Возврат к исходному состоянию осциллографа – нажатием кнопки Reduce.

3 Порядок выполнения работы

1. Запустить программу EWB.

2. Из панели контрольно-измерительных приборов (Instruments) выбрать осциллограф  и разместить его на  рабочее поле.

3. Установить режим однократной развертки - “Pause after each screen”.

4. Подключить источник  импульсов (библиотека компонентов Sources) с параметрами по умолчанию 50%,1 кГц, 5В.

4.1. Измерить амплитуду и период импульсов, вычислить скважность импульсов n=T/T_ИМП.

Осциллограф использовать в режиме однократной развертки Y/T, синхронизация Auto, вход DC.

4.2. Измерить время нарастания и спада импульсов.

Результаты  пунктов 4.1. и 4.2. занести в таблицу:

Амплитуда А, [В]
Период Т, [мс]
Длительность импульса ТИМП, [мкс]
Скважность n
Время нарастания ТНАР., [мкс]
Время спада ТСПАД, [мкс]

5. Собрать цепь, содержащую источник прямоугольных импульсов и интегрирующее RC звено. Ко входу звена подключить зеленым проводом канал А осциллографа, к выходу – канал В красным проводом.

5.1. Определить длительность импульса, период следования, зарисовать осциллограммы, определить нарастание выходного сигнала за время импульса. Полученные результаты занести в таблицу:

Период Т, [мс]
Длительность импульса ТИМП, [мкс]
Нарастание вых. сигнала, [В]

6. Заменить источник прямоугольных импульсов на источник синусоидальных импульсов  с параметрами  5В, 1 кГц.

6.1. Определить амплитуду входного и выходного сигналов, коэффициент передачи звена на выбранной частоте и фазовый сдвиг.

Амплитуда входного сигнала, [В]
Амплитуда выходного сигнала, [В]
Фазовый сдвиг j , [мкс]
Коэффициент передачи звена К

6.2. Перейти из режима синхронизации Auto в режим А, затем в режим В. Зарисовать и объяснить полученные осциллограммы.

6.3. Перейти в режим развертки осциллографа В/А. Зарисовать полученную картину и объяснить результат.

6.4. Входы осциллографа переключить в режим АС. Перейти в режим непрерывной развертки (выключить флажок «Pause after each screen»),  Y/T, синхронизация Auto. Пронаблюдать за выходным сигналом в течение нескольких циклов развертки. Объяснить наблюдаемое явление. Почему осциллограмма входного сигнала не меняется, хотя оба входа осциллографа используются в одинаковом режиме АС?

6.5. Повторить пункт 6.1.-6.4., изменив частоту генератора с 1 кГц на 2 кГц.

7. Заменить интегрирующее звено цепью простейшего выпрямителя (использовать режим однократной развертки – « Pause after each screen»):

7.1. Зарисовать осциллограммы, определить максимальное напряжение на выходе во время положительной и отрицательной полуволны входного напряжения. Почему во время отрицательной полуволны на выходе имеется некоторое напряжение, хотя диод закрыт, а во время положительной полуволны выходное напряжение всегда меньше входного?

4 Контрольные вопросы

1. Назначение программы Electronics Workbench 5.12

2. Опишите контрольно-измерительные приборы программы EWB.

3. Опишите осциллограф программы EWB и режимы его работы

4. Как измеряли амплитуду и период импульсов?

5. Как измеряли время нарастания и спада импульсов?

6. Как определяли длительность импульса, период следования импульсов

7. Что изменилось в осциллограммах при повышении частоты входного сигнала с 1 кГц до 2 кГц?

5. Содержание отчета

1. Тема работы.

2. Цель работы.

3. Таблицы результатов измерений п. 4.1., 4.2., 5.1., 6.1.

4. Осциллограммы п.6.2., 6.3., 6.4. и пояснение к ним.

5. Осциллограммы и ответ на вопросы п. 7.1.

6. Ответы на контрольные вопросы

7. Выводы.

6 Защита выполненной работы

1. Дать пояснения к выполненным заданиям

2. Дать анализ полученным результатам

3. Ответить на контрольные вопросы

Лабораторная работа №2. Тема: Исследование полупроводниковых диодов.

Цель работы: Исследование вольтамперных характеристик, определение основных параметров различных типов полупроводниковых диодов и стабилитронов и анализ простейших схем с полупроводниковыми диодами.

План

1 Инструктаж по технике безопасности

2 Теоретические сведения

3 Порядок выполнения работы

4. Контрольные вопросы

5. Содержание отчета

6. Защита выполненной работы

ХОД РАБОТЫ

1 Инструктаж по технике безопасности

• проверить  правильность подключения оборудования к электросети;

• проверить исправность проводов питания и отсутствие оголенных участков проводов;

• убедиться в наличии заземления системного блока, монитора и защитного экрана;

• отрегулировать освещение  на рабочем месте,

• убедиться в  отсутствии бликов на экране;

2 Теоретические сведения

Полупроводниковые диоды

 Полупроводниковый прибор с одним р-n-переходом, имеющий два омических вывода, называют полупроводниковым диодом (рис.2.4). Одна из областей р-n-структуры (р⁺), называемая эмиттером, имеет большую концентрацию основных носителей заряда, чем другая область, называемая базой.

Статическая вольт-амперная характеристика (ВАХ) полупроводникового диода изображена на рис.2.1. Здесь же пунктиром показана теоретическая ВАХ электронно-дырочного перехода, определяемая соотношением

I=I₀(е^U/(mт)-1),  (3)

где Iо — обратный ток насыщения (ток экстракции, обусловленный неосновными носителями заряда; значение его очень мало); U — напряжение на p-n-переходе; _т = kT/e — температурный потенциал (k — постоянная Больцмана, Т — температура, е — заряд электрона); m — поправочный коэффициент: m = 1 для германиевых р-n-переходов и m = 2 для кремниевых p-n-переходов при малом токе).

К

Рис. 2.1. Статическая вольт-амперная 

характеристика (ВАХ) полупроводникового диода

ремниевые диоды имеют существенно меньшее значение обратного тока по с равнению с германиевыми, вследствие более низкой концентрации неосновных носителей заряда. Обратная ветвь ВАХ у кремниевых диодов при данном масштабе практически сливается с осью абсцисс. Прямая ветвь ВАХ у кремниевых диодов расположена значительно правее, чем у германиевых.

Если через германиевый диод протекает постоянный ток, при изменении температуры падение напряжения на диоде изменяется приблизительно на 2,5 мВ/°С:

dU/dT= -2,5 В/°С. (1.5)

Для диодов в интегральном исполнении dU/dT составляет от —1,5 мВ/°С в нормальном режиме до —2 мВ/°С в режиме микротоков.

Максимально допустимое увеличение обратного тока диода определяет максимально допустимую температуру диода, которая составляет 80 – 100 °С для германиевых диодов и 150 – 200 °С для кремниевых.

Минимально допустимая температура диода лежит в пределах -(60 – 70)°С.

Дифференциальным сопротивлением диода называют отношение приращения напряжения на диоде к вызванному им приращению тока:

r_ДИФ = dU/dI  (4)

Отсюда следует, что для p-n-перехода r_ДИФ _т/I.

3 Порядок выполнения работы

Задание 1

1.1. Соберите схему для получения вольтамперных характеристик диодов и стабилитронов, приведенную на рис.2.2. Для исследования выберите кремниевый диод 1N4001 из раздела Ш4ххх библиотеки диодов или другой по указанию преподавателя.

Рис.2.2

1.2. Установите режим работы вольтметра на измерение постоянного напряжения (DC). Изменяя выходной ток генератора тока от 0.5 мА до 20 мА, занесите в таблицу результаты измерений напряжения на диоде для соответствующих значений тока.

Таблица 2.1

1.3. Измените тип диода на германиевый диод D9E (1N4009) из раздела misc (national) библиотеки диодов и повторите измерения в соответствии с п. 1.2.2.

1.4. Смените диод на стабилитрон D816A из раздела r-Diod библиотеки стабилитронов или другой по указанию преподавателя и повторите измерения в соответствии с п. 1.2.

1.5. Измените полярность включения стабилитрона путем удаления и последующей вставки перевернутого на 180 градусов генератора тока и повторите измерения в соответствии с п. 1.2.

1.6. Измените тип стабилитрона на D815D или другой по указанию преподавателя и повторите измерения в соответствии с п. 1.2.

Задание 2

Снять статическую вольтамперную характеристику (ВАХ) диода используя осциллограф

Это наиболее быстрый и удобный способ исследования ВАХ, непосредственно наблюдая ее на экране осциллографа.

2.1. Собрать схему, приведенную на рис.2.3.

Рис.2.3

2.2. Получить на экране осциллографа изображение ВАХ. Для этого: на выходе генератора установить треугольный сигнал с амплитудой 10В, частотой 10Гц и скважностью 50% .   

Осциллограф поставить в режим В/А. При таком подключении координата точки луча по горизонтальной оси осциллографа будет пропорциональна напряжению, подаваемому на А-вход, а по вертикальной – току через диод. Поскольку напряжение в вольтах на резисторе 1 Ом численно равно току через диод в амперах (I=U/R=U/1=U), по вертикальной оси можно непосредственно считывать значения тока. Это и позволит получить вольтамперную характеристику непосредственно на экране осциллографа. Таким образом, ток и напряжение в каждой точке ВАХ вычисляются из соотношений: 

I = Y K_y.канВ , U= X K_y.канА ,

где Y, X&nb– координата точки луча, в делениях шкалы осциллографа; K_y.канА , K_y.канВ – масштабные множители осциллографа по оси Y каналов А и В, причем в размерности множителя канала В K_y.канВ 1мВ соответствует 1мА.

Подобрать значения K_y.канА , K_y.канВ так, чтобы луч не выходил за пределы экрана, а изображение ВАХ было по возможности максимальным. Осевые линии на сетке экрана совпадают с осями ВАХ.

2.3. Снять статическую ВАХ диода в режиме большого сигнала, когда амплитуда сигнала превышает максимальное допустимое обратное напряжение т.е. Um|Uобр.max|. 

Установить на выходе генератора треугольный сигнал с амплитудой 40В, смещением –10В, частотой 1Гц и получить на экране осциллографа изображение ВАХ (рис.2.4.).

Рис.2.4.

Зарисовать в отчет статическую ВАХ с нанесением по осям координат масштабов соответствующих значениям токов и напряжений. Определить максимальное допустимое обратное напряжение (Uобр.max=__).

Задание 3. Обработка результатов измерений

3.1. Постройте на одном графике (ось напряжений от -12 В до + ЗВ, ось токов от -20 мА до +20 мА) прямые и обратные ветви ВАХ исследованных диодов и стабилитронов. Сделайте выводы.

3.2. Определите прямые статические R_ст и дифференциальные R_диф
сопротивления для всех типов диодов при токах 2 мА и 10 мА, прямые и обратные статические и дифференциальные сопротивления для всех типов стабилитронов при токах 2 мА и 10 мА по формулам:

Дифференциальные сопротивления определяются численным дифференцированием по графику, а также напряжения стабилизации стабилитронов при токе 10 мА.

4 Контрольные вопросы

1. Дайте определение полупроводниковому диоду.

2. Приведите схемы диодов в прямом и обратном включении. Что такое прямой и обратный ток диода?

3. Нарисуйте вольтамперную характеристику диода.

4. При каком условии диод открывается?

5. Приведите основные параметры диода.

6. В чем состоят особенности диодов Шотки?

7. Что такое стабилитрон?

8. Нарисуйте схему включения стабилитрона

5. Содержание отчета

1. Тема работы.

2. Цель работы.

3. Схемы для снятия ВАХ и осциллограмм.

4. Таблицы с результатами измерений.

5. Вольтамперные характеристики диодов.

6. Расчет параметров, определяемых по результатам измерений.

7. Ответы на контрольные вопросы

8. Выводы.

6 Защита выполненной работы

1. Дать пояснения к выполненным заданиям

2. Дать анализ полученным результатам

3. Ответить на контрольные вопросы

Лабораторная работа №3. Снятие статических характеристик биполярного транзистора.

Цель: Изучить свойства биполярных транзисторов. Научиться строить вольт-амперные характеристики (ВАХ) транзисторов и определять по ним параметры транзистора.

Приборы и элементы:

биполярный транзистор 2N3904; источник постоянной ЭДС; источник переменной ЭДС; амперметры; вольтметры; осциллограф; резисторы.

