Испытайте схему рис. 12.8. Она должна давать выходной сигнал 1 В для входного сигнала в диапазоне от 40 мВ до 1 В без заметных искажений. Посмотрите выходной сигнал второго ОУ при изменении входного сигнала и пронаблюдайте его поведение при прохождении рабочего диапазона из конца в конец. Результат объясните.

Лабораторная работа 13. Полевые транзисторы II

Материал для чтения: гл. 6, разд. 6.12 и до конца (6.17 факультативно), стр. 390-418, т. 1.

Задачи в тексте; примеры негодных схем б, г, и е. 13.1. Ключ иа tIT с управляющим р - п-переходом. Посмотрите, что ключ делает с сигналом 1 В 1 кГц, когда управляющий вход соединен с + 15 или с -15 В (проверьте обе ситуации). Почему необходим диод? Будег ли эта схема работать с операционным усилителем в неинвертирующем включении?

33 кОм

33 кОц

+ 15

Рис. 13.1. Ключ на ПТ с р-п-переходом.

13.2. КМОП-инвертор. Хотя КМОП-инвертор и принято относить к логическим схемам (с этой стороны мы рассмотрим его в другой раз), он имеет интересные свойства и как линейная схема. Он состоит из пары комплементарных полевых МОП-транзисторов, соединенных, как показано на рис. 13.2. Прежде чем начать работу, прочитай-

Выход

Рис. 13.2. КМОП-инвертор.

а - схема; б - символическое обозначение; в - расположение выводов (4069); г - схема для его испытания.

те указания о мерах предосторожности при работе с такими устройствами на стр. 401, т. 1.

а. Теперь испытайте один из б инверторов в корпусе 4069 с помощью схемы, изображенной на рис. 13.2, г. Прежде всего соедините с землей все неиспользованные входы (т. е. выводы 9, 11, 13), соедините Ucc с +15 В и 17ии с землей. Изменяя сопротивление потенциометра, наблюдайте за выходным напряжением; проверьте, соответствует ли его изменение рис. 6.51 в тексте.

б. Теперь постройте схему смещения уровня, изображенную на рис. 13.3. Обратите внимание на необычное подключение питания ОУ (+15В и земля); это сделано,

10 нОм

рис. 13 3. КМОП-инвертор, возбуждаемый от схемы смещения уровня (355).

чтобы защитить КМОП-схемы, которые вы будете использовать, от отрицательных входных напряжений. Подайте с генератора сигналов на вход схемы симметричный относительно нуля сигнал и увеличивайте его амплитуду, пока не начнется ограничение. Теперь наблюдайте за входом и выходом КМОП-инвертора с помощью осциллографа в режиме X - Y; вы можете таким образом воспроизвести диаграмму на рис. 6 51 (основной текст). Сохраните схему сдвига уровня до конца работы и всегда используйте ее для питания входов схем КМОП от генератора сигналов.

в. Соберите инвертирующий усилитель, схема которого изображена на рис. 13 4. Где находится рабочая точка его выхода? Могли бы вы предсказать это, исходя из

0,1 МКФ 100 ком

1М0М

-CZ1-

Рис. 13.4. КМОП линейный усилитель.

рис. 6.51? Чему равен коэффициент усиления для малых сигналов? Что следует от сюда для коэффициента усиления при разомкнутой цепи обратной связи? Подсказка: Л:=Л/(1 + Л5).

г. Попробуйте предсказать, каким окажется коэффициент усиления усилителя на рис. 13.5. Испытайте такой усилитель.

10 МОм

0.1 ыкФ 100 кОм

1-е

{>Ч>->

Рис. 13.5. Трехкаскадный КМОП линейный усилитель.

д. На рис. 13.6 показана схема КМОП релаксационного генератора. Смонтируйте ее, рассмотрите форму колебаний в точках дг и у и сравните ее с выходными сигналами в точках а, ей с. Объясните результат наблюдений. Измерьте частоту и запишите ее, а схему сохраните для использования в дальнейшем.

