Электроника и микропроцессорная техника: Методические указания

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
ФИЛИАЛ ФЕДЕРАЛЬНОГОГО СУДАРСТВЕННОГО БЮДЖЕТНОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ
СООБЩЕНИЯ» в г. Алатыре
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
ДЛЯ СТУДЕНТОВ
ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
ПО УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЕ
ОП. 04 ЭЛЕКТРОНИКА И МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ТЕХНИКА
ДЛЯ СТУДЕНТОВ СПЕЦИАЛЬНОСТИ
23.02.06 ТЕХНИЧЕСКАЯ ЭКСПЛУАТАЦИЯ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА ЖЕЛЕЗНЫХ
ДОРОГ
Базовая подготовка
среднего профессионального образования
Алатырь 2017
ВВЕДЕНИЕ
Уважаемый студент!
Методические
указания
по
дисциплине
«Электроника
и
микропроцессорная техника» для выполнения лабораторных работ созданы
Вам в помощь для работы на занятиях, подготовки к лабораторным работам),
правильного составления отчетов.
Приступая к выполнению
лабораторной работы, Вы должны
внимательно прочитать его цель и задачи, ознакомиться с требованиями к
уровню Вашей подготовки в соответствии с федеральными государственными
образовательными стандартами третьего поколения или примерной
программой дисциплины, краткими теоретическими и учебно-методическими
материалами по теме лабораторной работы, ответить на вопросы для
закрепления теоретического материала.
Все задания к лабораторной работе Вы должны выполнять в соответствии
с инструкцией, анализировать полученные в ходе занятия результаты по
приведенной методике.
Отчет о лабораторной работе Вы должны выполнить по приведенному
алгоритму, опираясь на образец.
Наличие положительной оценки по лабораторным работам необходимо
для получения зачета по дисциплине ОП. 03 Электротехника и допуска к
экзамену, поэтому в случае отсутствия на уроке по любой причине или
получения неудовлетворительной оценки за лабораторную Вы должны найти
время для ее выполнения или пересдачи.
Внимание! Если в процессе подготовки к лабораторным работам у Вас
возникают вопросы, разрешить которые самостоятельно не удается,
необходимо обратиться к преподавателю для получения разъяснений или
указаний в дни проведения дополнительных занятий.
Время проведения дополнительных занятий можно узнать у
преподавателя или посмотреть на двери его кабинета.
РАЗДЕЛ № 1. ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ.
Тема 1.2. Полупроводниковые диоды.
Лабораторные работы №1
Наименование работы «Исследование работы диодов».
Цель занятия: Научиться определять параметры полупроводниковых диодов и
строить их вольтамперные характеристики.
Перед началом занятия необходимо знать:
Диод-это полупроводниковый прибор, предназначенный для выпрямления
переменного тока. Основным элементом является р-n-переход.
По конструктивно-технологическому принципу диоды разделяют на точечные
и плоскостные. Точечные диоды рассчитаны на токи до нескольких
миллиампер, а плоскостные - до нескольких ампер.
Также диоды бывают:
Выпрямительные диоды - предназначены для выпрямления тока низкой
частоты.
Высокочастотные диоды – предназначены для выпрямления переменного
тока в широком диапазоне частот, а также для детектирования и других
нелинейных преобразований.
Импульсные диоды – применяют в схемах генерирования и усиления
импульсов микросекундного и наносекундного диапазонов.
Туннельные диоды - применяют в качестве усилителей или генераторов
высокочастотных колебаний, а также в разнообразных импульсных схемах в
качестве переключателей.
Диоды с барьером Шотки – применяют для генерирования электрических
колебаний, преобразования амплитуды и частоты, также световой энергии в
электрическую.
Светодиоды - используют в качестве световой индикации наличия тока и в
зависимости от выбранного материала или ширины запрещающей зоны имеют
разные цвета свечения(жёлтый, красный, зелёный).
Стабилитроны и стабисторы – предназначены для стабилизации уровня
напряжения при изменениях значения протекающего через него тока.
Варикапы – полупроводниковый диоды, ёмкость которых можно изменять в
широких пределах.
Оборудование и приборы. Программа Electronics Workbench.
Порядок выполнения работы.
1.Собрать электрическую цепь по заданной схеме.
2.Последовательно устанавливая ЭДС источника равными 5В, 4В, 3В, 2В, 1В,
0,5 В, 0В запишите значения напряжения UПР и тока IПР диода в таблицу 1.1
(прямая ветвь ВАХ).
3.Переверните диод. Последовательно устанавливая значения ЭДС источника
0В, 5В, 10В, 15В, 20В, 25В, 30В запишите значения тока IОБР и напряжения
UОБР в таблицу 1.1 (обратная ветвь ВАХ).
4.По полученным данным постройте графики IПР (UПР) и IОБР (UОБР). Как
называются полученные кривые.
Таблица 1.1
№
Прямая ветвь ВАХ
опыта
Е,В
1
2
3
4
5
6
7
UПР, мВ
Обратная ветвь ВАХ
IПР, мА
Е,В
UОБ, В
IПР, мкА
Постройте прямую и обратную ветви ВАХ:
5.Пронаблюдайте ВАХ на экране осциллографа, для этого смоделируйте
заданную схему или откройте файл с этой схемой по пути:
C:\Электросхемы\first.ewb.
Сравните полученную ВАХ с построенными вами ранее ВАХ.
Характеристика на экране осциллографа должна иметь следующий вид:
6.Краткие заключения и выводы
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
Лабораторные работы №2
Наименование работы «Исследование работы стабилитронов».
Цель занятия: Ознакомление с основными параметрами и характеристиками
полупроводниковых стабилитронов.
Перед началом занятия необходимо знать:
Стабилитроны предназначены для стабилизации напряжения на нагрузке при
изменении питающего напряжения или сопротивления нагрузки, для фиксации
уровня напряжения и т. д. Полупроводниковый стабилитрон представляет
собой плоскостной диод, выполненный из сильно легированного кремния. Для
стабилитронов рабочим является участок электрического пробоя ВАХ в
области обратных напряжений рис. 1,а. На этом участке напряжение на диоде
остается практически постоянным при изменении тока через диод.
Iпр
Uобр, B
4,7
4,6 4,5
0
Uст
Uобр
Uпр
0
10
Imin
Iст
Uст
20
Iст
30
Imax
Iст, mA
Iобр
а
б
Рис. 1
Вольт-амперная характеристика стабилитрона представлена на рис. 1,а. В
рабочей области вольт-амперную характеристику стабилитрона можно
аппроксимировать выражением:
I = -A exp [α (Uст − βU )],
Коэффициенты α и β характеризуют форму кривой в области стабилизации.
Характеристика реального стабилитрона приведена на рис. 1,б.
Заштрихованная область определяет возможный разброс напряжений
стабилизации. Вначале лавинный процесс неустойчив. Поэтому интервал
рабочих токов стабилитрона выбирают от Imin, определяемого необходимой
устойчивостью работы, до Imax, определяемого максимально допустимой
мощностью рассеивания. Стабилитрон присоединяют параллельно нагрузке Rн.
Для стабилизации малых напряжений (до 1В) используют стабисторы
кремниевые диоды, у которых для стабилизации используется прямая ветвь
ВАХ.
Основные параметры стабилитрона:
Номинальное напряжение стабилизации Uст ном — напряжение на стабилитроне
в рабочем режиме (при заданном токе стабилизации).
Минимальный ток стабилизации Iст.min — наименьшее значение тока стабилизации,
при котором режим пробоя устойчив.
Максимально допустимый ток стабилизации Iст.max — наибольший ток
стабилизации, при котором нагрев стабилитронов не выходит за допустимые
пределы.
Дифференциальное сопротивление rдиф — отношение приращения напряжения
стабилизации к вызывающему его приращению тока стабилизации: rдиф= Uст
/Iст.
Температурный коэффициент напряжения стабилизации- отношение
относительного изменения напряжения стабилизации к абсолютному
изменению температуры окружающей среды: ст=Uст /(UстT).
К параметрам стабилитронов также относят максимально допустимый прямой
ток Imax, максимально допустимый импульсный ток Iпр.и max , максимально
допустимую рассеиваемую мощность Р max .
Оборудование и приборы. Принципиальная схема макета, представленная на
рис. 2, позволяет изучить основные свойства полупроводниковых
стабилитронов. Для снятия прямой и обратной ВАХ стабилитронов на схемы
подается регулируемое напряжение Uрег соответствующей полярности от
регулируемого стабилизированного источника питания.
Задание
1. Рассчитать параметрический стабилизатор рис. 2,а на заданное значение
нагрузки Rн с выходным напряжением 9В и нестабильностью 1% при
нестабильности напряжения на входе 10%.
Для параметрического стабилизатора справедливы соотношения:
U вых / U вх  rдиф / Rб  rдиф  ,
Rб  U вх / U вых  1rдиф ,
I н  U ст / Rн ,
U вх max  U ст  Rб ( I н  I ст max ) ,
U вх min  U ст  Rб ( I н  I ст min ) .
2. Для рассчитанного параметрического стабилизатора определить
изменение напряжения стабилизации Uст при изменении температуры на 500С.
Исходные данные к расчету:
Параметры стабилитрона КС191Ж: I ст min  3 мA , I ст max  15 мA , rдиф=47Ом,
ст=0,09[%/0C], Rн  1кОм .
Порядок выполнения работы.
V
V
R1
R1
VD1
Uрег
а
VD2
Uрег
V
Рис. 2
V
б
Прямая
ветвь
UVD1
[B]
UR1
[B]
IVD1
[mA]
Обратная
ветвь
1. Исследовать полупроводниковые стабилитроны VD1, VD2 рис. 2,а,б:
- cнять вольт-амперные характеристики (ВАХ) стабилитронов VD1,
VD2 I=f(U), R1  1кОм (не менее 10 точек);
- результаты оформить в виде таблиц 3, 4 и графиков.
Таблица 3
UVD1
[B]
UR1
[B]
IVD1
[mA]
Обратная ветвь
Прямая
ветвь
Таблица 4
UVD2
[B]
UR1
[B]
IVD2
[mA]
UVD2
[B]
UR1
[B]
IVD2
[mA]
2. Снять амплитудные характеристики схем рис. 9, а,б Uвых=f(Uвх) в
диапазоне Uвх=-15В…+15В, результаты занести в таблицу 5.
Таблица 5
Uвх1
[B]
Uвых1
[B]
Uвх2
[B]
Uвых2
[B]
3. По результатам эксперимента определить:
- напряжения стабилизации стабилитронов VD1, VD2 и
классифицировать по типу;
- дифференциальные сопротивления стабилитронов rдиф1, rдиф2;
- сопротивления стабилитронов постоянному току в середине
рабочего участка R01, R02;
- результаты занести в таблицу 6.
Таблица 6
Uст1 [B]
rдиф1
[Ом]
R01
[Ом]
Тип
VD1
Uст1 [B]
rдиф1
[Ом]
R01
[Ом]
Тип
VD2
Принципиальная схема макета, представленная на рис. 9, позволяет
изучить основные свойства полупроводниковых стабилитронов. Для снятия
прямой и обратной ВАХ стабилитронов на схемы подается регулируемое
напряжение Uрег соответствующей полярности от регулируемого
стабилизированного источника питания.
Указания по выполнению работы:
1. Для снятия вольт-амперных характеристик (ВАХ) стабилитронов VD1,
VD2 необходимо использовать регулируемый стабилизированный источник
питания 0-15В, напряжение с которого подключается к клеммам “Uрег” на
лабораторном стенде с соответствующей полярностью. Для снятия прямой
ветви ВАХ на анод стабилитрона подается положительное напряжение Uрег
(прямое включение стабилитрона). Для снятия обратной ветви ВАХ на анод
подается отрицательное напряжение Uрег (обратное включение стабилитрона).
Изменяя напряжение Uрег с источника питания от нуля до 15В, вольтметром
постоянного тока или универсальным вольтметром фиксируют напряжения на
стабилитроне и резисторе R1, данные заносятся в таблицу. Значение тока
рассчитывается по закону Ома.
2. Для снятия амплитудных характеристик параметрических стабилизаторов
рис.2,а,б в диапазоне Uвх=-15В…+15В на входе стабилизаторов изменяют
напряжение регулируемого стабилизированного источника питания от 0 до
+15В (не менее 10 точек), затем меняют полярность и снимают значения
выходного напряжения при изменении входного от –15В до 0.
