 |
Задание и порядок выполнения работы для схемы И
|
|
|
|
1. Промоделируйте на компьютере двухвходовую схему совпадения.
§ Для схемы с двумя диодами используйте генераторы входного сигнала, дающие уровни единицы 4 и 3 вольта. Напряжение источника питания установите 5 В. Настройте длительность импульсов так, чтобы наблюдались все четыре сочетания входных сигналов.
§ Для схемы с двумя диодами смоделируйте импульсную помеху на обоих входах. Один сигнал установите 0,3 В, а другой 0, 7 В. Настройте длительность импульсов и период повторения, так, чтобы наблюдались все четыре сочетания входных сигналов.
§ Для схемы с двумя входами пронаблюдайте временные характеристики при подаче на оба входа напряжения 3,5 В. Установите при этом Ro=8,2 k; R= 1 k. Запишите длительность фронта при двух значениях Со= 30 пф и 250 пф.
2. Проделайте измерения на макете
§ Проверьте калибровку осциллографа.
§ Сделайте измерения для схемы И для случаев Un<E и Un=Е. (Длительность входных импульсов установите не менее 10 мксек). Исследуйте зависимость Uвых=Uпомехи от числа сигналов. Измерьте амплитуды Uвых и рассчитайте их по формуле (26). Результаты представьте в виде таблиц:
Uвх<E Uвх=E
| m | m | |||||||||||||
| Эксп Uвых | Эксп Uвых | |||||||||||||
| Теор Uвых | Теор Uвых |
(для расчётов используйте те же параметры что для моделирования).
§ Измерьте длительность фронтов Uвых при m=n=6. Измеренные величины сравнить с результатами расчётов по формулам (31) и (32).
§ Рассчитайте быстродействие схемы И при m=n=6 по формуле (33). Проверьте результат экспериментально.
ИНВЕРТОР
|
|
|
В вычислительной технике инвертором называется электронное устройство с одним входом и одним выходом, сигнал на выходе которого возникает лишь при отсутствии сигнала на входе[9]. Инвертор применяется для выполнения элементарной логической операции "НЕ" (Отрицание).
Различают инверторы потенциальный и импульсный. Потенциальный инвертор обеспечивает близкий к нулю уровень потенциала на выходе при существенно отличном от нуля потенциале на входе и наоборот. Например, при Uвх>2,5 B потенциал Uвых<0,4 B.
Потенциальный инвертор может быть выполнен на электровакуумных лампах и биполярных или полевых транзисторах. Далее рассматривается потенциальный инвертор на биполярных транзисторах, рис. 18. В правой части рис. 18 представлена схема инвертора, выполненная на транзисторе типа n-p-n. Если на ход этого инвертора подан положительный единичный сигнал (Лог.1), то транзистор открыт и находится в режиме насыщения. На выход поступает сигнал логического нуля, близкий к потенциалу эмиттера транзистора. Если на вход инвертора подаётся нулевой сигнал, то транзистор закрыт отрицательным смещением, создаваемым источником Еб и на выходе будет сигнал 1, близкий к потенциалу Ек [12]. В инверторах интегральных микросхем напряжение смещения не применяется.
Рис. 18. Инверторы на биполярных транзисторах типов p-n-p и n-p-n.
Транзистор в схеме инвертора работает в ключевом режиме, когда транзистор либо закрыт (режим отсечки коллекторного тока), либо открыт (активный режим или режим насыщения). Обычно, особенно при больших токах нагрузки, используется насыщенный ключ, так как в режиме насыщения на биполярном транзисторе рассеивается меньшая мощность, чем в активном режиме.
В насыщенном транзисторном ключе активный режим является переходным от одного стационарного состояния ключа в другое и определяет его быстродействие.
Для расчёта переходных процессов в ключах на биполярных транзисторах широко применят метод заряда. По этому методу расчет переходных процессов заключается в определении закона изменения во времени заряда неосновных носителей тока в базе и установлении связи этого заряда с внешними токами транзистора. По методу зарядов можно найти переходную характеристику Ik(t).
|
|
|
Рассмотрим схему ключа на p-n-p транзисторе с учётом барьерных емкостей, рис. 20.
Рис. 20.
Опишем соотношения для зарядов в приведённой схеме, обозначив Q величину заряда неосновных носителей в области базы.
(32)
Здесь Iб –ток базы, а τб –постоянная времени, характеризующая время жизни неосновных носителей в базе.
