Схемы формирования импульсов

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

Изучить принципы построения формирующих схем, познакомиться с работой простейших формирователей. Изучить работу ИЛС и ОУ как пороговых элементов в простых импульсных схемах.

КРАТКИЕ ПОЯСНЕНИЯ:

В любой импульсной схеме встречаются транзисторы, выполняющие роль коммутирующего электронного ключа или работающие на каком-то временном интервале в ключевом режиме. Важнейшим параметром электронного ключа является его быстродействие. Поэтому важно усвоить влияние элементов схемы (как активных, так и пассивных), а также параметров переключающего сигнала на время включения и время переключения транзисторного ключа.

Схема простейшего транзисторного ключа приведена на рис. 1а, осциллограммы, поясняющие работу – на рис. 1б.

На рис. 2 приведена принципиальная схема, по которой можно изучать быстродействие транзисторного ключа.

Логические вентили и операционные усилители, имеющие передаточные характеристики с четко выраженным порогом срабатывания, широко используются для построения импульсных схем.

К основным характеристикам и параметрам, описывающим работу интегрального логического вентиля и существенным для понимания работы и расчета импульсных схем относятся передаточная характеристика, входная и выходная характеристики, напряжение переключения – Uпор, средняя задержка передачи сигнала – tзад.ср, предельная рабочая частота – fмах. По характеристикам можно определить входное и выходное сопротивление элемента при различных входных и выходных сигналах, коэффициент передачи при активных режимах работы, нагрузочную способность.

Для операционного усилителя к числу важнейших относятся: передаточная характеристика и параметры, характеризующие работу ОУ в режиме большого сигнала: скорость нарастания выходного напряжения и мощностная полоса пропускания.

В данной работе изучаются формирователи импульсов, использующие времязадающие RC-цепи и логические элементы И-НЕ (рис. 3(а,б), 4(а,б)) и ограничитель на ОУ (рис. 5).

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К РАСЧЕТУ СХЕМЫ:

1. Расчет схемы ключа на биполярном транзисторе (рис. 2):

1.1 Тип транзистора: p-n-p, германиевый, МП42Б.

1.2 Параметры транзистора: b=40; I_к0£2.5 мкА;

f_a=1МГц; R_вх=(200¸1000)Ом;

C_э=5пФ; C_к=7пФ;

U_{бэ нас}=0,6В U_{кэ нас}=0,4В.

1.3 Определение напряжений и токов в ключе в статическом режиме:

1.3.1 в режиме отсечки:

, где E_б=+3В, R₁=1кОм, R₂=5,1кОм.

, где E_к=-5В, R₃=1кОм.

1.3.2 в режиме насыщения:

1.4 Определение уровня «слабого» и «сильного» входного сигнала:

, где S – степень насыщения. Принять: S=1,5¸2 для «слабого» сигнала и S=10¸20 для «сильного» сигнала.

, где I_б1 – включающий ток базы, определяется через S; R1=1кОм, e_0б=0,2В.

, где I_б2 – выключающий ток базы, R₂=5,1кОм

1.5 Определение времен при включении ключа:

, где

, принять С_м=15пФ;

при U_вх>>U_{б зап.}

в случае «слабого» сигнала,

в случае «сильного» сигнала,

где

1.6 Определение времен выключения ключа:

, где

в случае «слабого» сигнала

при «сильном» сигнале,

в случае «слабого» сигнала,

в случае «сильного» сигнала,

.

2. Расчет схем формирователей на логических элементах:

2.1 Для формирователя с интегрирующей цепью на входе (рис. 3):

, где U_пор=0,9В, e_0б1=0,6В, R₁=2кОм,

E⁰=0В, E¹=4В,

, где ;

;

, где C и R задаются параметрами RC-цепи, установленной в стенде (величина сопротивления R принимается с учетом выходного сопротивления генератора R_i).

Если K<<1 и R<<R₁, то

;

;

;

;

2.2 Для формирователя с дифференцирующей цепью на входе (рис. 4):

;

;

;

;

;

R_min<R<R_max,

R=150Ом, C=0,05мкФ, R_i=(50¸90)Ом, R₁=2кОм.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ:

1. Исследование работы схемы электронного ключа на биполярных транзисторах.

1.1. Зная элементы схемы и параметры транзистора, рассчитать стационарные режимы работы ключевой схемы на транзисторе VT2, то есть, определить U_{б зап} U_{к зап}, I_{б нас}, I_{к нас}. Расчет провести для двух положений S3 (0 и +3В). Рассчитать время включения t_вкл=t_фр1+t_зад1 и время выключения t_выкл=t_фр2+t_зад2 транзисторного ключа при переключении его «сильным» и «слабым» сигналами.

1.2. Не подавая входного сигнала от генератора импульсов, включить питание схемы и измерить U_{б зап} и U_{к зап} при двух положениях S3 (общ. и 3В).

1.3. С генератора импульсов Г5-54 (Г5-72) подать отрицательный импульс длительностью 10 мкс для включения ключа на транзисторе VT1 (МП42). Импульс подавать на гнездо X1, форму импульса наблюдать с помощью осциллографа на гнезде Х2.

1.4. Изменяя плавно амплитуду импульса на Х2, наблюдать за изменением формы импульса на Х3 и Х4. Зарисовать и объяснить наблюдаемые осциллограммы для нескольких значений амплитуды входного импульса (от «слабого» до «сильного» сигналов). Максимальную амплитуду входного импульса устанавливать до 5В.

