Демо (html) Электротехника и электроника

В неинвертирующем усилителе фаза выходного синусоидального сигнала U1 совпадает с фазой входного Uo. Схема неинвертирующего усилителя на ОУ приведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема исследования неинвертирующего усилителя

Теоретическое значение коэффициента усиления схемы неинвертирующего усилителя на ОУ рис.1 определяется из выражения

K = 1 + R1/R2.

Экспериментальное значение коэффициента усиления определяется как отношение амплитуд выходного V(B)ампл и входного V(A)ампл синусоидальных напряжений.

К = Uвых /Uвх = V(B)ампл /V(A)ампл .

Задача исследования:

· Определить значение коэффициента усиления.

· Измерить постоянную составляющую выходного напряжения.

Схема исследования неинвертирующего усилителя, представлена на рис. 8.

Рис. 8. Схема исследования неинвертирующего усилителя

Коэффициент усиления схемы неинвертирующего усилителя на ОУ (рис. 8) вычисляется по формуле:

K = 1 + R1/R2.

Построение схемы исследования неинвертирующего усилителя

1. На панели инструментов нажмите на кнопку создания новой схемы и в появившемся окне на кнопку ОК. Вытащите пиктограмму источника напряжения (Voltage Source) V1, задайте его параметры в соответствии с рис. 9. Нажмите кнопку ОК.

Рис. 9. Окно настройки универсального источника напряжения

2. Последовательно вытащите пиктограммы остальных элементов схемы с верхней панели программы Micro-Cap. Ввод каждого компонента сопровождайте указанием его параметров и нажатием кнопки ОК в диалоговом окне задания его параметров, аналогично тому, как это было сделано при построении схемы рис.1. При вводе параметров ОУ программа Micro-Cap выдаст второе диалоговое окно (рис. 5), предлагая подключить источники питания операционного усилителя. Нажмите кнопку ОК, а затем на клавишу Esc.

3. Щелчком мышки по пиктограмме ОУ на схеме выделите его, а потом, утопив кнопку отобразите его относительно оси симметрии, и клеммы VE и VC источника питания ОУ подключите так, как показано на рис. 10.

Примечание. При необходимости разворота элемента на 90 град, выделите его, щелкнув по нему мышкой, и нажмите на кнопку панели управления.

4. Соедините элементы схемы проводниками в соответствии с рис. 7. Для установки контрольных точек А и В утопите кнопку и указатель мышки направьте на нужную точку на проводнике, затем щелкните мышкой два раза и в открывшемся окне введите символ в английской раскладке клавиатуры.

Примечание. При создании схем с операционными усилителями важно убедится в том, что произошло автоматическое подключение источников питания к операционному усилителю (Диалоговое окно на рис. 4). Для этого можно выбрать режим моделирования Dynamic DC и проверить наличие напряжения в точках подключения источников питания VC и VE (рис.10).

5. В строке меню выберите Analysis, а в раскрывающемся списке Transient …. В появившемся диалоговом окне настройте диалоговое окно в соответствии с рис. 10.

Рис. 10. Диалоговое окно настройки параметров режим моделирования Transient Analysis

6. Запустите режим моделирования, нажав кнопку Run. Результаты моделирования показаны на рис. 11.

Рис. 11. Графики напряжения на входе и выходе схемы

7. Отметьте на графиках координаты точек максимума и минимума (см. рис.11) после окончания переходного процесса вначале второго периода. Для этого в левом нижнем углу верхнего графического окна щелкните на V(В)(V) (в результате примет вид V(В)(V) ), а затем дважды щелкните по кнопке Peak на панели инструментов в появившемся индикаторном окошке снимите показания максимума

V(В)макс=1.675 В.

8. Щелкните правой кнопкой мышки на информационное окошко, расположенное справа, а затем на панели инструментов дважды щелкните по кнопке Peak в появившемся индикаторном окошке снимите показания минимума

V(В)мин=-1.308 В.

Значение амплитуды напряжения на выходе схемы определяется из выражения

V(B)ампл =(V(В)макс - V(В)мин)/2=(1.675+1.308)/2=1.4915 В, или с точностью до двух знаков после запятой значение амплитуды напряжения составит

V(B)ампл =1.49 В.

Экспериментальное значение коэффициента усиления

К = Uвых /Uвх = V(B)ампл /V(A)ампл =1.49/0.01 =149.

Теоретическое значение коэффициента усиления

K = 1 + R1/R2 = 1 + 300/2 = 151.

Нажмите на клавишу Esc.

9. Закройте окно анализа переходных процессов Transient Analysis. В строке меню выберите Analysis, а в раскрывающемся списке Dynamic DC. В появившемся диалоговом окне выберите режим измерения напряжений в ветвях цепи, утопив кнопки, расположенные в верхней строке, согласно рис.12 и нажмите на кнопку ОК.

Рис. 12. Диалоговое окно настройки режима моделирования Dynamic DC

10. Запустите режим моделирования Dynamic DC и снимите показания постоянной составляющей выходного напряжения в точке В (рис. 13).

Рис. 13. Узловые потенциалы схемы, полученные в режиме Dynamic DC

Uпост » 0.18 В.

Исходные данные:

Задана схема исследования неинвертирующего усилителя

Рис. 1. Схема исследования неинвертирующего усилителя

ОУ - LM 101A.

R1=200 КоМ.

R2=2 КоМ.

Задача исследования:

- Построить осциллограммы напряжений на входе и выходе схемы.

- Определить узловые потенциалы схемы.

Исходные данные:

Задана схема исследования неинвертирующего усилителя

Рис. 1. Схема исследования неинвертирующего усилителя

ОУ - LM 108.

R1=200 КоМ.

R2=1 КоМ.

Задача исследования:

- Построить осциллограммы напряжений на входе и выходе схемы.

- Определить узловые потенциалы схемы.

Исходные данные:

Задана схема исследования неинвертирующего усилителя

Рис. 1. Схема исследования неинвертирующего усилителя

ОУ - LM 144.

R1=200 КоМ.

R2=2 КоМ.

Задача исследования:

- Построить осциллограммы напряжений на входе и выходе схемы.

- Определить узловые потенциалы схемы.

Исходные данные:

Задана схема исследования неинвертирующего усилителя

Рис. 1. Схема исследования неинвертирующего усилителя

ОУ - LM 208А.

R1=200 КоМ.

R2=1 КоМ.

Задача исследования:

- Построить осциллограммы напряжений на входе и выходе схемы.

- Определить узловые потенциалы схемы.

Исходные данные:

Задана схема исследования неинвертирующего усилителя

Рис. 1. Схема исследования неинвертирующего усилителя

ОУ - LM 709.

R1=300 КоМ.

R2=1 КоМ.

Задача исследования:

- Построить осциллограммы напряжений на входе и выходе схемы.

- Определить узловые потенциалы схемы.

Тема:

Исследование характеристик операционного усилителя, неинвертирующих усилителей

Используемые программы:

Micro-Cap 9.0

Для схемы неинвертирующего усилителя на ОУ, приведенной на рис. 1,

Рис.1

значение коэффициента усиления схемы определяется по формуле

В инвертирующем усилителе фаза выходного синусоидального сигнала сдвинута на 180˚ относительно фазы входного сигнала. Схема инвертирующего усилителя на ОУ приведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема исследования инвертирующего усилителя

Коэффициент усиления каскада на ОУ (рис. 1) вычисляется по формуле:

K = - R3/R1. (1)

Знак "минус" в этой формуле означает, что фаза выходного напряжения U1 сдвинута относительно фазы входного напряжения Uo на 180 ˚.

Постоянная составляющая выходного напряжения U0 вых определяется по формуле:

U0 вых = Uсм К,

где Uсм- напряжение смещения.

Экспериментальное значение модуля коэффициента усиления определяется как отношение амплитуд выходного V(B)ампл и входного V(A)ампл синусоидальных напряжений.

К = Uвых /Uвх = V(B)ампл /V(A)ампл .

Исходные данные:

· ОУ LM 741.

На вход схемы подается сигнал гармонического напряжения с частотой 1 кГц и амплитудой 10 мВ.

Задача исследования:

· Измерить постоянную составляющую выходного напряжения.

· Определить значение коэффициента усиления.

· Измерить разность фаз между выходным и входным гармоническим напряжением ОУ

Построение схемы инвертирующего усилителя

Схема исследования неинвертирующего усилителя, представлена на рис. 2.

Рис. 2. Схема исследования инвертирующего усилителя

1. Запустите программу Micro-Cap.

2. Перетащите со второй строки панели программы Micro-Сар изображение ОУ , в открывшемся диалоговом окне выделите пункт меню MODEL = , затем в правом окошечке найдите и выделите мышкой модель ОУ LM741 (см. рис.3).

Рис. 3.

В нижних окошках должны появиться параметры модели ОУ LM 741 (Рис. 4).

Рис. 4. Диалоговое окно настройки параметров операционного усилителя

3. В диалоговом окне ОУ рис. 4 выделите пункт меню PART =. Запишите в верхнем окошке имя ОУ – DA1. Нажмите кнопку ОК.

4. Программа Micro-Cap выдаст второе диалоговое окно (рис. 5), предлагая подключить источники питания операционного усилителя. Нажмите кнопку ОК.

Рис. 5. Диалоговое окно настройки параметров операционного усилителя

5. Вытащите пиктограмму источника синусоидального напряжения (Voltage Source) V3, в диалоговом окне настройки параметров источника перейдите на вкладку Sin и задайте параметры в соответствии с рис. 6.

Рис. 6. Окно настройки параметров источника синусоидального напряжения

Нажмите кнопку ОК.

6. Перетащите со второй строки панели программы Micro-Сар изображения трех заземлений , четырех резисторов . Ввод каждого резистора сопровождайте указанием значения сопротивления (согласно рис. 2) в окне Value и нажатием кнопки ОК в диалоговом окне задания их параметров.

Примечание. При необходимости разворота элемента на 90 град, выделите его, щелкнув по нему мышкой, и нажмите на кнопку панели управления.

7. Соедините элементы схемы проводниками в соответствии с рис. 2. Для установки контрольных точек А и В утопите кнопку и указатель мышки направьте на нужную точку на проводнике, затем щелкните мышкой два раза и в открывшемся окне введите символ в английской раскладке клавиатуры.

Определение постоянной составляющей выходного напряжения

8. В строке меню выберите Analysis, а в раскрывающемся списке Dynamic DC. В появившемся диалоговом окне выберите режим измерения напряжений в ветвях цепи, утопив кнопки, расположенные в верхней строке, согласно рис.7.

Рис. 7. Окно настойки параметров источника синусоидального напряжения

и режима моделирования Dynamic DC

9. Нажмите кнопку ОК, запустив для схемы на рис. 2 режим моделирования Dynamic DC. Результаты моделирования представлены на рис. 8.

Рис. 8. Результаты моделирования в режиме Dynamic DC

На основании рис. 8 определяем постоянную составляющую выходного напряжения (контрольная точка В)

или с точностью до одного знака после запятой (В)

Сохраните файл в папке с вашей Фамилией под именем Zan___15___01.

Определение экспериментальным путем величины коэффициента усиления и

разности фаз между входным и выходным напряжениями

10. В строке меню выберите Analysis, а в раскрывающемся списке Transient …. В появившемся диалоговом окне настройте диалоговое окно режима анализа переходных процессов в соответствии с рис. 9.

Рис. 9. Диалоговое окно режима анализа переходных процессов

Запустите процесс моделирования нажатием кнопки Run.

Результаты моделирования представлены на рис. 10.

