Основы радиоэлектроники и измерительной техники

(1)

ОСНОВЫ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ И ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ Методические указания к выполнению лабораторных работ по ОП 6В06201 – «Радиотехника, электроника и телекоммуникации» для студентов

всех форм обучения

Алматы 2021

АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ ИМЕНИ ГУМАРБЕКА ДАУКЕЕВА

Кафедра телекоммуникаций и инновационных технологий акционерное

общество

(2)

измерительной техники. Методические указания по выполнению лабораторных работ по ОП 6В06201 – «Радиотехника, электроника и телекоммуникации»

для бакалавров. – Алматы: АУЭС, 2021. – 39 с.

Методические указания к лабораторным работам предназначены для бакалавров, выполняющих лабораторные работы по курсу «Основы радиоэлектроники и измерительной техники». Одновременно могут быть выполнены работы различной сложности, а также работы, выполняемые в рамках учебной исследовательской работы студентов. Рекомендованная литература в тексте методических указаний отмечена ссылкой для самопроверки по контрольным вопросам.

Ил. 21, табл. 26, библиогр. – 16 назв.

.

Рецензент: профессор, к.т.н. Курпенов Б.К.

Печатается по дополнительному плану издания некоммерческого акционерного общества «Алматинский университет энергетики и связи имени Гумарбека Даукеева» на 2021 г.

 НАО «Алматинский университет энергетики и связи имени

Гумарбека Даукеева»,2021г.

(3)

3

Лабораторная работа № 1. Исследование полупроводниковых диодов

Цель работы:

Изучение полупроводниковых диодов (германиевого и кремниевого) путём снятия прямой и обратной ветви статических вольтамперных характеристик (ВАХ).

Домашнее задание

1. Изучите соответствующий раздел курса и литературу: [2] с. 14–28, 86–113; [11] с. 52–100; [13] c. 18–33.

Лабораторные задания

1. Снять ВАХ диода при прямом включении.

2. Снять ВАХ диода при обратном включении.

1 Краткая характеристика исследуемых цепей и сигналов

При прямом включении диода на его анод подаётся положительное напряжение. В схеме измерений, изображённой на рисунке 1, положительное смещение подаётся с регулируемого источника Е1. Ток, протекающий через исследуемый диод, измеряется амперметром PА1. Напряжение на диоде измеряется вольтметром PV1. Ограничительное сопротивление R_огр предохраняет исследуемый диод от пробоя.

Рисунок 1 – Схема измерения при снятии прямой ветви ВАХ При снятии характеристики, регулируя напряжение источника Е1, устанавливается напряжение на диоде в соответствии с таблицей 1 и записывается значение тока через диод, измеренное амперметром PА1.

Е1

PА1

100 Ом

VD

PV1

– +

R

огр

(4)

4

При обратном включении диода на его катод подаётся положительное напряжение. В схеме измерений, изображённой на рисунке 2, положительное смещение подаётся с регулируемого источника Е2. Ток, протекающий через исследуемый диод, измеряется амперметром PА1. Напряжение на диоде измеряется вольтметром PV1. Ограничительное сопротивление R_огр предохраняет исследуемый диод от пробоя при неправильном включении.

Рисунок 2 – Схема измерения при снятии обратной ветви ВАХ 2. Порядок выполнения

2.1. Снятие вольтамперных характеристик диодов при прямом включении

2.1.1. Установите пределы измерений амперметра – 20 мА, вольтметра – 2 В. Тумблеры переключения режимов работы вольтметра и амперметра установите в положение измерения постоянных величин (=). Ручки управления выходным напряжением источника E1 поверните против часовой стрелки до упора. Собранную схему покажите преподавателю. После проверки преподавателем собранной схемы включите установку.

2.1.2. Проведите измерения для кремниевого и германиевого диода.

Результаты измерений занесите в таблицу 1.

Таблица 1

U, В 0 0,1 0,2 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 I_д, мА

кремниевый I_д, мА германиевый

2.2. Снятие ВАХ характеристик диодов при обратном включении

PV1 PА1

Е2

+ –

100 Ом

R

огр

VD

(5)

5

2.2.1. Установите пределы измерений амперметра – 2 мА, вольтметра – 200 В. Тумблеры переключения режимов работы вольтметра и амперметра установите в положение измерения постоянных величин (=). Ручки управления выходным напряжением источника E2 поверните против часовой стрелки до упора. Собранную схему покажите преподавателю. После проверки преподавателем собранной схемы включите установку.

2.2.2. Проведите измерения для кремниевого и германиевого диода.