(00 кОм

->Ч1>тП>1>

50 пФ

Рис. 13.6. КЛЮП-генератор.

13.3. Передающий вентиль. Схема 4066 содержит четыре аналоговых передающих вентиля . Каждый из них представляет собой снабженный всеми необходимыми буферными Схемами (для управ.тения) двунаправленный ключ, который действует как небольшое сопротивление, если управляющий входной сигнал имеет уровень t/cc. и как разомкнутая цепь, если он имеет уровень f/ии. Единственным ограничением здесь является требование к входному и выходному сигналам, чтобы они лежали между (/ии и (/сс. т. е. между землей и +15 В в нашем случае. Более подробно такой вентиль описан в разд. 6.12 (стр. 390); мы же посвятим конец этой работы изучению способов его использования.

а. Соберите схему, показанную на рис. 13.7соедините Осе с +15 В, t/иис землей и заземлите все неиспользованные логические входы. В качестве источника входных сигналов используйте генератор стандартных сигналов в сочетании со схемой

От mm ЛЛ

сдвига -

1кОм

Выход

Рис. 13.7. расположение выводов и схема для измерения сопротивления в режиме включения микросхемы 4066.

Отметим, что символическое обозначение симметрично: входы и выходы этой схемы обратимы,

смещения уровня, как это было показано выше; используйте синусоидальный сигнал с частотой 1 кГц и амплитудой в несколько вольт. Проверьте, что сигнал действительно включается и выключается, и измерьте сопротивление замкнутого ключа, рассматривая схему как делитель напряжения.

б. Теперь испытайте ключ в нормальном включении, как показано на рис. 13.8. Выбранное здесь нагрузочное сопротивление 100 кОм гораздо выше, чем только что

+ t5 п

Выхор, 100 ком

Рис. 13.8. Ключ на передающем вентиле.

использованное сопротивление 1 кОм (которое было выбрано малым специально для того, чтобы было легко измерить сопротивление замкнутого ключа), и можете убе*

диться, что этот вариант ключа действует гораздо лучше. Попытайтесь измерить сопротивление разомкнутого ключа, для чего надо подходяш.им образом увеличить нагрузочное сопротивление. Когда вам покажется, что ответ получен, попробуйте изменить частоту входного сигнала или подать на вход прямоугольные колебания. Объясните результат.

13.4. Схема прерывателя. Два передающих вентиля можно использовать, чтобы с некоторой высокой частотой (например, 30 кГц), генератор которой собран в пункте 13.2 (д) коммутировать сигналы от двух источников; на экране осциллографа это будет выглядеть как наложение двух кривых. Собственно говоря, именно так действует

1 кЭм

Выход

100 ком

Рис. 13.9, Схема прерывателя - коммутатора.

Управляющие входы питаются от выходов вис 30-килогерцевого генератора, показанного на рис 13.6.

осциллограф в режиме чередования. Попробуйте таким образом наблюдать за основным выходом генератора стандартных сигналов, подключенным через схему смещения уровня, и за его выходом синхронизации, с которого поступает сигнал величиной 0-5 В (следовательно, не выходящий за пределы допустимого интервала величин входных сигналов). Каким способом следовало бы запускать осциллограф, чтобы не видеть переходных процессов прерывания? Как можно было бы модифицировать эту схему, чтобы иметь возможность осуществлять выбор А и выбор В ? Как насчет режима ЧЕРЕДОВАНИЕ ?

13.5. Схема слежения-хранения. Схема слежения-хранения - это ключевая схема, выход которой повторяет ее входной сигнал, пока управляющий вход находится в одном состоянии, и сохраняет последнее поступившее за это время на вход значение сигнала, когда управляющий вход переходит в другое состояние (см. разд. 6.14, стр. 395). Смонтируйте изображенную на рис. 13.10 схему и через схему смещения уровня

Слекение п

+ 15 1- О

1000 пФ

Храненив-J

Рис. 13.10. Схема слежения-хранения.