План

1 Инструктаж по технике безопасности

2 Теоретические сведения

3 Порядок выполнения работы

4. Контрольные вопросы

5. Содержание отчета

6. Защита выполненной работы

ХОД РАБОТЫ

1 Инструктаж по технике безопасности

• проверить  правильность подключения оборудования к электросети;

• проверить исправность проводов питания и отсутствие оголенных участков проводов;

• убедиться в наличии заземления системного блока, монитора и защитного экрана;

• отрегулировать освещение  на рабочем месте,

• убедиться в  отсутствии бликов на экране;

2 Теоретические сведения

При анализе транзисторных схем транзистор заменяют эквивалентной схемой, обладающей теми же свойствами, что и транзистор. Существует большое количество различных схем замещения транзисторов. Применение той или иной схемы зависит от режима работы транзистора, частоты сигналов, мощности транзистора и т. д. Схемы замещения транзистора можно разделить на две группы: схемы, базирующиеся на представлении транзистора как линейного четырехполюсника и схемы, составленные на основе анализа уравнений, описывающих физические процессы в транзисторе.

Для анализа транзисторных схем, работающих при малом сигнале и низких частотах удобно использовать эквивалентные схемы, основанные на представлении транзистора как активного линейного четырехполюсника. Достоинством таких схем является их простота и возможность определения параметров элементов схем непосредственно по характеристикам транзистора. На параметры элементов замещения схемы влияют схема включения транзистора, режим работы и температура окружающей среды.

Рассмотрим эквивалентные схемы транзистора на низких частотах, включенного по схеме с общим эмиттером.

В общем случае транзистор можно представить в виде активного нелинейного четырехполюсника (рис.1).

Связь между токами и напряжениями четырехполюсника выражается в виде нелинейных уравнений. Если в качестве зависимых величин выбрать токи базы и коллектора, а независимыми величинами – напряжения база-эмиттер и коллектор-эмиттер, то уравнения можно записать в следующем виде:

(1)

. (2)

Если транзистор работает при малых отклонениях сигнала в рабочей точке, то полные мгновенные значения токов и напряжений можно представить в виде суммы двух составляющих: постоянной – значения тока или напряжения в рабочей точке и переменной – изменения (приращения) тока или напряжения.

I_б = I_б0 + dI_б,

I_к = I_к0 + dI_к,

U_бэ = U_бэ0 + dU_бэ,

U_rэ = U_rэ0 + dU_rэ,

где I_б0, I_к0, U_бэ0, U_rэ0, - постоянные значения токов и напряжений в рабочей точке, dI_б, dI_к, dU_бэ, dU_rэ – переменные, малые отклонения токов и напряжений в окрестности рабочей точки. Постоянные значения токов базы и коллектора имеют вид:

I_б0 = f (U_бэ0, U_rэ0),

I_к0 = f(U_бэ0, U_rэ0).

Параметры транзистора – дифференциальные и зависят от выбранной рабочей точки, т.е. от режима работы транзистора по постоянному току. Запишем уравнения транзистора в окончательном виде

,

.

Полученные уравнения обладают следующими особенностями:

1. система уравнений линейная с постоянными коэффициентами;

2. уравнения составлены не для полных величин токов и напряжений, а для изменений, приращений, т.е. для переменных составляющих;

3. уравнения приближенно описывают работу транзистора, т.к. при выводе не учитывались нелинейные члены ряда в разложении функций. Нелинейными членами ряда можно пренебречь только при малых изменениях токов и напряжений в окрестности рабочей точки;

4. коэффициенты уравнений легко могут быть определены по характеристикам транзистора.

Проведенный вывод уравнений соответствует замене нелинейных характеристик транзистора касательными в рабочей точке и переносе начала координат в рабочую точку. При этом переменными являются не полные значения токов и напряжений, их приращения, изменения (переменные составляющие).

Свойства транзистора характеризуются дифференциальными параметрами: крутизной S, сопротивлением база-эмиттер r_бэ, сопротивлением коллектор-эмиттер r_кэ. Обратная крутизна S_r определяет обратную связь транзистора, ее величина маленькая и часто не учитывается.

Изменение коллекторного тока I_K в зависимости от U_БЭ характеризуется крутизной - S:

при U_КЭ = const.

Крутизну S можно определить из передаточной характеристики транзистора.

Зависимость коллекторного тока от напряжения коллектор-эмиттер характеризуется дифференциальным выходным сопротивлением

при U_БЭ = const.

Дифференциальное выходное сопротивление можно определить из выходной характеристики транзистора.

Для описания входной цепи транзистора как нагрузки, соединенной с входным источником напряжения, вводят дифференциальное сопротивление

при U_КЭ = const.

его можно найти по входной характеристике.

Уравнения транзистора в h – параметрах

,

,

где

при U_кэ= const, входное сопротивление;

при U_бэ= const, коэффициент обратной передачи по напряжению транзистора;

при U_кэ= const, коэффициент передачи по току транзистора;

при U_кэ= const, выходная проводимость.

3 Порядок выполнения работы

Задание 1. Исследование статических вольтамперных характеристик (ВАХ) транзистора, включенного по схеме с ОБ (с помощью амперметра-вольметра).

1 .1. Снять входную ВАХ – I_э=F(U_эб)|_Uкб=const. Для этого собрать схему (рис.3.1). Все измерительные приборы поставить в режим измерения постоянного тока (режим DC).

Рис.3.1 Схема исследования для построения графиков ВАХ

1.2. Изменяя ток эмиттера и регистрируя его величину амперметром А1 измерять напряжение U_эб. Данные занести в табл. 3.1.

Таблица 3.1.

Таблица данных для графика выходной ВАХ

Iэ(мА),  А1		0	2	4	6	8	10	20
Uкб=0B, V2	Uэб(В), V1
Uкб=10B, V2	Uэб(В), V1
Uкб=15B, V2	Uэб(В), V1

При построение входных ВАХ биполярного транзистора входным сигналом берут ток (I_э, I_б) т.к. биполярный транзистор – прибор управляемый током.

По результатам измерений построить графики.

1.2. Собрать схему (рис.3.1) и снять выходную ВАХ – I_к=F(U_кб)|_Iэ=const. Данные занести в табл.3.2.

Таблица 3.2.

Таблица данных для графика входной ВАХ

Uкб (В), V2		-0.5	0	2	4	6	8	10	20
Iэ=0мА, А1	Iк (мА), А2
Iэ=2мА, А1	Iк (мА), А2
Iэ=4мА, А1	Iк (мА), А2
Iэ=8мА, А1	Iк (мА), А2

По результатам измерений построить графики семейства выходных ВАХ.

Задание 2. Исследование статических вольтамперных характеристик (ВАХ) транзистора, включенного по схеме с ОБ (с помощью осциллографа).

Р ис.3.2. Схема исследования выходной ВАХ с показаниями осциллографа

3.1. Снять входную ВАХ: I_э=F(U_эб)|_Uкб=const I_б=F(U_бэ)|_Uкэ=const. Собрать схему (рис.3.2). Осциллограф поставить в режим В/А. Получить на экране изображение ВАХ, удобное для снятия показаний. Данные занести в таблицу аналогичную табл.3.1 или просто убедиться в их соответствии.

3 .2. Снять семейство выходных ВАХ – I_к=F(U_кб)|_Iэ=const. Собрать схему (рис.3.3).

Рис.3.3. Схема исследования входной ВАХ с показаниями осциллографа

Получить на экране изображение ВАХ, удобное для снятия показаний. Данные занести в таблицу аналогичную табл.3.2 или просто убедиться в их соответствие.

Задание 3. По входным и выходным характеристикам рассчитать h-параметры транзистора

4. Контрольные вопросы

1. Что такое биполярный транзистор?

2. Из каких материалов изготавливаются транзисторы?

3. Сколько pn-переходов содержит биполярный транзистор?

4. Чем отличаются транзисторы различных типов?

5. Нарисуйте условные графические обозначения транзисторов различных типов. Запишите названия выводов на рисунке.

6. Какие приборы необходимы для снятия характеристик транзистора?

7. Как определить h-параметры по характеристикам транзистора.

8. Поясните особенности и область применения биполярных транзисторов.

9. Изобразить схемы включения транзисторов с ОЭ, ОБ и с ОК.

5. Содержание отчета

1. Тема работы.

2. Цель работы.

3. Приборы и элементы.

4. Ход работы: скриншоты собранных схем и выполненных заданий, таблица данных для графика выходной ВАХ; таблица данных для графика входной ВАХ.

5. Обработка результатов: график выходной ВАХ; график входной ВАХ; расчёт h-параметров транзистора

6. Ответы на контрольные вопросы

7. Выводы

6. Защита выполненной работы

1. Дать пояснения к выполненным заданиям

2. Дать анализ полученным результатам

3. Ответить на контрольные вопросы

Лабораторная работа №4. Тема: Исследование полевого транзистора

Цель работы: Снятие и анализ стоко-затворных и стоковых характеристик полевого транзистора. Определение крутизны характеристики и активной выходной проводимости.

План

1 Инструктаж по технике безопасности

2 Теоретические сведения

3 Порядок выполнения работы

4. Контрольные вопросы

5. Содержание отчета

6. Защита выполненной работы

ХОД РАБОТЫ

1 Инструктаж по технике безопасности

• проверить  правильность подключения оборудования к электросети;

• проверить исправность проводов питания и отсутствие оголенных участков проводов;

• убедиться в наличии заземления системного блока, монитора и защитного экрана;

• отрегулировать освещение  на рабочем месте,

• убедиться в  отсутствии бликов на экране;

2. Теоретические сведения

Биполярные транзисторы управляются током и потребляют заметную мощность от входной цепи. Указанного недостатка лишены полевые транзисторы (ПТ) - это полупроводниковые приборы с каналом, ток в котором управляется электрическим полем. Принцип действия их основан на использовании носителей заряда только одного знака (электронов или дырок), поэтому их иначе называют униполярными.

Главным достоинством ПТ является высокое входное сопротивление, т.е. они практически не потребляют ток из входной цепи. Кроме того, они более технологичны и дешевле, чем биполярные, обладают хорошей воспроизводимостью требуемых параметров.

По способу создания канала различают ПТ с управляющим n-p-переходом, со встроенным каналом и с индуцированным каналом. Последние два типа относятся к разновидностям МДП-транзисторов с изолированным затвором.

У ПТ с управляющим n-p-переходом (рис.4.1,а) канал - это слой полупроводника n-типа (может быть p-типа), заключенный между двумя n-p-переходами. Канал имеет два вывода во внешнюю цепь: исток (И), из которого заряды выходят в канал, сток (С), в который заряды входят из канала. Слои p-типа соединены между собой и имеют вывод во внешнюю цепь, называемый затвором (З). Затвор служит для регулирования поперечного сечения канала. Особенность ПТ в том, что движение основных носителей заряда только одного знака происходит по каналу от истока к стоку, а не через переход, как в биполярном транзисторе.

У

правляющее напряжение между З и И является обратным для обоих n-p-переходов (U_зи0). Оно вызывает вдоль канала равномерный слой, обедненный носителями заряда при U_си=0. Изменяя U_зи, изменяют ширину n-p-переходов, тем самым регулируют сечение токопроводящего канала и его проводимость. Напряжение U_си0 вызывает неравномерность обедненного зарядами слоя, наименьшее сечение канала вблизи стока.

Управляющее действие затвора иллюстрируют передаточной (стоко-затворной) характеристикой I_с(U_зи) при U_си=const. На практике чаще используют выходные (стоковые) характеристики I_с(U_си) при U_зи=const, по которым строят передаточные (рис.4.1,в).

МДП-транзисторы со встроенным каналом имеют структуру металл - диэлектрик - полупроводник. У поверхности кристалла полупроводника (подложки p-типа) созданы две области n-типа и тонкая перемычка между ними - канал (рис.4.2,а). Области n-типа имеют выводы: И-исток и С-сток. Кристалл покрыт окисной пленкой диэлектрика SiO₂, на которой расположен металлический затвор (З), электрически изолированный от цепи исток - сток. Подложка соединяется с истоком внутри прибора, либо имеет вывод во внешнюю цепь (П).

При отрицательном потенциале на затворе U_зи0 поле затвора выталкивает электроны из канала в p-подложку, исток и сток. Канал обедняется электронами, его сопротивление увеличивается и ток стока уменьшается. Такой режим называют режимом обеднения. Характеристики I_с(U_си) располагаются ниже кривой при U_зи=0 (рис.4.2,в). Если на затвор подано U_зи0, то под действием поля затвора канал насыщается электронами из p-подложки, истока и стока - это режим обогащения.