Рис. 10. Осциллограммы входного и выходного напряжений в схеме на рис. 1

11. Полученные результаты изменения входного напряжения V(А)(V) необходимо отмасштабировать по оси ординат, для этого дважды щелкните мышкой в поле окна анализа переходных процессов . В появившемся окне свойств перейдите на вкладку Scales and Formats и удалите галочку напротив . В результате окно свойств должно принять вид Рис. 11.

Рис. 11.

Щелкните по кнопке ОК, а затем на панели инструментов диалогого окна анализа переходных процессов Рис. 9 утопите кнопку , в появившемся окне в поле Y Range второй строки введите Auto и нажмите на кнопку Run. Масштаб отображения V(А)(V) в графическом окне должен измениться.

12. Отметьте на графиках координаты точек максимума и минимума выходного напряжения (см. рис.12) после окончания переходного процесса вначале второго периода.

Рис. 12. Осциллограммы входного и выходного напряжений после масштабирования входного сигнала V(А)(V)

Для этого в левом нижнем углу графического окна щелкните на V(В)(V) (в результате примет вид V(В)(V) ), а затем дважды щелкните по кнопке Peak на панели инструментов в появившемся индикаторном окошке снимите показания максимума

V(В)макс=111.544 мВ= 0.111544 В; TВ1=1.752 мс. (2)

13. Щелкните правой кнопкой мышки на информационное окошко, расположенное справа, а затем на панели инструментов трижды щелкните по кнопке Peak в появившемся индикаторном окошке снимите показания минимума

V(В)мин=-88.434 мВ=-0.088434 В; TВ2=2.252 мс.

Значение амплитуды напряжения на выходе схемы определяется из выражения

V(B)ампл =(V(В)макс - V(В)мин)/2=(0.111544 +0.088434)/2=0,099989В,

или с точностью до двух знаков после запятой значение амплитуды выходного напряжения составит

V(B)ампл =0.10 В.

Экспериментальное значение модуля коэффициента усиления

К = Uвых /Uвх = V(B)ампл /V(A)ампл =0.10 /0.01 =10.

Теоретическое значение модуля коэффициента усиления

K = |- R3/R1|=10/1 = 10.

Теперь определим на графиках значение разности фаз между синусоидами выходного и входного напряжений.

14. Отметьте на графике входного напряжения координату точки максимума, так как показано на рис. 13.

Рис. 12. Осциллограммы входного и выходного напряжений

С этой целью в левом нижнем углу графического окна щелкните на V(А)(V) (в результате примет вид V(А)(V) ), а затем щелкните несколько раз по кнопке Peak на панели инструментов в появившемся индикаторном окошке снимите показания времени, соответствующего максимуму входного напряжения (рис. 13)

TА1=1.25 мс. (3)

Сдвиг фаз вычисляется в град по формуле

,

где 1 мс; =TВ1– TА1.

С учетом (2) и (3)

=TВ1– TА1 = 1.752 мс – 1.25 мс = 0.502 мс.

=360´0.502/1=180.72 град»181 град.

15. Закройте окно [Transient Analysis].

Исходные данные:

Задана схема исследования инвертирующего усилителя

Рис. 1. Схема исследования инвертирующего усилителя

ОУ - LM 101A.

R1=2 КоМ.

R3=10 КоМ.

Задача исследования:

- Определить узловые потенциалы схемы.

- Построить осциллограммы напряжений на входе и выходе схемы.

Исходные данные:

Задана схема исследования инвертирующего усилителя

Рис. 1. Схема исследования инвертирующего усилителя

ОУ - LM 108.

R1=2 КоМ.

R3=8 КоМ.

Задача исследования:

- Определить узловые потенциалы схемы.

- Построить осциллограммы напряжений на входе и выходе схемы.

Исходные данные:

Задана схема исследования инвертирующего усилителя

Рис. 1. Схема исследования инвертирующего усилителя

ОУ - LM 144.

R1=0.5 КоМ.

R3=8 КоМ.

Задача исследования:

- Определить узловые потенциалы схемы.

- Построить осциллограммы напряжений на входе и выходе схемы.

Исходные данные:

Задана схема исследования инвертирующего усилителя

Рис. 1. Схема исследования инвертирующего усилителя

ОУ - LM 208А.

R1=1.5 КоМ.

R3=15 КоМ.

Задача исследования:

- Определить узловые потенциалы схемы.

- Построить осциллограммы напряжений на входе и выходе схемы.

Исходные данные:

Задана схема исследования инвертирующего усилителя

Рис. 1. Схема исследования инвертирующего усилителя

ОУ - LM 709.

R1=1 КоМ.

R3=5 КоМ.

Задача исследования:

- Определить узловые потенциалы схемы.

- Построить осциллограммы напряжений на входе и выходе схемы.

Тема:

Исследование инвертирующих усилителей

Используемые программы:

Micro-Cap 9.0

Исходные данные:

· ОУ LM 741.

На вход схемы подается сигнал гармонического напряжения с частотой 1 кГц и амплитудой 10 мВ.

Задача исследования:

· Получить осциллограмму входного и выходного сигналов усилителя, при подаче на вход гармонического напряжения с амплитудой 1 В, частотой 1 кГц.

· Определить значение коэффициента усиления по осциллограмме.

· Получить амплитудно-частотную и фазочастотную характеристики усилителя переменного тока.

· Определить частоту входного напряжения, на которой коэффициент усиления по напряжению равен 4.

· Определить частоту входного напряжения, на которой сдвиг фаз между выходным и входным напряжением минимален, значение минимального сдвига фаз.

Схема исследования усилителя переменного тока на ОУ, представлена на рис. 2.

Рис. 2. Схема исследования усилителя переменного тока на ОУ

В схеме исследования усилителя для моделирования источника синусоидальных сигналов используется универсальный источник напряжения, находящийся на верхней панели программы Micro-Cap.

Построение схемы для моделирования усилителя

1. Запустите программу Micro-Cap.

2. Перетащите со второй строки панели программы Micro-Сар изображение ОУ , в открывшемся диалоговом окне выделите пункт меню MODEL = , затем в правом окошечке найдите и выделите мышкой модель ОУ LM741 (см. рис.2).

Рис. 3.

В нижних окошках должны появиться параметры модели ОУ LM 741, установите галочку в окошке Show (Рис. 3).

Рис. 3. Диалоговое окно настройки параметров операционного усилителя

3. В диалоговом окне ОУ рис. 2 выделите пункт меню PART =. Запишите в верхнем окошке имя ОУ – DA1. Нажмите кнопку ОК.

4. Программа Micro-Cap выдаст второе диалоговое окно (рис. 4), предлагая подключить источники питания операционного усилителя. Нажмите кнопку ОК.

Рис. 4. Диалоговое окно настройки параметров операционного усилителя

5. Вытащите пиктограмму источника синусоидального напряжения (Voltage Source) V3, задайте его параметры в соответствии с рис. 5.

Рис. 5. Диалоговые окна настройки параметров универсального источника напряжения

Обратите внимание, что задана амплитуда синусоидального напряжения VA = 1 В и частота синусоидального напряжения F0 = 1кГц.

6. Перетащите со второй строки панели программы Micro-Сар изображения трех заземлений , двух резисторов и и конденсаторов . Ввод каждого элемента сопровождайте указанием значения сопротивления или емкости (согласно рис.1) в окне Value и нажатием кнопки ОК в диалоговом окне задания их параметров.

Примечание. При необходимости разворота элемента на 90 град, выделите его, щелкнув по нему мышкой, и нажмите на кнопку панели управления.

7. Соедините элементы схемы проводниками в соответствии с рис. 2. Для установки контрольных точек А и В утопите кнопку и указатель мышки направьте на нужную точку на проводнике, затем щелкните мышкой два раза и в открывшемся окне введите символ в английской раскладке клавиатуры. Нажмите на клавишу Esc.

Определение экспериментальным путем величины коэффициента усиления

8. В строке меню выберите Analysis, а в раскрывающемся списке Transient …. В появившемся диалоговом окне настройте диалоговое окно режима анализа переходных процессов в соответствии с рис. 6.

Рис. 6. Диалоговое окно режима анализа переходных процессов

9. Нажмите кнопку Run. Результаты моделирования представлены на рис.7.

Рис. 7. Осциллограммы входного и выходного напряжений в схеме на рис. 2

Обратите внимание, что примерно в течение первых 9 мс переходного процесса происходит зарядка емкостей в схеме, что вызывает изменение постоянной составляющей выходного напряжения операционного усилителя. ОУ в это время работает на нелинейном участке переходной характеристики, что приводит к нелинейным искажениям сигнала. Через 9 мс ОУ работает в линейном режиме и не искажает синусоидальный сигнал с заданными параметрами.

10. Отметьте на графиках координаты точек максимума и минимума выходного напряжения после окончания переходного процесса (см. рис.8).

Рис. 8. Осциллограммы входного и выходного напряжений в схеме на рис. 2

Для этого в левом нижнем углу графического окна щелкните на V(В)(V) (в результате примет вид V(В)(V) ), а затем переместите появившееся индикаторное окошко согласно рис.8, например щелкая по кнопке Peak на панели инструментов, и снимите показания максимума

V(В)макс=16.516 В» 16.5 В.

11. Щелкните правой кнопкой мышки на информационное окошко, расположенное справа, а затем на панели инструментов утопите кнопку Peak и переместите индикаторное окошко согласно рис.8, снимите показания минимума

V(В)мин=11.508 В» 11.5 В.

Значение амплитуды напряжения на выходе схемы определяется из выражения

V(B)ампл =(V(В)макс - V(В)мин)/2=(16.5 -11.5)/2=2.5 В.

Экспериментальное значение модуля коэффициента усиления

К = Uвых /Uвх = V(B)ампл /V(A)ампл =2.5 /1 =2.5.

Получение амплитудно и фазо – частотной характеристик усилителя

12. В строке меню выберите Analysis, а в раскрывающемся списке AC … В открывшемся диалоговом окне проводится настройка параметров, необходимо установить (рис. 9):

· диапазон изменения частот источника V3 (Frequency Range) – 10050 Гц – 50 Гц;

· по осям Х осциллограммы - частоту входного сигнала (X Expression = F);

· по оси Y на осциллограмме 1 - выходное напряжение v(B);

· по оси Y на осциллограмме 2 - фазу выходного напряжения ph(v(B));

· линейные масштабы по осям осциллограмм.

Проведите настройку параметров так, как показано на рис. 9.

Рис. 9. Диалоговое окно режима анализа частотных характеристик

13. Нажмите кнопку Run. В результате получите осциллограммы амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик усилителя (рис 10).

Рис. 10. Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики усилителя

14. Определите на графике АЧХ частоту входного напряжения, на которой коэффициент усиления по напряжению равен 4. Для этого в левом нижнем углу верхнего графического окна рис. 10 щелкните на V(В)(V) (в результате примет вид V(В)(V) ), а затем на панели инструментов утопите кнопку , в появившемся окне Go To Y на вкладке Value введите 4 и нажмите на кнопку Left, закройте окно Go To Y. Снимите показания частоты, в нашем примере

f = 360.799 Гц » 361 Гц.

Нажмите клавишу Esc.

15. Определите частоту входного напряжения, на которой сдвиг фаз между выходным и входным напряжением минимален. Для этого щелкните мышкой в пределах окна графика ph(v(B)), а на панели инструментов утопите кнопку Peak и переместите индикаторное окошко согласно рис.11, снимите показания минимума

Рис . 11

Fмин = 255 Гц .

F(w)мин=123.163 град » 123 град.

16. Закройте окно [AC Analysis].

Исходные данные:

Задана схема исследования усилителя переменного тока на ОУ

Рис. 1. Схема исследования усилителя переменного тока на ОУ

ОУ - LM 741.

R1=1 КоМ.

R2=7 КоМ.

C2=0.03 F.