Выход

подайте на нее сигнал большой амплитуды и частоты, достаточно низкой, чтобы можно было следить за сигналом с помощью вольтметра. Соедините управляющий вход сначала с +15 В, затем с землей и проследите за режимами слежения и хранения (одновременно вы можете наблюдать эффект запоминания для оторванного входа КМОП). Поскольку запоминающее действие этой схемы основано на хранении заряда конденсатора, она подвержена сползанию . Измерьте скорость этого сползания и попытайтесь оценить асимптотическое напряжение; отсюда вы сможете определить, какое из устройств - вентиль или операционный усилитель - повинно в сползании. Выбор емкости основан на компромиссе между требованиями к быстродействию (скорость переключения входа) н к скорости сползания; в данном случае емкость была выбрана с целью получить максимальное быстродействие, так что скорость сползания можно значительно уменьшить, если это окажется желательным.

13.6. Коммутационный фильтр. Две последовательные схемы слежения-хранения, соединенные, как показано на рис. 13.11, действуют как фильтр низких частот. За

Выход

Рис. 13.11. Коммутационный фильтр.

Входы вис соединены с показанным на рис. 13.6 генератором.

подробным объяснением и по поводу получения формулы для точки с ослаблением -3 дБ отсылаем вас к разд. 9.40 (стр. 105, т. 2), Говоря простым языком, в течение каждого периода синхроимпульса слежения с емкости перетекает на Сз заряд, пропорциональный разности входного и выходного напряжений. Поскольку Cj много меньше Са, требуется много таких периодов, чтобы приблизить напряжение на к напряжению на входе. Если входное напряжение само изменяется во времени с частотой, сравнимой с частотой синхроимпульса слежения, амплитуда выходного сигнала уменьшается и суммарное ослабление составляет 6 дБ на октаву.

Проверьте частотную характеристику схемы и сравните измеренное положение точки -3 дБ с ее вычисленным положением.

Лабораторная работа 14. Комбинационные логические схемы

Материал для чтения: гл. 8, разд. 8.01-8.15, стр. 499-535, т. 1.

Задачи в тексте; дополнительные упражнения 11, 12, 14, 15. Этой простой рабоТЪй по логическим схемам мы начинаем вторую часть нашего курса лабораторных работ. Прежде всего скажем о мерах предосторожности. ВНИМАНИЕ! При любых работах с логическими схемами:

1. Никогда не прикладывайте > 5 В или < О В к светодиодам устройства индикации на макетной панели.

2. Никогда не используйте для питания схем ТТЛ источников,-отличных от + 5 В и земли.

Нарушение этихправил наверняка приведет к разрушению многих ИМС, включая и те, что расположены внутри самой макетной панели.

14.1. Логический пробник и индикаторы уровня, а. Исследуйте гнезда выходов переключателей и светодиодные индикаторы на макетной панели. Подключите щуп к вы-

1N9H

а

1i\Qm

Рис. 14.1. Диодный вентиль ИЛИ.

л я в - входы, Q - выход.

воду одного из красных светодиодных индикаторов на макетной панели. Прикосии* тесь концом щупа к +5 В, затем к земле. Теперь соедините его с одним из выключатв-

лей макетной панели, имеющим выход уровень i>, и нажмите этот выключатель. Исследуйте выход уровень с помощью вольтметра, чтобы узнать уровни напряжения ТТЛ.

б. Теперь сделайте то же самое с помощью логического пробника. Присоедините его к разъему BNC > на макетной панели и приложите к нему +5 8. Некоторые логические пробники предназначены также и для работы со схемами КМОП и могут выдерживать напряжение питания 15 В; убедитесь заранее, что напряжение питания соответствует типу пробника, поскольку вы наверняка испортите5-вольтовый логический пробник, если приложите к нему 15 В. Обратите внимание на то, что пробник светится с половинной яркостью, если его соединить с разомкнутой цепью з>; это позволяет отличить обрыв цепи от обоих логических состояний.