Для удобства выполнение 1 и 2-го пунктов экспериментальной части можно
совместить, в данном случае UVD1=Uвых1, UVD2=Uвых2.
3. Напряжения
стабилизации
стабилитронов,
дифференциальные
сопротивления и сопротивления постоянному току в середине рабочего участка
ВАХ определяются по обратным ветвям построенных вольт-амперных
характеристик.
Контрольные вопросы:
1. Назначение стабилитронов, их отличие от выпрямительных диодов.
2. Сравнить ВАХ стабилитрона и выпрямительного диода.
3. Изобразите ВАХ стабистора.
4. В чем отличие стабистора от стабилитрона?
5. Основные параметры и характеристики стабилитронов.
6. Чем характеризуются температурные свойства стабилитронов?
7. Как экспериментально снять ВАХ стабилитрона?
8. Как экспериментально определить дифференциальное сопротивление
стабилитрона?
9. Нарисовать принципиальную схему параметрического стабилизатора и
пояснить принцип его работы.
10.Что называют амплитудной характеристикой?
11.Нарисовать схему амплитудного ограничителя на стабилитроне и сигнал
на его входе и выходе.
12.Как использовать стабилитрон для ограничения “сверху” с заданным
порогом, для ограничения “снизу”, для двухстороннего ограничения?
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
Тема 1.3. Тиристоры.
Лабораторные работы №3
Наименование работы. «Исследование работы тиристоров».
Цель занятия: Приобрести навыки снятия ВАХ тиристоров.
Перед началом занятия необходимо знать: Тиристор - прибор, содержащий
четыре чередующихся слоя полупроводника с проводимостью n- и p- типа.
Различают 3 вида тиристоров:
1) динисторы или диодные тиристоры, у которых имеются выводы лишь от
катода и анода. Они содержат три p-n перехода: два эмиттерных по краям и
один коллекторный посередине;
2) тринисторы или триодные тиристоры, - приборы с тремя выводами: от
катода, анода и базы (управляющего электрода);
3) тетродные тиристоры - приборы с четырьмя выводами: от катода, анода и
двух баз (две базы управляющие).
Рисунок 1 – Схема включения тринистора
Рисунок 2 – ВАХ тиристора
- Uа – анодное напряжение;
- Iа – анодный ток;
- Iупр – управляющий ток;
- Rн – сопротивление нагрузки;
- Uвкл – напряжение включения;
- Iвкл – ток включения;
- Uуд – напряжение удержания;
- Iуд – ток удержания.
Тиристор является ключевым прибором, имеющим два устойчивых состояния:
«закрыто» и «открыто».
Как только анодное напряжение Uа тиристора достигает значения Uвкл,
происходит резкое возрастание анодного тока Iа. Коллекторный переход
насыщается инжектированными в область баз носителями заряда.
Сопротивление этого перехода и падение напряжения на нем резко
уменьшаются, тиристор переходит в неустойчивый режим, характеризующийся
уменьшением падения напряжения при возрастании анодного тока, что
соответствует отрицательному дифференциальному сопротивлению тиристора
(этот участок показан штриховкой на рисунке 2). Далее тиристор скачком
переходит в режим, при котором резко уменьшается его сопротивление и
падение напряжения на нем.
Ток Iупр управляет током Iа и Uа.
Оборудование и приборы. Программный пакет Electronics Workbench .
Порядок выполнения работы.
2. Собрать схему по рисунку 3.
Рисунок 3 – Схема включения тиристора
Таблица 1 – Элементы схемы на рисунке 3
Элемент
Тиристор D1
Group
Diodes
Family
SCR
Component
(по варианту)
Переменные
резисторы
R1, R4
Basic
BASIC_VIRTUAL
POTENTIOMETER_VIRTUAL
Обозначение
Резисторы R1 иR2, а такжеR4 иR5 в данной схеме служат делителями
напряжения.
Сопротивление переменных резисторов R1 и R4 можно изменять с помощью
клавиш, которые на схеме изображены возле слова Key. Чтобы увеличить
сопротивление резистора, необходимо нажать указанную клавишу (например,
A или B). Уменьшить сопротивление можно, используя комбинацию клавиш
Shift+Key (например, Shift+A или Shift+B). При этом необходимо
предварительно переключить раскладку клавиатуры на английскую. Задать
клавишу, по которой будет изменяться сопротивление; изменить шаг или
номинальное сопротивление переменного резистора можно на вкладке Value
после двойного щелчка по переменному резистору.
При установке вольтметров и амперметров обратите внимание на полярность
выводов, которая указывается зелёными значками «+» и «–» рядом с
соответствующим выводом.
Чтобы зеркально перевернуть элемент, необходимо щёлкнуть на нём правой
кнопкой мыши и выбрать Flip Horizontal или Flip Vertical.
3. Установить сопротивление обоих переменных резисторов на 0%.
4. Запустить схему. Замкнуть ключ J1.
5. Повышая сопротивление резистора R1, снять токи и напряжения,
протекающие в тиристоре. Результаты записать в таблицу 2.
Таблица 2 – Исследование влияния Uа на Iа
R1
30%
R4
0%
Iупр, мА
Uа, В
Iа, мА
50%
70%
90%
92%
94%
96%
98%
100%
0%
0%
0%
0%
0%
0%
0%
0%
6. Уменьшая сопротивление резистора R1, проверить, будут ли отличаться
напряжения и токи в схеме от данных, полученных в задании 5.
7. По данным из задания 5 построить график зависимости анодного тока
тиристора от анодного напряжения. Сделать вывод о влиянии напряжения,
поступающего от источника питания, на анодное напряжение и анодный ток
тиристора; а также о максимальном напряжении, которое может падать между
анодом и катодом тиристора в данной схеме.
8. Установить значение сопротивления резистора R1 на уровне 90%.
9. Постепенно увеличивая сопротивление резистора R4, снять токи и
напряжения, протекающие в схеме. Результаты записать в таблицу 3. Отметить,
при каком управляющем токе в схеме анодный ток тиристора необратимо
изменяется.
Таблица 3 – Исследование влияния I упр на Uа и Iа
R1
90%
90%
90%
90%
90%
90%
R4
40%
55%
70%
85%
90%
100 %
Iупр, мА
Uа, В
Iа, мА
10. Уменьшая сопротивление резистора R4, проверить, будет ли изменяться Iа.
Сделать вывод о влиянии управляющего тока на анодный ток и анодное
напряжение.
11. Установить сопротивление R4 на уровне 80%. Разомкнуть ключ J1 и вновь
замкнуть. Посмотреть, как при этом изменятся анодный ток и напряжение.
Контрольные вопросы
1. Чему равно напряжение включения используемого в вашем варианте
тиристора?
2. Чему равен ток включения используемого в вашем варианте тиристора?
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
Тема 1.4 . Транзисторы.
Лабораторные работы №4
Наименование работы. «Исследование работы биполярного транзистора в
статическом режиме по схеме с ОЭ».
Цель занятия: Экспериментальным путем исследовать свойства транзистора
включенного по схеме с ОЭ. Построить графики входных и выходных
характеристик транзистора в статическом режиме.
Перед началом занятия необходимо знать: Транзистором называется
электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним или
несколькими электрическими переходами, позволяющий осуществлять
усиление или генерирование электрических сигналов и имеющий три или более
выводов. Наибольшее распространение получили транзисторы с двумя
электронно-дырочными переходами. Двухпереходные транзисторы, в которых
используются два различных типа носителей заряда (электронов и «дырок»),
получили название биполярные. Транзисторы, которые работают с носителями
заряда только одного знака (с электронами или «дырками»), получили название
униполярных, и полевых. Слово «транзистор» получило своё название от
сокращенного TRAHSferresITOR, что означает «преобразователь
сопротивления», и соответствует основному назначению транзистора.
После окончания занятия необходимо: Оформить бланк отчета, ответить на
контрольные вопросы.
Оборудование и приборы. Персональный компьютер, программный продукт
радиотехнических схем Electronics Workbench «EWB 5.12».
Задание: 1.Подготовить электрическую схему для снятия статических
характеристик транзистора с ОЭ в соответствии со схемой, приведенной в
описании.
2.Снять показания токов и напряжений с измерительных приборов на входе
схемы, для построения входных характеристик транзистора.
3. Снять показания токов и напряжений с измерительных приборов на выходе
схемы, для построения выходных характеристик транзистора.
Литература: Бервинов В.И. стр. 43-49
Порядок выполнения работы:
1.Смоделировать схему испытания транзистора
2.На ваше рабочее поле загрузится исследуемая электрическая схема
приведенная на рис1.
Задание. Исследование статических характеристик биполярного транзистора,
включенного по схеме с общим эмиттером.
Параметры транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером (ОЭ),
удобно анализировать с помощью следующих зависимостей:
-входные характеристики 1б = ƒ(Uбэ); U=const
-выходные характеристики 1к = ƒ(Uкэ; Iб=const
1. Для снятия входных характеристик напряжение в выходной цепи
поддерживается постоянным, например, Uкэ = 5В. С помощью источника
постоянного тока задается входной ток – ток базы, например, 1б = 1мкА.
После активации схемы кнопкой, находящейся в правом верхнем углу экрана,
вольтметр покажет значение входного напряжения Uбэ.
Результат измерений следует занести в соответствующую ячейку в таблице В
соответствии с этой таблицей продолжать измерения, меняя значения 1б, а
затем и Uкэ. По данным измерений необходимо построить графики входных
характеристик (1).
Таблица 1 КТ375 (2N3904)
Uкэ
В
1б мА
0,001
0,01
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
Uбэ
0
мВ
5
Uбэ
мВ
10
Uбэ В
2. Для снятия выходных характеристик БПТ входной ток следует поддерживать
постоянным, например, 1б=0,1мА. Меняя выходное напряжение Uкэ от 0,05 до
15 В. Измерить выходной ток ток коллектора 1к, значение занести в таблицу 2
и построить графики выходных характеристик (2).
Таблица 2 КТ375 (2N3904)
Iб,
мА
0,1
0,2
0,3
0,4
0,8
1,2
1,6
Uкэ, В
0,05
0,1
0,5
1
2
5
10
15
Iк, мА
Iк, мА
Iк, мА
Iк, мА
Iк, мА
Iк, мА
Iк, мА
Контрольные вопросы.
1.Изобразите устройство биполярного транзистора. Объясните назначение
элементов его конструкции.
2.Приведите условное графическое обозначение транзисторов p-n-p и n-p-n
типов. Как маркируются транзисторы?
3.Охарактеризуйте режимы работы биполярного транзистора.
4.Изобразите p-n-p транзистор, включенный по схеме с общей базой (ОБ).
Укажите полярность питающих напряжений для активного режима (режима
отсечки или насыщения).
5.Изобразите n-p-n транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером (ОЭ).
Укажите полярность питающих напряжений для активного режима (режима
отсечки или насыщения).
6.Какая из схем включения БПТ обеспечивает большее усилие по току?
Почему?
7.Какие недостатки имеет схема с ОБ.
Начертите входные и выходные характеристики.
Контрольные вопросы:
1. Что такое транзистор?
2. Привести пример маркировки транзисторов.
3. Что такое полевой транзистор?
4. Начертить условное обозначение полевого транзистора с p-n-переходом.
Как называют его электроды?
ЛИТЕРАТУРА: БЕРВИНОВ В.И. «Электроника, микроэлектроника на ж/д
транспорте», стр. 43-53.
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
_______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
Лабораторные работы №5
Наименование работы. «Исследование работы транзистора в режиме
усиления, измерение основных параметров».
Цель занятия: Снять входные и выходные характеристики транзистора
МП41А, включенного по схеме с общим эмиттером, рассчитать параметры.
Перед началом занятия необходимо знать:
Транзистором называется электропреобразовательный полупроводниковый
прибор с одним или несколькими электрическими переходами, позволяющий
осуществлять усиление или генерирование электрических сигналов и имеющий
три или более выводов. Наибольшее распространение получили транзисторы с
двумя электронно-дырочными переходами. Двухпереходные транзисторы, в
которых используются два различных типа носителей заряда (электронов и
«дырок»), получили название биполярные. Транзисторы, которые работают с
носителями заряда только одного знака (с электронами или «дырками»),
получили название униполярных, и полевых. Слово «транзистор» получило своё
название от сокращенного TRAHSferresITOR, что означает «преобразователь
сопротивления», и соответствует основному назначению транзистора.