Задача исследования:

Построить АЧХ и ФЧХ схемы.

Исходные данные:

Задана схема исследования усилителя переменного тока на ОУ

Рис. 1. Схема исследования усилителя переменного тока на ОУ

ОУ - LM 741.

R1=2 КоМ.

R2=10 КоМ.

C2=0.03 F.

Задача исследования:

Построить АЧХ и ФЧХ схемы.

Исходные данные:

Задана схема исследования усилителя переменного тока на ОУ

Рис. 1. Схема исследования усилителя переменного тока на ОУ

ОУ - LM 741.

R1=2 КоМ.

R2=5 КоМ.

C2=0.03 F.

Задача исследования:

Построить АЧХ и ФЧХ схемы.

Исходные данные:

Задана схема исследования усилителя переменного тока на ОУ

Рис. 1. Схема исследования усилителя переменного тока на ОУ

ОУ - LM 741.

R1=4 КоМ.

R2=8 КоМ.

C2=0.01 F.

Задача исследования:

Построить АЧХ и ФЧХ схемы.

Исходные данные:

Задана схема исследования усилителя переменного тока на ОУ

Рис. 1. Схема исследования усилителя переменного тока на ОУ

ОУ - LM 741.

R1=5 КоМ.

R2=20 КоМ.

C2=0.02 F.

Задача исследования:

Построить АЧХ и ФЧХ схемы.

Операционные усилители широко применяются для построения инвертирующих усилителей. Усилитель переменного тока работает в режиме малого сигнала и обычно охватывается фильтром в цепи отрицательной обратной связи. Схема усилителя переменного тока приведена на рис. 1.

Рис. 1. Усилитель переменного тока.

На вход усилителя подается синусоидальное входное напряжение , которое через резистор R1 поступает на инвертирующий вход ОУ. В цепь обратной связи включен конденсатор С2. На низких частотах входного сигнала комплексное сопротивление цепи отрицательной обратной связи велико, поэтому коэффициент усиления схемы также большой. По мере повышения частоты входного сигнала комплексное сопротивление цепи обратной связи уменьшается, в результате уменьшается и коэффициент усиления. Соответственно при уменьшении частоты входного сигнала коэффициент усиления увеличивается, как следствие увеличивается амплитуда выходного сигнала. Так как величина выходного напряжения усилителя ограничена, то на низких частотах форма выходного напряжения может искажаться. Усилитель начинает работать в режиме ограничения сигнала. Емкость С1 на рис.1 предназначена для фильтрации высокочастотных помех на входе схемы.

Для исследования характеристик усилителя строят частотные характеристики.

Комплексной частотной характеристикой (КЧХ) называется зависимость от частоты отношения комплексной амплитуды сигнала на выходе усилителя к комплексной амплитуде сигнала на его входе:

где ==sin(ωt) – гармонический сигнал - входной сигнал UВХ c амплитудой ; - напряжение UВЫХ.

Модуль комплексной частотной характеристики называется амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) и обозначается:

K(w)=.

Аргумент комплексной частотной характеристики называется фазочастотной характеристикой (ФЧХ) и обозначается:

F(w)=arg

По частотным характеристикам определяют коэффициент усиления и сдвиг фазы на определенной частоте в линейном режиме работы усилителя.

Экспериментальное значение модуля коэффициента усиления можно определить по осциллограмме как отношение амплитуд выходного V(B)ампл и входного V(A)ампл синусоидальных напряжений.

К = Uвых /Uвх = V(B)ампл /V(A)ампл .

Для исследования характеристик логических элементов необходимо создать источник, генерирующий последовательность двоичных чисел. Для этого в меню Component программы Micro-Cap имеется подменю Digital Primitives\Stimulus Generators … . Необходимо выбрать один из генераторов, перетащить его мышкой в рабочую зону экрана и запрограммировать его работу.

В качестве примера рассмотрим настройку четырехразрядного генератора двоичных чисел с именем STIM4.

Создание схемы генератора двоичных чисел с использованием наглядных возможностей анимации программы Micro-Cap.

1. Запустите программу Micro-Cap.

2. Перетащите на экран из меню Component\Digital Primitives\Stimulus Generators генератор двоичных чисел Stim4 . В диалоговом окне настройки генератора Stim4 заполните поля:

PART - введите имя генератора U1;

FORMAT - введите цифру 4 (разрядность двоичного числа);

COMMAND - введите имя управляющей программы STIM4.

В локальной области для ввода текста введите текст программы:

+0ns 0

+label=start

+100ns incr by 1

+200ns goto start –1 times

так как показано на рис.2

Рис. 2. Диалоговое окно генератора Stim4

Согласно данному набору команд управляющая программа реализует цикл (операторы label=start – goto start -1 times), в котором к текущему значению числа прибавляется единица (оператор инкремента incr by 1). Оператор -1 times означает, что цикл бесконечен. Период изменения чисел равен 200 нс.

Примечание. Данную программу можно ввести автоматически, нажав кнопку Count4.

3. Из меню Component\Animation перетащите на экран четыре светодиода с именем Animated Digital LED. Щелкните два раза мышкой на пиктограммах светодиодов и укажите в выпадающих диалоговых окнах в поле PART имена компонентов: VD1, VD2, VD3, VD4.

4. Соедините элементы схемы проводниками в соответствии с рис. 3.

Рис. 3. Схема исследования четырехразрядного генератора двоичных чисел

5. Установите контрольные точки Х0, Х1, Х2, Х3, утопив кнопку и направив указатель мышки на нужную точку на проводнике, а затем щелкнув мышкой два раза и в открывшемся окне введя символ в английской раскладке клавиатуры.

6. Нажмите на клавишу Esc. Сохраните файл в папке с вашей Фамилией под именем Zan___15___01.

Моделирование работы генератора производится в режиме исследования переходных процессов (Transient Analysis) с использованием возможностей анимации, для этого экран разделяют на два по ширине.

7. На верхней панели программы утопите кнопку . Экран будет разделен на два окна после выполнения команды Analysis\Transient … В строке меню выберите Analysis, а в раскрывающемся списке Transient …. В появившемся диалоговом окне настройте диалоговое окно режима анализа переходных процессов в соответствии с рис. 4.

Рис. 4. Окно настройки режима Transient Analysis

В окне настройки рис. 4 команды d(X0), d(X1), d(X2) и d(X3) выводят на временной диаграмме по оси Y логические уровни сигналов ("1" или "0"). В последней строке команда dec выводит десятичный аналог двоичного числа.

8. Закройте окно рис. 4, а затем вызовите диалоговое окно режима анимации, перейдя на вкладку Zan___15___01.CIR, щелкнув на кнопку на верхней панели программы Micro-Cap. Диалоговое окно режима анимации должно принять вид, показанный на рис. 5.

Рис. 5. Диалоговое окно режима анимации.

9. Убедитесь, что время задержки в окошке Time Delay на рис. 5 равно 2 с. Нажмите кнопку ОК, а затем клавишу F9 на клавиатуре. В появившемся диалоговом окне запуска режима моделирования (рис. 4) утопите кнопку Run, а на верхней панели программы - кнопку .

В результате в левом окне будет построена временная диаграмма работы генератора двоичных чисел, а светодиоды на схеме покажут соответствующие им десятичные числа. Перезапустите процесс работы генератора утопив на кнопку , а затем остановите процесс моделирования на числе 710 (01112), так как показано на рис. 6.

Рис. 6. Моделирование генератора двоичных чисел. Процесс моделирования остановлен на числе 710 (01112).

Примечание. Окрашенный в красный свет светодиод соответствует "0", окрашенный в черный цвет – "1".

Схема генератора двоичных чисел будет использована в дальнейшем для моделирования логических схем.

10. Перейдите на вкладку Zan___15___01.CIR и нажмите на кнопку на верхней панели программы.

Исследование характеристик логического элемента "ИЛИ-НЕ"

Схема исследования логического элемента "ИЛИ-НЕ", представлена на рис. 7.

Рис. 7. Схема исследования логического элемента "ИЛИ-НЕ"

11. К схеме рис. 3 добавьте элемент "ИЛИ-НЕ" (NOR Gate), для этого из меню Component\Digital Primitives\Standard Gates\NOR Gates перетащите на экран NOR2. В открывшемся диалоговом окне выделите пункт меню TIMING MODEL = , затем в правом окошечке найдите и выделите мышкой временную модель задержек DRY___TTL, соответствующую цифровым микросхемам серии ТТЛ.

12. Выделите пункт меню PART =. Запишите в верхнем окошке имя – DD1. Диалоговое окно логического элемента показано на рис. 8.

Рис. 8. Диалоговое окно логического элемента "ИЛИ-НЕ"

Нажмите кнопку ОК.

13. Нажмите клавишу Esc. Скопируйте на схеме один из цифровых светодиодов, вставьте его на экран и соберите схему, показанную на рис. 7.

Обратите внимание на то, что логический элемент подключен к младшим разрядам генератора двоичных чисел. На этих выходах появится последовательность чисел 00, 01, 10, 11.

14. В строке меню выберите Analysis, а в раскрывающемся списке Transient …. В появившемся диалоговом окне настройте диалоговое окно режима анализа переходных процессов в соответствии с рис. 9.

Рис. 9. Окно настройки режима Transient Analysis

15. В диалоговом окне запуска режима моделирования (рис. 9) утопите кнопку Run, а на верхней панели программы - кнопку .

В результате в левом окне будет построена временная диаграмма работы генератора двоичных чисел (рис. 10), а светодиоды на схеме покажут соответствующие им десятичные числа.

Рис. 10. Временная диаграмма работы логического элемента

Обратите внимание, что цифровой светодиод окрашен в красный цвет, если логический уровень сигнала равен "0". Светодиод окрашен в черный цвет, если логический уровень сигнала равен "1". Наблюдайте, при каких сочетаниях входных сигналов (светодиоды VD1 и VD2) на выходе логического элемента(светодиод VD5) появится "1". Проверьте результаты по временной диаграмме.

Примечание. Обратите внимание, что переключение светодиода VD5 происходит с задержкой в один шаг, что соответствует моделированию реальной задержки сигнала в логическом элементе.

Примечание. Если темп переключения логического элемента слишком велик, что не позволяет Вам заполнить таблицу истинности, увеличьте задержку в диалоговом окне режима анимации (рис. 5), например, до 5 с.

Таблица истинности логического элемента "ИЛИ-НЕ", построенная по результатам моделирования представлена в таблице3.

Таблица3. Таблица истинности логического элемента "ИЛИ-НЕ"

16. Закройте вкладку Transient Analysis. Сохраните файл в папке с вашей Фамилией под именем Zan___15___02 .

Для описания алгоритма работы логических схем используется математический аппарат алгебры логики. Алгебра логики оперирует двумя понятиями: событие истинно (логическая "1") или событие ложно (логический "0"). События в алгебре логики могут быть связаны двумя операциями: сложения (дизъюнкции), обозначаемой знаком U или +, и умножения (конъюнкции), обозначаемой знаком & или точкой. Отношение эквивалентности обозначается знаком =, а отрицание – чертой или апострофом ( ' ) над соответствующим символом.

Логическая схема имеет n входов, которым соответствуют n входных переменных X0, … Xn и один или несколько выходов, которым соответствуют выходные переменные Y0 …. Ym. Входные и выходные переменные могут принимать два значения Xi = 1 или Xi = 0.

Переключающая функция (ПФ) логической схемы связывает при помощи логических операций входные переменные и одну из выходных переменных. Число ПФ равно числу выходных переменных, при этом ПФ может принимать значения 0 или 1.

Логические операции. Наибольший практический интерес представляют следующие элементарные операции (функции).