Таким образом, МДП-транзистор со встроенным каналом может работать как в режиме обеднения, так и в режиме обогащения , что наглядно показывают его характеристики. Структура, условное графическое изображение, передаточная I_с(U_зи) при U_си=const и стоковые I_с(U_си) при U_зи=const характеристики ПТ со встроенным каналом даны на рис.4.2,а,б,в.

МДП-транзисторы с индуцированным каналом не имеют специально созданного канала между истоком и стоком, и при U_зи=0 выходной ток I_с=0. Канал индуцируется при положительном потенциале на затворе U_зи0 благодаря притоку электронов из p-подложки, истока и стока. Этот прибор работает только в режиме обогащения.

Основными параметрами полевых транзисторов являются крутизна S=I_с/U_зи при U_си=const и внутреннее (выходное) сопротивление R_i=U_cи/I_с при U_зи=const. Иногда пользуются третьим параметром - коэффициентом усиления =U_си/U_зи при I_с=const; =SR_i.

3. Порядок выполнения работы

1. Собрать схему исследования транзистора, изображенную на рисунке 4.3.

Рис. 4.3. Схема для исследования полевого транзистора

2. Нарисовать таблицу для построения стоко-затворных характеристик (Т.4.1).

3. Произвести измерения и занести результаты в таблицу.

Таблица 4.1

Данные для построения стоко-затворных характеристик

4. Нарисовать таблицу для построения семейства стоковых характеристик (Т 4.2).
5. Произвести измерения и занести результаты в таблицу.

Таблица 4.2

Данные для построения стоковых характеристик

6. Построить стоко-затворные и стоковые характеристики в координатных осях.

7. Определить необходимые параметры и рассчитать крутизну стоко-затворной характеристики и активную выходную проводимость.

8. Выводы.

4 Контрольные вопросы

1. Что такое полевой транзистор?

2. Из каких материалов изготавливаются транзисторы?

3. Сколько PN-переходов имеет полевой транзистор?

4. Чем отличаются транзисторы различных типов?

5. Нарисуйте условные графические обозначения транзисторов различных типов. Запишите названия выводов на рисунке.

6. Какие приборы необходимы для снятия характеристик транзистора?

7. Нарисуйте стоко-затворные и стоковые характеристики транзистора. Расскажите о процессах, соответствующих характерным участкам ВАХ.

8. Перечислите основные параметры транзисторов. Охарактеризуйте каждый из них.

9. Как определить крутизну стоко-затворной характеристики и активную выходную проводимость?

10. Поясните особенности работы и область применения полевых транзисторов.

5. Содержание отчета

1. Тема работы.

2. Цель работы.

3. Приборы и элементы.

4. Ход работы: скриншоты собранных схем и выполненных заданий, таблица данных для построения стоко-затворных характеристик; таблица данных для построения стоковых характеристик.

5. Обработка результатов: графики стоко-затворныех и стоковыех характеристик расчёт крутизны стоко-затворной характеристики и активной выходной проводимости полевого транзистора

6. Ответы на контрольные вопросы

7. Выводы

6 Защита выполненной работы

1. Дать пояснения к выполненным заданиям

2. Дать анализ полученным результатам

3. Ответить на контрольные вопросы

Лабораторная работа №5. Тема: Исследование тиристора.

Цель: Изучение особенностей работы тиристоров в цепях постоянного и переменного тока.

.

Приборы и элементы:

тиристор; источник переменной ЭДС; амперметры; вольтметры; осциллограф; резисторы, конденсатор.

План

1 Инструктаж по технике безопасности

2 Теоретические сведения

3 Порядок выполнения работы

4. Контрольные вопросы

5. Содержание отчета

6. Защита выполненной работы

ХОД РАБОТЫ

1 Инструктаж по технике безопасности

• проверить  правильность подключения оборудования к электросети;

• проверить исправность проводов питания и отсутствие оголенных участков проводов;

• убедиться в наличии заземления системного блока, монитора и защитного экрана;

• отрегулировать освещение  на рабочем месте,

• убедиться в  отсутствии бликов на экране;

2 Теоретические сведения

Параметры и характеристики

Напряжение включения U_вкл. – это прямое анодное напряжение, при котором тиристор переходит из закрытого в открытое состояние при разомкнутом управляющем выводе. Для разных типов тиристоров напряжение включения, является изменение времени жизни носителей заряда при изменении температуры. С повышением температуры в рабочем диапазоне температур время жизни носителей возрастает, что приводит, как и в обычных транзисторах, к росту коэффициентов передачи токов. Поэтому напряжение включения с повышением окружающей среды уменьшается.

У некоторых тиристоров первоначальным процессом, приводящим к увеличению суммарного коэффициента передачи тиристорной структуры и к переключению тиристора в открытое состояние, является лавинное умножение носителей заряда в сильном электрическом поле коллекторного перехода. Напряжение включения таких тиристоров увеличивается при увеличении температуры, так как при этом уменьшается длина свободного пробега носителей заряда.

Ток включения I_вкл. – это такое значение прямого анодного тока через тиристор, выше которого тиристор переключается в открытое состояние при разомкнутой цепи управляющего вывода.

Ток включения уменьшается с повышением температуры в связи с увеличением времени жизни носителей заряда и с увеличением коэффициентов передачи тока.

Отпирающий ток управления I_у.вкл. – наименьший ток в цепи управляющего вывода, который обеспечивает переключение тиристора в открытое состояние при данном напряжении на тиристоре. Отпирающий ток управления протекает в цепи управляющего вывода при некотором напряжении управления U_у.вкл, которое необходимо приложить между управляющим выводом и выводом от эмиттерной области , прилагающей к соответствующей базе.

С повышением температуры тиристора из-за увеличения времени жизни носителей и из-за соответствующего роста коэффициента передачи токов отпирающий ток управления, а значит, и напряжение управления уменьшаются.

Время задержки t_з – время, в течение которого анодный ток через тиристор возрастает до величины 0,1 установившегося значения с момента подачи на тиристор управляющего импульса, или время, в течение которого анодное напряжение на тиристоре уменьшается дл 0,9 начального значения с момента подачи на тиристор управляющего импульса. Оба определения равноценны при чисто активной нагрузке во внешней цепи тиристора.

Время задержки и время включения зависят от управляющего тока, уменьшаясь с увеличением амплитуды управляющего импульса тока. Связано это с возникновением больших градиентов концентрации носителей в тиристорной структуре и, следовательно, с возникновением больших диффузионных токов, которые обеспечивают более быстрое накопление неравновесных носителей в базовых областях тиристора, т.е. обеспечивают включение тиристора.

Время включения t_вкл – время, в течение которого ток через тиристор возрастает до 0,9 установившегося значения с момента подачи на тиристор управляющего импульса. Если внешняя цепь представляет собой чисто активную нагрузку для тиристора, то во время включения тиристора с увеличением тока соответственно уменьшается напряжение на тиристоре. Поэтому время включения в этом случае принято определять как время, в течение которого напряжение на тиристоре уменьшается до 0,1 начального значения с момента подачи на тиристор управляющего импульса.

Максимально допустимая скорость нарастания прямого напряжения (du/dt)_max – скорость нарастания прямого анодного напряжения, при которой еще не происходит переключение тиристора в открытое состояние при отключенном управляющем выводе. Кроме максимально допустимой скорости нарастания прямого напряжения используется иногда другой параметр тиристора – критическая скорость нарастания прямого анодного напряжения, т.е. такая минимальная скорость нарастания прямого анодного напряжения, при которой происходит переключение тиристора в открытое состояние. Критическое напряжение, при котором происходит самовключение тиристора, при больших величинах du/dt называют напряжением самовключения. Оно меньше напряжения включения. Поэтому во всех случаях, чтобы исключить ложное переключение тиристора, амплитуда подаваемого напряжения и скорость его нарастания должны быть меньше допустимых значений напряжения самовключния и (du/dt)_max.

Максимально допустимая скорость нарастания прямого тока (di/dt)_max - скорость нарастания прямого анодного тока через тиристор, не вызывающая необратимых процессов в тиристорной структуре и связанного с ними ухудшения электрических параметров тиристора. При любом способе включения тиристора процесс переключения начинает развиваться в ограниченном объеме, а затем распространяется по всей структуре. Таким образом, происходит неравномерное распределение тока по площади p-n-переходов тиристора. В тиристорах с большой площадью p-n-переходов, т.е. в мощных тиристорах, высокую проводимость весь объем тиристорной структуры может приобрести иногда только через несколько десятков микросекунд с момента подачи управляющего импульса.

При высоких скоростях нарастания прямого тока вблизи управляющего электрода (при включении тиристора с помощью тока управления) плотность прямого тока достигает больших значений и может произойти локальный разогрев структуры до температуры плавления кремния с последующим разрушением кремниевой пластинки или с последующим выходом тиристора из строя.

Бороться с этим явлением можно двумя способами: 1) управляющий электрод делают распределенным по всей площади тиристорной структуры; 2) ограничивают скорость нарастания прямого тока путем соответствующих схемных решений, например, включая последовательно с тиристором небольшую индуктивность.

Максимально допустимый ток в открытом состоянии I_пр.max – максимальное значение тока в открытом состоянии, при котором обеспечивается заданная надежность тиристора. Для тиристоров разных типов максимально допустимый ток в открытом состоянии от 40 мА до 1000 А. Максимально допустимый ток определяется из условия, что температура любой части тиристорной структуры при работе тиристора не должна превышать допустимого значения (обычно 140^оС). Нагрев тиристора во время работы происходит из-за электрических потерь при прохождении прямого тока, токов утечки в закрытом тиристоре, тока в цепи управляющего вывода и от коммутационных потерь.

Остаточное напряжение U_пр – значение напряжения на тиристоре, находящемся в открытом состоянии, при прохождении через него максимально допустимого тока. Остаточное напряжение обычно не превышает 2 В.

Ток выключения I_выкл. – значение прямого тока через тиристор при разомкнутой цепи управления, ниже которого тиристор выключается. В зависимости от типа тиристора ток выключения. В зависимости от типа тиристора ток выключения может быть от нескольких миллиампер до нескольких десятых долей ампера.

С повышением температуры величина тока выключения уменьшается в связи с ростом времени жизни носителей и увеличением коэффициентов передачи токов при тех же величинах проходящего через тиристор тока.

Время выключения t_выкл. – время от момента перемены тока, проходящего через тиристор, с прямого на обратный до момента, когда тиристор полностью восстановит запирающую способность в прямом направлении. Процесс выключения тиристора связан с исчезновением избыточных зарядов неравновесных носителей в базовых областях вследствие рекомбинации и ухода неравновесных носителей через p-n-переходы. Для ускорения процесса выключения в большинстве случаев к тиристору прикладывают обратное анодное напряжение.

В первый момент после переключения анодного напряжения на обратное ток через тиристор определяется сопротивлением нагрузки и равен I^´_обр.≈U_обр./R_и (при чисто активном сопротивлении нагрузки). Сопротивление тиристора в это время мало, так как велики концентрации неосновных носителей заряда около p-n-переходов. К моменту t₁ сильнолегированная p-база теряет избыточный заряд неравновесных носителей, и напряжение u_э1 на p-n-переходе I падает до нуля, а затем изменяет знак. К моменту времени t₂ ток через тиристор уменьшается до величины I˝_обр= . С двух сторон эмиттерного p-n-перехода I находятся низкоомные (из-за большой концентрации примесей) области кристалла кремния. Поэтому пробивное напряжение этого p-n-перехода мало. Следовательно, обратное напряжение на этом p-n-переходе достигает пробивного и затем стабилизируется (в момент времени t₂).

При дальнейшем рассасывании напряжение на эмиттерном p-n-переходе 3 достигает нуля. Ток через тиристор с этого момента опять быстро уменьшается до величины, соответствующей установившемуся обратному току I_обр.

Значит, в момент времени t₄ тиристор восстановил запирающую способность в обратном направлении. Однако в момент времени t₄ тиристор восстановил запирающую способность в обратном направлении. Однако в момент времени t₄ в базовых областях около p-n-перехода 2 сохраняется еще значительная избыточная концентрация носителей заряда, что обеспечит переключение тиристора в открытое состояние при подаче в этот момент на тиристор даже небольшого прямого напряжения, т.е. тиристор еще не восстановил запирающей способности для прямого напряжения. Таким образом, время выключения превышает время восстановления запирающей способности тиристора для обратного напряжения, Время выключения тиристоров может доходить до нескольких десятков микросекунд. Оно зависит от геометрии тиристора и от времени жизни неосновных носителей заряда в базовых областях (в основном от времени жизни неосновных носителей в толстой высокоомной области базы).

