Лабораторная работа №1

В положении ”^” вход канала вертикального отклонения отключается и заземляется, что позволяет оперативно определять положение луча осциллографа, соответствующего нулевому потенциалу. Переключение в данное положение осуществляется либо перед измерением амплитудных значений, либо при определении полярности исследуемого сигнала.

Значение коэффициента отклонения канала вертикального отклонения, обозначенное на передней панели ”ВОЛЬТ/ДЕЛ. ”, верно лишь при крайнем правом положении ручки ”УСИЛЕНИЕ”, которая спарена с переключателем входного аттенюатора и имеет в крайнем правом положении механическую фиксацию.

Установите ручкой ”СТАБ.” режим работы развертки. Поверните ручку ”СТАБ.” вправо до появления развертки, получите автоколебательный режим. Поворотом ручки влево на 5-10° от точки срыва развертки устанавливается ждущий режим. Выберите источник синхронизации переключателем вида синхронизации (”ВНУТР. - ВНЕШН.”). Внутренняя синхронизация может быть использована в большинстве случаев. В положении переключателя ”ВНЕШН.” синхронизация осуществляется внешним сигналом, подаваемым на гнездо ”СИНХР.”. Для получения устойчивой синхронизации исследуемого процесса внешний сигнал должен зависеть во времени от исследуемого сигнала. Внешний сигнал для синхронизации используется в том случае, если внутренний синхронизирующий сигнал слишком мал или содержит составляющие, нежелательные для синхронизации. Для цифровых узлов этот режим удобен тем, что позволяет исследовать взаимозависимые сигналы, имеющие различные временные соотношения без перерегулировок блока синхронизации осциллографа.

Переключатель полярности синхронизации дает возможность выбирать вид связи и полярности сигнала, запускающего развертку.

В положении переключателя ”=” обеспечивается устойчивая синхронизация сигналами частотой от 5 Гц до 10 МГц, а также сигналами с малой частотой повторения. В этом режиме ручкой ”Уровень запуска” можно изменять уровень сигнала внешней синхронизации, осуществляющий запуск генератора развертки.

В положении ”~” постоянная составляющая запускающего сигнала не поступает на вход схемы синхронизации. Этот режим запуска может быть использован в большинстве случаев при частоте сигнала от 50 Гц до 10 МГц.

Выберите ручкой ”УРОВЕНЬ” точку на синхронизирующем сигнале, в которой запускается схема развертки. Когда ручка ”УРОВЕНЬ” вращается в сторону ” + ”, схема синхронизации запускается более положительным участком запускающего сигнала, в сторону ” - ” – более отрицательным участком запускающего сигнала.

Получите устойчивое изображение на экране ЭЛТ, выбрав источник синхронизации, режим запуска развертки и полярность запуска.

Установите длительность развертки такой, чтобы можно было наблюдать форму исследуемого сигнала, при помощи ручки ”ВРЕМЯ/ДЕЛ.” и тумблера множителя. Плавная регулировка длительности развертки осуществляется при помощи ручки ”ДЛИТЕЛЬНОСТЬ”, спаренной с ручкой переключателя ”ВРЕМЯ/ДЕЛ.”. Значения длительности развертки, обозначенные на передней панели прибора, верны в крайнем правом положении ручки ”ДЛИТЕЛЬНОСТЬ”. В этом положении ручка потенциометра имеет механическую фиксацию.

1.3. Измерения при помощи осциллографа

Для наблюдения исследуемого сигнала и измерения его основных параметров, таких как амплитуда, частота, временные интервалы, в подавляющем большинстве случаев можно ограничиться ниже перечисленными режимами развертки и синхронизации.

а) Ждущая развертка с синхронизацией исследуемым сигналом.

Установите ручку переключателя вида синхронизации (”ВНУТР.,ВНЕШ., х”) в положение ”ВНУТР.”, а ручку ” УРОВЕНЬ” – в одно из крайних положений. Поставьте в нужное положение переключатель длительности и тумблер множителя развертки, если приблизительно известна длительность исследуемого процесса. Установите переключатель ”ВОЛЬТ/ДЕЛ. ” в положение, при котором величина исследуемого сигнала на экране прибора наиболее удобна для наблюдения. Подайте исследуемый сигнал на гнездо ”1МW40рF”. Вращайте ручку ”СТАБ.” вправо до появления изображения на экране ЭЛТ. Вращая эту же ручку в обратную сторону, установите ее в положение, при котором развертка срывается. Это положение соответствует ждущему режиму работы. Поверните ручку ”УРОВЕНЬ” до положения, при котором появляется устойчивое изображение сигнала. Переключателем полярности (” =, ~, +, -,”) можно осуществить запуск развертки от положительной или отрицательной части сигнала, установив рычаг в положение ” + ” или ” - ”.