Базовые логические элементы. Существуют цифровые интегральные микросхемы, выполняющие различные логические операции. Логическому умножению соответствует базовый логический элемент "И". Логическому сложению соответствует базовый логический элемент "ИЛИ". Логическому умножению с инверсией – базовый логический элемент "И-НЕ". Логическому сложению с инверсией – базовый логический элемент "ИЛИ-НЕ". Операции инверсии соответствует базовый логический элемент "НЕ". Современные программируемые интегральные схемы содержат большое количество базовых логических элементов, позволяющие реализовать сложные логические операции.

Таблицы истинности. Основным способом задания ПФ является составление таблицы истинности, в которой для каждого набора входных переменных указывается значение ПФ (0 или 1). Таблица истинности для логического элемента "НЕ" (логическая операция) имеет вид

Переключающие функции и принцип дуализма. Таблицы истинности для переключающей функции содержат минтермы и макстермы. Рассмотрим пример переключающей функции трех переменных с аргументами X0, X1, X2 и функцией Y, заданной в виде таблицы истинности (табл. 1).

Таблица 1 Таблица истинности для переключающей функции

Переключающая функция Y в алгебраической записи легко строится по таблице истинности, включающей минтермы и макстермы.

Дизъюнктивная нормальная форма получается как логическая сумма минтермов, для которых значение функции Y равно единице

(1)

Список минтермов называют множеством включений логической функции.

Конъюнктивная нормальная форма переключающей функции получается как логическое произведение макстермов, для которых значение логической функции Y равно нулю.

Список макстермов называют множеством выключений переключающей функции.

Таким образом, исходную информацию для проектирования комбинационной схемы можно представить в следующих эквивалентных формах:

· Таблицы истинности переключающей функции;

· Дизъюнктивной нормальной форме;

· Конъюнктивной нормальной форме;

Приведенные результаты определяют принцип дуализма при описании переключающих функций, согласно которому представление переключающей функции в форме дизъюнктивной нормальной формы, составленной по множеству включений, совпадает с представлением переключающей функции в форме конъюнктивной нормальной формы, составленной по множеству выключений, при условии, что все единицы во входных сигналах заменены нулями и наоборот.

Схемотехническая реализация может проходить несколькими путями. Простейший путь – реализация на логических элементах "И", "ИЛИ" и "НЕ". Для этого каждому минтерму в канонической дизъюнктивной форме логической функции ставим в соответствие логический элемент "И" с необходимым числом входов. Выходы этих элементов объединяем при помощи логических элементов ИЛИ. Отрицание входного сигнала получается при помощи логического элемента "НЕ".

На рис. 1 приведена схемотехническая реализация переключающую функции в дизъюнктивной нормальной форме (1).

Рис. 1. Схемотехническая реализация логической функции, заданной в табл. 1.

Аналогично просто проводится схемотехническая реализация логических выражений, заданных в конъюнктивной нормальной форме. В этом случае в первом слое схемы используются логические элементы "ИЛИ", а объединение их выходов проводится на логических элементах "И".

Формальный путь схемотехнической реализации переключающих функций не экономичен, так как схема будет содержать излишнее число электронных компонент. Существуют хорошо разработанные методы минимизации, позволяющие сократить число логических элементов в схеме. Однако в настоящее время задача минимизации переключающей функции не актуальна. Дело в том, что в современной схемотехнике практическая реализация логических функций проводится на программируемых логических интегральных микросхемах (ПЛИС) с использованием специализированных систем автоматизированного проектирования (САПР). Минимизация проводится САПР с учетом набора базовых элементов, входящих в конкретную ПЛИС.

Таблица истинности ПФ обычно задается в сокращенной форме. В сокращенной записи таблицы истинности ПФ опущены столбцы, содержащие значения входных переменных. Эти значения легко восстанавливаются путем перевода чисел из столбца № в двоичную систему счисления.

Таблица2 Сокращенная форма таблицы истинности (соответствует таблице1) для переключающей функции (1)

Исходные данные:

Задана ПФ

Задача исследования:

· Синтезировать схему реализации логической функции для заданной ПФ средствами программы Micro-Cap.

· Провести моделирование схемы логической функции.

Исходные данные:

Задана ПФ

Задача исследования:

· Синтезировать схему реализации логической функции для заданной ПФ средствами программы Micro-Cap.

· Провести моделирование схемы логической функции.

Исходные данные:

Задана ПФ

Задача исследования:

· Синтезировать схему реализации логической функции для заданной ПФ средствами программы Micro-Cap.

· Провести моделирование схемы логической функции.

Исходные данные:

Задана ПФ

Задача исследования:

· Синтезировать схему реализации логической функции для заданной ПФ средствами программы Micro-Cap.

· Провести моделирование схемы логической функции.

Исходные данные:

Задана ПФ

Задача исследования:

· Синтезировать схему реализации логической функции для заданной ПФ средствами программы Micro-Cap.

· Провести моделирование схемы логической функции.

Тема:

Исследование и синтез логических схем

Используемые программы:

Micro-Cap 9.0

Схема исследования дешифратора, представлена на рис. 2.

Рис. 2. Схема исследования дешифратора

На схеме рис. 2 входы С, В, А дешифратора подключены к выходам младших двоичных разрядов генератора двоичных чисел. Выходы дешифратора Y0, Y1, Y2, Y3, Y4, Y5, Y6, Y7 и генератора двоичных чисел подключены к логическим светодиодам. Вход выбора G1 дешифратора подключен к источникам сигналов лог. "1" и лог. "0" через переключатель, управляемый щелчком мышки. Если вход G1 подключен к источнику лог. "1" (как показано на рис. 2), то дешифратор работает, в противном случае - нет. Входы выбора G2ABAR и G2BBAR постоянно подключены к источнику лог. "0".

Примечание. Светодиод и подключенный к нему проводник окрашены в красный цвет, если логический уровень сигнала равен лог. "1". Черному цвету соответствует лог. "0".

Построение схемы исследования дешифратора

1. В основе схемы исследования дешифратора используется схема генератора четырехразрядных двоичных чисел, которая находится в файле 40385/ПТ___40385___16/Ген___чисел___cir.

2. Запустите программу Micro-Cap и откройте файл Ген___чисел___cir. Сохраните этот файл в папке с вашей Фамилией под именем Zan___16___01.

3. Из меню Component\Digital Lidrary\74xx120-\138- перетащите на рабочее поле программы пиктограмму дешифратора типа 74HС138. В диалоговом окне настройки в поле PART введите имя DD1.

4. Из меню Component\Digital Primitives\Pullups\Pulldowns перетащите пиктограммы источника лог. "1" (Pullup), в открывшемся диалоговом окне нажмите кнопку ОК. Аналогично, перетащите на экран из меню источник лог. "0" (Pulldown).

5. Нажмите на клавишу Esc. Разверните пиктограммы источников лог. "1" и лог. "0" на 90 град, для этого выделите элемент, щелкнув по нему мышкой, и нажмите на кнопку панели управления.

6. Из меню Component\Animation перетащите пиктограмму переключателя Animated Digital Switch, а затем светодиода Animated Digital LED, разверните его пиктограмму согласно рис.2, скопируйте в буфер обмена и вставьте семь его копий. Щелкните два раза мышкой на пиктограммах светодиодов и укажите в выпадающих диалоговых окнах в поле PART имена компонентов: VD5, VD6, VD7, VD8, VD9, VD10, VD11, VD12.

7. Соедините компоненты схемы проводниками в соответствии с рис. 2.

Исследование схемы дешифратора

8. Исследование дешифратора производится в режиме исследования переходных процессов (Transient Analysis) с использованием возможностей анимации. Для этого разделите экран на два окна по ширине (кнопка на верхней панели программы). Экран будет разделен на два окна после выполнения команды Analysis\Transient … Диалоговое окно режима Transient Analysis должно быть настроено так, как показано на рис. 3.

9. В строке меню выберите Analysis, а в раскрывающемся списке Transient …. В появившемся диалоговом окне настройте диалоговое окно режима анализа переходных процессов в соответствии с рис. 3.

Рис. 3. Окно настройки режима Transient Analysis

В окне настройки рис. 3 команды d(X0), d(X1), d(X2) и d(X3) выводят на временной диаграмме по оси Y логические уровни сигналов ("1" или "0"). В последней строке команда dec выводит десятичный аналог двоичного числа.

10. Закройте окно рис. 3, а затем вызовите диалоговое окно режима анимации, перейдя на вкладку Zan___16___01.CIR, щелкнув на кнопку на верхней панели программы Micro-Cap. Диалоговое окно режима анимации должно принять вид, показанный на рис. 4.

Рис. 4. Диалоговое окно режима анимации

11. Убедитесь, что время задержки в окошке Time Delay на рис. 4 равно 2 с. Нажмите кнопку ОК, а затем клавишу F9 на клавиатуре. В появившемся диалоговом окне запуска режима моделирования (рис. 3) утопите кнопку Run, а на верхней панели программы - кнопку .

В результате в левом окне будет построена временная диаграмма работы генератора двоичных чисел (рис. 5), а состояния светодиодов на входе и выходе дешифратора в правом окне покажут, как он работает. При этом активному уровню на выходах Yi соответствует– низкий (лог. "0"), на остальных (не активных) выходах дешифратора – лог. "1".

Рис. 5. Временная диаграмма работы генератора двоичных чисел

Таблица истинности дешифратора 3х8 приведена в таблице1.

Таблица1. Таблица истинности дешифратора 3х8

№

0

1

2

3

4

5

6

7

Yi

Y0

Y1

Y2

Y3

Y4

Y5

Y6

Y7

Проверьте правильность заполнения таблицы1 по временной диаграмме генератора двоичных чисел.

12. Измените положение переключателя на схеме, щелкнув по нему мышкой. В результате вход выбора G1 будет подключен к источнику лог. "0". Запустите еще раз процесс моделирования и убедитесь, что дешифратор не работает.

13. Перейдите на вкладку Transient Analysis и закройте ее. Сохраните файл.

Дешифратор является логической интегральной схемой (ИС), содержащей n входов и 2n выходов. На входы дешифратора подается двоичное число, в результате чего один из его выходов изменяет состояние. Обычно при подаче на вход дешифратора какого-либо двоичного числа (например, число 310 = 0112) изменяет состояние его соответствующий (третий по порядку) выход Y3. Промышленность выпускает ИС дешифраторов с 2, 3 или с 4 входами. На рис. 1 приведен дешифратор с тремя входами С, В, А и соответственно с 8 выходами Y0, Y1, Y2, Y3, Y4, Y5, Y6 и Y7.

Рис 1. Дешифратор 3 х 8 (вход – 3 разряда, выходов – 8).

Во многих сериях микросхем активным состоянием выхода является низкий уровень – состояние логического "0". Таким образом, при подаче на вход дешифратора (рис. 1) какого-либо двоичного числа (например, 011) соответствующий (третий по порядку) выход – Y2 будет находиться в состоянии лог. "0" (низкий уровень напряжения) а остальные выходы – в состоянии лог. "1" (высокий уровень напряжения).

ИС дешифратора имеет дополнительный вход управления G1 (прямой), G2ABAR и G2BBAR (инверсные), который называется входами выбора микросхемы. Только при подаче сигнала на этот вход (при выборе данной ИС) дешифратор будет работать. У дешифраторов с инверсным входом управления активным уровнем является уровень логического нуля, а с прямым входом управления - уровень логической единицы.

Задана схема дешифратора с логической схемой на выходе (рис. 1)

Рис. 1. Схема дешифратора с логической схемой на выходе

Задача исследования:

· Собрать схему дешифратора с логической схемой на выходе, приведенную на рис. 1.

· Провести моделирование схемы.

Примечание. Для построения схемы возьмите за основу файл схемы исследования дешифратора со схемой генератора четырехразрядных двоичных чисел Zan___16___01.