Время выключения тиристоров увеличивается с повышением температуры, что также связано с ростом времени жизни носителей заряда, с замедлением процесса рекомбинации неравновесных носителей в базовых областях тиристора.

3 Порядок выполнения работы

Задание 1: Исследовать работу тиристора в качестве регулятора мощности. Схема для исследования приведены на рисунке 5.1.

1. Включить питание схемы исследования при положении движка переменного резистора R1 - 100 % .

2. Уменьшать сопротивление резистора R1 до состояния включения тиристора, - появления эпюры напряжения на выходе тиристора. Изменение положение движка переменного резистора R1 (величина значения процентов) выполняется нажатием клавиши 1 для увеличения и сочетанием клавиш Ctrl+1 – для уменьшения.

Рис. 5.1. Схема исследования работы тиристора

3. По эпюре выходного напряжения определить величину напряжения включения тиристора Uт₁ и время задержки включения тиристора Тз, а по показаниям приборов ток управления на момент включения Iупр₁(PA1), ток в нагрузке Iн₁ (PA2) и напряжение на нагрузке Uн₁(PV1).

4. Уменьшать сопротивление резистора R1 до 85% и повторить измерения согласно п.3.

5. Уменьшать сопротивление резистора R1 до 80% и повторить измерения согласно п.3.

6. Уменьшать сопротивление резистора R1 до состояния, когда Тз =0, - ток в нагрузке не изменяется: Iн = const, и по показаниям приборов определить максимальный ток управления, обеспечивающий постоянно открытое состояние тиристора Iупр.max.(PA1) и максимальный действующий ток в нагрузке Iн.max (PA2) и максимальное действующее напряжение на нагрузке Uн.max (PV1).

7. Рассчитать мощность отдаваемую тиристором в нагрузку для выполненных измерений.

8. Результаты измерений свести в таблицу 5.1.

9. Построить график зависимости передаваемой в нагрузку мощности от тока управления тиристора.

Таблица 5.1

Определение параметров тиристора в зависимости от входного напряжения

R1, %
Uт, В
Тз, ms
Iупр
Iн, мА
Uн, В
Pн, Вт

4. Контрольные вопросы

1. Назначение тиристоров

2. Чем тиристоры отличаются от выпрямительных диодов?

3. Чем отличаются ВАХ тиристоров от ВАХ выпрямительных диодов?

4. Как используются тиристоры?

5. Какие способы управления включением и выключением тиристоров?

6. Начертите схему включения тиристора.

5. Содержание отчета

1. Тема работы.

2. Цель работы.

3. Приборы и элементы.

4. Ход работы: скриншоты собранных схем и выполненных заданий, таблица данных для графика зависимости передаваемой в нагрузку мощности от тока управления тиристора.

5. Обработка результатов: график зависимости передаваемой в нагрузку мощности от тока управления тиристора; расчёт мощности, отдаваемой тиристором в нагрузку

6. Ответы на контрольные вопросы

7. Выводы

6. Защита выполненной работы

1. Дать пояснения к выполненным заданиям

2. Дать анализ полученным результатам

3. Ответить на контрольные вопросы

Лабораторная работа №6. Тема: Исследование выпрямителей и сглаживающих фильтров.

Цель работы: Изучить принцип действия и основные характеристики неуправляемых однофазных выпрямителей, ознакомиться с принципом действия сглаживающих фильтров.

План

1 Инструктаж по технике безопасности

2 Теоретические сведения

3 Порядок выполнения работы

4. Контрольные вопросы

5. Содержание отчета

6. Защита выполненной работы

ХОД РАБОТЫ

1 Инструктаж по технике безопасности

• проверить  правильность подключения оборудования к электросети;

• проверить исправность проводов питания и отсутствие оголенных участков проводов;

• убедиться в наличии заземления системного блока, монитора и защитного экрана;

• отрегулировать освещение  на рабочем месте,

• убедиться в  отсутствии бликов на экране;

2 Теоретические сведения

Выпрямители служат для преобразования переменного напряжения питающей сети в постоянное. Основными компонентами выпрямителей служат вентили – элементы с явно выраженной нелинейной вольт-амперной характеристикой. В качестве таких элементов используют кремниевые диоды.

О днополупериодный выпрямитель. 

Простейшим является однополупериодный выпрямитель (рис. 6.1). Напряжение и ток нагрузки имеют форму, показанную на рис. 6.2. Выходное напряжение меньше входного на величину падения напряжения на открытом диоде.

Рис. 6.1

Среднее значение выпрямленного напряжения:

.          (6.1)

Здесь   – действующее значение входного напряжения. С помощью формулы (6.1) по заданному значению напряжения   можно найти входное напряжение выпрямителя.

Максимальное обратное напряжение на диоде: 

.

Максимальный ток диода:

.

Рис. 6.2

Важным параметром выпрямителя является коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения, равный отношению максимального и среднего напряжений. Для однополупериодного выпрямителя коэффициент пульсаций

.

Выпрямленные напряжение и ток в схеме на рис. 6.1 имеют большой уровень пульсаций. Поэтому на практике такую схему применяют в маломощных устройствах в тех случаях, когда не требуется высокая степень сглаживания выпрямленного напряжения.

Двухполупериодные выпрямители.

Меньший уровень пульсаций выпрямленного напряжения можно получить в двухполупериодных выпрямителях. На рис. 6.3 показана схема выпрямителя с выводом от средней точки вторичной обмотки трансформатора.

 
Рис. 6.3

Во вторичной обмотке трансформатора индуцируются напряжения   и  , имеющие противоположную полярность. Диоды проводят ток поочередно, каждый в течение полупериода. В положительный полупериод открыт диод VD1, а в отрицательный – диод VD2. Ток в нагрузке имеет одинаковое направление в оба полупериода, поэтому напряжение на нагрузке имеет форму, показанную на рис. 6.4. Выходное напряжение меньше входного на величину падения напряжения на диоде.

 
Рис. 6.4

В двухполупериодном выпрямителе постоянная составляющая тока и напряжения  увеличивается вдвое по сравнению с однополупериодной схемой:

;      .

Из последней формулы определим действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора:

.

Коэффициент пульсаций в данном случае значительно меньше, чем у однополупериодного выпрямителя:

.

Так как ток во вторичной обмотке трансформатора двухполупериодного выпрямителя  синусоидальный, а  не пульсирующий, он не содержит постоянной составляющей. Тепловые потери при этом  уменьшаются, что позволяет уменьшить габариты трансформатора.

Существенным недостатком схемы на рис. 6.3 является то, что к запертому диоду приложено обратное напряжение, равное удвоенной амплитуде напряжения одного плеча вторичной обмотки трансформатора:

.

Поэтому необходимо выбирать диоды с большим обратным напряжением. Более рационально используются диоды в мостовом выпрямителе (рис. 6.5).

Э та схема имеет такие же значения среднего напряжения и коэффициента  пульсаций, что и схема выпрямителя с выводом от средней точки трансформатора. Ее преимущество в том, что обратное напряжения на диодах в два раза меньше. Кроме того, вторичная обмотка трансформатора содержит вдвое меньше витков, чем вторичная обмотка в схеме на рис.  6.3.

Рис. 6.5

Сглаживающие фильтры

Р ассмотренные схемы выпрямителей  имеют относительно большие значения коэффициента пульсаций. Между тем для питания электронной аппаратуры часто требуется выпрямленное напряжение с коэффициентом пульсаций, не превышающим нескольких процентов.   Для уменьшения пульсаций используют специальные  устройства – сглаживающие фильтры.

Простейшим является емкостный фильтр (С-фильтр). Рассмотрим его работу на примере однополупериодного выпрямителя (рис. 6.6).

Рис. 6.6

С глаживание пульсаций выпрямленного напряжения и тока происходит за счет периодической зарядки конденсатора С  (когда напряжение на вторичной обмотке трансформатора превышает напряжение на нагрузке) и последующей его разрядки на сопротивление нагрузки.

Временные диаграммы напряжений и токов выпрямителя  показаны на рис. 6.7. На интервале времени   диод открыт и конденсатор заряжается. На интервале    диод закрыт и конденса-тор разряжается через сопротивление  . Для уменьшения пульсаций емкость конденсатора должна быть большой, чтобы постоянная времени разряда   была намного больше периода выпрямленного напряжения.

 Рис. 6.7

Как следует из рис. 6.7, диод открыт только на интервале  . Чем короче этот интервал, тем больше амплитуда тока через диод.  Режим работы диода в схеме выпрямителя с фильтром оказывается достаточно тяжелым.

На практике используют и более сложные схемы сглаживающих фильтров, содержащих конденсаторы и индуктивные катушки. Они обеспечивают лучшее сглаживание. Основной недостаток таких фильтров – большие габариты и вес.

3. Порядок выполнения работы

ЗАДАНИЕ 1.

Исследование однополупериодного неуправляемого выпрямителя.

Сначала следует исследовать работу выпрямителя без емкостного фильтра, отключив его. На вход А осциллографа подается выходной сигнал, а на вход В - входной.

Зарисуйте (сделайте скриншоты) полученные осциллограммы.

Измерьте максимальные входные и выходные напряжения. Устанавли­вая различные значения сопротивления нагрузки выпрямителя (резистор R1), снимите показания вольтметра и амперметра, занеся их в таблицу 6.1.

Постройте внешнюю характеристику однополупериодного выпрямите­ля, работающего без емкостного фильтра.

Затем подключите емкостный фильтр и снимите и постройте внешнюю характеристику выпрямителя аналогично ранее описанному.

Зарисуйте осциллограммы напряжений при двух различных значениях емкостей фильтрующего конденсатора.

Таблица 6.1

Внешняя характеристика однополупериодного выпрямителя

Вычислите среднее зна­чение входного напряжения для схемы без фильтра и с подключенным фильтром.

ЗАДАНИЕ 2.

Исследование двухполупериодного неуправляемого выпрямителя с отводом от средней точки трансформатора.

Сначала следует исследовать работу выпрямителя без индуктивного фильтра, отключив его с помощью выключателя. На вход А осциллографа подается выходной сигнал, а на вход В - входной.

Зарисуйте (сделайте скриншоты) полученные осциллограммы.

Измерьте максимальные входные и выходные напряжения. Устанавли­вая различные значения сопротивления нагрузки выпрямителя (резистор R1), снимите показания мультиметра, работающего в режиме вольтметра, и ам­перметров, занеся их в таблицу 6.2. Амперметры А1 и А3 измеряют постоян­ную составляющую, а амперметр А2 - переменную. Сравните их показания.

Постройте внешнюю характеристику двухполупериодного выпрямите­ля, работающего без индуктивного фильтра.

Затем подключите индуктивный фильтр и снимите и постройте внеш­нюю характеристику выпрямителя аналогично ранее описанному.

Также зарисуйте осциллограммы напряжений при двух различных зна­чениях фильтрующих индуктивностей.

Таблица 6.2

Внешняя характеристика двухполупериодного выпрямителя с отводом от средней точки трансформатора

Вычислите среднее зна­чение входного напряжения для схемы без фильтра и с подключенным фильтром.

4. Контрольные вопросы

1. Что такое выпрямители? Каково их назначение?

2. Какие виды выпрямителей вам известны?

3. Нарисуйте схему и поясните принцип работы однополупериодного выпрямителя. По каким формулам можно определить параметры выходного напряжения такого выпрямителя?

4. Что такое коэффициент пульсаций? По какой формуле он определяется? Какие требования предъявляются к качеству выпрямленного напряжения при питании различных устройств?

5. Какими способами можно уменьшить пульсации выпрямленного напряжения?

6. Нарисуйте схемы и поясните принцип действия сглаживающих фильтров. Запишите формулы для определения коэффициента сглаживания фильтров.

7. Нарисуйте схему и поясните принцип работы однофазного нулевого выпрямителя (двухполупериодного). По каким формулам можно определить параметры выходного напряжения такого выпрямителя?

8. Нарисуйте схему и поясните принцип работы однофазного мостового выпрямителя (двухполупериодного). По каким формулам можно определить параметры выходного напряжения такого выпрямителя?

5. Содержание отчета

1. Тема работы.

2. Цель работы.

3. Задание.

4. Практическая часть: описание результатов выполнения; заполненные таблицы; скриншоты выполнения задания, результаты выполненных вычислений.

5. Ответы на контрольные вопросы

6. Выводы. Сравнить программы тестирования видеокарт

6. Защита выполненной работы

1. Дать пояснения к выполненным заданиям

2. Дать анализ полученным результатам

3. Ответить на контрольные вопросы

Лабораторная работа №7. Тема: Исследование усилителя синусоидальных сигналов

Цель работы: Изучить принцип действия и основные характеристики усилителей напряжения, провести анализ основных показателей работы.