б) Непрерывная развертка с синхронизацией исследуемым сигналом.

Проведите те же операции с осциллографом, что и для работы в ждущем режиме. Необходимо только при отсутствии сигнала на входе повернуть ручку ” СТАБ.” так, чтобы на экране появилась линия развертки. Подайте на вход ”1МW40рF” исследуемый сигнал. Поворачивайте ручку ”УРОВЕНЬ” до получения устойчивого изображения. Если это сделать не удается, добейтесь устойчивого изображения незначительным поворотом ручки ” СТАБ.”.

в) Синхронизация от внешнего источника.

Поставьте ручку переключателя вида синхронизации (”ВНУТР.,ВНЕШ., х”) в в положение ”ВНЕШ.”, ”1:1” или ”1:10” в зависимости от амплитуды синхронизирующего сигнала. Дальнейшие операции производите так же, как и в предыдущем случае.

г) Развертка от внешнего источника.

Установите ручку переключателя вида синхронизации (”ВНУТР.,ВНЕШ., х”) в положение ” x ”. Подайте развертывающее напряжение от внешнего источника на гнездо ” x ”. Применяйте этот режим работы ТОЛЬКО в тех случаях, если для горизонтального отклонения луча необходимо не пилообразное напряжение, вырабатываемое генератором развёртки осциллографа, а сигнал другой формы, например, синусоидальный.

д) Внешняя модуляция луча по яркости.

Подключите модулирующий сигнал к гнездам ” z ”, которые находятся на задней стенке прибора. Засинхронизируйте этим же сигналом развертку для получения неподвижных яркостных меток на экране ЭЛТ.

е) Измерение временных интервалов.

Установите ручку ”ДЛИТЕЛЬНОСТЬ” в крайнее правое положение. В этом положении развертка калибрована и соответствует градуировке переключателя ”ВРЕМЯ/ДЕЛ.”. Проверьте калибровку длительности развертки по внутреннему калибратору. Установите измеряемый временной интервал в центре экрана ручкой ” ”. Поставьте переключатель ”ВРЕМЯ/ДЕЛ.” и тумблер множителя в такое положение, чтобы измеряемый интервал занимал на экране не менее 4-х делений шкалы. Для уменьшения погрешности измерения за счет толщины линии развертки, измерения проводят или оба по правым, или оба по левым краям линий изображения. Точность измерения временных интервалов увеличивается при увеличении длины измеряемого расстояния на экране ЭЛТ.

Измеряемый временной интервал определяется произведением трех величин: длины измеряемого интервала времени на экране по горизонтали в делениях шкалы, значения величины времени на одно деление шкалы данного положения переключателя ”ВРЕМЯ/ДЕЛ.” и значения множителя развертки.

Измерение временных интервалов можно произвести при помощи яркостных меток. Для модуляции луча используйте синусоидальное или импульсное напряжение. Получите на экране ЭЛТ четкое неподвижное изображение, использовав режим внешней синхронизации развертки модулирующим сигналом. Отрегулируйте ручками ”ЯРКОСТЬ” и ”ФОКУС” изображение так, чтобы на экране осциллографа были видны четкие яркие метки с темными промежутками между ними. Длительность временного интервала определяется методом подсчета количества периодов следования меток, укладывающихся на его изображение.

ж) Измерение частоты.

Частоту исследуемого напряжения можно определить путем измерения его периода. Так как число периодов исследуемого напряжения на 10 делениях шкалы при любой развертке жестко связано с его частотой, то, подсчитав число периодов на 10 делениях шкалы и разделив это число на десятикратную длительность развертки на деление, получаем частоту исследуемого сигнала. Кроме того, частоту сигнала можно измерять путем сравнения ее с эталонной частотой по фигурам Лиссажу. В этом случае на вход канала вертикального отклонения подают сигнал, частоту которого надо измерить, а на усилитель горизонтального отклонения – напряжение генератора образцовой частоты. При сближении частот на экране появляется вращающийся эллипс, остановка которого указывает на полное совпадение частот. При кратном соотношении частот на экране получается более сложная фигура, причем частота по вертикали так относится к частоте по горизонтали, как число точек касаний касательной к фигуре по горизонтали относится к числу точек касания фигуры касательной по вертикали.