Логические элементы находятся в меню Component\Digital Primitives \StandardGates\ANDGates\AND2,Component\Digital Primitives\Standard Gates\OR Gates\OR2, Component\Digital Primitives \Standard Gates\NAND Gates\NAND2.

Задана схема дешифратора с логической схемой на выходе (рис. 1)

Рис. 1. Схема дешифратора с логической схемой на выходе

Задача исследования:

· Собрать схему дешифратора с логической схемой на выходе, приведенную на рис. 1.

· Провести моделирование схемы.

Примечание. Для построения схемы возьмите за основу файл схемы исследования дешифратора со схемой генератора четырехразрядных двоичных чисел Zan___16___01.

Логические элементы находятся в меню Component\Digital Primitives \StandardGates\ANDGates\AND2,Component\Digital Primitives\Standard Gates\OR Gates\OR2, Component\Digital Primitives \Standard Gates\NAND Gates\NAND2.

Задана схема дешифратора с логической схемой на выходе (рис. 1)

Рис. 1. Схема дешифратора с логической схемой на выходе

Задача исследования:

· Собрать схему дешифратора с логической схемой на выходе, приведенную на рис. 1.

· Провести моделирование схемы.

Примечание. Для построения схемы возьмите за основу файл схемы исследования дешифратора со схемой генератора четырехразрядных двоичных чисел Zan___16___01.

Логические элементы находятся в меню Component\Digital Primitives \StandardGates\ANDGates\AND2,Component\Digital Primitives\Standard Gates\OR Gates\OR2, Component\Digital Primitives \Standard Gates\NAND Gates\NAND2.

Задана схема дешифратора с логической схемой на выходе (рис. 1)

Рис. 1. Схема дешифратора с логической схемой на выходе

Задача исследования:

· Собрать схему дешифратора с логической схемой на выходе, приведенную на рис. 1.

· Провести моделирование схемы.

Примечание. Для построения схемы возьмите за основу файл схемы исследования дешифратора со схемой генератора четырехразрядных двоичных чисел Zan___16___01.

Логические элементы находятся в меню Component\Digital Primitives \StandardGates\ANDGates\AND2,Component\Digital Primitives\Standard Gates\OR Gates\OR2, Component\Digital Primitives\StandardGates\Inverters\Inverter, Component\Digital Primitives \Standard Gates\NAND Gates\NAND2, Component\Digital Primitives\Standard Gates\NOR Gates\NOR2.

Задана схема дешифратора с логической схемой на выходе (рис. 1)

Рис. 1. Схема дешифратора с логической схемой на выходе

Задача исследования:

· Собрать схему дешифратора с логической схемой на выходе, приведенную на рис. 1.

· Провести моделирование схемы.

Примечание. Для построения схемы возьмите за основу файл схемы исследования дешифратора со схемой генератора четырехразрядных двоичных чисел Zan___16___01.

Логические элементы находятся в меню Component\Digital Primitives \StandardGates\ANDGates\AND2,Component\Digital Primitives\Standard Gates\OR Gates\OR2, Component\Digital Primitives\StandardGates\Inverters\Inverter, Component\Digital Primitives \Standard Gates\NAND Gates\NAND2.

Тема:

Исследование дешифраторов

Используемые программы:

Micro-Cap 9.0

Задана схема исследования D триггера, представленная на рис. 1.

Рис. 1. Схема исследования D триггера.

Задача исследования:

- построить временные диаграммы работы D триггера;

- построить таблицу функционирования D триггера.

Примечание. Пиктограмма D триггера находится в меню Component\Digital Primitives\ Edge-Triggered Flip-Flops\DFF. Установите в диалоговом окне временную модель (Timing models) DO___EFF .

Задана схема исследования D триггера, представленная на рис. 1.

Рис. 1. Схема исследования D триггера.

Задача исследования:

- построить временные диаграммы работы D триггера;

- построить таблицу функционирования D триггера.

Примечание. Пиктограмма D триггера находится в меню Component\Digital Primitives\ Edge-Triggered Flip-Flops\DFF. Установите в диалоговом окне временную модель (Timing models) DO___EFF .

Задана схема исследования D триггера, представленная на рис. 1.

Рис. 1. Схема исследования D триггера.

Задача исследования:

- построить временные диаграммы работы D триггера;

- построить таблицу функционирования D триггера.

Примечание. Пиктограмма D триггера находится в меню Component\Digital Primitives\ Edge-Triggered Flip-Flops\DFF. Установите в диалоговом окне временную модель (Timing models) DO___EFF .

Задана схема исследования RS триггера, представленная на рис. 1.

Рис. 1. Схема исследования RS триггера.

Задача исследования:

- построить таблицу функционирования D триггера.

Примечание. Пиктограмма D триггера находится в меню Component\Digital Primitives\ Gated Flip-Flops/Latches\SRFF. Установите в диалоговом окне временную модель (Timing models) DO___GFF.

Задана схема исследования RS триггера, представленная на рис. 1.

Рис. 1. Схема исследования RS триггера.

Задача исследования:

- построить таблицу функционирования D триггера.

Примечание. Пиктограмма D триггера находится в меню Component\Digital Primitives\ Gated Flip-Flops/Latches\SRFF. Установите в диалоговом окне временную модель (Timing models) DO___GFF.

Схема исследования триггера типа JK, представлена на рис. 4.

Рис. 4. Схема исследования JK триггера

К входам и выходам JK триггера подключены светодиоды. Входы JK триггера подключены при помощи переключателей к источникам сигналов высокого и низкого логических уровней. Переключатели управляются при помощи мышки, курсор которой устанавливается на язычке переключателя.

Тактирующий вход триггера подключен к источнику тактовых сигналов CLK.

Замечание: установочные входы R S инверсные и управляются низким уровнем напряжения.

Задача исследования:

- построить временные диаграммы работы JK триггера;

- построить таблицу функционирования JK триггера.

Построение схемы исследования триггера типа JK

1. Запустите при помощи ярлыка на рабочем столе Windows программу Micro-Cap.

2. Перетащите пиктограмму JK триггера из меню Component\Digital Primitives\ Edge-Triggered Flip-Flops\JKFF на рабочее поле программы. Установите в диалоговом окне временную модель (Timing models) DO___EFF .

3. Перетащите пиктограммы источника лог. "1" (Pullup) и источника лог. "0" (Pulldown) из меню Component\Digital Primitives\Pullups/Pulldowns.

4. Перетащите пиктограмму источника синхроимпульсов CLK из меню Component\ Digital Primitives\Stimulus Generators\Stim1.

5. Перетащите пиктограммы переключателя и светодиодов (Animated Digital Switch и Animated Digital LED) из меню Component\Animation.

6. Соедините компоненты схемы проводниками в соответствии с рис. 4.

7. Переименуйте компоненты схемы (рис. 4), используя диалоговые окна настройки параметров компонентов (пункт PART).

8. Настройте параметры источника синхроимпульсов CLK (Stim1) в диалоговом окне (рис. 5). Для этого нажмите кнопку 1MHzClk, устанавливающую программу генерации тактовых импульсов с частотой 1 МГц.

Рис. 5. Диалоговое окно настройки источника синхроимпульсов Stim1

Исследование характеристик JK триггера

9. Запустите режим моделирования переходных процессов Analysis\Transient … Настройте выпадающее меню в соответствии с рис. 6.

Рис. 6. Диалоговое окно настройки режима моделирования переходных процессов

10. Обратите внимание, что время моделирования (Time Range) установлено 10 мс (10u). Нажмите кнопку Run.

11. Разделите экран на два окна по ширине (кнопка на верхней панели программы). Измените масштаб и положение схемы в правом окне таким образом, что бы в окне была бы видна вся схема.

12. Укажите мышкой на язычок переключателя и дважды щелкните кнопкой. Переключатель переключится в новое положение. Режим моделирования запускается автоматически после переключения.

13. Для заполнения таблицы функционирования последовательно подавайте на схему следующие входные сигналы:

· J = 1, K = 0 - триггер установится в состояние Qt+1 = 1 (светится светодиод VD3);

· J = 0, K = 0 - триггер сохраняет свое состояние Qt+1 = Qt;

· J = 0, K = 1 - триггер установится в состояние Qt+1 =0 (светится светодиод VD4);

· J=1,K=1 – триггер работает в счетном режиме.

Полученные результаты сравните с результатами, приведенными в таблице 1.

Таблица 1

Таблица функционирования JK триггера

K

J

Qt

Qt+1

0

0

0

0

0

0

1

1

0

1

0

1

0

1

1

1

1

0

0

0

1

0

1

0

1

1

0

1

1

1

1

0

На рис. 7 показана временная диаграмма для случая, когда триггер работает в счетном режиме. Из нее видно, что триггер переключается на спаде синхроимпульса в новое состояние.

Рис.7. Временная диаграмма работы JK триггера в счетном режиме

14. Остановите процесс моделирования при помощи кнопки F3.

Тема:

Исследование триггеров

Используемые программы:

Micro-Cap 9.0

Триггер – основной элемент цифровых узлов последовательного или накапливающего типа. В рассмотренных на предыдущих занятиях комбинационных схемах выходное состояние Y определялось только текущим состоянием входов – X0, X1, …, Xn. В цифровых узлах накапливающего типа выходное состояние определяется также и внутренними состояниями системы Q1, Q2, …., Qm.

Состояние схемы комбинационного типа описывается логической функцией Y = F( X0, X1, …, Xn ). Состояние схемы накапливающего типа описывается логической функцией Y = F( X0, X1, …, Xn, Q0, Q1, …., Qm ). Это означает, что выходное состояние схемы накапливающего типа зависит не только от текущего входного состояния, но и от предшествующих входных состояний, хранимых в памяти устройства.

Q = "1", второе – Q = "0". Это означает, что триггер является элементарной ячейкой памяти, хранящей 1 бит информации. По логике работы триггеры разделяются на RS, D, T и JK.

Триггер типа RS. Триггер типа RS имеет два входа (R и S) и два выхода (Q и Q ). Условное графическое обозначение триггера типа RS приведено на рис. 1.

а) УГО по ГОСТ б) УГО по ANSI

Рис. 1. Условно-графическое изображение (УГО) RS триггера.

RS триггер имеет два входа (R и S) и два выхода (прямой выход Q и инверсный выход Q или QB). Кроме того, некоторые типы RS триггеров имеют вход приоритетной установки PREB и сброса CLRB, а также вход разрешения GATE.

Если на вход S подать лог. "1", то выход Q будет находиться в состоянии лог. "1", а выход Q – в состоянии лог. "0". Если на вход R подать лог. "1", то выход Q будет находиться в состоянии лог. "0", а выход Q – в состоянии лог. "1". Это два устойчивых состояния триггера, при подаче сигнала "0" на вход CLRB триггер сбрасывается в состояние Q = "0" при любых сигналах на входах R и S (приоритетный сброс). При подаче сигнала "0" на вход PREB триггер устанавливается в состояние Q = "1" при любых сигналах на входах R и S (приоритетная установка). При подаче сигнала на разрешающий вход GATE = "1" RS триггер переключается по сигналам на входах R и S, иначе он не переключается. Комбинация сигналов S = 1, R = 1 на входах RS триггера является «запрещенной», триггер находится в неопределенном состоянии.

Триггер типа jk. Триггер типа JK является универсальным и имеет большие по сравнению с RS триггером функциональные возможности. Условное графическое обозначение триггера приведено на рис. 2.

а) УГО по ГОСТ в) УГО по ANSI

Рис. 2. Условно-графическое обозначение (УГО) JK триггера.