Оборудование и приборы. Лабораторный стенд.
Порядок выполнения работы.
1. Начертить схему испытаний.
2. После сборки схемы включить источник постоянного напряжения.
3. Снять входные характеристики Iб = ƒ (Uэб ) при Uэк = const.
Для этого изменяя Uэб от 0 до 500 мВ через каждые 100 мВ с помощью
R1 и записать показания приборов.
Опыт произвести при Uэк = 0; Uэк = -5 В; Uэк = -10 В.
Данные занести в таблицу 1.
Таблица 1.
Uэб, мВ
Uэк=0
Uэк = -5В
Uэк = -10В
Iб, мкА
Iб, мкА
Iб, мкА
100
200
300
400
500
Таблица 2.
Uэк, В
Iб=20мкА
Iб=40мкА
Iк ,мА
Iк ,мА
-5
-10
-15
-20
-25
4. Снять выходные характеристики Iк = Ikf (Uэк) при Iб=const.
Для этого изменения приборов. Опыт произвести при Iб=20 мкА и
Iб=40 мкА.
Данные занести в таблицу 2.
5. По данным опытов построить семейство входных (Iб=4 (Uэб)); при
Uкэ=const и выходных (Iк=f (Uкэ)); при Iб=const характеристики.
Iб,
мкА
Iк,
мА
Uэб, мВ
Uкэ, В
6. По семейству входных характеристик посчитать коэффициент усиления
напряжению
К
U ЭК
U ЭБ
по
при I б =30 мкА
7. По семейству выходных характеристик подсчитать коэффициент усиление по
току
 
IK
IБ
при U эк = -15 В
8. Подсчитать коэффициент усиления мощности
КР  К  
Контрольные вопросы:
1. Что такое транзистор?
2. Привести пример маркировки транзисторов.
3. Что такое полевой транзистор?
4. Начертить условное обозначение полевого транзистора с p-n-переходом.
Как называют его электроды?
_______________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________________
РАЗДЕЛ № 2. ЭЛЕКТРОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ И ГЕНЕРАТОРЫ.
Тема 2.1. Электронные усилители.
Лабораторные работы №6
Наименование работы. «Исследование электронной схемы
инвертирующего и не инвертирующего усилителей, измерение основных
параметров».
Цель занятия: Снять частотную характеристику усилителя низкой частоты
(УНЧ) и установить зависимость коэффициента усиления от частоты
Оборудование и приборы. Блок БИС-ЭР, БП-15, звуковой генератор ТЭЛ1,милливольтметр В3-38, осциллограф С1-112.
Порядок выполнения работы.
1. Начертить и изучить электрическую схему усилителя низкой частоты.
2. Снять частотную характеристику усилителя.
2.1 На ГЭЛ-1 установить: множитель-1, частоту-20 Гц, подключить В3-38,
кнопку вид сигнала – на , установить напряжение Uвх = 50 мВ.
2.2 Uвх = 50 мВ подать на Х1 Х2 УНЧ
2.3 На Х4, х6 подать с БП-15 U = 9В
Подключая С1-112 поочередно к Х1, Х2, Х3, Х4, Х5. Убедиться в том, что УНЧ
усиливает входной сигнал.
2.4 Подключить В3-38 и Х3 и Х2 и увеличивая частоту /переключателем/
замерить напряжение / U32 / записать в таблицу.
2.5 Подключить В3-38 к Х5 и Х2 и преодолеть предыдущий опыт заново.
Uвх = 50 мВ
№п/п
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
ƒ
U32
Гц
В
20
50
200
500
2000
5000
10000
14000
16000
20000
K1
U52
В
K
K2
2.6 Подсчитать коэффициент усиления каскадов и всего усилителя
U 32
U
К
К  52
К2 
U вх
U вх
К1
3. Построить частотную характеристику К=φ (f)
К 
4. Ответить на вопросы:
4.1 Что такое усилитель?
4.2 Какие элементы используют в качестве усилителя?
4.3 Перечислить режимы усиления и зарисовать характерные графики.
4.4 Опишите назначение всех элементов схем.
4.5 Что такое полюса пропускания?
4.6 Что такое чувствительность?
5. Литература: Бервинов В.И. «Электронника, микроэлектроника…»
стр. 71-79
Лабораторные работы №7
Наименование работы. «Исследование особенностей работы
операционного усилителя в режимах неинвертирующего и
инвертирующего усилителей».
Неинвертирующие усилители.
Цель занятия: 1. Измерение коэффициента усиления неинвертирующего
усилителя на ОУ
2. Определение разности фаз между выходным и входным синусоидальным
напряжением ОУ.
3. Исследование влияния коэффициента усиления усилителя на постоянную
составляющую выходного напряжения.
Оборудование и приборы. Осциллограф; функциональный генератор;
источник напряжения; резисторы; операционный усилитель LM 471.
Порядок выполнения работы.
Эксперимент 1. Работа неинвертирующего усилителя в режиме усиления
синусоидального напряжения.
Создать файл со схемой, изображенной на рис. 1. Рассчитать коэффициент
усиления напряжения Ку усилителя по заданным значениям параметров
компонентов схемы. Включить схему. Измерить амплитуды входного Uвх и
выходного Uвых синусоидальных напряжений. Также измерить постоянную
составляющую выходного напряжения Uовых и разность фаз между входным и
выходным напряжениями. По результатам измерений вычислить коэффициент
усиления по напряжению Ку усилителя. Результаты занести в раздел
"Результаты экспериментов". Используя значение напряжения смещения Uсм,
вычисленное теоретическое значение коэффициента усиления, вычислить
постоянную составляющую выходного напряжения Uовых. Результаты расчета
также занести в раздел "Результаты экспериментов".
Рис. 1
Эксперимент 2. Исследование влияния параметров схемы на режим её работы.
В схеме, приведенной на рис. 1, уменьшить значение сопротивления R1 с
100кОм до 10кОм, амплитуду синусоидального напряжения генератора
увеличить до 100 мВ. Установить масштаб напряжения на входе А
осциллографа 100 mV/div, а на канале В - 500 mV/div. Включить схему.
Повторить все операции эксперимента 1 при новых параметрах компонентов.
Результаты занести в раздел "Результаты экспериментов".
Результаты экспериментов
Эксперимент 3. Работа неинвертирующего усилителя в режиме усиления
синусоидального напряжения.
Коэффициент усиления
- теоретический расчет: Kу = 201.
- расчет по результатам измерения: Kу = 245 В.
Амплитуда входного напряжения Uвх = 4,9 мВ.
Амплитуда выходного напряжения Uвых = 1,2 В.
Постоянная составляющая выходного напряжения:
- расчет U0вых = 0,201 В;
- измерения U0вых = 0,213 В.
Разность фаз между входным и выходным напряжением: 25 мкс.
Эксперимент 4. Исследование влияния параметров схемы на режим её работы.
Коэффициент усиления
- теоретический расчет: Kу = 201.
- расчет по результатам измерения: Kу = 200.
Амплитуда входного напряжения Uвх = 99 мВ.
Амплитуда выходного напряжения Uвых = 19,8 В.
Постоянная составляющая выходного напряжения:
- расчет U0вых = 0,201 В.
- измерения U0вых = 0,2 В.
Разность фаз между входным и выходным напряжением: 26 мкс.
Вопросы
1. Из каких условий выводится выражение для коэффициента усиления схемы
на рис. 1
2. Какова разность фаз между входным и выходным сигналами
неинвертирующего усилителя на ОУ?
В эксперименте 1 - 62,5 мкс, а в эксперименте 2 – 26 мкс.
3. Существенно ли различие в значениях измеренной и вычисленной
постоянной составляющей выходного напряжения схемы на рис. 1?
Нет. Не существенно.
4. Чем определяется постоянная составляющая выходного напряжения схемы
на pиc.13.1?
Постоянная составляющая определяется резисторами R1 и R2.
5. С помощью какого прибора Electronics Workbench можно экспериментально
измерить коэффициент усиления схемы на ОУ?
С помощью осциллографа.
Тема 2.2. Электронные генераторы.
Лабораторные работы №8
Наименование работы. « Исследование работы мультивибратора».
Цель занятия: Изучить работу схемы мультивибратора, зарисовать
осциллограммы в указанных точках.
Оборудование и приборы. Блок питания БП-15, макет мультивибратора,
осциллограф-мультиметр С1-112.
Порядок выполнения работы.
1. Начертить электрическую схему
1.1. + Тумблерами включить С1, С3, R2, R4;
2. Ход работы
2.1.
Подключить С1-112 к Х3 и Х2;
2.2. Подать напряжение U = 9 В с БП-15 на Х1 и Х2 /Х2 “+” Х1 “-“/ ;
2.3. Включить БИС-ЭР, БП-15, С1-112;
2.4. Зарисовать осциллограмму / рис. 1./
2.5. Подключить С1-112 и Х4 и Х2 и зарисовать осциллограмму / рис. 2./
На графиках указать длительность импульса, паузы, период, амплитуду.
Определить их величины.
2.6. Зарисовать осциллограммы на Х6 и Х8, Х5 и Х8 / рис. 3,4 /
U32
t
U42
t
U68
t
U58
t
3. Изменения положения S1, S2, S3, S4 наблюдать за изменением осциллограмм
4.
Подсчитать период колебаний для первого опыта по формуле
Т
1,3  RC
/с/
1000
Частота
f 
I
T
/Гц/
Где R = R1 = 4,7 кОм; С = С1 = 0,047 мкФ.
Сравнить расчеты с экспериментом.
5. Контрольные вопросы
5.1 Назначение мультивибратора
5.2 Каково назначение всех элементов схемы?
5.3 От чего зависит амплитуда импульсов?
5.4 От чего зависит частота импульсов?
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
6.
Литература: Бервинов В.И. «Электротехника, микроэлектроника и
автоматика» стр. 147-148.
Лабораторные работы №9
Наименование работы. « Исследование режима работы rc-генератора
с помощью электронного осциллографа».
Цель занятия: Изучение устройства и принципа действия осциллографа;
исследование режима работы релаксационного RC-генератора.
Перед началом занятия необходимо знать:
Принципиальное устройство и работа осциллографа.
Электронный осциллограф – это прибор, предназначенный для визуального
наблюдения и регистрации, а также измерения различных параметров
периодических и непериодических электрических сигналов, позволяющий
определять их форму, величину, временные и частотные соотношения.
Например, с помощью осциллографа можно измерять силу тока, напряжение и
их изменение во времени, сдвиг фазы между электрическими сигналами,
сравнивать частоты и амплитуды различных сигналов.
Электронный осциллограф является одним из самых распространенных
измерительных приборов, он располагает возможностью графического
представления исследуемых процессов (данная форма наиболее удобна для
восприятия), имеет большое входное сопротивление, высокую
чувствительность, а также малую инерционность и широкий частотный
диапазон. Он широко применяется при изучении переходных режимов в
электрических цепях. Если имеется возможность преобразовывать
неэлектрические величины в напряжение электрического сигнала, осциллограф
применяют для исследования физических процессов в механике, теплотехнике,
диагностике двигателей и в других областях науки и техники.
На рис. 1 представлена схема осциллографа, основными узлами которого
являются: электронно-лучевая трубка 5 со схемой управления лучом 4, входной
каскад 1 и усилитель канала вертикального отклонения луча 2, блок
синхронизации 6, калибратор 3, генератор развертки 7, усилитель канала
горизонтального отклонения луча 8 и блок питания 9.
Рис. 1
Исследуемый сигнал подается на вход "Y" входного каскада 1 канала
вертикального отклонения луча. Входной каскад обеспечивает минимальное
влияние осциллографа на исследуемый сигнал и его согласование с усилителем
напряжения 2 канала. С выхода усилителя напряжения, определяющего
предельную чувствительность осциллографа, исследуемый сигнал подается на
вертикально-отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки 5.
Исследуемый сигнал может также непосредственно подаваться на
горизонтально отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки.
Рис. 2
Генератор развертки 7 генерирует напряжение, которое линейно изменяется со
временем (рис. 2), усиливается усилителем 8 канала горизонтального
отклонения луча и подается на горизонтально отклоняющие пластины
электронно-лучевой трубки. Под действием этого напряжения электронный луч
в течение времени перемещается по экрану осциллографа слева направо
пропорционально времени и практически мгновенно за время
возвращается обратно. При совпадении периодов напряжения развертки
исследуемого сигнала или кратном их соотношении, что достигается
регулировкой частоты развертки органами управления, на экране осциллографа
будет наблюдаться график изучаемого процесса.
