Файл: Липецкий государственный технический университет.pdf

15
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
"ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"
Кафедра автоматизированных систем управления
О. В. БОЛДЫРИХИН
От RLC-цепочек к программируемым интегральным схемам
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к лабораторным работам по дисциплине "Основы электроники и схемотехники"
Липецк
Липецкий государственный технический университет
2023

УДК 681.3.06(07)
Б791
Рецензент: канд. техн. наук, доцент Назаркин О. А.
Болдырихин, О. В.
Б791 От RLC-цепочек к программируемым интегральным схемам [Текст]: ме- тодические указания к лабораторным работам по дисциплине "Основы электроники и схемотехники" / О. В. Болдырихин. - Липецк : Изд-во Ли- пецкого государственного технического университета, 2023. - 32 с.
Методические указания соответствуют программе дисциплины "Основы электроники и схемотехники", которая является подготовитель- ной для изучения дисциплин: "Архитектура вычислительных систем",
"Основы теории управления", "Микропроцессорные системы". Поэтому рассмотрение материала в целом ориентировано на схемотехнику ЭВМ,
а в некоторых частях – на теорию управления.
Предназначены для студентов направлений "Математическое обес- печение и администрирование информационных систем", "Информатика и вычислительная техника", "Программная инженерия", а также родственных направлений и специальностей.
Таблица 2. Ил. 8. Библиогр.: 12 назв.
© ФГБОУ ВПО "Липецкий государственный техни- ческий университет",
2023 2

Содержание
Пояснения к циклу работ в целом..............................................................................4
Лабораторная работа № 1. Базовые электронные элементы. RLC-цепочки..........6
Цель работы и рассматриваемые вопросы............................................................6
Порядок выполнения работы.................................................................................6
Содержание отчета................................................................................................12
Контрольные вопросы...........................................................................................13
Контрольные задания............................................................................................14
Лабораторная работа № 2. Полупроводниковые элементы...................................15
Цель работы и рассматриваемые вопросы..........................................................15
Порядок выполнения работы...............................................................................15
Содержание отчета................................................................................................20
Контрольные вопросы...........................................................................................21
Контрольные задания............................................................................................22
Лабораторная работа № 3. Комбинационные интегральные схемы.....................23
Цель работы и рассматриваемые вопросы..........................................................23
Порядок выполнения работы...............................................................................23
Содержание отчета................................................................................................25
Контрольные вопросы...........................................................................................26
Контрольные задания............................................................................................26
Лабораторная работа № 4. Последовательностные интегральные схемы...........27
Цель работы и рассматриваемые вопросы..........................................................27
Порядок выполнения работы...............................................................................27
Содержание отчета................................................................................................32
Контрольные вопросы...........................................................................................33
Контрольные задания............................................................................................33
Библиографический список......................................................................................35 3

Пояснения к циклу работ в целом
В данном цикле лабораторных работ центральным является понятие элек- тронного элемента. Основой для выделения самих работ служат следующие важнейшие классификационные деления в электронике:
 аналоговая электроника – цифровая электроника;
 дискретные электронные элементы – интегральные схемы;
 линейные элементы – нелинейные элементы;
 комбинационная логика – последовательностная логика.
Первые две лабораторные работы – аналоговая электроника, дискретные электронные элементы: линейные (первая работа), нелинейные (вторая работа).
Последние две – цифровая электроника, интегральные схемы: комбинационные
(третья работа) и последовательностные (четвертая работа). При этом все рабо- ты органично связаны между собой не только сквозным понятием электронного элемента в его развитии, но и акцентируемыми точками соприкосновения вы- шеперечисленных классификационных делений. В трех последних лаборатор- ных работах присутствуют элементы как анализа, так и синтеза.
В первой лабораторной работе на основе принятой в настоящее время концепции электромагнитного поля вводятся понятия базовых электронных эле- ментов: резистора, конденсатора и катушки индуктивности. На примере RC- и
RLC-цепочек рассматриваются понятия напряжения, силы тока, сопротивления,
емкости, индуктивности, а также производных параметров: постоянных време- ни, собственной частоты, затухания. Для этого процессы, происходящие в RC- и
RLC-цепочках, изучаются экспериментально и теоретически на основе их моде- лей в виде дифференциальных уравнений.
Во второй работе изучаются основные полупроводниковые элементы:
диоды и транзисторы. Развивается понятие сопротивления, рассмотренное в первой работе. Вводятся и рассматриваются понятия статического сопротивле- ния, динамического сопротивления и отрицательного сопротивления. Вводится
4