1.5. Для нескольких дискретных значений входного сигнала (на Х2) измерить t_фр1, t_фp2, t_зад2 для импульса, снимаемого с Х4.

1.6. Установить максимальный входной сигнал на Х2, измерить t_зад2, включая и выключая S2.

1.7. При максимальном входном сигнале на Х2 наблюдать изменение формы импульса на Х3 и Х4, включая и выключая S1. Объяснить результаты.

1.8. При максимальном входном сигнале на Х2 наблюдать изменение формы импульса на Х3 и Х4, включая и выключая S3.

1.9. Повторить измерения пунктов 4-5 для ключа на транзисторе VT2 (КТ361 или КТ502). Импульс отрицательной полярности с генератора подавать на гнездо Х7. Наблюдать импульсы на гнездах Х8, X5, Х6. Зарисовать осциллограммы для нескольких значений амплитуды входных импульсов. Объяснить результаты.

2. Исследовать работу схем на базе логических элементов И-НЕ.

2.1. Зная элементы схемы, рассчитать параметры схемы.

2.2. Собрать схему формировате­ля импульсов с интегрирующей RC-цепью на входе (рис. 3а). Схему соби­рать на поле «Синтез схем».

2.3. Подавая с генератора Г5-54 входной сигнал ТТЛ-уровня (E⁰=0В, E¹=4В) исследо­вать работу схемы. Снять диаграммы напряжения в точках схемы, исполь­зуя для этого осциллограф. Опреде­лить временные и амплитудные соот­ношения для полученных осциллог­рамм.

2.4. Собрать схему формировате­ля по рис. 3б и исследовать ее.

2.5. Собрать схему по рис. 4а. Используя гене­ратор Г5-54 и осциллограф исследо­вать работу схемы.

2.6. Собрать схему по рис. 4б и исследовать ее.

3. Исследовать работу ОУ в схеме «Ограничители».

3.1. Снять по точкам и построить переда­точную характеристику ОУ U_вых=f(U_вх) в схеме «Ограничители». Для этого гнездо ВХ схемы соединить с гнездом X1. Уровень входного сиг­нала изменять плавно, вращая ручку регулиров­ки R2. Уровень сигнала на гнездах ВХ и ВЫХ измерять осциллографом.

3.2. Повторить измерения, включив в цепь обратной связи диодный мост VD1+VD5. Для этого соединить перемычки гнезда Х2 и Х3, а также Х4 и Х5. Сравнить и объяснить результа­ты, отключить диодный мост.

3.3. На гнездо ВХ подать сигнал с генерато­ра Г3-102. Изменяя уровень входного сигнала наблюдать на экране осциллографа сигнал на гнездах ВЫХ, ВХ. Определить и назвать вид преобразования сигнала.

Рис. 1. Электрическая принципиальная схема транзисторного ключа (а) и диаграммы напряжения и тока в контрольных точках схемы (б).

Рис.2. Электрическая принципиальная схема для изучения быстродействия транзисторного ключа.

Рис. 3. Электрическая принципиальная схема фор­мирователя импульсов с интегрирующей RC-цепью на входе (а) и на двух логических элементах (б).

Рис. 4. Электрическая принципиальная схема фор­мирователя импульсов с дифференцирующей RC-цепью на входе (а) и на двух логических элементах (б).

Рис. 5. Электрическая принципиальная схема ограничителей на ОУ.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:

1. Назвать три области работы транзистора в ключевой схеме. Их характеристики (состояния переходов К-Б, Э-Б), эквивалентные схемы.

2. Как выбрать элементы ключевой схемы, чтобы в исходном состоянии:

- ключ был замкнут?

- ключ был разомкнут?

3. Как зависит время вклю­чения и выключения транзисто­ра в ключевом режиме от вели­чины включающего базового тока и параметров транзистора?

4. Что такое «сильный» сиг­нал, управляющий работой тран­зисторного ключа?

5. Чем определяется время рассасывания избыточного заря­да в теле базы транзистора?

6. Влияние параметров тран­зистора и выключающего базо­вого тока на время выключения транзистора.

7. «Идеальная» форма базо­вого тока для быстрого переклю­чения транзистора. Схемные спо­собы ее получения.

8. Нарисовать эпюры токов и напряжений на всех электро­дах транзистора при его пере­ключении.

9. Перечислить способы создания ненасыщенного ключа.

10. Объяснить влияние внешнего смещения на быстродействие транзисторного ключа.

11. Объяснить изменение формы импульса на Х3 при изменении амплитуды импульса на X2.

12. Начертите амплитудную характеристику ограничителя, представленного на схеме рис.5.

13. Почему схема любого ограничителя должна содержать нелинейный элемент?

14. При каком условии RC-цепь будет дифференцирующей для прямоугольного импульса?

15. При каком условии RC-цепь будет интегрирующей для прямоугольного импульса?

16. Объясните, почему величина сопротивления RC-цепи на входе логического элемента не может быть выбрана больше определенного уровня?

17. Чем объясняется ограничение значения сопротивления R по минимуму в схемах рис.4?

18. Требуется ли защитный диод на входе логического элемента для формирователя по схеме рис. 4а?

ЛИТЕРАТУРА:

1. Ерофеев Ю. Н. Импульсные устройства. М. В. ш., 1989. – 527 с.

2. Браммер Ю. А. Импульсные и цифровые устройства. М. В. ш., 2002. – 351 с.

Дата добавления: 2015-07-19