План

1. Инструктаж по технике безопасности

2. Теоретические сведения

3. Порядок выполнения работы

4. Контрольные вопросы

5. Содержание отчета

6. Защита выполненной работы

ХОД РАБОТЫ

1. Инструктаж по технике безопасности

• проверить  правильность подключения оборудования к электросети;

• проверить исправность проводов питания и отсутствие оголенных участков проводов;

• убедиться в наличии заземления системного блока, монитора и защитного экрана;

• отрегулировать освещение  на рабочем месте,

• убедиться в  отсутствии бликов на экране;

2. Теоретические сведения

Схемы усилительных каскадов характеризуются большим разнообразием. Вместе с тем принцип построения главных цепей усилительных каскадов один и тот же, он показан на примере структурной схемы на рисунке 7.1, а.

 

 Рис. 7.1. Принцип построения (а) и временные диаграммы (б) усилитель­ного каскада

 

Основными элементами каскада являются управляемый элемент УЭ, функцию которого выполняет биполярный (полевой) транзистор и резистор R. Совместно с напряжением питания Е эти элементы образуют выходную цепь каскада. Усиливаемый сигнал U_ВХ , принятый на рисунке 7.1 а) для простоты синусоидальным, подается на вход УЭ. Выходной сигнал U_ВЫХснимается с вы­хода УЭ или с резистора R. Он создается в результате изменения сопротивления УЭ и, следовательно, тока i в выходной цепи под воздействием, входного на­пряжения. Процесс усиления основывается на преобразовании энергии источ­ника постоянного напряжения Е в энергию переменного напряжения в выход­ной цепи за счет изменения сопротивления управляемого элемента по закону, задаваемому входным сигналом. Ввиду использования для питания источника постоянного напряжения Е ток i в выходной цепи каскада является однонаправленным (рисунок 7.1 а). При этом переменный ток и напряжение выходной цепи (пропорциональные току и напряжению входного сигнала) следует рассматривать как переменные состав­ляющие суммарных тока и напряжения, накладывающиеся на их постоянные составляющие I_П и U_П и (рисунок 7.1 б).

Связь между постоянными и перемен­ными составляющими должна быть такой, чтобы амплитудные значения пере­менных составляющих не превышали постоянных составляющих, т. е. I_П ≥ I_m и U_П ≥ U_m. Если эти условия не будут выполняться, ток i в выходной цепи на от­дельных интервалах будет равен нулю, что приведет к искажению формы вы­ходного сигнала. Таким образом, для обеспечения работы усилительного кас­када при переменном входном сигнале в его выходной цепи должны быть соз­даны постоянные составляющие тока I_П и напряжения U_П. Задачу решают пу­тем подачи во входную цепь каскада помимо усиливаемого сигнала соответст­вующего постоянного напряжения U_ВХП (или задания соответствующего посто­янного входного тока I_ВХП).Постоянные составляющие тока и напряжения оп­ределяют так называемый режим покоя усилительного каскада. Параметры ре­жима покоя по входной цепи (I_ВХП, U_ВХП) и по выходной цепи (I_П, U_П) характе­ризуют электрическое состояние схемы в отсутствие входного сигнала.

Показатели усилительных каскадов зависят от способа включения транзистора, выполняющего роль управляемого элемента. Анализ усилительных каскадов на биполярных транзисторах проводится для трех способов включения: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ).

Рис. 7.2. Схема усилительного каскада ОЭ

Усилительный каскад с общим эмиттером. Схема усилителя с общим эмиттером представлена рисунке 7.2

Коэффициент усиления по напряжению усилителя с ОЭ приближенно равен отношению сопротивления в цепи коллектора r_К сопротивлению в цепи эмиттера r_Э:

K_U=r_K/ r_Э

где r_К - сопротивление в цепи коллектора, которое оп­ределяется параллельным соединением сопротивления коллектора Rk и сопро­тивления нагрузки R_H.

r_К = Rk * Rh /(Rk+Rh)

 

r_Э - дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода, равное 25мВ/I_Э. Для усилителя с сопротивлением R_Э в цепи эмиттера коэффициент усиления равен:

К_U=r_К / (r_Э +R_Э)

Входное сопротивление усилителя по переменному току определяется как отношение амплитуд синусоидального входного напряжения U_BX и входно­го тока I_ВХ

r_ВХ= U_ВХ / I_ВХ

 

Входное сопротивление транзистора ri определяется по формуле:

ri = βr_Э

 

Входное сопротивление усилителя по переменному току r_вх вычисляется как параллельное соединение сопротивлений ri, R1 и R2:

1/r_вх = 1/R1+1/R2+1/ri

Значение дифференциального выходного сопротивления схемы находит­ся по напряжению Uxx холостого хода на выходе усилителя, которое может быть измерено как падение напряжения на сопротивлении нагрузки, превы­шающем 200 кОм, и по напряжению Uвых, измеренному для данного сопро­тивления нагрузки R_H, из следующего уравнения, решаемого относительно r_ВЫХ :

 

U_ВХ / Uxx = Rh /( Rh + r_ВЫХ)

Сопротивление R_H 200 кОм можно считать разрывом в цепи нагрузки.

3 Порядок выполнения работы

ЗАДАНИЕ 1.

Проведем исследование усилителя напряжения на примере усилителя низкой частоты. Его еще называют усилителем звука. Любой усилитель, независимо от частоты, содержит от одного до нескольких каскадов усиления. Для того, чтобы иметь представление по схемотехнике транзисторных усилителей, рассмотрим более подробно их принципиальные схемы.

Используем стандартный двухкаскадный транзисторный усилитель. Построим схему усилителя низкой частоты в про­грамме EWB, показанной на рис. 7.3. Посмотрим, как ведет себя усилитель при приближении часто­ты входного сигнала к нулю. Для этого используем генератор синусоидального напряжения с амплитудой V1 = 10 мВ и, начиная с 1 Гц, будем изменять частоту сигнала и фиксировать показания вольтметра V2, подключенного к выходу усилителя. Оба вольтметра должны быть переключены на измерения переменного напряжения (АС).

Вна­чале показания вольтметра V2 существенно меняться не будут (надо только выжидать некоторое время для установления показа­ний и не забывать производить перезапуск моделирования), но, пройдя «герцовый» диапазон, мы заметим, что начнется резкий спад выходного сигнала. Если вначале при 10 мВ на входе напря­жение на выходе равно около 3,3 В, то при 0,1 Гц оно составляет всего лишь 24 мВ (чтобы получить эти показания надо не преры­вать режима моделирования почти 6 мин). При частоте 0,001 Гц на выходе фиксируются микровольты.

Этот характерный срез АЧХ в инфразвуковой области частот можно также зафиксировать на Боди-плоттере. Здесь наглядно видно как усилитель ослабляет входной сигнал. Такое поведение усилителя действительно и для ультравысоких частот.

Рис. 7.3. Моделирование работы усилителя на низких частотах

ЗАДАНИЕ 2:

- исследовать работу УНЧ; получить осциллограммы входного и выходного сигналов; получить АЧХ и ФЧХ с помощью функции Analysis Graphs/

- снять семь показаний вольтметров при частоте входного сигнала 1000 Гц, 100 Гц, 10 Гц, 1 Гц, 0,1 Гц, 0,01 Гц, 0,001 Гц.

F, Гц	1000	100	10	1	0,1	0,01	0,001

- построить АЧХ усилителя;

- рассчитать коэффициент усиления.

4. Контрольные вопросы

1. Что такое усилитель?

2. Поясните принцип усиления.

3. Какой каскад (ОЭ, ОБ, ОК) не обладает усилением по току?

4. Какой каскад (ОЭ, ОБ, ОК) обладает максимальным усилением по току?

5. Какие сигналы получаются на выходе фазоинверсного каскада?

6. Назовите достоинства и недостатки трансформаторного фазоинверсного каскада.

7. Назовите виды обратной связи.

8. Как влияет отрицательная обратная связь на коэффициент усиления и его стабильность?

9. Как определяется глубина отрицательной обратной связи?

5. Содержание отчета

1. Тема работы.

2. Цель работы.

3. Задание.

4. Практическая часть: описание результатов выполнения; скриншоты выполнения задания, график АЧХ, расчёт коэффициента усиления.

5. Ответы на контрольные вопросы

6. Выводы.

6. Защита выполненной работы

1. Дать пояснения к выполненным заданиям.

2. Дать анализ полученным результатам.

3. Ответить на контрольные вопросы.

Лабораторная работа №8. Тема: Исследование логических схем И и ИЛИ.

Цель работы: Изучить схему и принцип функционирования логических элементов И и ИЛИ. Получить навыки построения и анализа работы схем цифровых устройств на основе базовых логических элементов средствами EWB.

Приборы и элементы: источники постоянной ЭДС; ключи; биполярные транзисторы; полевые транзисторы; логические элементы; логический анализатор

План

1. Инструктаж по технике безопасности

2. Порядок выполнения работы

3. Контрольные вопросы

4. Содержание отчета

5. Защита выполненной работы

ХОД РАБОТЫ

1 Инструктаж по технике безопасности

• проверить  правильность подключения оборудования к электросети;

• проверить исправность проводов питания и отсутствие оголенных участков проводов;

• убедиться в наличии заземления системного блока, монитора и защитного экрана;

• отрегулировать освещение  на рабочем месте,

• убедиться в  отсутствии бликов на экране;

2. Порядок выполнения работы

Приступая к выполнению данной лабораторной  работы необходимо запустить программу ELECTRONICS WORKBENCH.

ЗАДАНИЕ 1

1. Собрать схему логического элемента И, изображенную на рисунке 1.

2. Установить значения параметров элементов в соответствии со схемой.

3. Включить схему.

4 . С помощью ключей (управляются клавишами [Q], [W], [E]) подать на вход схемы различные комбинации переменных А, В и С. Значения функции F занести в таблицу 1.

Рис. 1. Схема для исследования

логического элемента И

Рис. 2. Схема для исследования

логического элемента ИЛИ

Таблица 1.

Таблица истинности логического элемента И/ИЛИ

A	B	C	F
0	0	0
0	0	1
0	1	0
0	1	1
1	0	0
1	0	1
1	1	0
1	1	1

5. Собрать схему логического элемента ИЛИ, изображенную на рисунке 2.

6. Установить значения параметров элементов в соответствии со схемой.

7. Включить схему.

8. С помощью ключей (управляются клавишами [Q], [W], [E]) подать на вход схемы различные комбинации переменных А, В и С. Значения функции F занести в таблицу 1

ЗАДАНИЕ 2

В соответствии с номером варианта, который выбирается согласно порядкового номера по списку, выполнить следующее:

• проанализировать функцию F и реализовать её в EWB в базисе И-НЕ.

№ варианта	Функция F	№ варианта	Функция F
1		7
2		8
3		9
4		10
5		11
6		12

1. Нажать кнопку Logic Gates (Логические элементы). Появится окно логических элементов. Верхний ряд этого окна – обозначения логических элементов. Нижний ряд – реальные ИМС, представляющие собой сборки логических элементов, изображенных в верхнем ряду.

2. Перетаскивая мышкой соответствующий логический элемент, собрать схему функции для своего варианта.

ПРИМЕЧАНИЕ. В программе Electronics Workbench приняты английские условные обозначения логических элементов.

Рис.3. Панель Logic Gates (Логические элементы)

1. Нажать кнопку группы инструментов (Instruments). Появится окно инструментов.

Рис.4. Логический преобразователь (Logic converter)

1. Подключить к схеме логический преобразователь (Logic converter).

2. Щ елкнуть дважды мышкой (левая кнопка) по изображению логического преобразователя – откроется его окно. Подключить входы следующим образом:

x А; y В; z С или a А; b В; c С. Выход схемы (функция F) подключить к выходу логического преобразователя.

Р ис.5. Окно логического преобразователя и кнопка выхода схемы

1. Нажать кнопку логического преобразователя

Переписать таблицу, полученную в окне логического преобразователя.

1. Н ажать последовательно кнопки.

Переписать полученное выражение, которое приводится на дополнительном дисплее в нижней части окна логического преобразователя.

П РИМЕЧАНИЕ. Инверсия обозначается апострофом справа от переменной Например: А’В = АВ

1. Сравните полученное с помощью конвертора выражение с заданной функцией.

2. Распечатать схему в режиме Print Screen.

3. Удалить схему, не трогая логический преобразователь. Для этого выделить элементы курсором и нажать Delete.

4. В окне преобразователя нажать кнопку.