Неподвижность изображения из-за нестабильности частоты генератора не
может быть сохранена в течение длительного времени. Поэтому генератор
развертки синхронизируется исследуемым сигналом. Формирование сигнала
синхронизации прямоугольной формы осуществляется блоком синхронизации
6 независимо от величины и формы входного сигнала. Благодаря этому
достигается устойчивый запуск генератора развертки. Для запуска может
использоваться внешний сигнал, подаваемый на гнездо "вход синхронизации".
Контроль коэффициента развертки и коэффициента вертикального отклонения
луча осуществляется с помощью калибратора 3, встроенного в осциллограф
вырабатывающего прямоугольные импульсы заданной амплитуды и
длительности.
Питание блоков осциллографа осуществляется стабилизированным
напряжением от блока питания 9, обеспечивающего устойчивое напряжение
питания при колебаниях напряжения в сети.
Релаксационный RC-генератор.
RC-генератор релаксационных колебаний состоит из элемента,
накапливающего энергию конденсатора, и активного сопротивления R. Схема
простейшего генератора изображена на рис. 3. При подаче постоянного
напряжения на вход генератора конденсатор С заряжается через сопротивление
R до напряжения зажигания
неоновой лампы Л. В момент зажигания
неоновая лампа начинает проводить ток, и конденсатор быстро разряжается
через нее. При некотором напряжении (напряжение погасания) лампа
погаснет, ее сопротивление резко возрастет и разряд конденсатора прекратится.
Начнется новый цикл заряда конденсатора. Колебания напряжения на
конденсаторе имеют пилообразную форму (рис.4).
Рис. 3
Рис. 4
Заряд конденсатора происходит за время , разряд - за время , причем
. Период колебаний напряжения на конденсаторе
.
Определим закон изменения напряжения на конденсаторе. По закону Кирхгофа
,
(1)
где – напряжение, поданное на RC-цепь;
– напряжение на сопротивлении
R при протекании через него зарядного тока i, равное
,
где q – заряд, протекающий в цепи;
определяется формулой
.
– напряжение на конденсаторе, которое
(2)
Поэтому уравнение (1) можно записать в виде
.
(3)
После введения подстановки
уравнение (3) сведется к однородному
дифференциальному уравнению с разделяющимися переменными
,
интегрируя которое и возвращаясь к переменной q, можем записать
.
Пропотенцируем полученное выражение:
.
Постоянную интегрирования
определим из начального условия; в
начальный момент времени заряд на конденсаторе равен 0, т.е.
при t=0.
Тогда
.
Соответственно заряд конденсатора меняется во время его зарядки по закону
,
а напряжение
,
(4)
где
– постоянная времени цепи.
Величина равна времени, необходимому для зарядки конденсатора до ~ 0.67
от его полного заряда при данном напряжении . Полагая в (4)
, получим
.
Период релаксационных колебаний зависит от параметров схемы (от
постоянной времени
) и от потенциалов зажигания и погасания лампы.
Пусть лампа гаснет в момент времени при потенциале
зажигается в момент времени при потенциале :
на конденсаторе, а
,
откуда
,
.
(5)
Оборудование и приборы. Электронный осциллограф, релаксационный RCгенератор, источник питания.
Порядок выполнения работы.
1. Подготовить осциллограф к работе в соответствии с описанием прибора.
2. Измерить напряжение "зажигания"
и напряжение "погасания"
неоновой лампы, а также напряжение
на входе генератора.
Для этого при отсутствии напряжения на входе RC генератора установить луч
ручкой вертикального перемещения в нижнюю часть экрана, совместив его с
последним делением шкалы.
После включения напряжения питания генератора получить изображение 3÷5
периодов релаксационных колебаний, используя "открытый" вход
осциллографа и входной делитель «1÷10». Изображение должно быть
устойчивым и иметь наибольший размер в пределах рабочей части шкалы
прибора.
3. Измерить время заряда и время разряда конденсатора, используя
''закрытый'' вход осциллографа. Изображение измеряемого временного
интервала должно занимать почти весь экран осциллографа, что достигается
выбором диапазона развертки.
4. Снять, используя "открытый" вход, зависимость
напряжения на
конденсаторе при его зарядке от времени.
При подготовке прибора к измерению при отключенном напряжении питания
RC-генератора установить луч на нижнем делении шкалы. После включения
питания RC-генератора получить наибольший размер исследуемого временного
интервала в пределах рабочей части экрана соответствующим выбором
диапазона развертки и коэффициента отклонения луча.
Изображение исследуемого сигнала перевести на кальку, наложив ее на экран.
Отметить на ней оси координат и записать коэффициент отклонения луча и
диапазон развертки. При необходимости изображение исследуемого сигнала
можно снять по точкам, определив координаты 10 точек кривой.
5. Повторить измерения для двух других значений сопротивления R.
6. Обработать полученные результаты:
- рассчитать постоянную времени RC-цепи расч для каждого случая по
известным значениям R и С;
- рассчитать значение по формуле (5); оценить погрешность расчета и
прямых измерений , используя сведения о погрешности измерения
амплитуды и временных интервалов; сравнить рассчитанные и измеренные
значения периода колебаний RC-генератора; определить частоту колебаний
генератора
;
- сравнить измеренное время заряда и разряда конденсатора; определить,
справедливо ли соотношение
, считая, что оно удовлетворительно
выполняется при отношении
; оценить погрешность измерения
периода колебаний генератора, вызванную пренебрежением ;
- определить, выполняется ли закон изменения напряжения (4) на конденсаторе,
для чего построить зависимость
,
используя полученные осциллограммы
Из формулы (4) следует, что величина
.
линейно зависит от времени, следовательно, при выполнении закона (4)
построенные в координатах
, t графики должны представлять собой
прямые линии с наклоном
.
При выполнении закона (4) определить по графикам постоянные времени RCцепей. Сравнить полученные значения э с результатами расч=RC.
Полученные результаты занести в рекомендуемые таблицы (табл. 1, 2, 3).
Таблица 1
Исследование режима RC-генератора
№
U0
Un
U3
T1
T2
R
C
Ом мкФ дел В дел В дел В дел с дел
с
1
2
3
Величина времени развертки на деление: Тр=
Погрешность измерения времени: Еt=
Погрешность измерения амплитуды: ЕA=
Таблица 2
Расчеты периода и частоты RC-генератора
№
R
С
расч
Ом мкФ с
Т1расч ΔТрасч
с
с
Гц
%
%
1
2
3
Таблица 3
Определение закона изменения
от
при зарядке конденсатора
Uс
№
мм
t
мВ
мм
э,
с
с
,%
1
2
3
Величина времени развертки на 1 мм: Тр =
Вопросы для допуска к работе
1. Поясните цель работы.
2. Объясните принцип действия RC-генератора и временную диаграмму его
работы.
3. Укажите измеряемые величины и способ их измерения.
Вопросы для защиты работы
1. Поясните принцип действия осциллографа, перечислите его основные узлы.
2. Поясните принцип действия релаксационного RС-генератора и выведите
зависимость
для зарядки конденсатора.
3. Выведите формулу периода релаксационных колебаний.
4. Дайте анализ полученных результатов.
5. Выведите формулу погрешностей расчета периода колебаний RC-генератора.
6. Объясните методику измерений амплитудных и временных интервалов
осциллографом.
РАЗДЕЛ № 3. ИСТОЧНИКИ ВТОРИЧНОГО ПИТАНИЯ.
Тема 3.1. Неуправляемые выпрямители.
Лабораторные работы №10
Наименование работы «Исследование электронной схемы однофазного
мостового неуправляемого выпрямителя, измерение основных
параметров».
Цель занятия: Изучить работу однополупериодного и двухполупериодного
мостового выпрямителя с фильтром и без фильтра.
Оборудование и приборы. БИС – ЭР, макет №3, осциллограф- мультиметр
(С1-112).
Порядок выполнения работы.
1. Ознакомить со схемой.
2. Исследовать схему однополупериодного выпрямителя.
2.1 Для исследования однополупериодного выпрямителя S1 включить,
включить также S2 и S3, Х3 и Х4 перемкнуть.
2.2 Щуп осциллографа С1-112 подключить к Х1 и Х2, на Х1 и Х2 подать
переменное напряжение 6,3В в БИС-ЭР
2.3 Включить БИС-ЭР и С1-112.
2.4 Зарисовать осциллограмму переменного напряжения (рис 1)
2.5 Переключить щуп осциллографа на Х4 и Х5 и зарисовать осциллограмму
выпрямителя переменного напряжения без фильтра (рис 2).
2.6 Включить S1 и S2 и вновь зарисовать осциллограмму напряжения с
фильтром (рис 3)
3. Исследовать схему двухполупериодного мостового выпрямителя.
3.1 Включить S1, S2 и S3 и зарисовать осциллограмму (рис 4).
3.2 Включить S2 и S3 и зарисовать осциллограмму напряжения с фильтром
(рис 5).
Рис 1
U1, 2, В
t
Рис 2
U3, 4, В
t
Рис 3
U3, 4, В
t
Рис 4
U3, 4, В
t
Рис 5
U3, 4, В
t
4. Контрольные вопросы:
4.1 Что такое выпрямление переменного тока?
4.2. Из каких блоков состоит выпрямитель, каково назначение каждого блока?
Начертить блок-схему.
1 блок
2 блок
3 блок
4 блок
5 блок
6 блок
4.3. От чего зависит степень пульсации выпрямленного напряжения?
4.4. Определить максимальное обратное напряжение на диодах в
непроводящую часть периода для обоих схем.
4.5. Каково назначение фильтра и из чего он состоит?
5. Литература: В.И. Бервинов «Электроника микроэлектроника автоматика
на железнодорожном транспорте». Издательство «Транспорт», 1987.
Стр. 61 – 71.
Лабораторные работы №11
Наименование работы. «Методика расчета выпрямителей переменного
тока на п/п диодах».
Подобные схемы широко применяются в различных электронных устройствах
и приборах. При решении задач следует помнить, что основными параметрами
полупроводниковых диодов являются допустимый ток Iдоп, на который
рассчитан данный диод, и обратное напряжение Uобр, выдерживаемое диодом
без пробоя в непроводящий период.
Обычно, при составлении реальной схемы выпрямителя задаются значением
мощности потребителя Pd, Вт, получающего питание от данного выпрямителя,
и выпрямленным напряжением Ud, В, при котором работает потребитель
постоянного тока. Отсюда нетрудно определить ток потребителя Id=PdUd.
Сравнивая ток потребителя с допустимым током диода Iдоп, выбирают диоды
для схем выпрямителя. Следует учесть, что для однополупериодного
выпрямителя ток через диод равен току потребителя, т.е. следует соблюдать
условие Iдоп>Id. Для двухполупериодной и мостовой схем выпрямления ток
через диод равен половине тока потребителя, т. е. следует соблюдать условие
Iдоп>0,5Id. Для трехфазного выпрямителя ток через диод составляет треть тока
потребителя, следовательно, необходимо, чтобы Iдоп>1/3Id.
Напряжение, действующее на диод в непроводящий период Uв, также зависит
от той схемы выпрямления, которая применяется в конкретном случае. Так, для
однополупериодного и двухполупериодного выпрямителей Uв=pUd=3,14Ud,
для мостового выпрямителя Uв=pUо/2=1,57Ud, а для трехфазного выпрямителя
Uв=2,1Ud. При выборе диода, следовательно, должно соблюдаться условие
Uобр>Uв
Рассмотрим примеры на составление схем выпрямителей.
Пример 1. Составить схему мостового выпрямителя, использовав один из
четырех диодов: Д218, Д222, КД202Н, Д215Б. Мощность потребителя Ро=300
Вт, напряжение потребителя Ud=200 В.
Решение 1. Выписываем параметры указанных диодов и записываем их
таблицу.
Таблица
Типы
диодов
Д218
Д222
Iдоп, А
Uобр ,В
0,1
0,4
1000
600
Типы
диодов
КД202Н
Д215Б
Iдоп, А
Uобр, В
1
2
500
200
2. Определяем ток потребителя
Id=Pd/Ud=300/200=1,5 А
Находим напряжение, действующее на диод в непроводящий период для
мостовой схемы выпрямителя.