в. Соедините индикатор уровня и логический пробник с управляемым кнопкой выходом импульс (если на вашей макетной панели таковой имеется) и нажмите кнопку. Что при этом происходит? Вы можете, если захотите, убедиться с помощью осциллографа, что импульс действительно есть, но вы увидите, что он очень короткий, настолько короткий, что его на самом деле нельзя увидеть с помощью светодиодного индикатора. Этот опыт демонстрирует способность пробника растягивать импульсы. Хороший пробник может срабатывать от импульсов любой полярности с длительностью всего 20 НС, так что он бывает весьма полезен при прослеживании импульсных помех,

г. Наконец, соедините светодиодный индикатор и логический пробник с имеющимся на макетной панели выходом синхросигнала для схем ТТЛ, который помечен надписью 1 кГц . Вы увидите, что пробник дает мигающий сигнал (как если бы он растягивал импульсы и высокого, и низкого уровня), в то время как светодиодный индикатор мигает с частотой 1 кГц и кажется светящимся непрерывно, но тускло.

14.2, Диодные вентили, а. Диодный вентиль ИЛИ. Подайте в точки Л и 5 напряжение с выходов уровень и исследуйте с помощью вольтметра и светодиодного индикатора состояние в точке Q.

1N914

----

iNgH 44-

нОм

1n914

1кОм

Рис. 14.2. Диодный вентиль И.

Рис. 14.3. Крскадное включение схем ИЛИ и И.

б. Диодный вентиль И. Проверьте выходные состояния этой схемы для всех четырех входных комбинаций таблицы истинности. Каковы выходные уровни (высокий и низкий) напряжения у этих схем, если уровни входных сигналов равны +5 В и ОВ (земля)? Каков у этих схем коэффициент разветвления по выходу?

в. Проделайте то же самое для последовательной комбинации, которая показана на рис. 14.3. Почему нельзя построить большую логическую схему, используя только такие вентили М^Л (логические схемы Микки Мауса)?

> Макетная панель, с которой вы работаете, может иметь выключатели с выходами только +5 В и ЗЕМЛЯ вместо уровней ТТЛ; если это так, то вы обнаружите это при проведении данного теста.

Коаксиальный разъем.- Прим. ред.

3 Возможно, ваш логический пробник осуществляет индикацию отсоединенного входа какий-то другим способом.

14.3. Траизисторно-траизисторный вентиль НЕ-И (ТТЛ), собранный на дискретных компонентах. Соберите схему, изображенную на рис. 14.4. Подайте на ее входы напряжения с выходов уровень на макетной панели и проверьте, действительно ли на

3.9 кОм

1,5 нЫ

120 Ш

1иОм

Рис. 14.4. ТТЛ-вентиль НЕ-И на дискретных транзисторах.

Все транзисторы типа 2N3904. Диоды защиты входа для простоты опущены.

выходе схемы получается функция НЕ-И. Измерьте фактические выходные напряжения для сигналов высокого и низкого уровня. Объясните, как эта схема работает. Переделайте вашу схему, как показано на рис. 14.5. Сначала проверьте, что эта схема действует так же, как предыдущая, если на вход Е (разрешающий) подан сигнал вы-

3.9 нОм 1,5 кОм

1 Ом

+ 5

Рио. 14.5. Дискретная схема ТТЛ-инвертора с выходом с тремя состояниями.

Все транзисторы типа 2N3904. все диоды типа IN914.

сокого уровня. Затем подайте на Е сигнал низкого уровня и обследуйте выход схемы логическим пробником. Пока схема находится в этом запрещенном состоянии, присоедините к точке Q еще один выход ТЪЛ (такой, например, как выХод переключателя уровень на макетной панели) и проверьте, что новый уровень управляет общим выходом.