Полагая ток в цепи коллектора IK=Iбβ в (32) приравняем нулю правую часть выражения и выразим заряд через ток коллектора.
.
(33)
Здесь Ik –ток в цепи коллектора, а β – коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером.
Перепишем выражение (32) с учётом ёмкостных токов.
, (34)
где Сэб и Скб - барьерные ёмкости эмиттерного и коллекторного переходов транзистора, соответственно, а Uэб и Uкб - напряжения на переходах.
Решив уравнения (32) и (34) для конкретного транзистора и учитывая (33) можно найти переходную характеристику, то есть зависимость коллекторного тока от времени Ik(t).
Процесс переключения транзистора происходит в три этапа: формирование фронта tф (активный режим транзистора), рассасывание заряда в базе tрас (насыщенный режим), формирование среза коллекторного тока tc (активный режим).
Временные диаграммы переключения транзистора под действием сигналов, поступающих от источника с напряжением Eг и внутренним сопротивлением Rг приведены на рис. 21.
Рис. 21. Временные диаграммы работы транзистора в ключевом режиме.
В исходном состоянии при Ег =Ег2 транзистор находится в режиме отсечки. Коллекторный ток, протекающий через резистор Rk определяется начальным током транзистора Ik0, который настолько мал, что можно принять Ik(0) ≈ 0 [11].
В момент скачкообразного изменения управляющего напряжения от значения Ег2 до Ег1 эмиттерный переход транзистора остаётся закрытым, так как напряжение на барьерных емкостях переходов не может измениться мгновенно. Для появления базового тока необходимо, чтобы входная ёмкость Свх≈Сэб+Скб перезарядилась до некоторого положительного напряжения, называемого пороговым. Для кремниевых транзисторов Uпор=0,6÷ 0,7 В. Полагая, что ток базы возрастает мгновенно до величины Iб1 ≈ (Ег–Uпор)/(Rг+rб), методом заряда можно показать, что ток коллектора изменяется по экспоненциальному закону с постоянной времени τ = τβ+СкRk(β+1), стремясь от нуля к значению Iб1β вследствие возрастания заряда в базе.
|
|
|
Коллекторный ток при конечном сопротивлении резистора Rk может возрасти только до значения Iкн=(Ек–Uкн)/Rk≈Ek/Rk. В этот момент транзистор входит в режим насыщения. Коллекторный ток остаётся постоянным, а заряд в базе продолжает возрастать до значения 
(
– среднее время жизни носителей в базовом и коллекторном слоях). Происходит накопление неосновных носителей заряда в базе.
При подаче запирающего тока Iб2 ток Ik=Iкн остаётся постоянным до тех пор, пока заряд в базе не рассосётся до граничного значения. В момент времени t4 транзистор выходит из режима насыщения и коллекторный ток уменьшается до нуля.
Литература
1. Каган Б.М. Электронные вычислительные машины и системы: Учеб. Пособие для вузов. – М.; Энергоатомиздат, 1991. – 592 с.
2. Ситников Ю.К. Основы цифровой вычислительной техники. Учебное пособие. Изд-во Казанского университета, Казань, 1992. – 168 с.
3. Разевиг В.Д. Система схемотехнического моделирования Micro-Cap V. М.: СОЛОН, 1997. – 273 с.
4. Корчагин П.А., Тюрин В.А. Система моделирования электронных устройств Micro-Cap. Казань, 2004. – 64 с.
5. Скарлетт Дж. Транзисторно-транзисторные логические интегральные схемы и их применение. М.: Мир, 1974. – 288 с.
6. Наумов Ю.Е. Интегральные логические схемы. М.: Изд. "Сов. радио", 1970. – 432 с.
7. Алексенко А.Г. Основы микросхемотехники. М.: ЮНИМЕДИАСТАЙЛ, 2002. – 448 с.
8. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. Учеб. пособие для вузов. М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2003. – 488 с.
9. Интегральные микросхемы: справочник. Под ред. Б.В. Тарабрина. – Радио и связь, 1984. – 528 с.
10. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник. Под ред. С.В. Якубовского. – М.: Радио и связь, 1989. – 496 с.
|
|
|
11. Расчёт электронных схем. Примеры и задачи: Учеб. пособие для вузов по спец электрон. техники/ И. Изъюрова, Г.В. Королёв, В.А. Терехов и др. – М.: Высш. шк., 1987. – 335 с.
12. Каган Б.М., Каневский М.М. Цифровые вычислительные машины и системы. Под ред. Б.М. Кагана.Изд. 2-е, перераб.Учеб. пособие для вузов.М.: «Энергия», 1973.— 680 с.