Uв=1,57*Ud=1,57*200=314 В.
4. Выбираем диод из условия Iдоп>0,5Id>0,5*1,5>0,75А; Uобр>Uв>314В. Этим
условиям удовлетворяет диод КД202Н: Iдоп=1,0>0,75 А;
Uобр=500>314 В.
Диоды Д218 и Д222 удовлетворяют напряжение (1000 и 600 больше 314В), но
не подходят по допустимому току (0,1 и 0,4 меньше 0,75 А). Диод 215Б,
наоборот, подходит по допустимому току (2>0,75 А), но не подходит по
обратному напряжению (200<314 В).
5. Составляем схему мостового выпрямителя (рис.1). В этой схеме каждый из
диодов имеет параметры диода КД202Н;
Iдоп=I А; Uобр=500 В.
Рис.1
Пример 2. Для питания постоянным током потребителя мощностью Ро=250 Вт
при напряжении Ud=100 В необходимо собрать схему двухполупериодного
выпрямителя, использовав стандартные диоды типа Д243Б.
Решение. 1. Выписываем параметры диода: Iдоп=2 А; Uобр=200 В.
2. Определяем ток потребителя: Id=Рd/Ud= 250/100=2,5 А.
3. Определяем напряжение, действующее на диод
в непроводящий период: Uв=3,14Ud=3,14*100=314 В.
4. Проверяем диод по параметрам Iдоп и Uобр. Для данной схемы диод должен
удовлетворять условиям Uобр>Ud и Iдоп>0,5Id.
В данном случае первое условие не соблюдается (200<314), т.е. Uобр<Uв;
второе выполняется (0,5Id=0,5*2,5=1,25<2 А).
5. Составляем схему выпрямителя. Чтобы выполнялось условие Uобр>Uв,
необходимо два диода соединить последовательно, тогда Uобр=200*2=400> 314
В. Полная схема выпрямителя приведена на рис.2
Рис.2
Пример 3. Для питания постоянным током потребителя мощностью Pd=300 Вт
при напряжении Ud=20 В необходимо собрать схему однополупериодного
выпрямителя, использовав имеющиеся стандартные диоды Д242А.
Решение.
1. Выписываем параметры диода: Iдоп=10 А, Uобр=100 В.
2. Определяем ток потребителя
Id=Pd/Ud=300/20=15 А.
3. Определяем напряжение, действующее на диод в непроводящий период:
Uв=3,14*Ud=3,14*20=63 В.
4. Проверяем диод по параметрам Iдоп и Uобр. Для данной схемы диод должен
удовлетворять условиям Uобр>Uв, Iдоп>Id.
В данном случае второе условие не соблюдается (10<15 А, т.е. Iдоп<Id).
Первое условие выполняется (100>63 В).
5. Составляем схему выпрямителя. Чтобы выполнялось условие Iдоп>Id надо
два диода соединить параллельно, тогда Iдоп=2*10=20 А; 20>15 А. Полная
схема выпрямителя приведена на рис.3
Рис.3
Пример 4. Для составления схемы трехфазного выпрямителя на трех диодах
заданы диоды Д243. Выпрямитель должен питать потребитель с Ud=150 В.
Определить допустимую мощность потребителя и пояснить порядок
составления схемы выпрямителя.
Решение.
1. Выписываем параметры диода: Iдоп = 5 А, Uобр=200 В.
2. Определяем допустимую мощность потребителя. Для трехфазного
выпрямителя Iдоп>(1/3) Id, т.е. Pd=3 Ud Iдоп =3*150*5=2250 Вт.
Следовательно, для данного выпрямителя Pd≥2250 Вт.
3. Определяем напряжение, действующее на диод в непроводящий период:
Uв=2,1*Ud=2,1*150=315 В.
4. Составляем схему выпрямителя. Проверяем диод по условию. В данном
случае это условие не выполняется (200≤315 В). Чтобы это условие
выполнялось, необходимо в каждом плече выпрямителя два диода соединить
последовательно, тогда Uобр=200*2=400 В; 400≥315 В. Полная схема
выпрямителя приведена на рис.4
Рис.4
Тема 3.2. Управляемые выпрямители.
Лабораторные работы №12
Наименование работы. «Исследование электронной схемы работы
управляемого выпрямителя».
Цель занятия: Изучить работу схемы, снять осциллограммы выпрямленного
напряжения при различных углах регулирования.
Оборудование и приборы. Макет №12, стенд БИС-ЭР, осциллограф С1-112.
Порядок выполнения работы.
1.Рассмотреть схему изучить её строение
2.Подать на Х1-Х2 переменное напряжение 180 В, на Х3-Х4 220 В, подключить
осциллограф С1-112 к гнёздам Х5-Х6. Включить БИС-ЭР и С1-112.
(Если на экране С1-112 не появилась осциллограмма, поменяйте местами
провода к гнёздам Х1-Х2).
3.Изменяя положение ручки потенциометра R зарисовать осциллограммы
напряжения на гнёздах Х5-Х6 для углов регулирования α=45 0, α=90 0, α=1350,
α=170 0.
4.Для каждого опыта замерить напряжение на гнёздах Х5-Х6 мультиметром
С1-112.
U12
t
U56
α=450
U56=
B
t
U56
α=900
U56=
B
t
U56
α=1350
U56=
B
t
U56
α=1700
U56=
B
t
5.Ответить на контрольные вопросы:
5.1. Какова зависимость между углом регулирования α и величиной
выпрямленного напряжения
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
5.2. Каково назначение R и С1
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
5.3. Где на железнодорожном транспорте применяются регулируемые
выпрямители
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
Тема 3.3. Сглаживающие фильтры.
Лабораторные работы №13
Наименование работы. «Исследование сглаживающих фильтров».
Цель занятия: Ознакомление с работой управляемого выпрямителя;
исследование сглаживающих фильтров; исследование осциллограмм
управляемого выпрямителя и сглаживающих фильтров, снятие нагрузочной
характеристики выпрямителя.
Оборудование и приборы. Осциллограф типа С1 – 72, РV1 - вольтметр
переменного тока 15В, РV2 - вольтметр постоянного тока 30В, РА1 миллиамперметр постоянного тока 50мА.
Напряжение на выходе вентильного блока любого выпрямителя всегда является
пульсирующим и содержит кроме постоянной еще и переменные
составляющие. Питание от выпрямителей многих электронных приборов
(например, радиоприемников, магнитофонов с микрофонами, измерительных
усилителей и т. д.) возможно лишь достоянным током с коэффициентом
пульсаций около 10 – 5 - 10 - 2 %. Пульсирующее напряжение производит
вредные эффекты, нарушающие нормальную работу устройств. Сглаживающие
фильтры предназначаются для подавления пульсаций выпрямленного
напряжения до уровня, при котором происходит нормальная работа
потребителя. Фильтры включаются между блоком вентилей и нагрузкой.
Сглаживающие фильтры подразделяются на пассивные и активные
(электронные). Пассивные фильтры применяются наиболее часто. Они состоят
из звеньев, образованных последовательно - параллельным соединением
индуктивных катушек L, конденсаторов С и резисторов R. Электронные
фильтры содержат, кроме того, усилительные элементы — транзисторы или
электронные лампы.
К фильтру предъявляется основное требование: при минимальных собственных
размерах и массе максимально уменьшить переменную составляющую
выпрямленного напряжения, не увеличивая при этом сопротивление
постоянной составляющей. Эффективность сглаживания пульсаций
оценивается коэффициентом сглаживания, который представляет собой
отношение коэффициента пульсаций на входе фильтра к коэффициенту
пульсаций на выходе
q = Кп,вх / Кп,вых.
В зависимости от числа элементов и схемы их соединения различают простые
и сложные пассивные сглаживающие фильтры. Схемы первых не содержат в
своем составе колебательных контуров, а схемы сложных фильтров - содержат.
Из простых фильтров наибольшее распространение получили однозвенные Г- и
П- образные фильтры. Схемы некоторых простых фильтров приведены на рис.
1. Емкостный фильтр(рис. 1, а) состоит из конденсатора, подключаемого
параллельно нагрузке; применяется в маломощных цепях. Процесс
сглаживания пульсаций емкостным фильтром показан на рис. 2.
Положительные полуволны напряжения, выпрямленного однофазным
однополупериодным выпрямителем, разделены паузами. Конденсатор запасает
энергию в те промежутки времени, когда открывается вентиль и нарастает
напряжение; увеличение напряжения ис (заряд) происходит по
экспоненциальному закону (линия uз). Когда же положительная полуволна
напряжения спадает, конденсатор разряжается, т. е. возвращает накопленную
энергию в цепь с нагрузкой Rн. Коэффициент пульсации при этом зависит от
сопротивления нагрузки: линия uр1 соответствует малой (Rн→ ∞), uр2 номинальной, uр3 - большой нагрузкам (Rн→0). Емкостное сопротивление
уменьшается с ростом частоты, поэтому
Рисунок 1. Варианты сглаживающих фильтров. а — емкостный; б —
индуктивный; в — Г- образный; г — П -образный.
переменная составляющая пульсирующего тока замыкается через конденсатор,
а постоянная составляющая поступает на нагрузку. Для лучшего сглаживания
пульсаций емкостное сопротивление должно быть значительно меньше
активного сопротивления нагрузки хс = 1/ωС <<Rн. Из этой формулы можно
определить емкость фильтрующего конденсатора С.
Рисунок 2. Сглаживание пульсаций конденсатором.
Недостатками емкостного фильтра считают малую его эффективность при
больших токах нагрузки, увеличение обратного напряжения на вентилях и др.
Индуктивный фильтр представляет собой дроссель низкой частоты L,
включенный между вентильным блоком выпрямителя и нагрузкой (см. рис. 13.
1 ,6). Дроссель обладает большим индуктивным сопротивлением xL= ωL, и
процесс сглаживания пульсаций заключается в том, что на дросселе падает
большая часть переменной составляющей выпрямленного напряжения, а
постоянная составляющая проходит почти беспрепятственно. Чтобы получить
малый коэффициент пульсаций на выходе фильтра, индуктивное
сопротивление дросселя должно быть значительно больше сопротивления
нагрузки, т. е. xL= ω1г >>RH. Индуктивность дросселя L можно определить по
упрощенной формуле L = qRH /ω1г,где q — заданный коэффициент
сглаживания, RН — сопротивление нагрузки, которое должно быть значительно
больше активного сопротивления дросселя RДР, и ω1г = 2π f1г - частота первой
(основной) гармоники пульсаций. Индуктивный фильтр часто применяется в
выпрямителях средней и большой мощности (от нескольких киловатт и более).
В маломощных выпрямителях фильтры с дросселями применяют редко из-за
значительных габаритов
и массы. Другим недостатком такого фильтра считается резкое повышение
ЭДС самоиндукции при обрыве цепи нагрузки или прерывистом токе нагрузки.
Г- образный сглаживающий фильтр (см. рис. 13. 1, в) сочетает в себе свойства
индуктивного и емкостного фильтров. Дроссель, включенный последовательно
с нагрузкой, и конденсатор, шунтирующий нагрузку, называют однозвенным Гобразным фильтром; его можно рассматривать как делитель напряжения с
частотно-зависимым коэффициентом передачи. Г- образный фильтр
обеспечивает эффективное сглаживание пульсаций, если индуктивное
сопротивление для первичной гармоники выпрямленного напряжения в 5-10
раз больше, а емкостное во столько же раз меньше, чем сопротивление
нагрузки: ωL >> RH >> 1 /ωC. Общий коэффициент сглаживания равен
произведению коэффициентов сглаживания L- и С- элементов:
q ≈ qLqC = (ωL / Rн ) ωCRн = ω2LC.
Рисунок 3.
Если известны емкость конденсатора, коэффициент сглаживания пульсаций и
частота первой гармоники, то разные LС -фильтры используют в
выпрямителях средней и большой мощности. В маломощных выпрямителях с
целью уменьшения массы и габаритов фильтра вместо дросселя часто
устанавливают резистор. П- образный фильтр применяют в случаях, когда
коэффициент сглаживания однозвенного фильтра оказывается
недостаточным. Схема П- образного фильтра (рис.13. 1, г) начинается с
конденсатора С1 , за которым следует Г- образный LC-фильтр. Коэффициент
сглаживания П- образного фильтра равен произведению коэффициентов
емкостного и Г- образного фильтров q ≈ qC qГ .