Триггер имеет два раздельных установочных входа J и K, аналогичных входам S и R RS триггера, и два выхода и Q. Вход триггера С (CLKB) является тактирующим или счетным. Установочные входы имеют приоритет по отношению к тактирующему. По этим входам триггер является асинхронным, т.е. его состояние изменяется в момент поступления входного сигнала. Если на установочные входы подать сигналы лог. "0", то состояние триггера будет определяться сигналом, поступающим на тактирующий вход. По тактирующему входу триггер – синхронный. В синхронном триггере состояние изменяется только в момент подачи специального тактового сигнала на дополнительный вход C (от первой буквы слова Clock). JK триггер, представленный на рис. 2, переключается по отрицательному фронту (спаду) тактового сигнала.

Триггер типа D в обычном. Триггер типа D является наиболее простым и широко применяемым при построении цифровых узлов. Триггер этого типа имеет один информационный вход D (Data) и тактирующий вход С, работающий по положительному или отрицательному фронту тактового импульса. Условное графическое обозначение триггера приведено на рис. 3.

Рис. 3. Условно-графическое изображение D триггера.

Информация с входа D заносится в триггер в момент поступления фронта тактирующего импульса и сохраняется до поступления следующего тактирующего импульса. Кроме того, существуют варианты исполнения D триггеров, в которых тактирующий вход С управляется уровнем сигнала (триггер – защелка или Latch). Для этого варианта D триггера существует явление "прозрачности", усложняющее проектирование цифровых узлов.

Во многих сериях микросхем D триггер дополнительно содержит установочные асинхронные входы R и S, которые являются приоритетными.

Задана схема исследования вычитающего счетчика

Рис. 1. Схема вычитающего счетчика.

Задача исследования:

- Получить временную диаграмму функционирования счетчика.

Примечание. В вычитающем счетчике изменена схема переключения триггеров по сравнению со схемой суммирующего счетчика.

Задана схема исследования вычитающего счетчика

Рис. 1. Схема вычитающего счетчика.

Задача исследования:

- Получить временную диаграмму функционирования счетчика.

Примечание. В вычитающем счетчике изменена схема переключения триггеров по сравнению со схемой суммирующего счетчика.

Задана схема исследования вычитающего счетчика

Рис. 1. Схема вычитающего счетчика.

Задача исследования:

- Получить временную диаграмму функционирования счетчика.

Примечание. В вычитающем счетчике изменена схема переключения триггеров по сравнению со схемой суммирующего счетчика.

Задана схема исследования счетчика с последовательным переносом на базе JK триггеров

Рис. 1. Суммирующий счетчик на JK триггерах

Задача исследования:

- Получить временную диаграмму функционирования счетчика.

Примечание. Пиктограмма JK триггера находится в меню Component\Digital Primitives\ Edge-Triggered Flip-Flops\JKFF. Установите в диалоговом окне временную модель (Timing models) DO___EFF.

Задана схема исследования счетчика с последовательным переносом на базе JK триггеров

Рис. 1. Суммирующий счетчик на JK триггерах

Задача исследования:

- Получить временную диаграмму функционирования счетчика.

Примечание. Пиктограмма JK триггера находится в меню Component\Digital Primitives\ Edge-Triggered Flip-Flops\JKFF. Установите в диалоговом окне временную модель (Timing models) DO___EFF.

Схема исследования простейшего последовательного двоичного счетчика, построенного на D триггерах с синхронизацией по переднему фронту синхроимпульса, представлена на рис. 1.

Рис.1. Схема исследования суммирующего двоичного счетчика с последовательным переносом

Счетчик собран на D триггерах, работающих в режиме счетного триггера. К выходу Q каждого триггера подключены светодиоды VD1, VD2 и VD3. Выходы триггеров также подключены к формирователю DD4 типа 7448, управляющего работой семисегментного индикатора. Последовательность импульсов поступает на вход СLK левого триггера DD1 от источника синхроимпульсов типа Stim1 с именем CLK. Сигнал с его инверсного выхода QB поступает на вход СLK триггера второго разряда счетчика DD2. Аналогично построен третий разряд счетчика.

Задача исследования:

Получить временную диаграмму функционирования счетчика.

Построение схемы исследования идеальной модели двоичного счетчика

1. Запустите при помощи ярлыка на рабочем столе Windows программу Micro-Cap Cap и откройте файл РФ___ПТ40387/SS___1.cir. Сохраните этот файл в папке с вашей Фамилией под именем Zan___18___01.

2. Из меню Component\DigitalPrimitives\Edge-TriggeredFlip-Flops\DFF перетащите пиктограмму D триггера на рабочее поле программы. В открывшемся диалоговом окне выделите пункт меню Timing model = , затем в правом окошечке найдите и выделите мышкой модель DO___EFF. В поле PART введите имя триггера DD1. Нажмите кнопку ОК. Скопируйте пиктограмму D триггера в буфер обмена и вставьте две его копий. В выпадающих диалоговых окнах копий в поле PART введите имена компонентов согласно рис.1.

3. Из меню Component\Digital Primitives\Pullups/Pulldowns перетащите пиктограммы источника лог. "1" (Pullup), в открывшемся диалоговом окне нажмите кнопку ОК. Нажмите на клавишу Esc.

4. Из меню Component\Digital Primitives\Stimulus Generators\Stim1 перетащите пиктограмму источника синхроимпульсов CLK. В открывшемся диалоговом окне нажмите кнопку , устанавливающую программу генерации тактовых импульсов с частотой 1 МГц.

5. Из меню Component\Animation перетащите пиктограмму светодиода Animated Digital LED, скопируйте в буфер обмена и вставьте три его копий. Щелкните два раза мышкой на пиктограммах светодиодов и укажите в выпадающих диалоговых окнах в поле PART имена компонентов: VD1, VD2, VD3, VD4. Разверните при необходимости пиктограммы согласно рис.1 и соедините компоненты схемы проводниками в соответствии с рис. 1.

6. Соедините компоненты схемы проводниками в соответствии с рис. 1. Сохраните файл.

Исследование характеристик суммирующего счетчика

7. В строке меню выберите Analysis, а в раскрывающемся списке Transient …. Появившееся диалоговое окно настройте в соответствии с рис. 2.

Рис. 2. Окно настройки процесса моделирования

Обратите внимание, что время моделирования (Time Range) установлено 8 мс (8u).

Нажмите кнопку Run. Разделите экран на два окна по ширине (кнопка на верхней панели программы). Измените масштаб и положение схемы в правом окне таким образом, что бы в нем была бы видна вся схема.

8. Включите режим анимации (кнопка на верхней панели программы Micro-Cap). Установите задержку (Time Delay), равную 0.5 с. Нажмите кнопку ОК.

9. Перезапустите процесс работы генератора, утопив на кнопку . Наблюдайте за работой счетчика по загоранию светодиодов. Наблюдайте процесс построения временной диаграммы рис.3.

Рис. 3. Временная диаграмма работы суммирующего счетчика

(u соответствует мкс)

10. Остановите процесс моделирования при помощи кнопки F3.

Из диаграммы рис. 3 видно, что при подаче на вход счетчика 8 импульсов на выходе старшего разряда счетчика формируется один импульс. Т.е. счетчик является делителем частоты, в данном случае с коэффициентом – 8 для старшего разряда и с коэффициентом – 4 для промежуточного разряда.

11. Определим промежуток время, через который счетчик перейдет в состояние 100. С этой целью утопите кнопку , появившеюся визирную линию установите, так как показано на рис. 4.

Рис. 4.

Из анализа временной диаграммы рис. 4 видно, что счетчик перейдет в состояние 100 через 3,508 мкс с момента начала работы.

Счетчиками называются цифровые узлы, которые под действием входных импульсов переходят из одного состояния в другое, изменяя свое состояние на единицу. В результате счетчик сохраняет число или код, соответствующий числу поступивших на его вход импульсов. Увеличение числа в счетчике на единицу называется операцией инкрементации, уменьшение на единицу – операцией декрементации.

Модуль счета или емкость счетчика М определяется как максимальное число различных состояний счетчика. После поступления М импульсов счетчик сбрасывается в начальное (нулевое) состояние и цикл счета повторяется.

Классификация счетчиков

· По способу кодирования внутренних состояний счетчики делятся на двоичные, двоично-десятичные и др.

· По направлению счета счетчики делятся на суммирующие, вычитающие и реверсивные.

· По организации межразрядных связей счетчики делятся на счетчики с последовательным или параллельным переносом.

Состояние счетчика определяется по выходам разрядных схем Qn-1 Qn-2 … Q0, при этом входные импульсы поступают на младший разряд счетчика Q0.

Счетчики бывают суммирующие и вычитающие. В суммирующем счетчике каждый импульс на входе увеличивает число на единицу, в вычитающем – уменьшает на единицу.

Двоичный счетчик имеет модуль m = 2n, где n – разрядность, целое число. Внутренние состояния двоичного счетчика образуют естественную последовательность, эквивалентную последовательности десятичных чисел 0, 1, ... м – 1. счетчики обычно строятся на счетных Т триггерах, построенных на базе D и JK триггеров.

Тема:

Исследование характеристик счетчиков

Используемые программы:

Micro-Cap 9.0

Схема исследования ЦАП с последовательным суммированием токов (ЦАП лестничного типа) представлена на рис. 3.

Рис.3. Схема исследования цифро – аналогового преобразователя с последовательным суммированием током

Если разряд двоичного кода на входе ЦАП равен "1", то соответствующий переключатель подключает резистор к источнику опорного напряжения, если равен "0" – к "земле" (на схеме на вход ЦАП подано двоичное число (1111)2). Напряжение источника опорного напряжения V1 равно 5 В.

Задача исследования:

- определить минимальный шаг изменения выходного напряжения;

- построить характеристики вход – выход для идеального и реального ЦАП, провести их сравнительный анализ.

Результаты расчета по формуле (1) напряжений на выходе идеального ЦАП занесены во второй столбец Таблицы 2.

Таблица 2.

Характеристики вход – выход идеального и реального ЦАП с последовательным суммированием токов

N

Двоичное число

Выходное напряжение идеального ЦАП

Выходное напряжение реального ЦАП

0

0000

0

1

0001

0.3125

2

0010

0.625

3

0011

0.9375

4

0100

1.25

5

0101

1.5625

6

0110

1.875

7

0111

2.1875

8

1000

2.5

9

1001

2.8125

10

1010

3.125

11

1011

3.4375

12

1100

3.75

13

1101

4.0625

14

1110

4.375

15

1111

4.6875

Построение схемы исследования реального ЦАП (рис. 3)

1. Запустите программу Micro-Cap.

2. Перетащите со второй строки панели программы Micro-Сар изображение ОУ и разместите его на рабочем поле согласно рис. 3, в открывшемся диалоговом окне выделите пункт меню MODEL = , затем в правом окошечке найдите и выделите мышкой модель ОУ LM741 (см. рис.4).

Рис. 4.

В нижних окошках должны появиться параметры модели ОУ LM 741 (Рис. 5).

Рис. 5. Диалоговое окно настройки параметров операционного усилителя

3. В диалоговом окне ОУ рис. 5 выделите пункт меню PART =. Запишите в верхнем окошке имя ОУ – DA1. Нажмите кнопку ОК.

4. Программа Micro-Cap выдаст второе диалоговое окно (рис. 6), предлагая подключить источники питания операционного усилителя. Нажмите кнопку ОК.

Рис. 6. Окно автоматического подключения источников питания операционного усилителя

5. Из меню Component\Animation перетащите пиктограмму переключателя Animated SPST Switch, щелчком мышки вставьте еще три копии пиктограмм переключателя. Разверните пиктограмму переключателя согласно рис.3, для этого выделите элемент, щелкнув по нему мышкой, и нажмите три раза на кнопку панели управления. Вставьте еще три копии пиктограмм переключателя и введите их обозначения согласно рис.3.