Приложение
Моделирование логических устройств с помощью пакета прикладных программ Micro-CAP.
Пакет прикладных программ Micro-CAP [3] позволяет выполнить несколько видов анализа, таких как анализ переходных процессов (Transient), анализ в линейной области или анализ по малому сигналу (AC), анализ передаточных характеристик (DC[10]) и другие виды анализа. В этой работе требуется только анализ переходных процессов, поэтому сведения о ППП Micro-CAP даются в небольшом объёме [4]. Описание работы с пакетом сделано без строгой привязки к конкретной версии ППП Micro-CAP, что позволяется пользоваться редакциями 5, 6, 7 или 8.
Программу можно загрузить из главного меню или любым другим способом, предусмотренным в ОС Windows.
После загрузки программы автоматически открывается основное окно интерфейса программы – окно редактора схем [4]. В строке с названиями меню в этой работе необходимо будет воспользоваться следующими меню: File, Edit, Component, Analysis.
Меню File служит для выполнения действий над файлами, такими как создание нового файла (New), открытие имеющегося файла (Open), сохранение файла (Save, Save As), закрытие окна с рабочей схемой (Close), печать (Print) и выход из программы (Exit).
В меню Edit собраны команды, предназначенные для копирования введённой схемы или её элементов. Это команды вырезать (Cut), копировать (Copy), вставить (Paste), очистить (Clear), выделить всё (Select All) и др.
С помощью меню Component можно обратиться к библиотекам компонентов. В это меню нам понадобится только библиотека аналоговых компонентов (Analog Primitives). При обращении к этому пункту меню открывается дополнительный список, из которого в данной работе необходимыми являются пассивные компоненты (Passive Components), активные устройства (Active Devices) и источники сигналов (Waveform Sources).
Меню, содержащее команды для выбора вида анализа схемы (Analysis), позволяет воспользоваться такими видами анализа, как анализ переходных процессов (Transient), анализ в линейной области (AC), анализ передаточных характеристик (DC) и другие.
Далее будет рассмотрен ввод схемы путём рисования.
После загрузки программы, по умолчанию устанавливается графический режим ввода, открывается окно со свободным полем для рисования. Оформление этого окна достаточно традиционно, имеются меню, панели инструментов с кнопками, полосы прокрутки и информационная строка. Подсказками в информационной строке полезно пользоваться, так как даже в английском варианте они простые.
|
|
|
На рис. П1 изображена часть панели инструментов. Щёлкнув левой кнопкой мыши по кнопке с нужным компонентом, его перемещают на рабочее поле.
Рис. П1. Некоторые кнопки панели инструментов.
Если навести указатель мыши на кнопку, то появляется поясняющая подпись. Для кнопок, представленных на рис. П1 эти пояснения следующие: Заземление (Ground), Резистор, Конденсатор (Capacitor), Диод, Биполярный транзистор типа n-p-n (NPN), Генератор цифровых сигналов (DClock – Digital Clock), Источник постоянного напряжение (Battery) и Источник тока (Current Source).
Поместить компоненты на рабочее поле можно также воспользовавшись меню Component.
Если необходимо изменить параметры компонента, надо сделать двойной щелчок мышью по изображению компонента на рабочем поле.
Пример:
Component→ Analog Primitives→ Waveform Sourсes → Pulse Sourсe. После щелчка по строке меню Pulse Source появляется изображение источника импульсного сигнала. Надо его отбуксировать на нужное место экрана и сделать щелчок левой кнопкой мыши, после чего появится окно настройки параметров источника Pulse Source:Pulse Source, рис. П2.
Для анализа логических схем нужен генератор импульсов. Поставим курсор в строку MODEL и в рамке справа выберем (щелчком) PULSE. Рамки, расположенные в нижней части окна, предназначенные для указания параметров импульса, становятся доступны, рис. П3.
Рис. П2. Вид окна для выбора и настройки генератора.
Рис. П3. Рамки для указания параметров импульса.