з) Измерение амплитуды исследуемых сигналов.

Проверьте калибровку коэффициента отклонения усилителя вертикального отклонения луча. Подайте на вход ”1МW40рF” исследуемый сигнал. Ручка ”УСИЛЕНИЕ” должна находиться в крайнем правом положении. Установите ручкой ”ВОЛЬТ/ДЕЛ. ” величину изображения в пределах рабочей части экрана. Совместите при помощи ручек ” ” и ” ” изображение сигнала с нужными делениями шкалы и отсчитайте размах изображения по вертикали в делениях. Величина исследуемого сигнала в вольтах будет равна произведению измеренной величины в делениях на цифровую отметку переключателя ”ВОЛЬТ/ДЕЛ. ”. При работе с выносным делителем 1:10 полученный результат умножаете на 10. Точность измерения амплитуд гарантируется при размере изображения от 2,8 до 7 делений. Установите входной аттенюатор в такое положение, при котором исследуемый сигнал по размерам получается наибольшим в пределах рабочей части экрана.

1.4. Устройство и принцип работы лабораторного стенда «СХЕМОТЕХНИКА ЭВМ»

Лабораторный стенд «СХЕМОТЕХНИКА ЭВМ» (далее стенд) предназначен для закрепления теоретических знаний и наработки практических навыков по дисциплинам «Теория автоматов», «Схемотехника ЭВМ». Стенд позволяет имитировать дискретные электрические сигналы, необходимые для обеспечения работоспособности различных цифровых узлов и микросхем в различных режимах их работы. Стенд изготовлен в климатическом исполнении группы 2 по ГОСТ 21552-84.

1.4.1. Основные технические характеристики стенда

Стенд изготовлен в соответствии со стандартными техническими условиями на учебное лабораторное оборудование.

В лабораторном стенде реализованы следующие цифровые узлы и элементы:

тактовые генераторы сигналов ТИ1 и ТИ2;

схема из счетчиков и дешифраторов, циклически формирующая синхронизирующие сигналы (И0…И3, Т0…Т3, П0…П3, Ц0…Ц3);

логические элементы (4-х входовые схемы И-НЕ – 8 шт., инверторы – 8шт.);

двухтактные синхронные комбинированные D-триггеры (4 триггера);

тумблерный 4-х разрядный регистр (ТР1…ТР4);

кнопочный переключатель (КН);

два светодиодных индикатора (ИН1, ИН2);

три панели (РС1, РС2, РС3) для подключения к лабораторной установке соответственно 14, 16 и 20-ти входовых ТТЛ (ДТЛ, ТТЛШ) микросхем через коммутационные гнезда (1…20).

Габаритные размеры стенда не более 500´300´120 мм.

Масса стенда не более 0.75 кг.

Максимальный электрический ток, потребляемый стендом от источника питания постоянного тока напряжением 5 В, не более 0,5 А.

Устройство сохраняет работоспособность при отклонении напряжения питания источника постоянного тока +5В в пределах 5%.

Устройство сохраняет работоспособность при воздействии вибраций с частотой не более 25 Гц.

Устройство сохраняет работоспособность при температуре окружающего воздуха от + 5С до + 40С.

Наработка на отказ Т при доверительной вероятности р*=0,95 – не менее 1000ч.

Среднее время восстановления Тв при доверительной вероятности р*=0,95 – не более 1ч.

Средний срок службы Тсл. – не менее 5 лет.

1.4.2. Внутренняя организация и работа стенда

Структурная схема устройства синхронизации стенда представлена на рис. 1.4.

Функционально устройство синхронизации делится на узел формирования тактовых импульсов и блок счетчиков-дешифраторов. Узел формирования импульсов в своем составе содержит два генератора импульсов. Генераторы импульсов выполнены в виде схемы из инверторов с времязадающими RC - цепями. Блок счетчиков-дешифраторов в своем составе содержит:

два 4-х разрядных двоичных счетчика К155ИЕ5;

четыре 2-х разрядных полных дешифратора К155ИД4;

16 инверторов К155ТЛ2.