1. Сравните полученную с помощью конвертора схему со схемой, разработанной вами для заданной функцией.

2. Распечатать полученную схему в режиме Print Screen.

З АДАНИЕ 3

1. Найдите аналитическое выражение функции, которая реализуется схемой, приведенной на рисунке.

2. Соберите схему, подключите её к логическому преобразователю.

3. Включите схему и проверьте правильность аналитического выражения.

4. Сравните полученное с помощью конвертора выражение с аналитическим выражением заданной функции.

3. Контрольные вопросы

1. Основные технологии (логики) построения схем базовых логических элементов ИМС.

2. Что такое инверсия? Как записывается эта операция? Нарисуйте условное графическое обозначение соответствующего логического элемента.

3. Что такое дизъюнкция? Как записывается эта операция? Нарисуйте условное графическое обозначение соответствующего логического элемента.

4. Что такое конъюнкция? Как записывается эта операция? Нарисуйте условное графическое обозначение соответствующего логического элемента.

5. Нарисуйте условное графическое обозначение и таблицу истинности логического элемента И-НЕ.

6. Нарисуйте условное графическое обозначение и таблицу истинности логического элемента ИЛИ-НЕ.

4. Содержание отчета

1.Тема работы.

2.Цель работы.

3. Приборы и элементы.

4. Ход работы: скриншоты (рисунки) собранных схем и выполненных заданий:

• Сравнение полученного с помощью конвертора выражения с заданной функцией (ЗАДАНИЕ 2).

• Сравнение полученной с помощью конвертора схемы со схемой, разработанной вами для заданной функцией (ЗАДАНИЕ 2).

• Сравнение полученного с помощью конвертора выражения с аналитическим выражением заданной функции (ЗАДАНИЕ 3).

6. Ответы на контрольные вопросы.

7. Выводы

5. Защита лабораторной работы

1. Дать пояснения к проведенному эксперименту

2. Дать анализ полученным результатам

3. Ответить на контрольные вопросы

Лабораторная работа №9. Тема: Изучение строения и работы триггеров.

Цель работы: изучение структуры и алгоритмов работы синхронных и асинхронных триггеров, получение практических навыков в построении и контроле работоспособности триггеров RS-, D-,T- и JK-типов

Приборы и элементы: двухвходовые логические элементы, RS-, JK- и D-триггеры; двухпозиционные переключатели, логические пробники, семисегментные индикаторы; источник сигнала «5 В», источник сигнала «0 В».

План

1 Инструктаж по технике безопасности

2 Теоретические сведения

3 Порядок выполнения работы

4. Контрольные вопросы

5. Содержание отчета

6. Защита выполненной работы

ХОД РАБОТЫ

1 Инструктаж по технике безопасности

• проверить  правильность подключения оборудования к электросети;

• проверить исправность проводов питания и отсутствие оголенных участков проводов;

• убедиться в наличии заземления системного блока, монитора и защитного экрана;

• отрегулировать освещение  на рабочем месте,

• убедиться в  отсутствии бликов на экране;

2 Теоретические сведения

Триггерами называют класс электронных устройств, обладающих способностью сколь угодно долго находиться в одном из двух устойчивых состояний.

В отличие от комбинационных логических схем (КЛС), триггеры – это логические устройства с памятью. Это свойство обеспечивается наличием в них обратных связей. Выходные сигналы триггеров в общем случае зависят не только от текущих входных сигналов, но и предыдущих состояний триггера, а значит, и от предыдущих входных сигналов.

Триггеры могут быть синхронными и асинхронными. В зависимости от алгоритма работы триггеры могут иметь информационные, установочные и управляющие (тактовые) входы. Установочные входы устанавливают состояние триггера независимо от состояния других входов. Управляющие входы (входы синхронизации) управляют записью данных, подающихся на информационные входы.

Рис. 1. Условное обозначение триггера

В общем виде триггер может содержать следующие входы и выходы:

Триггер имеет два выхода: прямой, обозначаемый Q и инверсный, обозначаемый как . Состояние триггера определяется по прямому выходу. Триггер находится в состоянии «1» если на прямом выходе уровень логической единицы и в состоянии «0» если на прямом выходе уровень логического нуля. Состояние выходов всегда противоположно: (Q=1 =0) и (Q=0 =1). Запрещенной комбинацией является Q = . В этом случае состояние триггера не определено.

В зависимости от свойств, числа и назначения входов триггеры делят на следующие виды:

1. RS-триггеры с раздельной установкой в 1 и 0.

2. D-триггеры (другие названия - триггер задержки, триггер данных)

3. Универсальные JK-триггеры

4 Т-триггеры (счетные триггеры)

При наличии входа С триггер называют синхронным, а при его отсутствии – асинхронным. Изменение состояния асинхронного триггера происходит сразу же после соответствующего изменения потенциалов на его информационных входах. В синхронном триггере изменение состояния может произойти только в присутствии соответствующего сигнала на входе С. Вход синхронизации может быть импульсным или потенциальным. В первом случае воздействие информационных входов проявляется только в момент изменения потенциала на входе С, т.е. при переходе его от 1 к 0 или от 0 к 1. Во втором случае воздействие информационных входов проявляется все время действия на входе С разрешающего (активного) потенциала.

RS-триггер – это один из простейших автоматов с памятью, который может находиться в одном из двух устойчивых состояний (0 или 1). Он имеет два установочных входа: S (Set – установить в 1) и R (Reset – сбросить в 0). Если подать на оба установочных входа нули, то триггер хранит предыдущее состояние. Каждое состояние устойчиво и поддерживается за счет обратных связей. Подача на оба информационных входа единиц запрещена. RS-триггер обычно выполняется с парафазными выходами на элементах И-НЕ или ИЛИ-НЕ. RS-триггер может асинхронным или синхронным.

Триггер типа JK может быть выполнен только синхронным. Помимо информационных входов J и K он имеет тактирующий вход (или вход синхронизации) C. Также он может иметь асинхронхронные установочные входы R и S, которые имеют приоритет над входами J и K.

D-триггер также выполняется синхронным. Он имеет один информационный вход (D – Date), может иметь также асинхронные входы сброса в 0 и установки в 1.

3. Порядок выполнения работы

ЗАДАНИЕ 1. Исследование RS-триггера.

1 . Запустите программу Electronics Workbench.

2. Соберите схему по рис. 2. Включите схему.

3. Последовательно подайте на входы схемы следующие комбинации сигналов: 1) R=1, S=0; 2) R=0, S=0; 3) R=0, S=1; 4) R=0, S=0.

4. Для каждого перехода (изменения состояния или сохранения предыдущего) нарисуйте отдельный граф перехода.

5. По результату эксперимента заполните таблицу 1.

Рис.2. RS-триггер на элементах ИЛИ-НЕ

Таблица 1.

Переходы RS-триггера на элементах ИЛИ-НЕ

Q (t)	Q (t+1)	R	S
0		0	0
0		1	0
0		0	1
1		0	0
1		0	1
1		1	0

6. Соберите схему по рис. 3. Включите схему.

7 . Последовательно подайте на входы схемы следующие комбинации сигналов: 1) R=1, S=0; 2) R=1, S=1; 3) R=0, S=1; 4) R=1, S=1.

8. Для каждого перехода (изменения состояния или сохранения предыдущего) нарисуйте отдельный граф перехода.

9. По результату эксперимента заполните таблицу 2.

Рис.3. RS-триггер на элементах И-НЕ

Таблица 2.

Переходы RS-триггера на элементах И-НЕ

Q (t)	Q (t+1)	R	S
0		1	1
0		0	1
0		1	0
1		1	1
1		1	0
1		0	1

ЗАДАНИЕ 2. Исследование JK-триггера.

1 . Соберите схему по рис. 4. Включите схему.

2. Подавая различные сигналы на входы J, K, C, R, S, наблюдайте за состоянием выходов.

3. По результатам эксперимента заполните таблицу 3.

Рис. 4. Схема исследования синхронного JK-триггера

Таблица 3.

Назначение входов исследуемого JK-триггера

Вход	Назначение	Активный уровень (0, 1, задний/передний фронт)
J
K
C
R
S

4 . После заполнения таблицы установите S=R=0 и подавайте остальные входные сигналы по временной диаграмме, изображенной на рис. 5. Достройте временную диаграмму.

Рис. 5. Временная диаграмма исследования синхронного JK-триггера

ЗАДАНИЕ 3. Исследование D-триггера.

1. Соберите схему по рис. 6. Включите схему.

2. Подавая различные сигналы на входы D, C, R, S, наблюдайте за состоянием выходов.

3. Подавая входные сигналы по временной диаграмме на рис. 7, достройте временную диаграмму.

Рис. 6. Схема исследования синхронного D-триггера

Рис. 7. Временная диаграмма исследования

синхронного D-триггера

4 Контрольные вопросы

1. Что такое триггер? Какие типы триггеров вам известны?

2. Нарисуйте схему RS-триггера на транзисторах, поясните принцип ее работы.

3. Нарисуйте схему асинхронного RS-триггера на логических элементах. Поясните принцип его работы.

4. Нарисуйте таблицу состояний асинхронного RS-триггера.

5. Нарисуйте схему синхронного RS-триггера на логических элементах. Поясните принцип его работы.

6. Нарисуйте схему D-триггера на логических элементах. Поясните принцип его работы.

7. В чем различие между синхронными и асинхронными триггерами?

8. Объясните работу двухступенчатых триггеров.

9. Как построить Т -триггер на основе RS- , D - , JK -триггеров?

10. Какие вы знаете области применения триггеров?

5. Содержание отчета

1.Тема работы.

2.Цель работы.

3. Приборы и элементы.

4. Ход работы: скриншоты (рисунки) собранных схем и выполненных заданий, заполненные таблицы 1,2,3

5. Ответы на контрольные вопросы.

6. Выводы

6. Защита лабораторной работы

1. Дать пояснения к проведенному эксперименту

2. Дать анализ полученным результатам

3. Ответить на контрольные вопросы

Лабораторная работа №10. Тема: Изучение схемы и работы счётчиков.

Цель работы: изучение принципов построения синхронных счетчиков

Приборы и элементы: двухвходовые логические элементы, RS-, JK- и D-триггеры; двухпозиционные переключатели, логические пробники, семисегментные индикаторы; источник сигнала «5 В», источник сигнала «0 В».

План

1 Инструктаж по технике безопасности

2 Теоретические сведения

3 Порядок выполнения работы

4. Контрольные вопросы

5. Содержание отчета

6. Защита выполненной работы

ХОД РАБОТЫ

1 Инструктаж по технике безопасности

• проверить  правильность подключения оборудования к электросети;

• проверить исправность проводов питания и отсутствие оголенных участков проводов;

• убедиться в наличии заземления системного блока, монитора и защитного экрана;

• отрегулировать освещение  на рабочем месте,

• убедиться в  отсутствии бликов на экране;

2 Теоретические сведения

Р егистры и счетчики относятся к разряду цифровых устройств и являются одним из наиболее распространенных элементов вычислительной техники. Они широко используются для построения устройств ввода, вывода и хранения информации, а также для выполнения некоторых арифметических и логических операций.

Для построения счетчиков и регистров используются синхронные триггеры, переключение которых происходит только при наличии синхронизирующего сигнала ( синхроимпульса ) на входе С. Наиболее часто для построения регистров и счетчиков используется универсальный Д - триггер, имеющий специальный информационный вход Д, и динамический вход С ( рис.1 ).

Устройство, называемое регистром, служит в основном для хранения чисел в двоичном коде при выполнении над ними различных арифметических и логических операций. С помощью регистров выполняются такие действия над числами, как передача их из одного устройства в другое, арифметический и логический сдвиг в сторону младших или старших разрядов, преобразование кода из последовательного в параллельный и наоборот и т.д. Функциональная схема и условно - графическое обозначение регистра параллельного типа, собранного на универсальных Д-триггерах, приведена на рис.2 .

П о сигналу на входе С информация, поступившая на входы DОDЗ, записывается в регистр и хранится в нем до тех пор, пока не произойдет запись другой информации, либо не поступит сигнал на вход R, обнуляющий регистр.

Функциональная схема и условно-графическое обозначение регистра сдвига представлены на рис.З.

Последовательный информационный код поступит на вход D регистра. Импульс команды сдвига С подается одновременно на синхронизирующие входы всех триггеров регистра и переводит каждый триггер в состояние, в котором находился триггер предыдущего разряда. Таким образом, каждый импульс команды сдвига "продвигает" записываемое число на один разряд вправо.

