От RLC-цепочек к программируемым интегральным схемам

33 Pages·00.366 MB·Russian

by  Болдырихин О. В.

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
"ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"

Кафедра автоматизированных систем управления

О. В. БОЛДЫРИХИН

От RLC-цепочек к программируемым
интегральным схемам

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к лабораторным работам
по дисциплине "Основы электроники и схемотехники"

Липецк
Липецкий государственный технический университет
2014
3
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

15

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
"ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"

Кафедра автоматизированных систем управления

О. В. БОЛДЫРИХИН

От RLC-цепочек к программируемым
интегральным схемам

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к лабораторным работам
по дисциплине "Основы электроники и схемотехники"

Липецк
Липецкий государственный технический университет
2014
4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
УДК681.3.06(07)
Б791

Рецензент: канд. техн. наук, доцент Назаркин О. А.

Болдырихин, О. В.
Б791 От RLC-цепочек к программируемым интегральным схемам [Текст]: ме-
тодические указания к лабораторным работам по дисциплине "Основы
электроники и схемотехники" / О. В. Болдырихин. - Липецк : Изд-во Ли-
пецкого государственного технического университета, 2014. - 32 с.

Методические указания соответствуют программе дисциплины
"Основы электроники и схемотехники", которая является подготови-
тельной для изучения дисциплин: "Архитектура вычислительных си-
стем", "Основы теории управления", "Микропроцессорные системы".
Поэтому рассмотрение материала в целом ориентировано на схемотех-
нику ЭВМ, а в некоторых частях — на теорию управления.
Предназначены для студентов направлений "Информатика и вы-
числительная техника", "Программная инженерия", а также родственных
направлений и специальностей.

Табл. 2. Ил. 8. Библиогр.: 12 назв.

© ФГБОУ ВПО "Липецкий
государственный техни-
ческий университет",
2014
5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Содержание

Пояснения к циклу работ в целом........................................................................ 7
Лабораторная работа № 1. Базовые электронные элементы. RLC-цепочки ........ 8
Цель работы и рассматриваемые вопросы ....................................................... 8
Порядок выполнения работы ........................................................................... 9
Содержание отчета..........................................................................................13
Контрольные вопросы.....................................................................................14
Контрольные задания ......................................................................................15
Лабораторная работа № 2. Полупроводниковые элементы ................................15
Цель работы и рассматриваемые вопросы ......................................................15
Порядок выполнения работы ..........................................................................16
Содержание отчета..........................................................................................21
Контрольные вопросы.....................................................................................22
Контрольные задания ......................................................................................22
Лабораторная работа № 3. Комбинационные интегральные схемы ...................23
Цель работы и рассматриваемые вопросы ......................................................23
Порядок выполнения работы ..........................................................................23
Содержание отчета..........................................................................................25
Контрольные вопросы.....................................................................................26
Контрольные задания ......................................................................................26
Лабораторная работа № 4. Последовательностные интегральные схемы ..........26
Цель работы и рассматриваемые вопросы ......................................................26
Порядок выполнения работы ..........................................................................27
Содержание отчета..........................................................................................32
Контрольные вопросы.....................................................................................33
Контрольные задания ......................................................................................33
Библиографический список ................................................................................34

6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Пояснения к циклу работ в целом