14.4. Исключающее ИЛИ. Сначала убедитесь, что схема Исключающего ИЛИ, которая изображена на рис, 8.23 в основном тексте, совпадает со схемой, показанной здесь

на рис. 14.6, если в последней все вентили заменить эквивалентными им схемами НЕ-И. 0)берите эту схему из интегральных схем ТТЛ (счетверенный вентиль НЕ-И 74 LSOO и б-канальный инвертор 74LS04) и испытайте ее. Чтобы построить конкретные схемы соединений, вам придется заглянуть в приложение В, в котором указано расположение выводов для использования в практикуме микросхем. Вы

Рис. 14.6. Исключающее ИЛИ, вариант 1.

скоро привыкнете к тому, что выводы для С/к.к (которое для ТТЛ всегда равно +5 В) и земли принято располагать всегда на противоположных углах корпуса. Если вы, кроме того, приобретете привычку устанавливать все ИМС на макетной панели одним и тем же способом, подключение питания скоро окажется очень простым делом.

О Г>

Рис. 14.7. Исключающее ИЛИ, вариант 2.

Теперь проверьте, что схема на рис. 14.7 эквивалентна схеме на рис. 8.24 в основном тексте, и соберите ее. Это можно было бы рассматривать как экспериментальную проверку теоремы Моргана. Могли бы вы придумать способ реализовать Исключающее ИЛИ на одной микросхеме в одном корпусе, содержащем только вентили НЕ-И?

14.5. Мультиплексор. Возьмите 8-канальный мультиплексор 74LS151 и разберитесь, как ои действует. Соедините светодиодный индикатор с выходом Q (см. приложение В, расположение выводов), подайте какой-нибудь адрес на входы А, В, Си заземлите вход СТРОБ (разрешающий), после чего (напомним, что схема ТТЛ рассматривает неподключенные выводы как воспринимающие логический сигнал высокого уровня) соединяйте по очереди с землей каждую из входных линий данных 1>о- т. пока не обнаружится, которая из них действует. Проделайте это для нескольких адресов, чтобы понять, как работает эта схема.

Камер Mecflia

СЭР

МЗР

7LS151

Ч>

31 день

4l3 г1 Ti5lMli3li2L L

Строб

Рис. 14.8. Устройство фиксаций 31 дия. Помечены все соединения выводов, кроме U и земли.

Последовательная логика I 543

Теперь соберите устройство 31 дня , схема которого показана на рис, 14.8, совпадающим с рис. 8.38 в основном тексте. Эта схема зажигает светодиод, если месяц, номер которого подан на ее входные- линии, имеет 31 день. Проверьте это, соединяя выходы Уровень макетной панели с младшими значащими разрядами двоичного номера месяца (подключение остальных разрядов надо монтировать) и сверяя результаты по известному правилу по суставам вашей руки!

14.6. Сумматор и магнитудиый компаратор. Полный сумматор на 4 бит 74LS83 производит параллельное двоичное сложение одного 4-битового числа {Ау-А^) с другим (Bi-В4), включая бит входа переноса (Со); в результате получается 4-битовая сумма (Si-S4) плюс бит выхода переноса (С4). Используйте его для получения выходов в коде с избытком 3 из двоичных входов для чисел 0-9 (см. разд. 8.03, стр. 502) Как надо поступить с Cq? Что должно появиться в С4?

Теперь прикиньте, как добавить сюда цифровой компаратор на 4 бит 74LS85 для указания запрещенных чисел, т. е. чисел >9 на входе. Для каскадного включения входов соедините А<В и А>В с землей, а А=В с t/кк- JX выхода используйте пятый светодиод, подключив его, как показано на рис. 14.9.

220 Ом

-спь

Рис. 14.9. Способ питания светодиодов от уровней ТТЛ.