Часть инверторов служат для формирования инверсных сигналов тактовых генераторов. Прямые и инверсные сигналы с генераторов выведены на гнезда передней панели устройства

(ТИ1, ТИ1,ТИ2,ТИ2). Выход одного из генераторов (ТИ1) подключен к инкрементирующему входу первого счетчика, обеспечивая инкремент счетчика при работе. Выход переноса первого счетчика соединен с инкрементирующим входом второго счетчика, образуя в совокупности восьмиразрядный двоичный счетчик. Выходы счетчиков подключены к входам дешифраторов. Выходы счетчиков (D0…D7) и дешифраторов выведены на гнезда передней панели устройства вместе с сигналами, полученными при инвертировании сигналов с дешифраторов

(И0…И3, И0…И3), (П0…П3, П0…П3), (Т0…Т3, Т0…Т3),

(Ц0…Ц3, Ц0…Ц3).

Сигналы И0…И3, И0…И3 очищены от "игольчатых" помех путем стробирования дешифратора сигналом ТИ1, вследствие чего данные сигналы взаимно не перекрываются во времени и сдвинуты друг относительно друга на половину периода сигнала ТИ1.

Сигналы П0…П3, П0…П3, Т0…Т3, Т0…Т3, Ц0…Ц3, Ц0…Ц3 не очищены от "игольчатых" помех, которые обусловлены явлениями "гонок" и "состязаний" в дешифраторах, вследствие чего их длительность кратна периоду следования сигнала ТИ1.

Сигналы, выведенные на гнезда передней панели, служат для дальнейшей коммутации к анализируемому цифровому устройству или микросхеме.

Стенд может использоваться самостоятельно - статический режим работы, и в комплексе с дополнительной контрольно - измерительной аппаратурой (осциллограф, частотомер и т.п.) - динамический режим работы.

В статическом режиме работы для задания значений логических переменных необходимо использовать 4-х разрядный тумблерный регистр (ТР1…ТР4). Для индикации значений логических переменных и функций необходимо использовать два светодиодных индикатора (ИН1, ИН2). Свечение светодиодного индикатора соответствует поступлению на его вход логической 1 (< +2,4 В), а отсутствие свечения - поступлению логического 0 (> + 0,4 В).

Кнопка КН может использоваться для формирования одиночных сигналов синхронизации или управления. Вариант формирования одиночного сигнала от кнопки показан на рис.1.5. Данный вариант можно использовать только в том случае, когда явление дребезга механических контактов не оказывает принципиального влияния на работу исследуемого цифрового устройства. В противном случае необходимо использовать так называемый генератор одиночных импульсов (ГОИ), выходные сигналы которого очищены от дребезга механических контактов. Возможна реализация ГОИ в соответствии со следующими схемами, представленными на рис.1.6 (а,б).

Рис.1.5. Вариант формирования одиночного сигнала от кнопки КН, не очищенного от дребезга механических контактов

а)

б)

Рис.1.6. Варианты реализации генератора одиночных импульсов, очищенных от явления дребезга механических контактов: а) на элементах И-НЕ; б) на RS-триггере

В динамическом режиме работы (при наличии осциллографа) логические переменные могут имитироваться сигналами D0…D7, которые формируются 8-ми разрядным двоичным счетчиком. Синхронизирующие и управляющие сигналы и потенциалы циклически формируются схемой дешифрации и подаются на гнезда И_i, П_j, Т_m, Ц_r лабораторной установки. Логические условия формирования сигналов описываются следующей системой логических уравнений:

(1.1)

Сигналы И_i условимся называть импульсами, П_j - периодами, Т_m - тактами, Ц_r - циклами.

Коэффициент пересчета задающего асинхронного счетчика (D0…D7) максимально равен 256 периодам повторения тактовых импульсов ТИ1. Это позволяет формировать циклическую временную диаграмму, повторяющуюся через 256 периодов сигналов ТИ1. На основе системы уравнений (1.1) с помощью дополнительной четырех - входовой схемы И-НЕ может быть выделен любой из 256 отрицательных полупериодов сигналов ТИ1. Например, требуется выделить 107 отрицательный полупериод сигнала ТИ1. Примем следующее соглашение (1.2), определяющее начало отсчета (момент формирования нулевого полупериода):

(1.2)

Сигнал, формируемый в соответствии с логическим уравнением (1.2) целесообразно использовать в качестве сигнала внешней синхронизации для осциллографа. Такой сигнал формируется в стенде и выведен на гнездо «СС» - сигнал синхронизации.