В большинстве случаев, значения указанные по умолчанию приходится заменить, вписав в каждую рамку нужную величину.[11]
Если поставить курсор мыши в рамку, появляется подсказка, поясняющая смысл параметра. Рассмотрим параметры, представленные на рис. П3. VZERO – напряжение уровня логического нуля. Например, для интегральных логических схем типа ТТЛ следует устанавливать 0÷0,4 В. VONE –напряжение, соответствующее уровню логической единицы. Для интегральных логических схем типа ТТЛ следует устанавливать 2,4÷4,5 В. Задержка фронта сигнала (Time Delay to leading edge) – P1. Задержка уровня единицы (Time Delay to one level) – P2. Время задержки среза сигнала (Time Delay to trailing Edge) – P3. Задержка уровня нуля (Time delay to zero level) –P4. Период повторения сигнала (Repetition Period) – P5. Эти параметры представлены на рис. П4.
Рис. П4. Временные параметры генератора PULSE. Все времена, кроме P5 отсчитываются от нуля оси времени.
Как следует из рис. П4, необходимо выдерживать следующие соотношения значений величин временных параметров: P5>P4>P3>P2>P1.
В рабочем окне можно вводить текст, компоненты, соединительные линии, идущие по линиям сетки, и линии произвольного наклона. Узлам схемы можно присвоить номера. Изображения соответствующих кнопок приведены на рис. П5. Рассмотрим их слева направо. Стрелка отменяет ранее заданный режим и позволяет выбрать другой режим. Ломаная линия
Рис. П5. Кнопки для работы со схемой.
задаёт переход в режим выбора компонентов. Кнопка с символом Т служит для перехода в режим ввода текста. Кнопка с изображением ломаной линии служит для рисования соединительных проводников (Wire), идущих по линиям сетки. Кнопка с изображением прямой служит для вычерчивания соединительных линий произвольного наклона. Кнопка с цифрой 1 служит для задания номеров узлов схемы (Node Numbers). Для удобства размещения элементов на экране и аккуратного проведения соединительных линий используют сетку, которая выводится кнопкой с изображение поля точек. Сетка вводится командой Grids или её модификацией и отменяется командой No Grids. Для удаления компонента, его поворота, зеркального отражения или дублирования надо сначала перейти к выбору режима (кнопка со стрелкой), а затем выделить его.
Имеющиеся в библиотеке компонентов диоды, транзисторы и интегральные микросхемы имеют зарубежные обозначения[12]. Поэтому сначала приходится определить отечественное обозначение компонента, а затем по справочнику или по таблице соответствия выбрать библиотечный компонент.
На рис. П.6 представлена двухвходовая схема ИЛИ, к одному входу которой подключён генератор, формирующий импульсные сигналы с уровнем логической единицы, а другой вход подключён к нулевому проводу. Точка 1 предназначена для наблюдения сигнала, поступающего с генератора, а точка 2 – для наблюдения сигнала на выходе.
Рис. П.6. Фрагмент экрана программы MicroCAP с диодной схемой ИЛИ.
В рассматриваемом примере длительность вершины импульса составляет 3 нсек, а длительность импульса по основанию – 4,2 нсек. Амплитуда импульса (уровень Лог.1) выбран 5 В. На рис. П.7 представлен результат анализа во временной области. Для этого в меню Analysis выбирается команда Transient. В окне Transient Analysis Limits указывается время моделирования Time Range[13] и изменение переменных на осях графика.
Рис. П.7. Результат моделирования для двухвходовой схемы ИЛИ. Верхняя линия – сигнал генератора.
Для того, чтобы посмотреть разные варианты подачи сигналов на входы, подсоединяют все входы к одному генератору или для каждого входа используют отдельный генератор. Последний случай позволяет промоделировать работу схемы при неодинаковых величинах входных напряжений.
Рис. П.8. Результат, получаемый при 4 сигналах разной длительности и разной амплитуды. Выходной сигнал V(3) показан штриховой линией.
Для наблюдения передаточной характеристики необходимо воспользоваться анализом по постоянному току (DC Analysis). После обращения к команде DC в меню Analysis открывается окно DC Analysis Limits (ограничения анализа по постоянному току), рис. П.9.
Рис. П.9. Часть окна для настройки параметров DC Analysis.
В этом окне надо указать метод изменения независимой переменной (линейный – Linear, логарифмический – Log или автоматический выбор – Auto). Затем надо указать имя (Name) входного источника изменяемого сигнала, например, V1, как на рис. П.9. После этого в окне Диапазон (Range) уточнить установленный по умолчанию диапазон. В окне Range значения вводятся в следующем порядке: конечное значение, начальное значение, шаг изменения, отделяя одно от другого запятой. Значения вводятся в виде целых чисел, десятичных дробей, или в форме чисел с плавающей точкой. Десятичные дроби вводятся через точку.