Результаты измерений занесите в таблицу 2.

Таблица 2

U, В 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

I_д, мкА кремниевый

I_д, мкА германиевый

2.3 Построение ВАХ

На одном графике постройте ВАХ германиевого и кремниевого диодов.

Данные берутся из таблиц 1 и 2.

2.4. Вычисление параметров диода

Рисунок 3 – ВАХ диода при прямом включении 1) Вычислить крутизну ВАХ диода:

2) Вычислить дифференциальное сопротивление:

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 20

40

10 30 50

Uпр, В Iпр , мА

∆Iпр

∆Uпр

(6)

6

3) Определить прямое и обратное статическое сопротивление (прямое сопротивление определить в двух точках: на середине линейного участка и на пологом участке характеристики):

4) Обратное статическое сопротивление определить при напряжении 20 Вольт:

7) Рассчитать динамическое сопротивление стабилитрона Rд (по обратной ветви ВАХ):

R_д = ΔU_ст / ΔI_ст Отчет

Отчет должен содержать:

1. Схемы измерения при снятии ВАХ.

2. Таблицы с числовыми значениями при прямом и обратном включении германиевого и кремниевого диодов.

3. Графики ВАХ германиевого и кремниевого диодов.

4. Выводы построить на сравнении свойств германиевого и кремниевого диодов.

Контрольные вопросы

1. На какие типы электропроводности делятся полупроводниковые материалы?

2. Сколько поколений элементной базы можно выделить к настоящему времени?

3. Какие бывают типы диодов? Приведите их условное обозначение.

4. Каков принцип маркировки диодов?

5. Как определяют дифференциальное и статическое сопротивление полупроводниковых приборов?

6. Какие виды пробоя p-n-перехода существуют и в чем их отличие?

7. Поясните принцип работы полупроводникового диода.

8. Изобразите ВАХ диода. Какие параметры можно определить по ВАХ?

9. Как возникает емкость диода?

(7)

7

10. Какие диоды называют выпрямительными? Поясните рабочий режим диода.

11. Что называют ВАХ диода? В чем разница ВАХ германиевого и кремниевого диодов?

12. Поясните рабочий режим работы диода.

13. Зависит ли ВАХ диода от типа примененного полупроводника?

14. В чем недостатки однополупериодного выпрямителя?

Лабораторная работа № 2. Исследование полупроводникового стабилитрона

Изучение полупроводниковых стабилитрона путём снятия прямой и обратной ветви статических вольтамперных характеристик (ВАХ).

Домашнее задание:

Лабораторные задания

1. Снять ВАХ стабилитрона при прямом включении.

2. Снять ВАХ стабилитрона при обратном включении.

1 Краткая характеристика исследуемых цепей и сигналов

При прямом включении стабилитрона на его анод подаётся положительное напряжение. В схеме измерений, изображённой на рисунке 4, положительное смещение подаётся с регулируемого источника Е1. Ток, протекающий через исследуемый стабилитрон, измеряется амперметром PА1.

Напряжение на стабилитроне измеряется вольтметром PV1. Ограничительное сопротивление R_огр предохраняет исследуемый стабилитрон от пробоя.

(8)

8

Рисунок 4 – Схема измерения при снятии прямой ветви ВАХ При снятии характеристики, регулируя напряжение источника Е1, устанавливается напряжение на стабилитроне в соответствии с таблицей 3 и записывается значение тока через стабилитрон, измеренное амперметром PА1.

При обратном включении стабилитрона на его катод подаётся положительное напряжение. В схеме измерений, изображённой на рисунке 5, положительное смещение подаётся с регулируемого источника Е2. Ток, протекающий через исследуемый стабилитрон, измеряется амперметром PА2.

Напряжение на стабилитроне измеряется вольтметром PV2. Ограничительное сопротивление R_огр предохраняет исследуемый стабилитрон от пробоя при неправильном включении.

Рисунок 5 – Схема измерения при снятии обратной ветви ВАХ 2 Порядок выполнения работы

2.1. Снятие вольтамперной характеристики стабилитрона при прямом включении

2.1.1. Установите пределы измерений амперметра – 20 мА, вольтметра – 2 В. Тумблеры переключения режимов работы вольтметра и амперметра (PA1) установите в положение измерения постоянных величин. Ручки управления выходным напряжением источника E1 поверните против часовой стрелки до

PV2

Е2

+

VD

–

1 кОм

R

огр

PV1

PА2

Е1

PА1

100

VD PV1 –

+

Rогр

(9)

9

упора. Собранную схему покажите преподавателю. После проверки преподавателем собранной схемы включите установку.