и развивается понятие вольтамперной характеристики. Изучаются основные ре- жимы работы транзистора: линейный – ретроспектива к линейным элементам,
насыщения и отсечки – мостик от аналоговой электроники к цифровой. Кроме того, рассматриваются еще две точки соприкосновения – из транзисторов созда- ются и изучаются логические элементы (мостик к комбинационной логике) и триггер (мостик к последовательностной логике).
В третьей лабораторной работе изучаются основные типы комбинацион- ных интегральных схем: логические элементы, шифраторы-дешифраторы,
мультиплексоры-демультиплексоры. Рассматривается сущность механизма де- шифрации адреса. Сложные комбинационные схемы создаются из самых про- стых элементов – логических – в различных логических базисах. Проводится мостик от комбинационных элементов к последовательностным – из логиче- ских элементов создается триггер.
В четвертой работе изучаются основные типы последовательностных ин- тегральных схем: триггеры, счетчики, регистры, микросхемы памяти и програм- мируемые микросхемы. В полном виде рассматривается механизм дешифрации адреса.
Теоретической информацией к лабораторным работам служат соответ- ствующие разделы лекций, которые идут в той же последовательности.
Для выполнения лабораторных работ используется демонстрационная версия популярного программного продукта для разработки и моделирования электронных устройств Labcenter Electronics Proteus 8 Demonstration.
5

Лабораторная работа № 1. Базовые электронные элементы. RLC-
цепочки
Цель работы и рассматриваемые вопросы
Цель работы – изучение основных понятий электроники и схемотехники,
свойств базовых элементов электрических цепей, исследование процессов, про- текающих в RC- и RLC-цепочках, на основе сопоставления экспериментальных данных и результатов расчета по моделям в виде систем дифференциальных уравнений.
Рассматриваемые вопросы:
1. Электромагнитное поле. Электрическая и магнитная составляющие.
2. Электрический заряд и электрический ток.
3. Напряжение и сила тока.
4. Резистор, конденсатор и катушка индуктивности. Сопротивление, емкость,
индуктивность. Законы коммутации.
5. Электронные элементы и электронные устройства.
6. Принципиальная электрическая схема.
7. Ветви, узлы и контуры электрической цепи. Правила Кирхгофа.
8. Модели RC- и RLC-цепочек в виде дифференциальных уравнений.
9. Собственное и полное решение уравнения RC-цепочки. Процессы в RC- цепочках.
10. Собственное решение уравнения RLC-цепочки. Процессы в RLC-цепочках.
Порядок выполнения работы
Первая лабораторная работа состоит в изучении базовых понятий элек- троники и схемотехники при исследовании процессов в RC- и RLC-цепочках.
Лабораторная работа включает четыре задания. Каждое задание имеет два об- щих признака: цепочка – RC или RLC, постоянная времени – большая (медлен- ные процессы) или малая (быстрые процессы) (таблица 1).
6

Таблица 1 – Задания, их общие и частные признаки
№
Общие признаки
Частные признаки
Цепочка Ограничение на постоянную
Значение постоянной Исследуемая величина
(одна из множества по варианту)
1
RC
RC ≥ 10
RC=10+(N-1)
U
R
, U
C
, I
2
RC
RC ≤ 0,01
RC=0,01-((N-1)/10000) U
R
, U
C
3
RLC
LC ≥ 10
LC=10+(N-1)
U
R
, U
C
, U
L
, I
4
RLC
LC ≈ 0,0001
≈ 0,0001
U
R
, U
C
, U
L
Здесь N – номер студента в списке курса (потока), значения постоянных даны в единицах СИ.
Частные признаки (признаки формирования вариантов) – исследуемая ве- личина и конкретное значение постоянной (см. таблица 1).
В каждом задании проводится экспериментальное (измерение) и теорети- ческое (расчет) исследование процесса изменения заданной по варианту ве- личины в цепочке. В заданиях 1 и 3 измерение производится с помощью вольт- метра и амперметра, в заданиях 2 и 4 – с помощью осциллографа. Результаты исследования в первых трех заданиях оформляются в виде таблицы (таблица 2)
и графиков (в задании 2 экспериментальный график – осциллограмма).
Таблица 2 – Формат таблицы для заданий 1-3
№ Время от начала процесса t,
с
Напряже- ние на ре- зисторе расчетное
U
Rр
, В
Напряже- ние на ре- зисторе из- меренное
U
Rи
, В
Абсолют- ная по- грешность измерения
U
R
, В
Относи- тельная погреш- ность из- мерения
U
R
/ U
Rр
Приведен- ная по- грешность измерения
U
R
/ U
Rmax
Примечание. Пример таблицы дан для вариантов, когда исследуемая ве- личина – напряжение на резисторе. Для других вариантов проводится расчет и измерение величины, заданной в них.
7

При построении графиков в табличных редакторах типа Excel нужно учесть следующее обстоятельство. При "ручном" проведении измерений в Pro- teus 8 Demonstration, т.е. когда кнопки запуска имитационного моделирования схемы и паузы нажимаются в произвольные моменты времени, величина интер- вала между этими моментами получается неодинаковой. В этом случае при по- строении графика нужно выбирать тип "точечная диаграмма". Диаграмма типа "график" предполагает одинаковую величину интервала между точками по го- ризонтальной оси. В Proteus можно задать постоянный шаг по времени в на- стройках: System\Set Animation Options\Single Step Time. И нажимать кнопку не "Run Simulation", а "шаг" (One animation frame).
В четвертом задании приводится график исследуемой величины в виде осциллограммы. По осциллограмме определяются амплитуда и частота затуха- ющих колебаний исследуемой величины и осуществляется их сравнение с рас- четными значениями.
Задание 1. Теоретическое и экспериментальное исследование
процессов в RC-цепочках с большой постоянной времени
Создать схему RC-цепочки (RC ≥ 10 c) с источником постоянного напря- жения, в которой конденсатор вначале заряжается от источника через резистор,
а потом разряжается через него (рисунок 1).
8