6. Из меню Component\Animation перетащите пиктограмму вольтметра Animated Meter, двойным щелчком мышки по надписи Digital см. рис. 7 переведите вольтметр в цифровой режим

Рис. 7. Пиктограмма вольтметра (аналоговый режим измерения)

7. Перетащите со второй строки панели программы Micro-Сар изображения заземления и источника напряжения . На вкладке выбора типа источника сигнала нажмите вкладку с надписью None. Убедитесь в том, что активирован режим VALUE и последовательно заполните поля DC, AC magnitude, AC Phase так, как показано на рис.8.

Рис.8.

В поле PART введите обозначение источника V1. Настройку завершите нажатием кнопки ОК.

8. Из верхней панели программы перетащите и при необходимости разверните пиктограммы резисторов, настройте в диалоговых окнах их значения и введите их обозначения согласно рис.3. Соедините компоненты схемы проводниками.

9. Сохраните файл в папке с вашей Фамилией под именем Zan___19___01 .

Исследование ЦАП

10. В строке меню выберите Analysis, а в раскрывающемся списке Transient …. Появившееся диалоговое окно настройте в соответствии с рис. 9.

Рис. 9. Диалоговое окно настройки режима Transient Analysis

Нажмите кнопку Run. Разделите экран на два окна по ширине (кнопка на верхней панели программы). Измените масштаб и положение схемы в правом окне таким образом, что бы в нем была бы видна вся схема.

Определение напряжения смещения нуля

11. Подайте на вход схемы двоичное число (0000)2 . Младшему разряду Х0 соответствует переключатель S0. Снимите показания вольтметра Uвых=-2.97 мВ.

Определение минимального шага изменения выходного напряжения

12. Подайте на вход ЦАП при помощи переключателей S0, S1, S2 и S3, управляемых щелчком мышки, двоичное число (0001)2. Вольтметр, подключенный к выходу ОУ, покажет напряжение, соответствующее минимальному шагу - 309.5 мВ.

Построение характеристики вход – выход для идеального ЦАП.

13. Подайте на вход ЦАП последовательность двоичных чисел, снимите показания вольтметра и проверьте правильность заполнения Таблицы 3.

Таблица 3.

Характеристики вход – выход идеального и реального ЦАП с последовательным суммированием токов

N

Двоичное число

Выходное напряжение идеального ЦАП

Выходное напряжение реального ЦАП

0

0000

0

-2.97 мВ

1

0001

0.333333

330.3 мВ

2

0010

0.666666

663.6 мВ

3

0011

0.999999

997.0 мВ

4

0100

1.333332

1.33 В

5

0101

1.666665

1.66 В

6

0110

1.999998

2.00 В

7

0111

2.333331

2.33 В

8

1000

2.666664

2.66 В

9

1001

2.999997

3.00 В

10

1010

3.33333

3.33 В

11

1011

3.666663

3.66 В

12

1100

3.999996

4.00 В

13

1101

4.333329

4.33 В

14

1110

4.666662

4.66 В

15

1111

4.999995

5.00 В

Из Таблицы 3 определяют:

- Минимальный шаг изменения выходного напряжения Uвых= 330.3 мВ.

- Абсолютную погрешность преобразования, определяемую в конечной точке m = 15 δUвых. Она равна разности выходных напряжений идеального и реального ЦАП

δUвых= 5 – 4.999995 = 0.000005 В.

14. Перейдите на вкладку Transient Analysis и закройте ее. Сохраните файл.

Заданы значения трапецевидной функции, которые представлены в Таблице 1.

Таблица 1

Значения трапецевидной функции

Задана схема функционального генератора рис.1.

Рис. 1. Схема функционального генератора на базе ЦАП.

Задача исследования:

Получить временные диаграммы работы функционального генератора на базе ЦАП средствами программы Micro-Cap.

Примечание. Для построения схемы возьмите за основу файл ПТ40388/ ГЕНЕРАТОР___TR.cir, содержащий цифровой функциональный генератор FG___TR ___8.

Заданы значения трапецевидной функции, которые представлены в Таблице 1.

Таблица 1

Значения трапецевидной функции

Задана схема функционального генератора рис.1.

Рис. 1. Схема функционального генератора на базе ЦАП.

Задача исследования:

Получить временные диаграммы работы функционального генератора на базе ЦАП средствами программы Micro-Cap.

Примечание. Для построения схемы возьмите за основу файл ПТ40388/ ГЕНЕРАТОР___TR.cir, содержащий цифровой функциональный генератор FG___TR ___8.

Заданы значения треугольной функции, которые представлены в Таблице 1.

Таблица 1

Значения треугольной функции

Задана схема функционального генератора рис.1.

Рис. 1. Схема функционального генератора на базе ЦАП.

Задача исследования:

Получить временные диаграммы работы функционального генератора на базе ЦАП средствами программы Micro-Cap.

Примечание. Для построения схемы возьмите за основу файл ПТ40388/ ГЕНЕРАТОР___TREYG.cir, содержащий цифровой функциональный генератор FG___TR ___8.

Заданы значения функции y = tg (t), которые представлены в Таблице 1.

Таблица 1

Значения функции y = tg (t).

Задана схема функционального генератора рис.1.

Рис. 1. Схема функционального генератора на базе ЦАП.

Задача исследования:

Получить временные диаграммы работы функционального генератора y = tg (t) на базе ЦАП средствами программы Micro-Cap.

Примечание. Для построения схемы возьмите за основу файл ПТ40388/ГЕНЕРАТОР___TG.cir, содержащий цифровой функциональный генератор FG___TG___8.

Заданы значения функции y = tg (t), которые представлены в Таблице 1.

Таблица 1

Значения функции y = tg (t).

Задана схема функционального генератора рис.1.

Рис. 1. Схема функционального генератора на базе ЦАП.

Задача исследования:

Получить временные диаграммы работы функционального генератора y = tg (t) на базе ЦАП средствами программы Micro-Cap.

Примечание. Для построения схемы возьмите за основу файл ПТ40388/ГЕНЕРАТОР___TG.cir, содержащий цифровой функциональный генератор FG___TG___8.

Тема:

Исследование характеристик цифро-аналоговых преобразователей

Используемые программы:

Micro-Cap 9.0

Цифро – аналоговые преобразователи (ЦАП) предназначены для преобразования цифровой информации, заданной в форме двоичных кодов, в аналоговые величины, обычно в напряжение или ток. Процесс цифро – аналогового преобразования предполагает формирование в заданном диапазоне изменения выходного аналогового сигнала его дискретных значений, отличающихся на определенный шаг, и сопоставление каждому дискретному значению выходного сигнала определенного двоичного кода.

ЦАП в настоящее время выпускаются промышленностью только в виде интегральных схем, которые могут быть как функционально завершенные, так и функционально незавершенные. Во втором случае необходимо использование внешних элементов, как правило, источника опорного напряжения и операционного усилителя. Применение внешнего источника опорного напряжения позволяет разделить все ЦАП на две группы: умножающие и неумножающие. Первая группа допускает работу с изменяющимся во времени опорным напряжением, вторая – только с фиксированным значением опорного напряжения.

Технические характеристики ЦАП разделяются на статические и динамические. К статическим относятся:

- Разрядность n - число двоичных разрядов кода, которые можно подать на вход ЦАП. Цифровая часть ЦАП разделяет величину опорного напряжения Uоп, Iоп на N частей, связанных с разрядностью следующей формулой

N = 2n

ЦАП широкого применения обычно содержат от 8 до 16 двоичных разрядов.

- Минимальный шаг изменения выходного напряжения или тока ΔIвых, ΔUвых, при котором входной код изменяется на единицу. Минимальный шаг связан с разрядностью следующей формулой

ΔIвых = Iоп / N, ΔUвых= Uоп / N.

Выходное напряжение Uвых или выходной ток Iвых идеального ЦАП определяется следующими соотношениями

Iвых = Iоп m / N, Uвых = Uоп m / N,

где: m – десятичный эквивалент двоичного кода, поступающего на вход ЦАП, m = 0, 1,… N.

- Абсолютная погрешность преобразования δUвых, δIвых, определяемая в конечной точке m = N равна разности выходных напряжений или токов идеального и реального ЦАП.

- Нелинейность преобразования δL - максимальная разность выходных напряжений или токов для идеального и реального ЦАП в промежуточной точке m < N.

- Напряжение смещения нуля – напряжение или ток на выходе ЦАП при подаче на его вход нулевого кода.

К динамическим характеристикам ЦАП относятся:

- Максимальная частота преобразования fс макс - максимальная частота изменения входных кодов, допустимая для нормальной работы ЦАП.

- Время установления ts – время от момента поступления двоичного кода на вход ЦАП до момента установления выходного напряжения или тока.

Обычно характеристики ЦАП связывают с минимальным шагом изменения выходного напряжения ΔUвых или тока ΔIвых. Так, абсолютная погрешность преобразования и нелинейность преобразования обычно равна минимальному шагу или, в точных ЦАПах, – половине минимального шага.

Различают ЦАП с параллельным и последовательным суммированием токов. ЦАП с последовательным суммированием токов значительно технологичнее ЦАП с параллельным суммированием токов. Это связано с тем, что в его схеме применяются резисторы двух номиналов R и 2R. Поэтому этот тип ЦАП нашел самое широкое распространение.

Схема ЦАП с последовательным суммированием токов (ЦАП лестничного типа) представлена на рис. 1.

Рис.1. Схема цифро – аналогового преобразователя с последовательным суммированием током

Если разряд двоичного кода на входе ЦАП равен "1", то соответствующий переключатель подключает резистор к источнику опорного напряжения, если равен "0" – к "земле" (на схеме на вход ЦАП подано двоичное число (1111)2). ЦАП с последовательным суммированием токов содержат резисторы только двух номиналов: R и 2R. На схеме резисторы R2, R4, R6, R9 номинала - R, резисторы R1, R3, R5, R7 и R8 номинала - 2R.

Принцип работы матрицы R-2R этого варианта ЦАП состоит в следующем. Если ключ S0 подключен к "земле", то суммарное сопротивление между узлом схемы "0" и "землей" равно сопротивлению двух параллельно соединенных резисторов R7 и R8. Это сопротивление равно Rэ = R. Аналогично сопротивление между узлом "1" и "землей” равно сопротивлению двух параллельных цепей R5 и R6 + (R7 и R8), то есть также равно R. Аналогично получается такой же результат и для остальных узлов "2" и "3". Когда на вход ЦАП поступает двоичное число, то соответствующие ветви матрицы сопротивлений включаются параллельно и токи, соответствующие двоичным разрядам с "1" получают веса, аналогичные весам двоичных разрядов в ЦАПе с параллельным суммированием токов.

Напряжение на выходе ЦАП с последовательным суммированием токов находится по формуле

(1)

В этой формуле буквами (L, K, J и I) обозначены "0" или "1" двоичного числа (L K J I)2, поступающего на вход ЦАП (младший разряд справа).

Цифро-аналоговые преобразователи позволяют создавать различные варианты схем функциональных генераторов для таблично заданных (сеточных) функций вида y = f(t). Для этого отрезок изменения аргумента t разбивают на равные части и составляют таблицу значений функции в этих точках. Эти значения функции нормируют на величину опорного напряжения ЦАП и представляют наиболее близкими к ним числами в двоичном коде.

Пример схемы функционального генератора на базе ЦАП представлен на рис.2.

Рис. 2. Схема функционального генератора на базе ЦАП.