2.1.2. Проведите измерения. Результаты измерений занесите в таблицу 3.

Таблица 3

U, В 0 0,1 0,2 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 I_с, мА

2.2 Снятие вольтамперной характеристики стабилитрона при обратном включении

2.2.1. Установите пределы измерений амперметра PA2 – 20 мА, вольтметров PV1 и PV2 – 20 В. Тумблеры переключения режимов работы вольтметров и амперметра установите в положение измерения постоянных величин (=). Ручки управления выходным напряжением источника E2 поверните против часовой стрелки до упора. Собранную схему покажите преподавателю. После проверки преподавателем собранной схемы включите установку.

2.2.2. Проведите измерения. Результаты измерений занесите в таблицу 4.

Таблица 4 E2, В

(PV2) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 U_ст, В

(PV1) I_ст,мА

(PA2)

2.3. Построение ВАХ

Постройте график ВАХ стабилитрона. Данные берутся из таблиц 3 и 4.

2.4. Вычисление основных характеристик стабилитрона

1) Определить прямое и обратное статическое сопротивление (прямое сопротивление определить в двух точках: на середине линейного участка и на пологом участке характеристики):

(10)

10

2) Обратное статическое сопротивление определить при напряжении – 20 Вольт:

3) Рассчитать динамическое сопротивление стабилитрона Rд (по обратной ветви ВАХ):

Rд = ΔUст / ΔIст Отчет

Отчет должен содержать:

1. Схемы измерения при снятии ВАХ.

2. Таблицы с числовыми значениями при прямом и обратном включении стабилитрона.

3. График ВАХ стабилитрона.

4. Выводы построить по особенности принципа работы стабилитрона.

Контрольные вопросы:

1. Поясните принцип работы стабилитрона.

2. Назовите основные параметры стабилитрона.

3. Приведите схемы прецизионных стабилитронов и расскажите об их назначении.

4. В чем особенность ВАХ стабилитрона? Какие параметры можно найти по ВАХ?

5. Какие полупроводники применяются для изготовления стабилитронов?

6. Поясните принцип работы стабилитрона по его ВАХ.

Лабораторная работа № 3. Исследование простейшего стабилизатора напряжения

Исследование простейшего стабилизатора напряжения.

Домашнее задание

Лабораторные задания:

(11)

11

1. Исследовать режим стабилизации при различных напряжениях нагрузки стабилизатора и при 2-х значениях напряжения источника.

2. Снять зависимости U_н=f(U_вх), I_н=f(U_вх) и I_ст=f(U_вх).

1. Краткая характеристика исследуемых цепей и сигналов

Схема для исследования простейшего стабилизатора напряжения, изображена на рисунке 6. Схема питается от источника Е2 и отличается от предыдущей схемы наличием сопротивления нагрузки R_н, подключённого параллельно стабилитрону, и амперметром PA1, включённым последовательно с сопротивлением нагрузки.

Исследование производится при 4 различных сопротивлениях нагрузки:

Rн=∞, Rн=10 кОм, Rн=3,3 кОм и Rн=1 кОм, и при 2-х значениях напряжения источника Е2: U_E2=12 В и U_E2=20 В.

Рисунок 6 – Схема измерений при исследовании простейшего стабилизатора напряжения

2. Порядок выполнения работы

2.1. Установите пределы измерений амперметров PA1 и PA2 – 20 мА, вольтметров PV1 и PV2 – 20 В. Тумблеры переключения режимов работы вольтметров и амперметров установите в положение измерения постоянных величин (=). Ручки управления выходным напряжением источника E2 поверните против часовой стрелки до упора. Собранную схему покажите преподавателю. После проверки преподавателем собранной схемы включите установку.

2.2. Установите напряжение источника Е2 =12 В. Изменяя сопротивление нагрузки путём замены колодочек с резисторами 10 кОм, 3,3 кОм и 1 кОм, произвести измерения. Результаты запишите в таблицу 5.

Таблица 5 – Значения токов и напряжений при Е2 =12 В Rн=∞ Rн=10 кОм Rн=3,3 кОм Rн=1 кОм

PА1, мА

PV2 PА2

Е2

+

VD –

1 кОм

R_огр

Rн PV1

PА1

I_ст

I_н I_Е2

(12)

12

PА2, мА PV1, В

2.3. Установите напряжение источника Е2 =20 В и повторите измерения, результаты запишите в таблицу 6.