В нижней части окна имеются рамки для задания параметров графиков. Номер графика задаётся в колонке Р, в колонке XExpression указывается номер входа, на который подаётся тестовыё сигнал. По умолчанию задаётся номер входа DCINPUT1. Можно указать номер входной точки, например, V(8). В колонке YExpression указывается номер выходной точки, например V(6). Диапазон отображения по оси Х (XRange) указывается так же, как диапазон изменения входной переменной. Диапазон для оси Y указывается исходя из предполагаемых изменений выходного напряжения. Если для метода выбирается значение Log, то в рамке Range не следует задавать начальное значение равное нулю.
Для наблюдения результатов, соответствующих нескольким значениям некоторого параметра, например, сопротивления или ёмкости нагрузки, следует воспользоваться шаговым режимом (Stepping). К этому режиму можно обратиться из окон настройки режимов (Limits) при выполнении DC анализа, анализа переходных процессов (Transient) или АС. Если появилось меню Transient, DC или AC, то в них имеется команда Stepping. Окно Stepping показано на рис. П.10.
Рис. П.10. Окно для настройки многовариантного анализа.
В рамке Step What указывается обозначение изменяемого параметра. Ниже указываются начальное значение From, затем конечное – To и затем величина шага изменения – Step Value. После этого в рамке Step lt выбирается Yes. После щелчка по кнопке ОК надо запустить процесс перебора параметра, воспользовавшись командой Run в появившемся меню Transient (DC или AC). Возможно, после просмотра, настройки придётся изменить.
Приложение 2.
Часть схемы лабораторной установки:
схема ИЛИ
Рис. П11.
Сопротивление генератора сигнала может принимать значение от 50 до 1000 Ом, в зависимости от используемого генератора.
Схема И
Рис. П. 12.
На рис. П. 12 приведён вариант установки для логических единиц, задаваемых положительным потенциалом. В установке для логических единиц, задаваемых отрицательным потенциалом, а логического нуля, задаваемого нулевым потенциалом, изменяется подключение диодов и напряжение источника питания имеет отрицательную полярность (-Еп). В качестве индикатора напряжения питания, в зависимости от экземпляра установки, используется миниатюрная лампа накаливания или светодиод.
«Компьютерная электроника»
(ЭВМ и автоматизация научных исследований)
учебная специализация кафедры радиофизики
физического факультета Казанского государственного университета
готовит специалистов в области цифровой электроники
и компьютерной техники
Выпускники подготовлены к работе на предприятиях, разрабатывающих цифровую аппаратуру, микропроцессоры и компьютеры и в организациях, занимающихся разработкой электронных приборов, разработкой автоматизированных измерительных систем и автоматизированных систем управления.
Учебные дисциплины образуют следующие направления:
· МИКРОПРОЦЕССОРЫ, МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ И СИСТЕМЫ НА ИХ ОСНОВЕ
· КОМПЬЮТЕРНАЯ ГРАФИКА
· ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ЭЛЕКТРОНИКЕ
· АВТОМАТИЗАЦИЯ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И АВТОМАТИЗАЦИЯ ИЗМЕРЕНИЙ
· ПРОГРАММИРОВАНИЕ СИСТЕМ С МИКРОКОНТРОЛЛЕРАМИ
Обучение ведётся на основе фундаментальной подготовки по физике и математике, принятой на физическом факультете Казанского университета.
Теоретические занятия сопровождаются лабораторными практикумами, решением расчётных задач, работой в компьютерных классах.
420008, Казань, Кремлёвская, 18, университет, физфак, кафедра радиофизики, ЭВМ
[1] Джордж Буль (Boole), родился 2.11.1815. Английский математик и логик. Заложил основы математической логики.
[2] Disjunction – разобщение, различие.
[3] Например при обратном сопротивлении диода, равном 400 кОм и сигнале 5 В, ток можно считать равным 12,5 мкА, если всеми остальными сопротивлениями пренебречь.
[4] Нагрузочная способность.
[5] В старых учебниках можно встретить знак Λ вместо знака &.
[6] Как следует из рисунка, при рассмотрении схемы не учитывается сопротивление и нагрузки.
[7] Из-за особенностей редактора формул в формулах вместо RД используется обозначение.
[8] Если цепочка логических схем подключена к общему источнику питания Uвх<E.
[9] БСЭ, третье издание, т.10, М.: Изд. "Советская энциклопедия", 1972.
[10] Direct current – постоянный ток.
[11] Конец примера.
[12] Имеются русифицированные версии программы.
[13] U – означает "микро".
|
|
|