14.7. Вентили КМОП. В последнее время вы встречались с КМОП-схемами, но для безопасности следовало бы еще раз прочитать о мерах предосторожности на стр. 401, т. 1. Кроме того, проверьте, пригоден ли ваш логический пробник для работы го схемами КМОП {UQp-\b В); если нет, отложите его в сторону, чтобы избежать соблазна использовать этот пробник!

Прежде всего испытайте счетверенный вентиль НЕ-И с двойными входами, схема 4011 По поводу расположения выводов см. приложение В. Возьмите t/cc=5 В и (/ии=0 В, чтобы еще можно было использовать выходы Уровень и светодиодные индикаторы. Заземлите, как это делалось в предыдущей работе, один вход в каждом неиспользованном вентиле (при работе с ТТЛ такая предосторожность была бы необязательной) и приложите питающее напряжение. Исследуйте выходы с помощью вольтметра и обратите внимание на полное насыщение при Uqq и земле Проделайте то же самое, подавая н^вход синхроимпульс 1 кГц и наблюдая выход по осциллографу.

Наконец, попробуйте работу вентилей при (/сс=15В. Для этого вам придется предусмотреть питание входов от -f 15 В или земли с помощью непосредственного соединения, поскольку выходы Уровень на макетной панели - это 5-вольтовые уровни ТТЛ. Опять обследуйте выходы вольтметром и отметьте полное насыщение.

Лабораторная работа 15. Последовательная логика I

Материал для чтения: гл. 8, разд. 8.16-8.25, стр. 535-565, т. 1.

Задачи в тексте; дополнительные упражнения 1-8; примеры негодных схем. 15.1. JK-триггеры. а. Начните с изучения работы двойного JK-триггера 74LS107. Тактируйте его положительными импульсами с переключателей макетной панели. Испробуйте все четыре сочетания уровней для J и К при соединенном с Uk входе СБРОС и Выпишите таблицу истинности. Сравните с вариантом, о котором было рассказано на стр. 545, т. 1. После этого посмотрите, как работает вход СБРОС, б Теперь включите последовательно два триггера, соединив выход Q первого (Qi)c тактовым входом второго; J и К соедините между собой, чтобы получить счетный режим. Выходы Q обоих триггеров выведите на светодиодные индикаторы. Проверьте, что полученная схема является схемой деления на 4 и что при счете оиа выдает двоичную последовательность О, 1, 2, 3, О , ,

Рис. 15.1. Двойной JK-триггер 74LS107.

Земля - вывад 7, С/К ~ выаад 14

-0>

- /г

-о> - К

Рис. 15.2. Каскадное включение JK-триггеров.

15.2. Защита от дребезга контактов, а. Попробуйте подавать на схему из последо-вагельно включенных триггеров тактовые импульсы непосредственно с выключателя, как показано на рис. 15.3. Для чего нужно сопротивление 1 кОм? Почему наш счетчик не желает правильно действовать при таком способе управления? За указаниями обратитесь к стр. 540-541, т. 1.

К схеме счета

15.3. Выключатель, не защищенный от дребезга контак-

Рис. тов

Возьмите для этого переключатель SPDT (Swingle Pole Double Throw однополюсный на два направления ) из запаса; не пытайтесь воспользо-ваться переключателем на макетной панели

б. Исправьте положение, добавив схему защиты от дребезга. Обратите внимание на использование устанавливающих уровень логических элементов в схеме на рис, 15 4, оба ее вентиля - это вентили НЕ-И. Теперь счетчик должен считать правильно.

1 кОм

К счетчику

Рис. 15.4. Переключатель, защищенный

от дребезга контактов.

Для его сборки используйте схемы 74LS00 и все три вывода переключателя SPDT.

Т. е. продвигаться на единицу при каждом повороте переключателя. Схемы такого типа часто используются в макетных панелях для обслуживания кнопочных выключателей; если ваша панель не имеет подобных устройств, вам придется собирать схему на рис. 15.4 всякий раз, когда будет нужен защищенный от дребезга переключатель, и потому ее следует сохранить до конда этой работы.