В данном цикле лабораторных работ центральным является понятие
электронного элемента. Основой для выделения самих работ служат следую-
щие важнейшие классификационные деления в электронике:
— аналоговая электроника – цифровая электроника;
— дискретные электронные элементы – интегральные схемы;
— линейные элементы – нелинейные элементы;
— комбинационная логика – последовательностная логика.
Первые две лабораторные работы — аналоговая электроника, дискретные
электронные элементы: линейные (первая работа), нелинейные (вторая работа).
Последние две — цифровая электроника, интегральные схемы: комбинацион-
ные (третья работа) и последовательностные (четвертая работа). При этом все
работы органично связаны между собой не только сквозным понятием элек-
тронного элемента в его развитии, но и акцентируемыми точками соприкосно-
вения вышеперечисленных классификационных понятий. В трех последних ла-
бораторных работах присутствуют элементы как анализа, так и синтеза.
В первой лабораторной работе на основе принятой в настоящее время
концепции электромагнитного поля вводятся базовые электронные элементы:
резистор, конденсатор и катушка индуктивности. Рассматриваются RC- и RLC-
цепочки. Происходящие в них процессы изучаются экспериментально и теоре-
тически на основе их моделей в виде дифференциальных уравнений.
Во второй работе изучаются основные полупроводниковые элементы:
диоды и транзисторы. Развивается понятие сопротивления, рассмотренное в
первой работе. Вводятся и рассматриваются понятия статического сопротивле-
ния, динамического сопротивления и отрицательного сопротивления. Вводится
и развивается понятие вольтамперной характеристики. Изучаются основные
режимы работы транзистора: линейный — ретроспектива к линейным элемен-
там, насыщения и отсечки — мостик от аналоговой электроники к цифровой.
Кроме того, рассматриваются еще две точки соприкосновения — из транзисто-
7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ров создаются и изучаются логические элементы (мостик к комбинационной
логике) и триггер (мостик к последовательностной логике).
В третьей лабораторной работе изучаются основные типы комбинацион-
ных интегральных схем: логические элементы, шифраторы-дешифраторы,
мультиплексоры-демультиплексоры. Рассматривается сущность механизма де-
шифрации адреса. Сложные комбинационные схемы создаются из самых про-
стых элементов — логических — в различных логических базисах. Проводится
мостик от комбинационных элементов к последовательностным — из логиче-
ских элементов создается триггер.
В четвертой работе изучаются основные типы последовательностных ин-
тегральных схем: триггеры, счетчики, регистры, микросхемы памяти и про-
граммируемые микросхемы. В полном виде рассматривается механизм дешиф-
рации адреса.
Теоретической информацией к лабораторным работам служат соответ-
ствующие разделы лекций, которые идут в той же последовательности.

Лабораторная работа № 1. Базовые электронные элементы. RLC-цепочки
Цель работы и рассматриваемые вопросы
Цель работы — изучение основных понятий электроники и схемотехни-
ки, свойств базовых элементов электрических цепей в процессе исследования
RLC-цепочек и их моделей в форме систем дифференциальных уравнений.
Рассматриваемые вопросы:
1. Электромагнитное поле. Электрическая и магнитная составляющие.
2. Напряжение и сила тока. Проводники и диэлектрики.
3. Резистор, конденсатор и катушка индуктивности. Законы коммутации.
4. Ветви, узлы и контуры электрической цепи. Правила Кирхгофа.
5. Модели RC- и RLC-цепочек в виде систем дифференциальных уравнений.
6. Собственное и полное решение уравнения RC-цепочки. Процессы в RC-
цепочках.
7. Собственное решение уравнения RLC-цепочки. Процессы в RLC-цепочках.
8
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Порядок выполнения работы
Первая лабораторная работа состоит в изучении базовых понятий элек-
троники и схемотехники при исследовании процессов в RC- и RLC-цепочках.
Лабораторная работа включает четыре задания. Каждое задание имеет два об-
щих признака: цепочка — RC или RLC, постоянная времени — большая (мед-
ленные процессы) или малая (быстрые процессы) (табл. 1).
Таблица 1
Задания, их общие и частные признаки
№ Общие признаки Частные признаки
Цепочка Ограничение Значение постоянной Исследуемая величина
на постоянную
1 RC RC ≥ 10 RC=10+((N-1)/4) 1 - U , 2 - U , 3- I
R C
2 RC RC ≤ 0,01 RC=0,01-((N-1)/10000) 1 - U , 2 - U
R C
3 RLC LC ≥ 100 LC=100+(N-1) 1 - U , 2 - U , 3 - U , 4 - I
R C L
4 RLC LC ≈ 0,0001 1 - U , 2 - U , 3 - U
R C L