Порядок выполнения работы.
1. Собрать исследуемую схему однополупериодного выпрямителя с емкостным
сглаживающим фильтром (рисунок 3).
2. Включить однополупериодный выпрямитель тумблером "Вкл" и снять
осциллограмму выпрямленного сигнала. Перечертить в тетрадь.
3. Подать переменное напряжение на выпрямитель, для чего включить тумблер
"~15 В". Ручкой установить максимальное напряжение.
4. RУПР установить в среднее положение. Отключить конденсаторы С1 и С2 на
выпрямителе с помощью тумблеров "ВКЛ. / ВЫКЛ" .
5.Измерить ток нагрузки IН , напряжение нагрузки UН. Ток измерять прибором
РА1, напряжение РV2.
6.С помощью осциллографа зарисовать осциллограммы напряжения на входе и
выходе выпрямителя. Измерить с е помощью осциллографа напряжение
пульсаций UН~.
7.Включить на выпрямителе конденсатор С1 и повторить п.5,6.
8.Отключить конденсатор С1 и включить С2 на выпрямителе; повторить п.5,6.
9.Включить конденсаторы С1 и С2 выпрямителя и повторить п.5,6.
Тема 3.4. Стабилизаторы напряжения и тока.
Лабораторные работы №14
Наименование работы. «Исследование компенсационного стабилизатора
напряжения».
Цель занятия: Исследовать полупроводниковый стабилизатор напряжения
компенсационного типа.
Общие теоретические положения. Важным требованием, предъявляемым к
вторичным электрическим источникам питания, является постоянство
напряжения на нагрузке при различных величинах ее сопротивлений и
различных токах, протекающих через нее.
Для обеспечения этого требования используют стабилизаторы напряжения.
Имеется два различных принципа стабилизации напряжения:
параметрический и компенсационный.
В параметрических стабилизаторах используются элементы с
нелинейной зависимостью между током и напряжением – варисторы,
терморезисторы, кремниевые стабилитроны и др. Принцип работы
параметрических стабилизаторов основан на изменении сопротивления
нелинейных элементов, входящих в схему, при изменении приложенного к
нему напряжения или проходящего через него тока. В результате
перераспределения напряжения между отдельными элементами схемы и
достигается стабилизация выходного напряжения (рис. 1.).
Компенсационный метод стабилизации основан на использовании систем
автоматического регулирования выходного напряжения. В таких
стабилизаторах производится сравнение фактического значения выходного
напряжения с его заданным значением, определяются величина и знак
рассогласования между ними и автоматически вырабатывается
корректирующее воздействие на элементы стабилизатора, направленное на
уменьшение этого рассогласования. На рис. 1приведена структурная схема
наиболее широко распространенного компенсационного стабилизатора
последовательного типа. Здесь регулирующий элемент (Р) включен
последовательно с источником входного напряжения UBX и нагрузкой RH .
Устройство сравнения (С) определяет разность между выходным и
эталонным (Э) напряжением и вырабатывает управляющий сигнал, который
после усиления (У) воздействует на регулирующий элемент (Р).
Сопротивление регулирующего элемента меняется и напряжение UBX
перераспределяется между Р и RH так, что происходит компенсация
происшедшего изменения напряжения на нагрузке. Стабилизатор
напряжения имеет следующие основные параметры:
1) коэффициент стабилизации, представляющий собой относительных
изменений напряжений на выходе и входе
К ст 
U вх
/
U вх
U вых
U вых
где Uвых и Uвх – номинальные напряжения на входе и выходе
стабилизатора, ∆Uвых и ∆Uвх – изменения напряжений на выходе и входе
стабилизатора;
2) входное сопротивление, характеризующее изменение выходного
напряжения при изменении тока нагрузки и неизменном входным
напряжением
Rвых 
U вых
I вых
при Uвх = const;
3) коэффициент полезного действия,  
Рвых U вых  I вых

;
Рвх
U вх  I вх
4) дрейф входного напряжения, который характеризуется величиной
относительного или абсолютного измерения выходного напряжения за
определенный промежуток времени или в определенном интервале
температур.
Порядок выполнения работы.
1. Изучить схему лабораторного макета.
2. Снять характеристику стабилизатора
U вых  f (U вых ) при Rн = const.
Напряжение на выходе изменять в пределах U вх.ном  (0,25  0,5) Uвх.ном. через ∆Uвх
= 1 В. Полученные данные свести в таблицу.
3.Повторить предыдущий пункт для другой нагрузки RН2 = const.
4. По построенным характеристикам определить коэффициент стабилизации:
К ст 
U вх
U вх.ном
U вых
U вых
5. Для нормального режима определить КПД стабилизатора η = Uвых. ном.
Iвых(Uвх. ном Iвх)
6. При номинальном напряжении определить выходное сопротивление
стабилизатора
Rвых = ∆Uвых ∆Iвых при Uвых. ном. = const.
Лабораторные работы №15
Наименование работы. «Исследование параметрического стабилизатора
напряжения».
Цель занятия: Ознакомление с принципом работы параметрических
стабилизаторов напряжения; изучение принципа действия и исследование
характеристик компенсационного стабилизатора постоянного напряжения.
Краткие теоретические сведения.
Полупроводниковые стабилизаторы напряжения используются в основном для
питания электронной аппаратуры. При их разработке нужно обеспечить две
группы показателей:
1) максимальное выходное напряжение, заданный диапазон регулирования
выходного напряжения, допустимую относительную нестабильность выходного
напряжения;
2) максимальный ток нагрузки, диапазон изменений тока нагрузки.
Для того, чтобы нестабильность выходного напряжения укладывалась в
заданные пределы, как при изменениях нагрузочного тока, так и при
изменениях питающего напряжения, стабилизатор должен иметь
соответствующие значения дифференциальных параметров - выходного
сопротивления и коэффициента стабилизации.
Стабилизаторы напряжения характеризуются следующими основными
параметрами:
а) Коэффициент стабилизации – есть отношение относительного приращения
напряжения на входе к относительному приращению напряжения на выходе
при постоянной нагрузке:
(1)
б) Выходное сопротивление характеризует изменение выходного напряжения
при изменении тока нагрузки и постоянном входном напряжении:
(2)
в) Коэффициент полезного действия (КПД) стабилизатора – есть отношение
номинальной мощности в нагрузке к номинальной входной мощности:
(3)
Различают три метода стабилизации: параметрический, компенсационный и
смешанный.
Параметрический метод основан на изменении параметров стабилизирующего
элемента таким образом, чтобы скомпенсировать дестабилизирующие факторы.
При этом используются бареттеры, стабилитроны, феррорезонансные цепи и
другие нелинейные элементы.
При компенсационном методе стабилизации величина выходного напряжения
сравнивается с эталонным напряжением и разностное напряжение так
воздействует на исполнительный элемент стабилизатора, что при этом
компенсируются изменения выходного напряжения.
В смешанных методах стабилизации одновременно используются
параметрический и компенсационный методы.
Параметрический стабилизатор напряжения.
В параметрических стабилизаторах напряжения используется прибор с резко
нелинейной зависимостью тока от напряжения – стабилитрон. Схема
включения стабилитрона выбирается так, чтобы при колебаниях входного
напряжения выходное напряжение практически не менялось. Схема
параметрического стабилизатора напряжения на газоразрядном стабилитроне
приведена на рисунке 1.
Рисунок 1 – Схема параметрического стабилизатора напряжения на
газоразрядном стабилитроне
Вольтамперная характеристика газоразрядного стабилитрона (рисунок 2) имеет
участок АВ, на котором напряжение остаётся неизменным при изменении тока.
Напряжение в пределах, соответствующих рабочему участку АВ
характеристики, называется напряжением стабилизации.
Рисунок 2 – Вольтамперная характеристика газоразрядного стабилитрона
Последовательно с параллельно включенным стабилитроном и резистором
нагрузки (рисунок 1) включается балластный резистор
, по которому
протекает ток
. Входное напряжение
, где
.
Схема работает следующим образом. Пусть, например, изменяется входное
напряжение
. Если входное напряжение увеличивается, то должно
увеличиться и напряжение
на нагрузочном резисторе
. Но стабилитрон
работает в таком режиме, что незначительное повышение напряжения на нем
вызывает резкое возрастание тока стабилитрона
(рисунок 2). При этом
увеличивается ток и падение напряжения на балластном резисторе
.В
результате падение напряжения на нагрузке
остается практически
неизменным.
Рассмотрим другой возможный случай – изменение тока нагрузки .
Увеличение тока должно вызывать уменьшение напряжения на нагрузке изза дополнительного падения напряжения на балластном сопротивлении
. Но
незначительное уменьшение напряжения на стабилитроне вызывает резкое
уменьшение тока в нем. В результате уменьшаются ток в балластном
сопротивлении
и падение напряжения на этом сопротивлении, а
следовательно напряжение на нагрузке останется практически без изменения.
Газоразрядные стабилитроны широко применяются в аппаратуре на
электронных лампах. Однако они не могут быть изготовлены на напряжение
ниже 75 в, неработоспособны при токах нагрузки более 50 мА, – имеют
относительно низкий коэффициент стабилизации (8 ÷ 20) и недостаточную
стабильность во времени. Поэтому помимо стабилизаторов с газоразрядными
стабилитронами применяются полупроводниковые стабилизаторы, в которых
для стабилизации напряжения используются кремниевые стабилитроны.
В кремниевых стабилитронах рабочий участком вольтамперной характеристики
является та часть ее, которая соответствует обратному току – обратному
напряжению и расположена примерно параллельно оси тока (рисунок 3).
Рисунок 3 – Вольтамперная характеристика кремниевого стабилитрона
Схема стабилизатора напряжения с кремниевым стабилитроном, аналогичная
схеме с газоразрядным стабилитроном, приведена на рисунке 4.
Рисунок 4 – Схема параметрического стабилизатора напряжения на
кремниевом стабилитроне
Кремниевые стабилитроны выпускаются для значительно более широких
интервалов рабочих напряжения (0,7 ÷ 300 В) и токов (единицы миллиампер –
2 А), имеют высокую стабильность во времени и малые габариты, т.е. особенно
удобны для стабилизации напряжения питания транзисторных схем.
Коэффициент стабилизации стабилизатора с кремниевым стабилитроном может
достигать 100. Единственным недостатком некоторых типов стабилитронов
является заметная температурная зависимость напряжения стабилизации,
достигающая 0,1% на 1°С.
РАЗДЕЛ № 4. ЛОГИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА.
Тема 4.1. Логические элементы цифровой техники.
Лабораторные работы №16
Наименование работы. « Исследований логических схем на элементах И,
ИЛИ, НЕ».
Цель занятия: 1. Исследовать простейшие логические схемы и получить их
таблицы истинности.
2. Реализовать заданные логические функции при помощи логических
элементов.
Оборудование: Пакет прикладных программ Electronics Workbench.
Порядок выполнения работы.
1.1 Исследование логической функции И.
а) Определение уровней логических сигналов.
Откройте файл LR_24_1 со схемой, изображенной на рис.1 В этой схеме два
двухпозиционных переключателя А и В подают на входы логической схемы И
уровни ) или 1.
Переключатель управляется соответствующей клавишей. Подключите
вольтметр для измерения напряжения на
входе В. Включите схему. Установите
переключатель В в нижнее положение.
Измерьте вольтметром напряжение на входе В
и определите с помощью логического
пробника уровень логического сигнала.
Установите переключатель В в верхнее
положение. Определите уровень логического
сигнала и запишите показание вольтметра.
Сделайте вывод, какое напряжение
соответствует единичному или нулевому
Рис. 1
логическому сигналу.
б) Экспериментальное определение таблицы
истинности элемента И.
Подайте на входы схемы все возможные комбинации сигналов А и В и для
каждой комбинации зафиксируйте значение выходного сигнала. По
результатам эксперимента составьте таблицу истинности данного элемента. По
таблице истинности составьте аналитическое выражение функции данного
элемента.
1.2Исследование логической функции ИЛИ.
Исходя из схемы рис.1, соберите схему для исследования элемента ИЛИ.
Подайте на входы схемы все возможные комбинации сигналов А и В и для
каждой комбинации зафиксируйте значение выходного сигнала. По
результатам эксперимента составьте таблицу истинности данного элемента. По
таблице истинности составьте аналитическое выражение функции данного
элемента.
1.3 Исследование логических схем с помощью генератора слов.