У стройство, называемое счетчиком, предназначено для подсчета числа поступающих на вход сигналов ( импульсов ) в произвольной системе счисления. Двоичные счетчики строятся на основе триггеров, работающих в счетном режиме ( Т - триггер или счетный триггер).

Счетный триггер может быть получен из универсального D - триггера путем соединения его инверсного выхода 0 со входом D.

Счетный триггер и эпюры сигналов, поясняющие его работу, представлены на рис.4.

У счетного триггера состояние выхода изменяется на противоположное при поступлении на вход С каждого очередного счетного импульса.

Функциональная схема и условнографическое обозначение двоичного счетчика с коэффициентом пересчета 2³ представлена на рис.5.

Каждый поступающий на вход счетчика импульс перебрасывает первый триггер в противоположное состояние (рис.6). Сигнал с инверсного выхода предыдущего триггера является входным сигналом для последующего и, таким образом, комбинация сигналов на выходах Q₁, Q₂, Q₃ будет соответствовать числу поступивших на вход счетчика импульсов, представленному в двоичном коде. Счетчик данного типа называется асинхронным счетчиком.

Если на счетный вход каждого последующего триггера счетчика подавать сигнал с прямого выхода предыдущего триггера, то счетчик будет производить операцию вычитания. Счетчики, способные выполнять функции сложения и вычитания, называются реверсивными.

Д ля построения счетчика с требуемым коэффициентом пересчета М, отличным от величины 2^N (N - число двоичных разрядов счетчика), используется принудительный сброс счетчика в исходное состояние при достижении счетчиком числа М. Пример такого счетчика с М=9 (М=1001₂) представлен на рис.7.

3. Порядок выполнения работы

ЗАДАНИЕ 1.

Исследование асинхронного суммирующего счетчика на D-триггерах.

1. Соберите схему приведенную на рис. 8. Включите схему.

2. Подавайте на вход схемы тактовые импульсы при помощи ключа [С].

3. Наблюдая за состоянием логических пробников, составьте временные диаграммы работы счетчика и таблицу состояний.

Рис. 8. Асинхронный суммирующий счетчик на D-триггерах

4. Определите модуль счета счетчика. Определите соответствие между кодами, образуемыми на прямых и инверсных выходах счетчика.

5. С помощью осциллографа определите время установления кода в счетчике. Время установления определять по моменту переключения последнего триггера.

ЗАДАНИЕ 2.

Исследование синхронного суммирующего счетчика на JK-триггерах.

1. Соберите схему приведенную на рис. 9. Включите схему.

2. Зарисуйте временные диаграммы работы счетчика. Определите направление смены кодов на прямых выходах счетчика и Кс.

3. Входы логического анализатора подключите к инверсным входам триггеров. Включите схему. Зарисуйте временные диаграммы работы счетчика. Определите направление смены кодов на инверсных выходах счетчика и Кс. Составьте таблицу состояний.

4. С помощью осциллографа определите время установления кода в счетчике.

 Рис. 9. Синхронный суммирующий счетчик на JK -триггерах

ЗАДАНИЕ 3.

Исследование вычитающего счетчика на D–триггерах.

1. Соберите схему приведенную на рис. 10. Включите схему.

2. Зарисуйте временные диаграммы работы счетчика. Определите направле-ние смены кодов на прямых выходах счетчика. Составьте таблицу состояний.

3 . Входы логического анализатора подключите к инверсным входам триггеров. Включите схему. Зарисуйте временные диаграммы работы счетчика. Определите направле-ние смены кодов на инверсных выходах счетчика. Составьте таблицу состояний.

Рис. 10. Вычитающий счетчик на D-триггерах

ЗАДАНИЕ 4.

Исследование вычитающего счетчика на JK–триггерах.

1. Соберите схему приведенную на рис. 11. Включите схему.

2. Зарисуйте временные диаграммы работы счетчика. Определите направление смены кодов на прямых выходах счетчика и Кс. Составьте таблицу состояний.

3. Входы логического анализатора подключите к инверсным входам триггеров. Включите схему. Зарисуйте временные диаграммы работы счетчика. Определите направление смены кодов на инверсных выходах счетчика. Составьте таблицу состояний.

 Рис. 11. Вычитающий счетчик на JK -триггерах

ЗАДАНИЕ 5.

Исследование кольцевого счетчика.

1. Соберите схему, приведенную на рис.12. Включите схему.

2. С помощью переключателя [R] установите счетчик в исходное состояние.

3. С помощью переключателя [С] изменяйте состояние счетчика.

4. Составьте таблицу состояний счетчика. Определите модуль счета.

 

Рис. 12. Кольцевой счетчик на D-триггерах

ЗАДАНИЕ 6.

Исследование асинхронного двоично-десятичного счетчика

1. Соберите схему, приведенную на рис.13. Включите схему.

2. С помощью переключателя [R] установите счетчик в исходное состояние.

3. С помощью переключателя [С] изменяйте состояние счетчика.

4. Составьте таблицу состояний счетчика и временные диаграммы его работы. Определите модуль счета.

Рис. 13. Асинхронный двоично-десятичный счетчик на JK -триггерах

4 Контрольные вопросы

1. Что такое счетчик? Какие типы счетчиков вам известны?

2. По каким признакам можно провести классификацию счетчиков?

3. Сравните быстродействие синхронного и асинхронного счетчиков.

4. Какие способы задания модуля счета счетчиков существуют?

5. Чему равен модуль счета декадного счетчика?

6. Как осуществляется предварительная установка счетчиков?

7. Сколько триггеров должен содержать счетчик с модулем счета Кс = {3, 5, 7}

8. Какие вы знаете области применения триггеров?

5. Содержание отчета

1.Тема работы.

2.Цель работы.

3. Приборы и элементы.

4. Ход работы: скриншоты (рисунки) собранных схем и выполненных заданий, таблицы состояний счетчиков, временные диаграммы

5. Ответы на контрольные вопросы.

6. Выводы

6. Защита лабораторной работы

1. Дать пояснения к проведенному эксперименту

2. Дать анализ полученным результатам

3. Ответить на контрольные вопросы

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Основная литература:

1. Миловзоров, О. В. Основы электроники : учебник для СПО / О. В. Миловзоров, И. Г. Панков. — 5-е изд., перераб. и доп. — М. : Издательство Юрайт, 2016. — 407 с. — Серия : Профессиональное образование.

2. Гусев В.Г. Электроника и микропроцессорная техника : учебник / В.Г. Гусев, Ю.М. Гусев. — 6-е изд., стер. — М. : КНОРУС, 2016. — 798 с. — (Бакалавриат).

3. Соколов С. В., Титов Е. В. Электроника: Учебное пособие для вузов / Под ред. С. В. Соколова. – М.: Горячая линия – Телеком, 2013. – 204 с.

4. Марченко А. Л. Основы электроники. Учебное пособие для вузов / А. Л. Марченко. — М. : ДМК Пресс, 2008. — 296 с.,

5. Бабич Н. П., Жуков И. А. Компьютерная схемотехника. – К.: МК-Пресс, 2004. – 576с.

6. Вoдовозов. А.М . Основы электроники. Учебное пособие/ А.М_Водовозов. - М. : Инфра·Инженерия, 2016.- 130 с.

7. Бурбаева Н.В., Днепровская Т.С. Основы полупроводниковой электроники. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2012. З12 с.

Дополнительная литература:

1. Жеребцов И. П. Основы электроники. — 5-е изд., перераб. и доп.— Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1989. —352 с: ил.

2. Терехов В. А. Задачник по электронным приборам: Учебное пособие. — 4-е изд., стер. — СПб.: Издательство «Лань», 2016. — 280 с.

3. Полещук В.И. Задачник по электронике: практикум для студ. учреждений сред. проф. образования / В. И. Полещук. - 2-е изд., испр. - М : Издательский центр «Академия», 2011. - 160 с.

4. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника.-СПб.:БХВ-Санкт-Петербург, 2000.-528с.

5. Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM PC. Том 1. Моделирование элементов аналоговых систем. – М.: СОЛОН-Пресс, 2006. – 672с.

6. Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM PC. Том 2. Моделирование элементов телекоммуникационных и цифровых систем. – М.: СОЛОН-Пресс, 2006. – 640с.

7. Гейтс Эрл Д. Введение в электронику. – Ростов-на Дону: «Феникс», 1998. – 640с.

8. Гершунский Б.С. Основы электроники и микроэлектроники. – К.: Выща шк., 1986. – 423с.

9. Буняк Андронік. Електротехніка та мікросхемотехніка. – Київ – Тернопіль: 2001. – 382с.

10. Терехов В. А. Задачник по электронным приборам. – СПб.: «Лань», 2003. – 280с.

11. Панфилов Д. И. и др. Электротехника и электроника в экспериментах и упражнениях: Практикум на Electronics Workbench. Т1.: Электротехника. – М.: ДОДЭКА, 1999. – 304с.

12. Панфилов Д. И. и др. Электротехника и электроника в экспериментах и упражнениях: Практикум на Electronics Workbench. Т2.: Электроника. – М.: ДОДЭКА, 2000. – 288с.

Приложение 1

ХАРАКТЕРИСТИКА ЛАБОРАТОРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Лабораторные работы выполняются на компьютере с использованием программы Electronics Workbench. Эта программа позволяет моделировать аналоговые и цифровые схемы, задавать различные режимы их работы.

Electronics Workbench

Electronics Workbench – многофункциональная программа, реализующая иммитационное моделирование при проектировании и разработке электронных схем.

Имитация - реалистическое воспроизведение моделью (программной) всех или части функций разрабатываемого цифрового устройства. Имитаторы позволяют моделировать и среду цифрового устройства, то есть различные режимы работы, различные электрические сигналы, подаваемые на проектируемое цифровое устройство.

Интерфейс Electronics Workbench

Интерфейс Electronics Workbench по своему построению очень похож на стандартный интерфейс Windows, Описать процесс вызова схемы из библиотеки.

Вывести схему на рабочее поле Electronics Workbench можно 2-мя способами:

- 1-й способ - вызов готовой схемы из библотеки. Делается это посредством команды Open из меню File. В результате выполнения этой команды появляется стандартная панель Widows см. рис.1.1.

Рис.1.1 Панель для вызова схем из библиотеки

Библиотека схем Samples находится в каталоге Wbnch. Она содержит файлы со схемами как в своём корневом каталоге, так и в двух подкаталогах Complex и Tutorial. Расширение файлов содержащих схемы - ca.4. Процедура вызова стандартная для Windows - “мышью” выбрать файл и кликнуть на OK.

- 2-й способ создание схемы вручную посредством встроенного графического редактора. Этот способ начинается с выбора команды New из меню File. После этой команды рабочее поле очищается и можно приступать к созданию схемы.

Вынос элементов схемы и измерительных приборов:

- навести стрелку на прибор или элемент;

- нажать левую кнопку “мыши” и удерживая её переместить объект на рабочее поле(выделение снимается нажатием правой кнопки “мыши”.

Соединения между элементами на рабочем поле выполняются следующим образом:

- установить стрелку на окончание нужного вам вывода элемента:

- нажать левую кнопку “мыши”(на окончании выбранного вывода должна появится крупная чёрная точка) и удерживая её двигать стрелку по направлению к предназначенному для соединения другому выводу(при этом за стрелкой будет тянуться линия);

- навести стрелку на нужный вывод, при этом на нём появится чёрная точка(это означает что соединение установлено) и отпустить кнопку “мыши” на рабочем поле должно появится соединение.

Само соединение можно подкорректировать - навести стрелку на линию соединения нажать левую кнопку “мыши” и удерживая её перемещать линию в нужном направлении.

Точная корректировка элементов, приборов и узлов на рабочем поле:

- навести стрелку на объект;

- нажатием правой кнопки “мыши” выделить его;

- корректировать положение клавишами управления курсором.