Таблица 6 – Значения токов и напряжений при Е2 =20 В Rн=∞ Rн=10 кОм Rн=3,3 кОм Rн=1 кОм

PА1, мА PА2, мА PV1, В

2.4. Подключите сопротивление нагрузки Rн=1 кОм, снимите зависимости U_н=f(U_вх), I_н=f(U_вх) и I_ст=f(U_вх).

Таблица 7 – Значения токов и напряжений при R_н=1 кОм E2, В

(PV2) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 U_н, В

(PV1) I_н, мА (PA1) I_ст, мА

(PA2)

2.5. Рассчитайте коэффициент стабилизации – К_ст:

3. Содержание отчета Отчет должен содержать:

1) Схемы исследований.

2) По данным таблиц 5 и 6 – выводы о том, как меняются токи и напряжения на входе и выходе схемы при изменении сопротивления нагрузки, а так же при изменении напряжения питания.

3) Построение по данным таблицы 7 зависимости U_н=f(U_вх), I_н=f(U_вх) и I_ст=f(U_вх). Сделанные выводы.

(13)

13

4) Вывод о качестве стабилизации данной схемы по рассчитанному коэффициенту стабилизации.

Контрольные вопросы и задания:

1. Приведите схему и поясните принцип работы простейшего стабилизатора.

2. Приведите схему и поясните принцип работы двухкаскадного стабилизатора.

3. В чем заключается эффективность стабилизации?

4. Как вычисляются параметры стабилизации?

5. Преимущества и недостатки многокаскадного включения стабилизаторов.

Лабораторная работа № 4. Исследование биполярного транзистора с общим эмиттером в статическом режиме

Исследовать основные статические характеристики и параметры биполярных транзисторов, познакомиться с методикой измерения характеристик и обработкой экспериментальных данных.

1. Изучите соответствующий раздел курса и литературу: [2] с. 114–166;

[11] с.101–126; [13] c. 24–51.

1. Снять и построить входные статические характеристики транзистора.

2. Снять и построить выходные статические характеристики транзистора.

(14)

14

Входной характеристикой биполярного транзистора является зависимость входного тока базы от напряжения база-эмиттер при постоянном напряжении коллектор-эмиттер.

Выходной характеристикой биполярного транзистора является зависимость тока коллектора от напряжения коллектор-эммитер при постоянном токе базы.

Схема для снятия статических характеристик приведена на рисунке 7.

Рисунок 7 – Принципиальная схема снятия статических характеристик транзистора в схеме с общим эмиттером

В схеме используются два регулируемых источника напряжения – E1 и Е2. С помощью источника Е1 регулируется напряжение смещения на базе транзистора. Источник напряжения Е2 питает цепь коллектора. Контроль тока базы осуществляется амперметром РА1. Вольтметром РV1 измеряется напряжение база-эмиттер.

Контроль тока коллектора осуществляется амперметром РА2. С помощью вольтметра РV2 измеряется напряжение коллектор-эмиттер.

При снятии входных статических характеристик с помощью источника напряжения Е2 устанавливается напряжение коллектор-эмиттер, значение которого в процессе измерения остается неизменным. С помощью источника напряжения Е1 устанавливается напряжение база-эмиттер, значение которого изменяется в процессе измерения.

При снятии выходных статических характеристик с помощью источника напряжения Е1 устанавливается ток базы, значение которого в процессе измерения остается неизменным. С помощью источника напряжения Е2 устанавливается напряжение коллектор-эмиттер, значение которого изменяется в процессе измерения. Выходной характеристикой биполярного транзистора является зависимость тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер при постоянном токе базы.

Контроль тока коллектора осуществляется амперметром РА2. С помощью вольтметра РV2 измеряется напряжение коллектор-эмиттер.

Е1

R

+ PV2 –

PА2

PV1 Е2

+ –

10кОм PА1 VT

(15)

15

2.1 Снятие входных статических характеристик транзистора.

2.1.1. Установите пределы измерений амперметра PA1 – 2 мА, вольтметра PV1 – 2 В. Тумблеры переключения режимов работы вольтметров PV1 и PV2 установите в положение измерения постоянных величин (=). Ручки управления выходным напряжением источников E1 и E2 поверните против часовой стрелки до упора. Собранную схему покажите преподавателю. После проверки преподавателем собранной схемы включите установку.

2.1.2. Вращая ручку регулировки выходного напряжения источника Е2, установите напряжение коллектор-эмиттер, ровное 5В. Вращая ручку регулировки выходного напряжения источника Е1, изменяйте значение напряжение база-эмиттер согласно таблице 8. При каждом значении напряжения база-эмиттер записывайте показания амперметра PA1 в соответствующий столбец таблицы.