Здесь N — номер студента в списке курса, значения постоянных даны в
единицах СИ.
Частные признаки (признаки формирования вариантов) — конкретное
значение постоянной и исследуемая величина (см. табл. 1). Выбор исследуемой
величины осуществляется по формуле:
s 1(N 1)mod K ,
i
где
s — номер исследуемой величины (см. табл. 1);
N — номер студента в списке;
K — количество возможных исследуемых величин для данного задания;
i
mod — операция взятия остатка от целочисленного деления.
9
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В первых трех заданиях исследование заключается в сопоставлении тео-
ретических (расчетных) и экспериментальных результатов, которые оформля-
ются в виде таблицы (табл. 2) и графиков.
Таблица 2
Формат таблицы для заданий 1-3
№ Время от Напряже- Напряже- Абсолют- Относи- Приведен-
начала ние на ре- ние на ре- ная по- тельная ная по-
процесса t, зисторе зисторе грешность погреш- грешность
с расчетное измерен- измерения ность из- измерения
U , В ное U , В U , В мерения U / U
Rр Rи R R Rmax
U / U
R Rр

Примечание. Пример таблицы дан для вариантов, когда исследуемая ве-
личина — напряжение на резисторе. Для других вариантов проводится расчет и
измерение величины, заданной в них.
В четвертом задании с помощью осциллографа определятся амплитуда и
частота затухающих колебаний в RLC-цепочке, сравнение их с расчетными
значениями.

Задание 1. Теоретическое и экспериментальное исследование
процессов в RC-цепочках с большой постоянной времени

Создать схему RC-цепочки (RC ≥ 10 c) с источником постоянного напря-
жения, в которой конденсатор вначале заряжается от источника через резистор,
а потом разряжается через него (рис. 1).
10
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Рис. 1. Схема RC-цепочки с большой постоянной времени

Исследовать работу схемы с помощью вольтметра и амперметра. Соста-
вить уравнение схемы относительно заданной исследуемой величины и решить
его. Заполнить таблицу (см. табл. 2) и построить графики полученных зависи-
мостей.

Задание 2. Теоретическое и экспериментальное исследование
процессов в RC-цепочках с малой постоянной времени

Создать схему RC-цепочки (RC≤0,01c) с генератором прямоугольных им-
пульсов скважностью 0,5, в которой конденсатор заряжается через резистор в
первом полупериоде и разряжается во втором (рис. 2).

Рис. 2. Схема RC-цепочки с малой постоянной времени

11
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Частоту импульсов подобрать так, чтобы произведение RC составляло
примерно одну десятую часть периода импульсов. Исследовать работу схемы с
помощью осциллографа. Составить и решить уравнение схемы относительно
заданной величины. Заполнить таблицу (см. табл. 2) и построить графики полу-
ченных зависимостей.

Задание 3. Теоретическое и экспериментальное исследование
процессов в RLC-цепочках с большой постоянной LC

Создать схему последовательной RLC-цепочки с источником постоянно-
го напряжения, в которой конденсатор вначале заряжается от источника при
разомкнутой RLC-цепочке, а затем цепочка замыкается (рис. 3).

Рис. 3. Схема RLC-цепочки с большой постоянной LC

Значения L и C выбрать так, чтобы их произведение было не меньше
100 с2 (LC ≥ 100 c2). (Конечно, практически реализовать такую схему затрудни-
тельно, поскольку конденсатор емкостью 10 Ф имел бы объем порядка кубо-
метра, однако для рассмотрения необходимых вопросов она хорошо подходит).
Величину R необходимо подобрать так, чтобы в контуре возникли затухающие
колебания. Исследовать работу схемы с помощью вольтметра и амперметра.
Составить и решить уравнение схемы относительно заданной величины. Запол-
нить таблицу (см. табл. 2) и построить графики полученных зависимостей.
12