Откройте файл LR_24_2 со схемой, изображенной на рис.2.
Здесь использована микросхема (МС) 7400,
содержащая четыре логических элемента.
Буквами А и В обозначены входы элементов, а
буквой Y – выходы. Цифра указывает
принадлежность к тому или иному элементу.
VCC – питание постоянным напряжением 5 В.
GND – земля. Для исследования МС
применяется генератор слов, который нужно
запрограммировать так, чтобы получать
последовательно следующие комбинации: 00,
Рис. 2
01, 10, 11(панель управления генератора
открывается двойным щелчком мыши на его символе). Переведите генератор в
режим пошаговой работы нажатием кнопки «Step». Каждое нажатие кнопки
«Step» вызывает переход к очередному слову заданной последовательности,
которое подается на выход генератора. Последовательно подавая на вход
одного из элементов МС слова из заданной последовательности, заполните
таблицу истинности. По таблице истинности определите тип логического
элемента.
Указание: значение разрядов текущего слова на выходе генератора
отображаются в круглых окнах в нижней части на панели генератора.
Требования к отчету
Отчет по работе должен содержать следующие пункты:
 По каждому заданию должны быть представлены логические функции,
логические схемы, таблицы истинности, последовательность
преобразований схем и функций, если они производились;
 Выводы по работе.
A&B=Y
Элемент И
А
В
Y
A
B
Y
Элемент ИЛИ
А
В
Логический уровень “0”- __B
00
01
10
11
Лабораторные работы №17
AvB=Y
A
B
Y
Y
Логический уровень “1”- __B
Наименование работы. «Составление типовых узлов из логических
элементов И, ИЛИ, НЕ».
Цель занятия:
1. Познакомиться с принципами построения и работой дешифраторов на базе
логических элементов и специализированных микросхем.
2. Приобрести навыки проверки интегральных микросхем с помощью
программы EWB.
Оборудование: Программа Workbench
Порядок выполнения работы.
Дешифратор (декодер) – устройство с несколькими входами и выходами, у
которого определенным комбинациям входных сигналов соответствует
активное состояние одного из выходов.
Дешифраторы на ИМС имеют 4, 8 или 16 выходов. Если требуется большее
число выходов, дешифраторы наращивают в систему.
1.Собрать схему дешифратора 2х4 на логических элементах в соответствии с
рисунком 1. Провести проверку работы схемы дешифратора 2х4, переключая
выходной сигнал последовательно на выходы 0,1,2,3, а затем повторив это при
другом положении переключателя «Space».
1.2
Схема дешифратора 2х4, рис.1, содержит три инвертора и четыре
элемента 3И-НЕ; входы 2^0, 2^1-адресные, G`-вход разрешения (активный
уровень сигнал логического нуля); выходы 0 – 3 – инверсные
Рис.1. Дешифратор 2х4 на логических элементах.
2.Собрать схему включения ИМС 74154, рис. 2.
2.1 На рисунке 2. схема включения ИМС 74154, которая является аналогом
отечественной ИМС К155ИД3. Эта ИМС имеет четыре адресных входа
A,B,C.D, два входа разрешения G1`,G2` и 16 выходов (активным является
выход, на котором появляется логический ноль).
Рис.2. Дешифратор 4х16 на ИМС 74154 (российский аналог К155ИД3)
На входы разрешения необходимо подать нули. Задавать коды чисел от 0 до 15
при помощи генератора слов.
3. Ответить на контрольные вопросы, используя моделирование этих схем в
программе EWB.
Контрольные вопросы и задания:
1. При решении, каких задач цифровой техники используются дешифраторы?
2. Проанализируйте схему дешифратора 2х4 и определите назначение
переключателя « Space ».
3. В каком состоянии будут выходные индикаторы в схеме рис.2 при G1=G2=1.
Ответы:
Комбинация от
генератора
0
0
0
0
0
1
0
1
1
0
1
0
Вход
разрешения
0
1
0
1
0
1
Вход элементов 3И-НЕ
1
1
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
1
0
1
0
1
0
Выходы дешифратора
0
1
1
1
1
1
1
1
0
1
1
1
1
1
1
1
0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
Комбинации
генератора
G1
G2
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
B
B
H
B
B
0
1
Входы
дешифратора
A B C D
H H H H
H H H B
H H B H
H H B B
H B H H
H B H B
H B B H
H B B B
B H H H
B H H B
B H B H
B H B B
B B H H
B B H B
B B B H
B B B B
X X X X
X X X X
X X X X
0
0
0
0
1
0
1
1
1
1
1
1
0
1
Выходы дешифратора
0
H
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
1
B
H
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
2
B
B
H
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
3
B
B
B
H
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
4
B
B
B
B
H
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
5
B
B
B
B
B
H
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
6
B
B
B
B
B
B
H
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
7
B
B
B
B
B
B
B
H
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
8
B
B
B
B
B
B
B
B
H
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
9 10 11 12 13 14 15
B B B B B B B
B B B B B B B
B B B B B B B
B B B B B B B
B B B B B B B
B B B B B B B
B B B B B B B
B B B B B B B
B B B B B B B
H B B B B B B
B H B B B B B
B B H B B B B
B B B H B B B
B B B B H B B
B B B B B H B
B B B B B B H
B B B B B B B
B B B B B B B
B B B B B B B
РАЗДЕЛ № 5. МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫ.
Тема 5.1. Полупроводниковая память.
Лабораторные работы №18
Наименование работы. «Полупроводниковые запоминающие устройства».
Цель работы: Ознакомление с назначением, характеристиками и принципом
построения полупроводниковых запоминающих устройств (ЗУ); изучение
работы оперативного запоминающего устройства; исследование
функциональной схемы принципа работы постоянного запоминающего
устройства; изучение работы типовых микросхем ОЗУ и ПЗУ на основе их
таблиц функционирования.
Перед началом занятия необходимо знать: Матрица – накопитель ОЗУ
состоит из 16 ячеек памяти (рис.1). Определить адреса, в двоичном коде, строк
и столбцов для внесения информации - «1» в заданные (таблица1) номера ячеек
памяти. Код адреса ячейки, адрес строки и столбца внести в таблицу 2.
Таблица 1.
Номера ячеек для записи
Вариант
информации «1»
1
1
3
9
11
15
2
7
2
13
16
8
3
3
12
4
7
9
4
5
16
14
1
6
5
2
8
6
16
12
6
4
7
10
13
1
7
15
12
8
5
2
8
3
9
11
12
16
Таблица. 2
заданные
преподават..
по
варианту
Номера
ячеек
Уровень
сигнала
1
1
1
1
1
0
0
0
0
0
Код адреса ячейки
памяти
Адрес
строки
Адреса
столбца
Оборудование: Лабораторная установка содержит: узел коммутации и
формирования цифровых сигналов; ПЗУ и ОЗУ на дискретных логических
элементах и цифровых устройствах; типовые микросхемы ОЗУ и ПЗУ
(Рисунок 1).
ОЗУ содержит 16-битовый накопитель памяти на D-триггерах. Ячейки
нумеруются двоичными числами. Адрес первой ячейки – 0000, последней –
1111. Их десятичные номера 0 - 15. Информация по четырехразрядной шине
поступает на регистр адреса, выходы которого разбиты на две двухразрядные
группы, причем младшая группа А1А0 определяет адрес строки, а старшая
А3А2 – адрес столбца накопителя. Дешифраторы строк и столбцов
преобразуют эти адресные группы в сигнал на одном из соответствующих
выходов. Комбинация сигналов на выходах дешифраторов строк и столбцов
определяет адрес ЭП, куда информация заноситься или считывается. Адрес ЭП
задается кнопкой Кн1, формирующей сигналы низкого и высокого уровня (0
или 1).
ПЗУ на дискретных элементах включает дешифратор адреса, селектор
каналов и 4-х битовый накопитель памяти. Нумерация ЭП 0000…0011 (0 - 3).
Адрес ячеек памяти задается кнопкой Кн5. Индикация состояний ЭП
светодиодная. Записанная в ЭП информация выдается на шину данных. Запись
и считывание информации в ОЗУ и ПЗУ осуществляется посредством узла
коммутации, включающего четыре кнопки управления П1…П4 и кнопку П5
подачи питания на ПЗУ и ОЗУ.
На лабораторном стенде приведены микросхемы К155РУ1 и КР556РТ4.
ОЗУ
1
Дешифратор
строк
адреса
С
A0
01
02
Зап.
03
Кн 3
04
05
06
07
К
И
A3
08
12
09
13
10
14
11
02
П1
РЗ
П2
П3 РС
15
“0”
A1
РЗ
A2
RAM
Дш2
Шина
Сектор
данных
каналов
1 0
A2
B2
B3
DROM
D1
D2
B1
A3
D3
A4
D4
B4
3n.0
3n.1
A5
A6
Вых.1
Вых.2
1 1 0 0
A1
A3
A4
Уст. Кн.4
KР556РТ4
A0
03
Зап.
0
K155РУ1
Дш1 адреса
РС
П4
1
01
Счит.
ОЗУ/ПЗУ
РС
A2
00
Шина
РЗ
A1
Дешифратор
столбцов
О
1 0
данных
Р
Шина
ПЗУ
Шина
00
Регистр
Т
0
Рис. 1 Схема лабораторной установки
Кн 5
Назначение кнопок.
П1 – формирует сигнал разрешения считывания информации из ОЗУ;
П2 – формирует сигнал разрешения записи в ЭП ОЗУ;
П3 – формирует сигнал разрешения считывания информации из ПЗУ;
П4 – формирует сигнал разрешения записи в ЭП ПЗУ;
П5 – обеспечивает подачу питания на схемы ОЗУ и ПЗУ: при
выключенном состоянии П5 – подается +5В для питания ПЗУ; во
включенном состоянии – ОЗУ.
Кн2 – формирует сигнал «0», «1» для записи в ЭП ОЗУ;
Кн3 – формирует сигнал «0», «1» для записи в ЭП ПЗУ;
Кн4 – устанавливает ОЗУ в исходное состояние;
Кн5 – формирует адреса ЭП в ПЗУ.
Микросхема
К155РУ1 - статическое ОЗУ для хранения 16 бит
информации. Ячейки памяти образуют четыре ряда и четыре колонки,
представляют собой матрицу триггеров. Для выбора ячейки (триггера),
расположенного в ряду матрицы, служат четыре адресных входа А1-А4, для
выбора по колонке – входы В1 - В4. Ячейка выбирается при подаче
логической единицы по обоим адресам. Данные записываются в ячейку по
раздельным входам «Зп.0» и «Зп.1» . Для считывания данных из памяти
следует подать адрес ячейки по шинам An и Bn. Считанные данные появятся
на отдельных выходах «Сч.1» и «Сч.0»
Микросхема КР556РТ4 – однократно программируемая постоянная
память с организацией 256х4. Исходное состояние (до программирования):
все биты всех ячеек нулевые. Два управляющих входа CS1 и CS2 для
разрешения работы микросхемы (для перевода выходов в активное
состояние) должны быть нулевыми. Для записи информации в микросхему
используется программатор.
Порядок выполнения работы.
1. Ознакомится с назначением всех элементов управления на передней
панели и подать питание на схему +5 В. Кнопку П5 нажать и зафиксировать.
2. Подготовить ОЗУ к записи, для чего кнопкой Кн4 установить схему
ОЗУ в исходное состояние. Кнопку П2 на пульте управления нажать и
зафиксировать. В ячейки памяти, адреса которых определены в соответствии
с таблицей 4, ввести информацию в виде логических «1» кнопками Кн1 и
Кн2.
3. Считать информацию со всех ячеек памяти накопителя ОЗУ, для чего
отжать кнопку П2, нажать и зафиксировать кнопку П1, кнопкой Кн1
устанавливать соответствующий адрес. Записанную в ячейках памяти
информацию отражает светодиод на шине данных. Убедиться, что результат
считывания соответствует заданию.
4. Ввести во все ячейки памяти сигнал «1». В ячейки, адреса которых
указаны преподавателем, записать сигнал «0». Проверить правильность
записи информации в выбранные ячейки. Кнопкой Кн4 установить схему
ОЗУ в исходное состояние. Кнопки П1 и П2 отжать.
5. Подать питание на ПЗУ, отжать кнопку П5. Подготовить ПЗУ к записи
информации – нажать и зафиксировать П4.