Рисунок 1 – Схема RC-цепочки с большой постоянной времени
Исследовать работу схемы с помощью вольтметра и амперметра для двух процессов: заряда конденсатора (рисунок 2) и разряда конденсатора.
Рисунок 2 – Анимация процессов в RC-цепочке при заряде конденсатора
9

Для каждого из этих процессов заполнить таблицу (см. таблицу 2) и по- строить графики полученных зависимостей. В каждом процессе за начальный момент времени необходимо принять момент замыкания переключателя в соот- ветствующее положение. Составить уравнение схемы относительно заданной исследуемой величины и решить его. Процессу заряда конденсатора соответ- ствует полное решение уравнения (в цепи присутствует источник ЭДС), началь- ные условия определяются в предположении, что конденсатор разряжен. Про- цессу разряда конденсатора соответствует собственное решение уравнения (в цепи отсутствует источник ЭДС), начальные условия определяются в предполо- жении, что конденсатор заряжен.
Задание 2. Теоретическое и экспериментальное исследование
процессов в RC-цепочках с малой постоянной времени
Создать схему RC-цепочки (RC≤0,01c) с генератором прямоугольных им- пульсов скважностью 0,5 (половина периода – положительная фаза импульса,
половина – нулевая), в которой конденсатор заряжается в первом полупериоде и разряжается во втором (рисунок 3).
Рисунок 3 – Схема RC-цепочки с малой постоянной времени
Частоту импульсов подобрать так, чтобы произведение RC составляло примерно одну десятую часть периода импульсов. Исследовать работу схемы с
10

помощью осциллографа. Составить и решить уравнение схемы относительно заданной величины. Заполнить таблицу (см. таблицу 2) и построить графики полученных зависимостей. Столбец экспериментальных значений исследуемой величины заполнять по осциллограмме. В качестве экспериментального графи- ка в отчете привести осциллограмму.
Задание 3. Теоретическое и экспериментальное исследование
процессов в RLC-цепочках с большой постоянной LC
Создать схему последовательной RLC-цепочки (LC ≥ 10 c
2
) с источником постоянного напряжения, в которой конденсатор вначале заряжается от источ- ника при разомкнутой RLC-цепочке, а затем цепочка замыкается (рисунок 4).
Рисунок 4 – Схема RLC-цепочки с большой постоянной LC
Величину R необходимо подобрать так, чтобы в контуре возникли затуха- ющие колебания. Исследовать работу схемы с помощью вольтметра и ам- перметра. Составить и решить уравнение схемы относительно заданной величи- ны. Заполнить таблицу (см. таблицу 2) и построить графики полученных зави- симостей.
11

Задание 4. Экспериментальное исследование процессов
в RLC-цепочках с малой постоянной LC
Создать схему последовательной RLC-цепочки с источником постоянного напряжения, в которой конденсатор вначале заряжается от источника при разом- кнутой RLC-цепочке, а затем цепочка замыкается (рисунок 5).
Рисунок 5 – Схема RLC-цепочки с малой постоянной LC
Произведение LC взять около 0,0001 с
2
. Исследовать работу схемы с по- мощью осциллографа. По осциллограмме определить уменьшение амплитуды,
период и частоту колебаний, сравнить их с расчетными значениями.
Содержание отчета
1. Задание 1 1.1.Схема RC-цепочки.
1.2.Составление и решение уравнения RC-цепочки.
1.3.Результаты исследования процесса заряда конденсатора.
Таблица и графики расчетных и экспериментальных значений исследуемой величины.
1.4.Результаты исследования процесса разряда конденсатора.
12

Таблица и графики расчетных и экспериментальных значений исследуемой величины.
2. Задание 2 2.1.Схема RC-цепочки.
2.2.Составление и решение уравнения RC-цепочки.
2.3.Результаты исследования.
Таблицы и графики расчетных и экспериментальных значений исследуемой величины (экспериментальный график – осциллограмма).
3. Задание 3 3.1.Схема RLC-цепочки.
3.2.Составление и решение уравнения RLC-цепочки.
3.3.Результаты исследования.
Таблица и графики расчетных и экспериментальных значений исследуемой величины.
4. Задание 4 4.1.Схема RLC-цепочки.
4.2.Составление и решение уравнения RLC-цепочки.
4.3.Результаты исследования.
Экспериментальный график исследуемой величины в виде осциллограммы.
Экспериментальные и расчетные значения периода, частоты и убывания ам- плитуды колебаний.
Контрольные вопросы
1. Как связаны между собой электрическая и магнитная составляющие электро- магнитного поля?
2. Определение понятия напряжения.
3. Определение понятий электрического тока и силы электрического тока.
4. Единицы измерения напряжения, силы тока, сопротивления, емкости и ин- дуктивности.
13