2.1.3. Повторите данную операцию при двух значениях напряжения коллектор-эмиттер, равных 10В и 15В, полученные экспериментальные данные занесите в таблицы 9 и 10.

Таблица 8 – показания амперметра PA1 при заданном значении U_кэ= 5В U_бэ (В) 0,05 0,1 0,15 0,2 0,21 0,22 0,23 0,24 I_б (мкА)

Таблица 9 – показания амперметра PA1 при заданном значении U_кэ=10В U_бэ (В) 0,05 0,1 0,15 0,16 0,17 0,18 0,19 0,2

I_б (мкА)

Таблица 10 – показания амперметра PA1 при заданном значении U_кэ=15В

U_бэ (В) 0,05 0,08 0,1 0,11 0,12 0,13 0,14 0,15

(16)

16

I_б(мкА)

2.2. Снятие выходных статических характеристик транзистора 2.2.1. Измерительные приборы и источники напряжения подключаются согласно рисунку 7.

2.2.2. Установите пределы измерений амперметра – 20 мА, вольтметра – 20 В. Тумблеры переключения режимов работы вольтметров PV1 и PV2 установите в положение измерения постоянных величин (=). Ручки управления выходным напряжением источника E2 поверните против часовой стрелки до упора. При этом ток коллектора не должен превышать 15–20 мА при изменении напряжения на коллекторе.

2.2.3. Проведите измерения при трех значениях тока базы I_б, полученные экспериментальные данные занесите в таблицы 11, 12 и 13.

Таблица 11 – ток коллектора при изменении напряжения на коллекторе, если I_б=50 мкА

U_к (В) 0 0,05 0,1 0,15 0,2 1 5 10 I_к (мА)

Таблица 12 – ток коллектора при изменении напряжения на коллекторе, если I_б =100мкА

U_к (В) 0 0,05 0,1 0,15 0,2 1 5 10 I_к (мА)

Таблица 13 – ток коллектора при изменении напряжения на коллекторе, если I_б=150мкА

U_к (В) 0 0,05 0,1 0,15 0,2 1 5 10 I_к (мА)

3. Содержание отчёта Отчет должен содержать:

(17)

17

1) Схемы измерений;

2) Таблицы и графики снятых зависимостей;

3) Выводы по работе.

1. Каков принцип маркировки биполярных транзисторов?

2. В чем заключается принцип действия биполярного транзистора?

3. Какие возможны схемы включения биполярных транзисторов? Их основные параметры?

4. Поясните статические характеристики биполярного транзистора.

5. Какие режимы работы биполярного транзистора вам известны и в чем их особенности?

6. В чем состоит принцип использования управляемых нелинейных элементов для усиления электросигналов?

7. Приведите схему усилителя на биполярном транзисторе и поясните ее работу временными диаграммами.

8. Какие искажения усиленного сигнала вы знаете, и в чем причина их появления?

9. От каких параметров зависит коэффициент усиления каскада на транзисторе, включенном по разным схемам (с ОЭ и ОК)?

10. В каких состояниях может находиться транзистор?

11. Какие характеристики транзистора называют входными? Приведите входные характеристики для схем с ОЭ и ОБ.

12. Какие характеристики транзистора называют выходными?

Приведите выходные характеристики для схем с ОЭ и ОБ.

13. Перечислите, какими параметрами описывается транзистор в схеме с ОЭ в виде линейного четырехполюсника в режиме усиления малых сигналов. Как они определяются?

14. Какими формулами описываются соотношения базового, коллекторного и эмиттерного токов в биполярном транзисторе?

Лабораторная работа № 5. Исследование базовых элементов цифровых схем

Изучение базовых элементов цифровой техники. Получение навыков снятия таблиц истинности логических элементов и узлов цифровых схем.

1. Изучите соответствующий раздел курса и литературу: [2] с. 206–231;

[11] с. 583–613; [13] c. 513–515, 631–672.

(18)

18

1. Изучить формирователь двоичного 3-х разрядного кода.

2. Снять таблицу истинности логических элементов: инвертора, логического элемента 2И-НЕ, логического элемента 3И-НЕ.

Формирователь представляет собой генератор логических комбинаций двоичного кода, соответствующих десятичной системе исчисления.

Формирователь находится в левом нижнем углу панели сменного блока (рисунок 8).