Функциональный генератор (рис. 2) содержит 8-ми разрядный ЦАП DD1, цифровые входы которого подключены к цифровому функциональному генератору. К ЦАП подключен источник опорного напряжения V1. Цифровой функциональный генератор построен на основе генератора цифровых сигналов, в программу управления которого записаны двоичные слова. Эти слова по очереди в постоянном темпе выводятся на входы ЦАП, в результате на его выходе появляется ступенчатая функция, аппроксимирующая заданную функцию y = f(t). Для повышения точности реализации заданной функции уменьшают шаг или увеличивают число точек значений функции в таблице.

Схема исследования АЦП с последовательным преобразованием представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема исследования АЦП с последовательным преобразованием.

АЦП содержит 8-ми разрядный двоичный счетчик, собранный на двух микросхемах четырехразрядных счетчиков типа 74LS193 (отечественный аналог К555ИЕ7) по стандартной схеме. Выходы двоичных разрядов счетчика Q0 – Q7 подключены к цифровым входам 8-ми разрядного ЦАП (DAC). К ЦАП подключен источник опорного напряжения V1 (+ 5). К аналоговому выходу ЦАП подключен инверсный вход операционного усилителя (ОУ), работающего в режиме компаратора напряжения. Напряжение на выходе ЦАП измеряется вольтметром. На второй вход ОУ подается входной аналоговый сигнал АЦП от источника напряжения V4. Компаратор изменяет свое состояние при переходе входного напряжения через заданное пороговое напряжение. Напряжение на прямом входе ОУ (входное напряжение АЦП) задается при помощи изменения напряжения в источнике V4.

Работает АЦП следующим образом. Перед началом преобразования счетчик сбрасывается в ноль. Аналоговый сигнал от источника V4 подается на прямой вход операционного усилителя и включается счетчик. Для этого тактовые импульсы от генератора CLK подаются через элемент DD1 "И" на вход счетчика, счетчик подсчитывает импульсы, в результате код числа на выходах двоичных разрядов счетчика и на цифровых входах ЦАП увеличивается. На выходе ЦАП появляется возрастающее пилообразное напряжение, которое в какой то момент превышает напряжение источника V4, поданное на аналоговый вход. В этот момент напряжение на выходе ОУ компаратора меняет знак, ячейка "И" закрывается, поступление импульсов на вход счетчика прекращается. Цифровой код на выходах счетчика сопоставляется уровню аналогового сигнала.

Последовательный АЦП является простым по аппаратным затратам, но обладает низким быстродействием. Так, максимальное время преобразования для 8-ми разрядного АЦП составляет 28 = 256 импульсов и резко возрастает по мере роста разрядности.

Задача исследования:

- построить характеристику вход – выход для АЦП;

- определить минимальный шаг изменения входного напряжения.

Моделирование аналого-цифровых преобразователей

с последовательным преобразованием

1. Запустите при помощи ярлыка на рабочем столе Windows программу Micro-Cap. Выберете в меню Files команду Open. В появившемся диалоговом окне откройте папку РФ___ ПТ40389, а в ней файл Последовательный___АЦП, в котором представлена схема экспериментального исследования АЦП с последовательным преобразованием (рис. 1).

2. Напряжение на вход АЦП подается с источника V4. Установите в диалоговом окне настройке величину этого напряжения согласно рис. 2 и нажмите на кнопку ОК.

Рис. 2. Окно настройки входного напряжения АЦП (источник V4)

Это напряжение на входе АЦП показывает нижний вольтметр. Второй (верхний на схеме) вольтметр показывает напряжение на выходе ЦАП, которое определяет уровни квантования входного сигнала. Цифровые светодиоды VD1 – VD8 подключены к выходам двоичных разрядов счетчика и показывают двоичный код, сопоставляемый уровню аналогового сигнала.

3. Запустите режим моделирования переходных процессов, с этой целью в строке меню выберите Analysis, а в раскрывающемся списке Transient …. Появившееся диалоговое окно настройте в соответствии с рис. 3.

Рис. 3. Окно настройки параметров моделирования переходных процессов

Обратите внимание, что время моделирования (Time Range) установлено 3 мс (3u).

4. Нажмите кнопку Run. Разделите экран на два окна по ширине (кнопка на верхней панели программы). Измените масштаб и положение схемы в правом окне таким образом, что бы в нем была бы видна вся схема. Наблюдайте за работой схемы по загоранию светодиодов и процесс построения временной диаграммы (рис. 4).

Рис. 4. Результаты моделирования для V4 = 2.75 В

В верхнем окне показаны временные диаграммы работы счетчика. По мере увеличения числа, накопленного в счетчике, линейно увеличивается напряжение на выходе Y ЦАП (среднее окно). В нижнем окне показана временная диаграмма на выходе операционного усилителя (точка Y1). При достижении напряжения на выходе ЦАП заданного уровня (2.75 В) происходит изменение знака напряжения на выходе операционного усилителя (точка Y1). В этот момент логический элемент "И" DD1 закрывается и счетчик останавливается. Код на выходе счетчика соответствует напряжению 2.75 В (100011012) (на рис. 4 VD1 соответствует самому младшему разряду).

Определение минимального шага изменения входного напряжения.

5. В диалоговом окне настройке источнике V4 установите напряжение 4.97 В. Этому напряжению соответствует цифровой код 111111112. Это максимальное напряжение, которое можно подать на вход АЦП. Дождитесь, пока закончится процесс моделирования анимационных элементов схемы.

· Запишите показания вольтметров и цифровой код в первую строчку Таблицы 1.

Таблица 1

Характеристика вход – выход АЦП.

N

п/п

Показания

Вольтметра на выходе ЦАП

Показания Вольтметра на входе АЦП

Двоичный код

Х0

Х1

Х2

Х3

Х4

Х5

Х6

Х7

1

4.98

4.97

1

1

1

1

1

1

1

1

2

3

4

5

6

7

8

Построение характеристики вход – выход для АЦП.

6. Установите по очереди в источнике V4 напряжения, уменьшающиеся с шагом h = 0.01 В (4.96 В, 4.95 В и т.д.). Ожидайте окончания процесса моделирования.

· При каждом изменении цифрового кода на единицу заносят показания вольтметров и цифровой код в таблицу 1. Сравните двоичные коды в соседних строках таблицы. Коды должны отличатся на единицу младшего разряда, а уровни входного аналогового сигнала (показания нижнего вольтметра) должны лежать в промежутках между двумя соседними уровнями квантования (показания верхнего вольтметра). В таблице 2 занесены точки характеристики вход – выход АЦП, сравните с Вашими результатами.

Таблица 2

· Минимальный шаг изменения входного напряжения (соответствующий шагу квантования в АЦП) определяется из таблицы 2 как разность показаний верхнего на схеме вольтметра (подключенного к выходу ЦАП), при которых цифровые коды равны 111111112 и 111111102

7. Нажмите на клавишу F3.

Аналого–цифровые преобразователи (АЦП) предназначены для преобразования аналогового сигнала в цифровой код. Процесс аналого–цифрового преобразования состоит из следующих действий:

- выделение аналогового сигнала в некоторый момент времени или дискретизация аналогового сигнала с заданным шагом по времени,

- квантование аналогового сигнала, т.е. округление с заданным шагом по уровню сигнала,

- сопоставление квантованному аналоговому сигналу некоторого цифрового кода.

Квантование аналогового сигнала по времени и по уровню приводит к потере информации. Так как ширина частотного спектра аналогового сигнала в технических устройствах ограничена, то можно выбрать такой малый шаг дискретизации по времени, что потери информации не будет (теорема Котельникова). Квантование сигнала по уровню всегда приводит к потере информации. Эта потеря может быть уменьшена до очень малой величины путем увеличения разрядности АЦП.

Технические характеристики АЦП разделяются на статические и динамические. К статическим относятся:

· Разрядность n - число двоичных разрядов кода, которые можно получить на выходе АЦП. Цифровая часть АЦП разделяет величину опорного напряжения Uоп ,Iоп на N частей, связанных с разрядностью следующей формулой

N = 2n

АЦП широкого применения обычно содержат от 8 до 16 двоичных разрядов.

· Минимальный шаг квантования или минимальный шаг изменения входного напряжения или тока ΔIвх, ΔUвх, при котором выходной код изменяется на единицу. Минимальный шаг связан с разрядностью следующей формулой

ΔIвх = Iоп / N, ΔUвх= Uоп / N.

Входное квантованное напряжение Uвх или входной квантованный ток Iвх идеального АЦП определяется следующими соотношениями

Iвх = Iоп m / N, Uвх = Uоп m / N,

где: m – десятичный эквивалент двоичного кода на выходе АЦП. m = 0, 1, … N.

· Абсолютная погрешность преобразования δUвх , δIвх, определяемая в конечной точке m = N равна разности входных напряжений или токов идеального и реального АЦП.

· Нелинейность преобразования δL - максимальная разность входных напряжений или токов для идеального и реального АЦП в промежуточной точке m < N.

· Напряжение смещения нуля – напряжение или ток на входе АЦП, которое нужно приложить для получения на выходе нулевого кода.

К динамическим характеристикам АЦП относятся:

· Максимальная частота преобразования fс макс - максимальная частота дискретизации по времени, допустимая для нормальной работы ЦАПа.

· Время преобразования tс– время от момента поступления сигнала на вход АЦП до момента установления цифрового кода.

Обычно характеристики АЦП связывают с минимальным шагом изменения входного напряжения ΔUвх или тока ΔIвх. Так, абсолютная погрешность преобразования и нелинейность преобразования обычно равна минимальному шагу или, в точных АЦП – половине минимального шага.

Заданы значения функции y = cos(x), которые представлены в Таблице 1.

Таблица 1

Задана схема АЦП рис.1.

Рис. 1. Схема для составления таблиц функциональных генераторов

Задача исследования:

Получить таблицу кодирования для функции y=sin(x) (Таблица1) функциональ-ного генератора средствами программы Micro-Cap.

Примечание. Схему рис. 1 возьмите из файла ПТ40389/ Функц генератор.cir.

Заданы значения функции y = sin(x), которые представлены в Таблице 1.

Таблица 1

Задана схема АЦП рис.1.

Рис. 1. Схема для составления таблиц функциональных генераторов

Задача исследования:

Получить таблицу кодирования для функции y=sin(x) (Таблица 1) функциональ-ного генератора средствами программы Micro-Cap.

Примечание. Схему рис. 1 возьмите из файла ПТ40389/ Функц генератор.cir.

Заданы значения функции y = tg(x), которые представлены в Таблице 1.

Таблица 1

Задана схема АЦП рис.1.

Рис. 1. Схема для составления таблиц функциональных генераторов

Задача исследования:

Получить таблицу кодирования для функции y= tg(x) (Таблица1) функциональ-ного генератора средствами программы Micro-Cap.

Примечание. Схему рис. 1 возьмите из файла ПТ40389/ Функц генератор.cir.

Заданы значения функции y = x2, которые представлены в Таблице 1.

Таблица 1

Задана схема АЦП рис.1.

Рис. 1. Схема для составления таблиц функциональных генераторов

Задача исследования:

Получить таблицу кодирования для функции y = x2 (Таблица1) функциональ-ного генератора средствами программы Micro-Cap.

Примечание. Схему рис. 1 возьмите из файла ПТ40389/ Функц генератор.cir.

Заданы значения функции y = x3, которые представлены в Таблице 1.

Таблица 1

Задана схема АЦП рис.1.

Рис. 1. Схема для составления таблиц функциональных генераторов

Задача исследования:

Получить таблицу кодирования для функции y = x3 (Таблица 1) функциональ-ного генератора средствами программы Micro-Cap.

Примечание. Схему рис. 1 возьмите из файла ПТ40389/ Функц генератор.cir.

Тема:

Исследование характеристик аналого-цифровых преобразователей

Используемые программы:

Micro-Cap 9.0