6. Ввести в ячейки памяти с адресами 0000 и 0011 сигнал «1», а в
остальные – сигнал «0». Адреса ячеек памяти задаются кнопкой Кн5, кнопка
Кн3 формирует сигнал «1» или «0».
7. Считать записанную в ячейки памяти ПЗУ информацию. Отжать П4,
нажать и зафиксировать П3. Задавая адреса ячеек Кн5 регистрировать с
помощью светодиода хранимую информацию.
8. Отжать кнопку П3, нажать и зафиксировать кнопку П4. Посредством
Кн5 и КН3 повторить запись логической 1 во все ячейки памяти. Убедиться,
что информация в ПЗУ вводиться только один раз (если не прерывается
питание схемы)
9. Изучить работу микросхем К155РУ1 и КР556РТ4. Составить таблицы
состояний. Проверить влияние отключения питания на состояние
информации микросхем.
Содержание отчета:
 Цель работы.
 Схемы ПЗУ, ОЗУ.
 Таблицы с записанными в ячейки памяти накопителей ОЗУ и ПЗУ
данными.
 Таблицы состояния микросхем К155РУ1 и КР556РТ4.
Контрольные вопросы:
1. Пояснить назначение и принцип работы регистра и дешифратора в схеме
ОЗУ.
2. Используя структурную схему ОЗУ (ПЗУ) поясните принцип работы
устройства.
3. Пояснить назначение и принцип работы селектора в ПЗУ.
4. Назовите основные параметры полупроводниковых ЗУ и поясните их
значение.
5. В полупроводниковых ЗУ какого типа используется триггер в качестве
элемента памяти?
Тема 5.2. Аналого-цифровые и цифро-аналоговые устройства.
Лабораторные работы №19
Наименование работы. «Исследование работы АЦП и ЦАП».
Цель занятия: Исследовать различные типы преобразователей. Закрепить
теоретические знания о различных типах ЦАП и АЦП, их назначении,
устройстве и принципах работы.
Оборудование: персональный компьютер, программа Electronics Workbench.
Порядок выполнения работы.
1. Исследование ЦАП с весовыми резисторами:
Соберите схему, изображенную на рис.1; ЦАП с весовыми резисторами.
Все переключатели замкните на землю, как показано на рис. 1 и измерьте
выходное напряжение.
Переключатель A установите в положение логической 1 и измерьте выходное
напряжение;
Устанавливайте переключатели В, C, D в положение логической 1 и
измеряйте и записывайте выходное напряжение;
Рис. 1. ЦАП с весовыми резисторами.
Используя данные, приведенные на схеме рис.1, рассчитайте выходное
напряжение и сравните с измеряемыми, результаты запишите в таблицу 1.
Таблица 1.
Ключ
A,B,C,D
A
A,B
A,B,C
A,B,C,D
Состояние ключа
0
1
1
1
1
Uвых(изм.)
0
-199.998mV
-1.4 V
-3.004 V
Uвых(рас.)
0
0.2V
-599.994mV
0,6V
1,4V
3.03V
Расчёт:
1) Переключатель А установлен в положение, соответствующее логической
1. K=R0/R1=10000/150000=0,066. Uвых(рас.)=0,066*3=0.2V
2) Переключатель В установлен в положение, соответствующее логической
11. К=R0/R1.2=10000/50000=0,2 Uвых(рас.)=0,2*3=0,6V
3) Переключатель С установлен в положение, соответствующее логической
111. К=R0/R1.2.3=10000/21000=0,47 Uвых(рас.)=0,47*3=1,4V
4) Переключатель D установлен в положение, соответствующее логической
1111. К=R0/R1.2.3.4=10000/9900=1.01 Uвых(рас.)=1.01*3=3.03V
2. Исследование ЦАП лестничного типа:
Соберите схему, изображенную на рис.2; ЦАП лестничного типа.
Рассчитайте выходное напряжение для всех комбинаций переключателей
A,B,C,D по формуле (1) и запишите в таблицу 2, аналогичную табл.1.
Измерьте для всех комбинаций переключателей A,B,C,D выходное
напряжение ЦАП рис.2. Запишите в таблицу и сравните с расчетными
величинами.
Рис.2. ЦАП лестничного типа.
Таблица 2.
Ключ
Состояние ключа
Uвых(изм.)
Uвых(рас.)
A,B,C,D
A
A,B
A,B,C
A,B,C,D
0
0
Рассчетное
1
234.373mV
1
703.118mV
1
-1.641V
1
-3.516V
3. Исследование ЦАП лестничного типа на базе счетчика 74160:
Соберите схему, изображенную на рис.3; четырехразрядный ЦАП
лестничного типа на базе счетчика 74160.
Используя формулу U0=U0nR0 [S12n-1 +S22n-2+…+Si2n-i+Sn2] /R2n , и
параметры схемы рис. 3, рассчитайте эквивалентное выходное напряжение.
Зарисуйте осциллограммы сигналов на счетном входе счетчика и выходе
ЦАП и объясните полученные результаты.
Рис.3. Четырехразрядный ЦАП лестничного типа на базе счетчика 74160.
4. Исследование АЦП прямого преобразования:
Соберите схему, изображенную на рис. 4; АЦП прямого преобразования.
Используя формулу (2) F=UiR3 / [R1CR4 (U1-U2)] >>1000Ui. (2) и параметры
схемы рис. 4, рассчитайте частоту выходных импульсов.
Зарисуйте и объясните осциллограммы сигналов на выходе интегратора и
компаратора.
Рис.4. АЦП прямого преобразования.
Выводы по результатам исследований:
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
Контрольные вопросы.
1. По какому закону выбираются сопротивления в ЦАП с весовыми
резисторами?_______________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
2. Поясните принцип преобразования цифрового сигнала в аналоговый.
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
3. Какими преимуществами обладает ЦАП рис.1 над рис.2?
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
4. Поясните принцип преобразования аналогового сигнала в цифровой код.
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
5. Напишите выражение для частоты выходных импульсов АЦП рис.4.
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
Тема 5.3. Микропроцессоры.
Лабораторные работы №20
Наименование работы. «Исследование структурной схемы микро ЭВМ».
Цель работы: ознакомление со структурой учебной микро ЭВМ, органами
управления и основными режимами ее работы.
Теоретические сведения.
Микропроцессорная БИС КР580ИК80 представляет собой
однокристальный 8-разрядный микропроцессор с двумя магистралями:
однонаправленной 16-разрядной адресной магистралью, двунаправленной
8-разрядной магистралью данных и 12 сигналами управления.
КР580ИК80 рассчитана на выполнение логических и арифметических
операций с 8-разрядными числами в двоичной и десятичной системах
счисления, а также операций с двойной разрядностью.
Рассмотрим назначение основных блоков и регистров микро ЭВМ (рис.
1.1).
Арифметико-логическое устройство – выполняет арифметические и
логические операции под воздействием устройства управления.
Регистры общего назначения размерностью в один байт обозначаются B,
C, D, E, H, L. Они используются для хранения данных и промежуточных
результатов вычислений, выполняемых с помощью арифметикологического устройства. При обработке 16-разрядных слов возможно
обращение к парам регистров (B, C); (D, E); (H, L).
Аккумулятор – специальный однобайтовый регистр, обозначаемый А. При
выполнении арифметических и логических операций служит источником
одного из операндов и местом запоминания результата выполнения
операции.
Регистр команд – однобайтовый регистр, в котором хранится код
выполняемой команды. Этот регистр непосредственно пользователю
недоступен. Это означает, что не существует команды, которая бы явным
образом могла изменить его содержимое. После выполнения очередной
команды в регистр команд автоматически записывается код следующей
команды из ячейки оперативной памяти, адрес которой содержится в
счетчике команд.
Рис. 1.1. Структурная схема микро-ЭВМ КР580ИК80А
Счетчик команд – двухбайтовый (16-разрядный) регистр, обозначаемый
РС. Этот регистр хранит адрес следующей команды, которая должна быть
выполнена вслед за предыдущей. Счетчик команд автоматически получает
приращение хранимого в нем адреса в зависимости от того, какую по
длительности команду (в один, два или три байта) микропроцессор
считывает из памяти, указывая всегда на 1-й байт следующей команды. На
содержимое этого регистра пользователь может повлиять только с
помощью команд, изменяющих последовательное выполнение программы
(например команд безусловного перехода), а также с помощью некоторых
специальных команд.
Указатель стека – двухбайтовый (16-разрядный) регистр, обозначаемый
SР. Этот регистр хранит адрес вершины стека. Стеком называется
специально ориентированная область памяти, используемая для
временного хранения данных или адресов. Особенностью работы стека
является то, что число, записанное в стек последним, извлекается из него
первым. Используя стек, легко в программах организовывать переходы,
вызов подпрограмм и выполнение прерываний работы микропроцессора.
Флаговый регистр представляет собой набор флагов. Каждый флаг
предназначен для хранения одного признака результата выполнения
операции.
Микропроцессор КР580ИК80А содержит флаговый регистр, состоящий из
следующих флагов: флага нуля Z; флага переноса С; флага знака S; флага
четности Р; флага дополнительного переноса АС.
Флаги всегда устанавливаются или сбрасываются автоматически после
выполнения очередной команды, влияющей на флаги, в зависимости от
результата операции. При этом флаг считается установленным, если
флаговый разряд принимает значение 1, и сброшенным, если значение
разряда 0. Состояния флагов используются в командах условного перехода.
Результаты выполнения арифметических и логических операций
оказывают влияние на флаги следующим образом:
1) флаг нуля устанавливается в состояние 1, если после выполнения какойлибо команды получен нулевой результат и сбрасывается в 0 в случае не
нулевого результата;
2) флаг переноса устанавливается в состояние 1, если в результате
операций сложения и сдвига появляется единица переноса из старшего
разряда байта данных, а также, если появляется заем из старшего разряда
после выполнения операций вычитания или сравнения, в противном
случае, флаг сбрасывается в 0;
3) флаг знака устанавливается в состояние 1, если в результате выполнения
операций появляется логическая единица в старшем разряде байта данных
(указание на отрицательный результат), и сбрасывается в 0 в случае
нулевого значения старшего разряда (указание на положительный
результат);
4) флаг четности устанавливается в состояние 1, если после выполнения
операций сумма единиц в байте данных, подсчитываемых с помощью
операции сложения по модулю 2, четна (значение суммы по модулю 2
равно 0), и сбрасывается в 0 в противном случае (число единиц –
нечетное);
5) флаг дополнительного переноса устанавливается в состояние 1, если в
результате выполнения команды появляется сигнал переноса из третьего
разряда в четвертый в байте данных результата. Если такого переноса нет,
флаг дополнительного переноса сбрасывается в 0. Сигнал этого флага
используется во многих схемах вычислений, однако он особенно
необходим при сложении чисел в двоично-десятичной форме.
Порядок выполнения работы.
Задание 1. Исследование содержимого памяти и запись данных в
память УМК
Порядок выполнения:
1) произвести исследование области памяти согласно варианту задания. В
результате исследования необходимо заполнить табл. 1.1;
2) произвести запись данных, считанных в предыдущем пункте задания, в
оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), начиная с ячейки памяти с
адресом 0800.
Таблица 1.1
Адрес ячейки
Содержимое ячейки памяти
памяти
Задание 2. Исследование содержимого и запись данных в регистры
микропроцессора
Порядок выполнения:
1) произвести перевод УМК в начальное состояние кнопкой "СБ";
2) исследовать содержимое всех доступных регистров. По результатам
исследования необходимо заполнить табл. 1.2.
Таблица 1.2
Идентификатор
Содержимое регистра
регистра
Содержание отчета:
Отчет по лабораторной работе должен иметь:
1) описание и цели работы;
2) таблицу распределения памяти учебного микропроцессорного
комплекта;
3) результаты исследования области памяти;
4) информацию о содержимом доступных регистров микропроцессора;
5) выводы о проделанной работе.
Варианты заданий на выполнение лабораторной работы даны в табл. 1.3.
Все адреса и данные в таблице представлены в шестнадцатеричной системе
счисления.
Таблица 1.3
Номер варианта
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Область исследуемой памяти
0000 – 001F
0020 – 003F
0040 – 005F
0060 – 007F
0080 – 009F
00100 – 011F
00120 – 013F
00140 – 015F
00160 – 017F
00180 – 019F
00200 – 021F
00220 – 023F
00240 – 025F
00260 – 027F
00280 – 029F