Рисунок 8 – Передняя панель сменного блока

Формирователь имеет 3 режима работы, которые переключаются тумблерами. При переключении среднего тумблера в нижнее положение формирователь переводится в ручной режим. В этом режиме переключение выходных состояний Х1-Х3 осуществляется путём нажатия кнопки «ШАГ».

При переключении среднего тумблера в верхнее положение включается режим автоматического формирования выходного кода с частотой F1 или F2 в зависимости от положения тублера переключения частоты. Частота F1, равная приблизительно 1 Гц, используется для визуального наблюдения. Частота F2, равная приблизительно 100 кГц, используется для осциллографических наблюдений.

При нажатии кнопки «ШАГ» формирователь выдаёт следующую комбинацию: горящий светодиод – «1», не горящий – «0».

(19)

19

2.1. Изучение формирователя двоичного 3-х разрядного кода 2.1.1. Перевести формирователь в ручной режим работы, для этого переключить средний тумблер формирователя в нижнее положение.

2.1.2. Кнопку «ШАГ» установить в начальное нулевое состояние на выходах Х1-Х3. Это состояние соответствует нулевой строке таблицы 14.

2.1.3. Последовательно, путём одиночных нажатий кнопки «ШАГ», заполнить таблицу 14.

Таблица 14

Выход

Шаг X3 X2 X1

0 1 2 3 4 5 6 7

2.2. Снятие таблицы истинности логических элементов

В этом пункте лабораторной работы снимаются таблицы истинности основных логических элементов и записываются с применением булевой алгебры, уравнения их работы.

При изучении базовых элементов логических схем используются:

- формирователь двоичного кода, исследуемый в предыдущем пункте;

- устройство контроля выхода, расположенное в правой части блока.

Исследуются базовые элементы: инвертор, 2И-НЕ, 3И-НЕ.

2.2.1. Снятие таблицы истинности инвертора. Подключить вход индикатора логического состояния Y (контроля выхода) к выходу инвертора. Для исследования используем инвертор на выходе X1 формирователя двоичного кода. Перевести формирователь в ручной режим работы. Нажимая кнопку «ШАГ», установить поочередно значение 1 и 0 на выходе Х1. Записать в таблицу 15 соответствующие этим значениям состояния выхода инвертора.

Таблица 15

X1 Y

(20)

20

0 1

По данным таблицы 15 записать выражение функции.

2.2.2. Снятие таблицы истинности логического элемента 2И-НЕ. С помощью гибких перемычек собрать схему подключения, изображенную на рисунке 9.

Рисунок 9

Перевести формирователь в ручной режим работы. Нажимая кнопку

«ШАГ», установить на выходе Х1, X2 поочередно все значения двоичного кода от 00 до 11. Записать в таблицу 16 соответствующие этим значениям состояния выхода Y.

Таблица 16

X2 X1 Y 0 0 0 1 1 0 1 1

По данным таблицы 16 записать выражение функции для элемента 2И- НЕ.

2.2.3. Снятие таблицы истинности логического элемента 3И-НЕ. С помощью гибких перемычек соберите схему измерения, представленную на рисунке 10.

X3 Y

X2 X1

ШАГ

&

Контроль выхода

0 1 Y

X3 X2 X1

ШАГ

&

0 1

(21)

21

Рисунок 10 – Схема измерения для составления таблицы истинности логического элемента 3И-НЕ

Перевести формирователь в ручной режим работы. Нажимая кнопку

«ШАГ», установить на выходе Х1, X2, X3 поочередно все значения двоичного кода от 000 до 111. Записать в таблицу 17 соответствующие этим значениям состояния выхода элемента 3И-НЕ.

Таблица 17

X3 X2 X1 Y 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1

По данным таблицы 17 записать выражение функции для элемента 3И- НЕ.

1) схемы измерений;

2) заполненные таблицы истинности;

3) выражения функций для элементов;

4) выводы по работе.

1. Переведите число, заданное преподавателем, из десятичной в двоичную систему счисления.

2. Назовите основные операции булевой алгебры. Как они описываются с помощью таблиц истинности, с помощью алгебраических выражений?

3. Приведите условные графические И, ИЛИ, НЕ. Что такое функционально полная система логических элементов?

4. Приведите условные обозначения «2И-НЕ», «3И-НЕ». Какие операции булевой алгебры они выполняют? Приведите их таблицы истинности, алгебраические выражения и в виде последовательности чисел.

5. Какие логические элементы составляют булев базис? Изобразите их.

6. Какие логические элементы составляют универсальный базис?

(22)

22

Изобразите их.

7. Какие логические элементы составляют базис Жигалкина?

Изобразите их.

