4.3 Методические указания 97

5 ЭЛЕМЕНТЫ ЦИФРОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ 100

5.1 Задание 100

5.2 Теоретическая часть 100

5.2.1 Аналоговые и цифровые электрические сигналы 100

5.2.2 Взаимное преобразование аналоговых и цифровых сигналов 102

5.2.3 Цифровые (логические) схемы 103

5.2.4 Основы булевой алгебры 104

5.2.4.1 Булевы переменные и основные операции булевой алгебры 105

5.2.4.2 Булевы функции. Анализ и синтез булевых функций 107

5.2.5 Базовые логические элементы 109

5.2.6 Комбинационные и последовательностные логические схемы 114

5.2.6.1 Комбинационные логические схемы 114

5.2.6.2 Синтез комбинационных схем 117

5.2.6.3 Последовательностные логические схемы. Триггеры 119

5.2.6.4 Асинхронный RS-триггер 120

Контрольные вопросы 123

5.3 Методические указания 123

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 125

1.1 Общие сведения о полупроводниках 125

1.2 Контактные явления в полупроводниках 127

1.3 Полупроводниковые диоды 129

1.4 Полупроводниковые триоды (транзисторы) 130

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 132

Спектральное представление периодических сигналов 132

ЛИТЕРАТУРА 134

Предисловие

«Общая электротехника и электроника» является курсом Государственного образовательного стандарта (ГОС) общепрофессиональных дисциплин раздела ОПД. Ф.04 для подготовки инженеров-менеджеров по специальности 340100 – Управление качеством.

Программа курса состоит из двух разделов: электротехника и электроника. Содержание учебно-методического пособия соответствует программе курса ГОС по разделу «Электроника» и дополняет курс лекций, читаемых студентам Западно-Си-бирского филиала в г. Томске Российского государственного университета инновационных технологий и предпринимательства.

В учебно-методическом пособии рассмотрены пять предусмотренных программой электронных устройств, каждое из которых является нелинейной физической системой.

Исследование нелинейных систем очень важно при решении многих технических задач электротехники и электроники, так как именно нелинейные свойства лежат в основе принципа действия многих электротехнических устройств и определяют их качество.

Однако теоретическое изучение нелинейных систем несравненно труднее по сравнению с линейными устройствами, так как для них строгих аналитических методов анализа не существует. Аналитические методы анализа нелинейных электрических цепей всегда приближенны, а графические методы анализа трудоемки, не имеют общности и не обеспечивают требуемой точности определения основных параметров нелинейных устройств.

В связи с этим каждая лабораторная работа имеет достаточно обширную теоретическую часть с обсуждением выбранного метода анализа схемы устройства. Подробное теоретическое описание изучаемых устройств обусловлено тем, что не все вопросы теории нелинейных цепей изложены доступно в имеющихся учебниках. Большинство учебников по электротехнике рассчитаны на студентов, специализирующихся в этой области, а для студентов неэлектротехнических специальностей таких учебников и учебных пособий мало. Кроме того, подробное изложение теории нелинейных цепей может быть использовано для самостоятельного изучения основ электроники студентами заочной формы обучения.

Особенность работы нелинейных устройств электроники и их практическая значимость обусловлены, главным образом, двумя свойствами нелинейных электрических цепей.

Во-первых, при действии сигнала ток в нелинейной цепи искажается так, что его спектр становится богаче спектра сигнала. Это свойство нелинейных цепей позволяет в результате преобразования сигналов нелинейными схемами получать качественно новые устройства, имеющие большое практическое значение. Примерами такого рода устройств являются источники вторичного электрического питания – выпрямители. В работе «Выпрямление» проводится анализ простейших схем выпрямителей приближенным аналитическим методом, а результат преобразования обсуждается с двух точек зрения: как искажение формы входного сигнала и как изменение его спектра, что позволяет определить разными способами коэффициент пульсаций – основной параметр выпрямителя, определяющий его качество.

Во-вторых, в цепях с электрически управляемым нелинейным элементом происходит преобразование мощности внешнего по отношению к цепи источника в энергию сигнала. Это свойство нелинейных цепей используется в усилителях и генераторах электрических колебаний.

В работах «Усилитель на биполярном транзисторе» и «Мультивибратор на транзисторах» роль управляемого нелинейного резистора выполняет биполярный транзистор. Управляющим фактором биполярного транзистора можно считать входное напряжение или входной ток. В книгах по радиоэлектронике распространены методы анализа цепей с биполярным транзистором, когда управляющим сигналом считается ток базы. В настоящем пособии управляющим сигналом считается напряжение на первом переходе транзистора, что согласуется с физикой работы этой твердотельной структуры и позволяет проводить анализ и расчет схем на лампах, биполярных и полевых транзисторах по единой методике.

В указанных выше двух работах анализ простейшей схемы с биполярным транзистором проведен тремя методами, одним из которых является физический метод анализа, основанный на использовании простейшей внутренней структуры транзистора. Включение физического метода анализа для студентов инженерной подготовки оправдывается, во-первых, тем, что он дает понимание процессов, которые определяют и принцип работы, и основные параметры устройств, а во-вторых, тем, что в Государственном образовательном стандарте для инженеров-менеджеров курс Общей физики не предусмотрен. Студентам при подготовке к работе предлагается выбрать один из трех описанных методов анализа схемы по желанию.

В двух последних работах пособия рассматриваются функциональные узлы аналоговой и цифровой электроники с использованием интегральных схем: операционного усилителя (ОУ) в первом случае и базовых логических элементов – во втором.

Схемы на ОУ широко применяются в различных измерительных преобразователях, системах управления и в аналоговых вычислительных машинах. В работе «Схемы на операционном усилителе» рассмотрены семь типовых узлов аналоговой электроники, в том числе генератор и цифро-аналоговый преобразователь.

Цифровые устройства широко используются в вычислительной технике, автоматике, в АСУ, информационно-измерительной технике и других областях прикладной электроники. При работе с двоичным цифровым сигналом, когда диоды и транзисторы работают в ключевом режиме, преобразование сигнала простейшими нелинейными цепями описывается особым математическим аппаратом – алгеброй логики (булевой алгеброй). Булева алгебра является разделом курса «Дискретная математика», который не предусмотрен учебным планом для многих специальностей, поэтому в описании к работе «Устройства цифровой электроники» включен небольшой математический раздел по основам булевой алгебры. В описании к этой работе рассмотрены методы анализа и синтеза некоторых типовых устройств цифровой электроники.

Каждая лабораторная работа имеет достаточно обширную экспериментальную часть, целью которой является проверка, уточнение основных положений теории, а также измерение основных параметров и характеристик радиоэлектронных узлов. Схемы изучаемых устройств студенты собирают на стандартных макетных платах, где расположен набор дискретных элементов электрических цепей и различные интегральные схемы.

Для измерения параметров и характеристик устройств могут быть использованы реальные или виртуальные измерительные приборы. Кроме того, эксперимент может быть выполнен с использованием программы Electronics Workbench (EWB), которая предназначена для схемотехнического моделирования аналоговых и цифровых устройств радиоэлектроники. Особенностью программы EWB является наличие контрольно-измерительных приборов, которые по внешнему виду и характеристикам приближены к их промышленным аналогам, а набор элементов электрических цепей разнообразен.

В случае использования программы EWB теория описанных в пособии лабораторных работ, задания по их выполнению и часть методических указаний по экспериментальному исследованию может быть сохранена.