Верхняя строка экрана Electronics Workbench:

Меню File:

New	- создать новый файл, файл для создания, описания и моделирования новой схемы;
Open	- открыть уже созданный файл (созданный в Electronics Workbench);
Save	- сохранить текущий (открытый) файл с текущим именем в текущую директорию;
Save as	- сохранить текущий файл предварительно введя имя и путь для сохранения;
Revert to saved	- вернуться к сохранённому файлу;
Print	- распечатать текущую схему, причём после выбора этого пункта меню предоставляется возможность выбора, что именно нужно распечатать: схемные параметры- схемотехника, описание схемы, листинг составляющих схемы, листинг моделей и т.д., инструментарий- мультиметр, функциональный генератор, осциллограф и т.д.;
Print Setup	- доступ к установке принтеров (через Windows Setup для принтеров);
Exit	- выход из Electronics Workbench;
Import from SPICE	- импортировать из SPICE какую-либо схему, причём импортируемая схема сразу же конвертируется из формата SPICE (описания) в графический вид и выводится на экран;
Export to SPICE	- отправить в SPICE текущую схему, причём она сразу же конвертируется в формат SPICE;
Export to PCB	- отправить в PCB текущую схему;

Меню Edit:

Cut	- вырезать выделенные компоненты, затем их можно вставить в любую схему в пределах среды Electronics Workbench (см. команда Paste) выделениепроизводится следующим образом - сначала стрелка(указатель положения курсора) устанавливается в выбранное место на схеме, затем следует нажать левую клавишу “мыши” и удерживая её растянуть появившуюся рамку на компоненты схемы которые нужно выделить, после отпустить клавишу, выделенные компоненты будут окрашены в красный цвет; ещё один способ выделения отдельных компонентов схемы состоит в следующем: навести стрелку на тот компонент, который хотите выделить и нажать на правую кнопку “мыши” - таким образом можно выделять или убирать выделение с отдельных компонентов не нарушая выделение других;
Copy	- копировать выделенные компоненты схемы;
Paste	- вставить, эта команда становится доступной только после выполнения команд Cut или Copy; после выбора этой команды копируемый или вырезанный компонент или фрагмент схемы всегда появляются в центре видимой части рабочего поля;
Delete	- удалить выделенный элемент или фрагмент схемы;
Select All	- выбрать всё, эта команда позволяет выбрать сразу всю схему;
Copybits	- копирование в буфер обмена Windows; используется для переноса эл. схем, результатов исследований, осциллограмм и т.д. в другие приложения Windows (например в Word); после выбора этой команды на рабочем поле Electronics Workbench вместо стрелки появится крестик, его нужно установить в выбранное место рабочего поля затем нажать левую кнопку “мыши” и растянуть рамку на ту часть рабочего поля, которая предназначена для копирования после отпускания кнопки “мыши” выбранное изображение рабочего поля будет записано в буфер обмена; вставка в другом приложении производится командой Вставить(Paste)
Show Clipboard	- просмотр содержимого буфера обмена;

Меню Circuit:

Activate	- активация находящейся на рабочем поле схемы(начать процесс моделирования); эта команда аналогична нажатию посредством “мыши” виртуального выключателя в правом верхнем углу рабочего поля Electronics Workbench;
Stop	- полная остановка процесса моделирования; аналогична выключению виртуального выключателя “мышью”;
Pause	- временная остановка процесса моделирования с сохранением всех промежуточных результатов, т.е. после повторного нажатия Pause процесс моделирования продолжается точно с точки прерывания;
Label	- установить (изменить) обозначение выбранного элемента; команда становится доступной лишь после того, как на схеме выбран элемент;
Value	- установить (изменить) номинал выбранного элемента схемы;
Model	- присвоить выбранному элементу схемы параметры реально существующего элемента или идеального; после выбора этой команды появляется меню, где можно выбрать из базы данных Electronics Workbench тип элемента с последующей возможностью редактирования его параметров;
Zoom	- устанавливает количество входов элемента или в некоторых случаях действует аналогично команде Model;
Rotate	- поворачивает выбранный элемент на 90 градусов по часовой стрелке;
Fault	- устанавливает неисправность выбранного элемента можно задать: утечку, короткое замыкание и обрыв;
Subcircuit	- объединяет выделенные элементы схемы в подсхему и помещает её(полученную подсхему) под выбранным именем в окно Custom;
Wire color	- задаёт цвет выделенного провода; выделение провода: навести стрелку на нужный провод и один раз нажать левую кнопку “мыши”;
Preferences	- устанавливает параметры изображения схемы: сетка рабочего поля, условное обозначение элементов, названия моделей элементов, номинал элементов;
Analysis options	- устанавливает опции анализа схемы: переходные процессы или установившийся режим, симуляция активных компонентов, режим изображения экрана осциллографа, погрешность моделирования, частота временных точек, где происходит моделирование на цикл моделирования, частота точек боде анализа(ФАПЧХ) на цикл моделирования, размер временного файла для моделирования;

Меню Window:

Arrange	- устанавливает стандартный вид экрана Electronics Workbench;
Circuit	- устанавливает режим изображения схемы;
Description	- открывает окно для примечаний к текущей схеме;
Custom (Subcircuit)	- окно библиотеки клиентских схем(подсхем), если в процессе работы они не были туда внесены, то оно пусто;
Passive	- окно библиотеки пассивных элементов;
Active	- окно библиотеки активных элементов;
Field Effect Transistors	- окно библиотеки полевых транзисторов;
Control	- окно библиотеки управляемых элементов схемы(ключи, реле, управляемые источники тока, напряжения и т.д.)
Hybrid	- окно библиотеки гибридных(аналого-цифровых) компонентов;
Indicators	- окно библиотеки индикаторных приборов;
Gates	- окно библиотеки цифровых компонентов схем;
Combinational	- окно библиотеки арифметических компонентов и преобразователей кодов;
Sequential	- окно библиотеки триггеров, счётчиков и сдвиговых регистров;
Integrated Circuit	- окно библиотеки реальных серий ИС.

К сожалению в Electronics Workbench изображение элементов схем выполнено в соответствии с требованиями американского стандарта milspec (здесь ANSI) и европейского стандарта МЭК 117-15 (DIN). Стандарт изображения элементов схем выбирается при инсталляции Electronics Workbench. Европейский стандарт по своему изображению элементов находится гораздо ближе к российскому, поэтому при инсталляции пакета рекомендуется выбирать именно его.

Панель универсальных измерительных приборов:

- мультиметр;

- функциональный генератор;

- осциллограф;

- боде плоттер(измеритель ФАПЧХ);

- генератор слов;

- логический анализатор;

- логический конвертор.

Следующая строка панелей является лишь повторением нижних 11-ти строк меню Window, выведенных отдельно ввиду их частого использования.

Свойства и параметры измерительной аппаратуры, используемой в работе

Генератор слов.

Рис.1.2 Внешний вид панели управления генератора слов.

Генератор слов используется для посылки последовательностей битов в схемы. Его левая часть содержит(см. рис.1.2) 16 рядов(слов) по 8 бит каждый. Когда генератор активирован слова одно за другим посылаются в схему. Кроме этого устройство имеет выход внутреннего генератора временных импульсов используемого для синхронизации.

Управление генератором слов:

1) Ввод слов.

Для ввода последовательности битов в генератор слов, следует навести стрелку на нужный бит и нажать левую кнопку “мыши”, выбранный бит окажется в режиме выделения - можно вводить 1 или 0. Выбрав однажды точку для введения 0 или 1 вы сможете перемещаться по полю слов при помощи клавиш управления курсором.

2) Активация.

В верхней правой части панели управления генератора слов во второй строке находятся три кнопки(панельки) управления.

- Step - после активации(навести стрелку и нажать левую кнопку “мыши”) в схему будет заслано выделенное в данный момент слово;

- Burst - активация этой панельки вызовет пересылку всех 16 слов друг за другом, причём старт будет произведён с выделенного слова;

- Cycle - посылка непрерывной последовательности слов(останов CTRL+T или “нажать” стрелкой виртуальный выключатель в верхнем правом углу над рабочим полем Electronics Workbench.

Значения битов каждого текущего слова индицируются в окошках внизу панели управления генератора слов.

3) Сохранение, загрузка и очистка последовательностей слов.

Для очистки сохранения и загрузки последовательностей слов используются кнопки вверху справа в первом ряду панели управления генератора слов Save, Load и Clear соответственно. После выбора Save или Load на экране появляется стандартное диалоговое окно Windows используемое для сохранения или загрузки. Файлы последовательностей слов имеют расширение DP.

4) Временные импульсы.

Внутренний генератор временных импульсов имеет выход обозначенный на панели управления Clk. Каждый временной цикл содержит два уровня сначала идёт 1 затем 0.

5) Синхронизация (обозн. на панели Trigger).

Генератор слов может быть синхронизирован как изнутри своими временными импульсами так и снаружи, сигналами поступающими на вход внешней синхронизации(вывод справа на панели управления). Если используется внешняя синхронизация, генератор слов пересылает каждое слово с приходом снаружи высокого или низкого, в зависимости от выбранного режима, сигнала:

- срабатывает по высокому уровню;

- срабатывает по низкому уровню.

6) Частота.

Частоту внутреннего временного генератора можно изменять в окошках под надписью Frequency. Менять можно как порядок Mhz, Khz, Hz, так и цифры.

Логический конвертор является мощным компьютерным прибором способным проводить несколько трансформаций схемных представлений.

Вы можете использовать его для преобразования:

- схемы в таблицу истинности ;

- таблицу истинности в выражение булевой логики;

- выражение булевой логики в схему или таблицу истинности с промежуточной минимизацией.

Логический(цифровой) конвертор.

Рис.1.3 Внешний вид панели управления логического(цифрового конвертора).

Управление логическим конвертором.

В правой части панели управления логического конвертора (см.рис.1.3) расположены конверсионные кнопки, которые можно использовать для выполнения следующих операций:

1) Конвертирование схемы в таблицу истинности.

Логический конвертор может создавать таблицу истинности для схемы с не более чем 8-ю входами и одним выходом. Для этого следует выполнить следующие действия:

- подсоединить схемные входы к выводам в верхней части панели управления логического конвертора (следует использовать левые 8 выводов). Затем подсоединить схемный выход к правому выводу в верхней части панели управления;

- Чтобы получить таблицу истинности на дисплее панели управления, расположенном слева от кнопок, следует “нажать” стрелкой(навести стрелку и нажать левую кнопку “мыши”) виртуальную кнопку:

Далее можно редактировать или конвертировать таблицу истинности в другие формы используя остальные кнопки логического конвертора.

2) Ввод таблицы истинности.

Для создания таблицы истинности следует стрелкой и нажатием левой кнопки “мыши” выбрать желаемые вводы(каналы) логического конвертора от A до H, расположенные над дисплеем. Затем в столбце OUT присвоить желаемым разрядам 1, 0 или X тем же способом, что и побитный ввод слов в генераторе слов.

3) Конвертирование таблицы истинности в выражение булевой логики.

Чтобы конвертировать таблицу истинности, имеющуюся на дисплее логического конвертора, в выражение булевой логики следует “нажать” стрелкой на кнопку:

Булево выражение появится внизу в окошке под дисплеем и кнопками. Его можно затем упростить(см. 4)Упрощение булева выражения) или конвертировать в схему (см. 6)Конвертация булева выражения в схему).

4) Упрощение(минимизация) булева выражения. Конвертирование таблицы истинности в минимизированное булево выражение.

Чтобы минимизировать имеющееся в окошке под дисплеем и кнопками булево выражение или перевести, расположенную на дисплее панели управления, таблицу истинности в минимизированное булево выражение следует “нажать” стрелкой кнопку:

Electronics Workbench использует метод Квайна-Мак Класки для минимизации булевых выражений. Этот способ обеспечивает упрощение для систем с большим числом входов, чем может быть расчитано вручную с помощью карт Карно.

Примечание: Упрощение требует много памяти(ОЗУ). Если ваш компьютер не имеет достаточно памяти, эта операция не будет вам доступна.

5) Конвертация булева выражения в таблицу истинности.

Булево выражение можно напрямую ввести в окошко предназначенное для него. Т.е. с помощью “мыши” установить туда курсор и набрать выражение с клавиатуры(доступны будут лишь те клавиши, которые имеют смысл в этом выражении), либо получить с помощью предыдущих операций.

Для конвертации булева выражения в таблицу истинности следует “нажать” стрелкой на кнопку:

Если вы хотите минимизировать булево выражение его следует сначала перевести в таблицу истинности.

6) Конвертация булева выражения в схему.

Чтобы выполнить эту операцию(при имеющемся в окошке панели управления булевом выражении) следует “нажать” стрелкой на кнопку:

Схема реализованная на логических ключах появится на рабочем столе Electronics Workbench. Компоненты будут в режиме выделения, поэтому их при необходимости можно будет легко перенести в другое место копированием(Copy), вставкой(Paste) или вставкой в подсхему(Subcircuit), (см. соответствующие команды Copy, Paste и Subcircuit).

Для построения схемы в этом случае будет использован базис: И, ИЛИ, НЕ. Если же требуется построить схему в базисе только И-НЕ см.ниже.

7) Конвертация булева выражения в схему в базисе И-НЕ.

Для выполнения этой операции (при имеющемся в окошке булевом выражении) следует “нажать” стрелкой кнопку:

93