8. Приведите условное обозначение сумматора по модулю «2».

Напишите таблицу истинности этого элемента.

9. Сформулируйте закон отрицания.

10. Покажите взаимные преобразования элементов И, ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ- НЕ на основе закона отрицания.

Лабораторная работа № 6. Анализ комбинационных логических схем

Получение навыков анализа цифровых комбинационных схем.

1. Изучите соответствующий раздел курса и литературу: [13] c. 504–533.

1. Проанализировать заданную комбинационную схему, составленную из логических элементов И-НЕ в соответствии с вариантом задания.

2. Собрать заданную схему на лабораторном стенде.

3. Подключить входы схемы к датчику двоичного кода и заполнить таблицу истинности.

4. По заполненной таблице истинности написать уравнение функции, выполняемой этой схемой.

1.1. Зарисовать схему варианта задания. Вариант задания выдается преподавателем. Пример выполнения задания – в приложении А. Схема варианта – в приложении Б.

1.2. Выписать логические элементы, используемые в схеме варианта задания, и записать с помощью булевой алгебры выражение функции их работы.

1.3. С помощью гибких перемычек собрать заданную схему на передней панели блока.

1.4. Подключить датчик двоичного кода к входу исследуемой схемы.

Перевести формирователь двоичного кода в ручной режим работы.

1.5. Подключить к выходу схемы индикатор логического состояния Y.

(23)

23

1.6. Нажимая кнопку «ШАГ», установить поочередно значение 1 и 0 на выходе Х1. Записать в таблицу А1 соответствующие этим значениям состояния выхода схемы.

1.7. По заполненной таблице истинности написать уравнение функции, выполняемой этой схемой.

1) комбинационную схему согласно варианту;

2) заполненные таблицы истинности;

3) уравнение функции, выполняемой схемой;

1. Как строится структурная схема логического устройства по ФАЛ (функции логики)?

2. Какие устройства называются комбинационными? Приведите примеры таких устройств.

3. Какие устройства называются последовательными? Приведите примеры.

4. Что отражают теоремы булевой алгебры? Сформулируйте теоремы Де-Моргана, поглощения и склеивания?

5. Приведите классификацию логических устройств по способу ввода- вывода переменных, по принципу действия.

6. В чем заключается анализ комбинационных схем?

7. Как оценивается быстродействие комбинационных схем?

8. Покажите пример построения комбинационных схем в монофункциональном базисе И – НЕ.

9. Покажите пример построения комбинационных схем в монофункциональном базисе ИЛИ – НЕ.

10. Приведите пример минимизации не полностью определённых функций?

Лабораторная работа № 7. Синтез комбинационных логических схем

Получение навыков синтеза цифровых комбинационных схем.

1. Изучите соответствующий раздел курса и литературу: [13] c. 534–552.

(24)

24

По заданной таблице истинности составить комбинационную схему из логических элементов И-НЕ в соответствии с вариантом задания.

1.1. По таблице истинности, соответствующей варианту задания (Приложение В), написать уравнение функции. Вариант задания выдается преподавателем из ПГ.

1.2. Упростить полученное уравнение с помощью основных законов алгебры логики (Приложение Д).

1.3. Уравнение функции привести к базису И-НЕ (с помощью закона Моргана).

1.4. Нарисовать схему, соответствующую этому уравнению.

1.5. Экспериментально проверить правильность полученной схемы, для этого:

a) собрать схему на лабораторном блоке;

b) подключить входы схемы к формирователю двоичного кода;

c) заполнить таблицу истинности.

1.6. Сравнить заданную таблицу истинности и таблицу истинности собранной схемы.

1) уравнение функции, написанное по таблице истинности;

2) уравнение, упрощенное с помощью основных законов алгебры логики;

3) уравнение функции, приведенное к базису И-НЕ;

4) схему, соответствующую уравнению в базисе И-НЕ;

5) результат эксперимента;

1. В чем заключается синтез комбинационных схем? Перечислите этапы синтеза.

2. Каков принцип составления таблицы истинности логического устройства? Приведите пример.

3. Как получить булевы выражения, описывающие работу узла, или схемы и их минимизация. Приведите пример.

4. Как привести булевые выражения к виду, соответствующему заданному логическому базису или системе ЛЭ? Приведите пример.

5. Приведите пример построения комбинационной схемы.

(25)

25

6. Как проводится оценка качества комбинационных схем?

7. Как оценивается сложность комбинационной схемы?

8. Как ведется учет ограничений на число входов логических элементов?