Для выделения ТИ1¹⁰⁷ необходимо десятичное число 107 предварительно представить в двоичном коде и составить на основании (1.1) уравнение вида (1.2). Для этого составим следующую таблицу, в которой записано число 107 в двоичном коде:

Таблица

С учетом (1.1), (1.2) и данных, представленных в таблице, получим:

Сигнал, сформированный в соответствии с логическим уравненим (1.3) будет отстоять от сигнала СС на 107 периодов следования сигналов ТИ1.

1.5. Терминология, используемая при описании формы дискретных сигналов

В цифровой технике применяются аналоговые и цифровые сигналы [2]. Это формальное различие, так как дискретный сигнал представляет собой аналоговый, но специальной формы. И в аналоговой, и в цифровой вычислительной технике существуют соглашения о том, каким образом тот или иной физический сигнал может нести информацию. Для чисто аналогового сигнала для переноса информации может использоваться амплитуда сигнала, частота, фаза или их комбинации. Для дискретного сигнала для передачи информации может быть использована амплитуда, полярность, длительность, период следования.

При анализе формы двоичных сигналов пользуются определенными терминами. На рис.1.7а приведена осциллограмма идеального однополярного сигнала постоянного тока. Типовая форма реального дискретного сигнала соответствует осцилло­грамме, представленной на рис. 1.7б.

Рис. 1.7. Параметры реального дискретного сигнала

постоянного тока

В соответствии с этой осциллограммой посылка ориентирована относительно уровня 0 (соответствую­щего уровня идеальной посылки). Наличие переходных про­цессов при формировании дискретного сигнала подтверждается выбросами амплитуды огибающей, наклоном переднего ОА и заднего ВЕ фронтов посылки.

В соответствии с принятой терминологией имеем следующие параметры, характеризующие рассматривае­мый дискретный сигнал:

U_m — максимальнаяамплитуда импульса, равная напряжению между уровнем 0 и уровнем точки А, определенной пере­сечением продолжения плоской вершины импульса (участка БВ) с передним фронтом импульса;

U_mcp — средняя амплитуда импульса, равная напряжению между уровнем 0 и уровнем точки Б, расположенной на плоской вершине импульса и соответствующей половине длительности импульса 0.5 ;

U_{m max} — максимальная амплитуда импульса, соответствующая разности напряжения между уровнем 0 и точкой Д, соответствующей максимуму выброса фронта им­пульса;

U_{m min} — минимальная амплитуда импульса, соответствующая разности напряжений между уровнем 0 и точкой пе­ресечения плоской вершины импульса с фронтом спа­да импульса (точка В);

— длительность импульса—время, отсчитываемое на уровне 0.5 U_m между фронтом и спадом импульса;

— длительность фронта импульса—время нарастания амплитуды от 0,1U_m до 0.9U_m;

— длительность среза импульса—время снижения ам­плитуды импульса от значения в точке В до 0.1U_m;

U_в.ф — выброс фронта импульса—разность напряжения меж­ду точками Д и А;

U_в.с. — выброс среза импульса — разность напряжения меж­ду точками 0 и Е.

Для идеального импульса, представленного на рис.1.7 а), имеют место следующие соотношения:

U_m = U_{m max} = U_{m cp} = U_{m min}

U_в.ф = U_в.с = 0; = = 0.

1.6. Требования к оформлению и содержанию отчета

Отчет должен быть оформлен в соответствии с общеуниверситетскими требованиями к оформлению отчетов по лабораторным работам.

Отчет должен содержать титульный лист, описание цели лабораторной работы, задание на лабораторную работу, а также все измеренные осциллографом С1–67 амплитудно-временные параметры сигналов ТИ1 и ТИ2, формируемые лабораторным стендом «Схемотехника ЭВМ».

В отчёте необходимо привести подробное описание положений органов управления осциллографа С1-67 при проведении измерений заданных амплитудно-временных характеристик импульсных сигналов, а также описание режимов синхронизации осциллографа, используемых при проведении измерений амплитудно-временных характеристик импульсных сигналов.