9. Расскажите о первом способе синтеза КС с несколькими выходами.

10. Расскажите о втором способе синтеза КС с несколькими выходами.

Лабораторная работа № 8. Принцип построения 4-х разрядного асинхронного двоичного счётчика

Изучить принцип работы 4-х разрядного асинхронного двоичного счётчика.

1. Изучите соответствующий раздел курса и литературу: [11] c. 614–630, 666–676, [13] c. 553–578.

1. Исследование двоичного 4-х разрядного счетчика;

2. Исследование двоично-десятичного 4-х разрядного счетчика.

Счетчик выполняется на D-триггерах, включенных по схеме T-триггера.

На рисунке 11 представлена схема преобразования D-триггера в Т- триггер.

Рисунок 11 – Схема преобразования D-триггера в Т-триггер D

C T

(26)

26

2.1. Исследование двоичного 4-х разрядного счетчика

2.1.1. Соберите схему двоичного счётчика, изображённую на рисунке 12.

Рисунок 12 – Двоичный счётчик

2.1.2. Нажмите кнопку R, установив этим начальное нулевое значение на выходах счётчика (запишите в таблицу 18).

2.1.3. Последовательно нажимая кнопку С, заполните таблицу 18.

Таблица 18

Входы Выходы

R С Q0 Q1 Q2 Q3

1 0

0 1

S R

T D C

S R

T D C

S R

T D C

S R

T D C S

R

3 1 2

0

С

(27)

27

2.2. Исследование двоично-десятичного 4х разрядного счетчика 2.2.1. Соберите схему двоично-десятичного счётчика, изображённую на рисунке 13.

Рисунок 13 – Двоично-десятичный счётчик

2.2.2. Подключите выходы счётчика к дешифратору с семисегментной индикацией, расположенный на правой панели.

2.2.3. Установите начальное нулевое значение на выходах счётчика, нажав кнопку R (запишите в таблицу 29).

2.2.4. Последовательно нажимая кнопку С, заполните таблицу 19.

Таблица 19

Входы Выходы

Показание индикатора

R С Q0 Q1 Q2 Q3

1 0

0 1

S R

T D C

S R

T D C

S R

T D C

S R

T D C S

R

3 1 2

0

&

D С

А 0 А 1 А 2 А 3

(28)

28

0 1

3 Содержание отчета Отчет должен содержать:

1) заполненные таблицы со значениями напряжений на выходе триггеров;

2) рисунки схем измерений;

1. Каково назначение и состав триггерных устройств?

2. Чем различаются между собой одно- и двухступенчатые триггеры разных типов?

3. Как строятся триггеры с динамическим управлением?

4. Назовите основные параметры и признаки классификации счетчиков.

5. Опишите способы связи между разрядными схемами счетчиков. Чем они различаются между собой?

6. Каким образом достигается быстродействие счетчиков?

7. Как осуществляется предварительная установка счетчиков?

8. Приведите схему кольцевого счетчика.

(29)

29

Приложение А Пример выполнения работы

Вариант задания:

Рисунок А1

Собираем схему на лабораторном стенде с помощью гибких перемычек.

При этом схема соединений будет выглядеть таким образом:

Рисунок А2

Заполняем таблицу истинности.

Таблица А1

X4 X3 X2 X1 Y

0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0

Y

&

1

1 X

2

X 4 X 3 X 1

X 4 X 3 X 2 X 1

ШАГ

Y 1 Y 2 Y 3 Y

4 0 1

&

(30)

30 Продолжение таблицы А1

0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1

По заполненной таблице записываем уравнение функции, выполняемой этой схемой.

(31)

31

Приложение Б

Варианты заданий Вариант 1

ОТВЕТ:

Вариант 2

ОТВЕТ:

&

X 2

X 4 X 3 X 1

1

Y

&

1

&

1 Y

1 &

&

X 2

X 4 X 3 X 1

(32)

32

Вариант 3

ОТВЕТ:

Вариант 4

ОТВЕТ:

Y

&

1 X

2

X 4 X 3 X 1

1 X

2

X 4 X 3 X 1

Y

&

1

&

1

(33)

33

Приложени В Пример выполнения работы

Вариант задания:

Таблица В1

X3 X2 X1 Y

0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 1 1 0

По таблице записываем уравнение функции, выполняемой этой схемой:

Согласно уравнению схема выглядит следующим образом:

Рисунок В1

Собираем схему (рисунок В1) на лабораторном стенде с помощью гибких перемычек. Схема соединений изображена на рисунке В2.

Y

&

X 2 X 3 X 1

&