11.4 Порядок выполнения работы

11.4.1 Исследование ИМС счетчика К176ИЕ2

11.4.1.1 Собрать схему для проведения экспериментов по исследованию счетчика К176ИЕ2 (рисунок 11.1). При этом в качестве источника тактовых импульсов использовать имеющийся на макете генератор прямоугольных импульсов, сигнал управления режимом работы (двоичный/двоично-десятичный) подключить к подвижному контакту встроенного в макет потенциометра.

11.4.1.2 Исследовать работу ИМС в режиме двоичного счетчика. Снять осциллограммы сигналов на всех выходах счетчика по отношению к входному сигналу, измерить задержки сигналов по каждому из выходов относительно фронтов входного сигнала. Зарисовать временные диаграммы работы исследуемого двоичного счетчика.

11.4.1.3 Повторить требования пункта 11.4.1.2 в режиме двоично - десятичного счетчика. Сравнить полученные результаты.

11.4.1.4 Собрать схему счетчика с заданным коэффициентом пересчета в соответствии с указанным преподавателем вариантом (по таблице 11.1), используя внешние логические элементы, представленные на плате макета.

11.4.2 Исследование ИМС счетчика К564ИЕ10 (рисунок 11.2)

11.4.2.1 Собрать схему для исследования синхронного счетчика К564ИЕ10.

Рисунок 11.1 – Схема макета для исследования счетчика К176ИЕ2

Таблица 11.1 - Варианты заданий для построения счетчиков с заданным коэффициентом пересчета

Номер варианта	Коэффициент пересчета	Номер варианта	Коэффициент пересчета
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10	3 5 6 7 9 10 11 12 13 14	11 12 13 14 15 16 17 18 19 20	17 18 19 20 21 22 24 25 26 28

Р исунок 11.2 – Схема макета для исследования синхронного счетчика к564ие10

11.4.2.2 Исследовать работу одного счетчика, определить временные задержки сигналов на выходах по отношению к фронтам входного сигнала, привести в отчете временные диаграммы.

11.4.2.3 Используя оба счетчика микросхемы К564ИЕ10, собрать восьмиразрядный двоичный счетчик, измерить задержки сигналов на выходах второго счетчика по отношению к фронтам входного сигнала. Привести временные диаграммы работы.

11.4.3 Исследуемые схемы и результаты экспериментальных исследований представить в отчете.

11.5 Содержание отчета

Отчет по выполнению работы должен содержать:

- цель работы;

- принципиальные схемы, условные графические обозначения ИМС К176ИЕ2, К564ИЕ10, их характеристики;

- таблицы режимов работы ИМС;

- схемы проведения экспериментов, результаты исследований;

- выводы по работе.

11.6 Контрольные вопросы

11.6.1 Принципы организации счетных схем.

11.6.2 Структура и принцип действия двоичного асинхронного счетчика.

11.6.3 Организация двоично-кодированных счетчиков.

11.6.4 Структура инкрементирующего и декрементирующего счетчиков.

11.6.5 Счетчики с переменным коэффициентом пересчета.

11.6.6 Принципы построения синхронных счетчиков.

11.7 Рекомендуемая литература: [14, 18, 19, 22, 23, 25].

12 Лабораторная работа №12

“Исследование аналоговых компараторов“

12.1 Цель работы

Изучить назначение, основные характеристики и возможности использования интегральных микросхем компараторов, освоить методы инженерного проектирования и экспериментального исследования устройств вычислительной техники на базе ИМС компараторов.

12.2 Основные положения

Аналоговый компаратор представляет собой интегральную схему, содержащую дифференциальный усилитель постоянного тока, к выходу которого подключен формирователь цифрового сигнала. Как правило, компаратор имеет парафазные входы и выходы. За счет большого коэффициента усиления дифференциального усилителя компараторы имеют высокую чувствительность к изменению разности потенциалов между дифференциальными входами. На выходе компаратора формируются сигналы высокого логического уровня, если разность входных сигналов меньше порогового напряжения компаратора, или низкого логического уровня, если разность входных сигналов превышает пороговое напряжение. Таким образом, компаратор выполняет микрооперацию сравнения двух аналоговых сигналов на больше или меньше. Сравнение на равенство сигналов для компаратора не имеет смысла так как в этом случае формируется выходной сигнал "больше" или "меньше" с точностью до порогового напряжения и шумов на входе. Если одно из входных напряжений изменяется во времени, можно рассматривать компаратор как устройство, определяющее момент равенства входных напряжений с точностью до порогового значения.

Область применения компараторов не ограничена только сравнением двух напряжений. В зависимости от схемы включения компаратор может использоваться как формирователь цифрового сигнала при передаче цифровой информации по линиям связи, устройство задержки цифровых сигналов, генератор импульсных сигналов, преобразователь напряжений во временной интервал.

Основными параметрами компаратора являются:

- разрешающая способность (чувствительность) U вх.min. Это минимальная разность потенциалов входов компаратора, которая может быть обнаружена компаратором и вызывает формирование соответствующего выходного сигнала. Разрешающая способность связана со значением коэффициента усиления компаратора и уровнями выходного напряжения логических нуля и единицы. Ограниченное значение коэффициента усиления приводит к образованию зоны нечувствительности, при которой состояние выхода компаратора не определено. Для сравнения по чувствительности компараторов, предназначенных для работы с различными логическими схемами, вместо разрешающей способности в паспортных данных указывают параметр коэффициент усиления;

- напряжение смещения - это разность напряжений, которая должна быть приложена ко входам компаратора, чтобы получить выходной сигнал, соответствующий равенству входных сигналов. Отличное от нуля значение входного сигнала смещает влево или вправо характеристику «вход-выход» компаратора;

- быстродействие t здр - время, определяемое задержкой срабатывания и временем нарастания выходного сигнала;

- нагрузочная способность.

В зависимости от схемы включения используют аналоговые компараторы:

- с релейной (гистерезисной) характеристикой;

- с безгистерезисной характеристикой.

Структурная схема компаратора приведена на рисунке 12.1. На входе компаратора используется дифференциальный усилитель постоянного тока, обладающий большим коэффициентом усиления и высоким входным сопротивлением. Схема усилителя обеспечивает практически нулевое напряжение смещения и большее, чем у операционных усилителей, быстродействие. Пороговое устройство, входящее в схему компаратора, формирует бинарный сигнал в зависимости от величины напряжения на входе дифференциального усилителя. Схемой предусмотрены специальные цепи, обеспечивающие стабильность параметров компаратора в широком диапазоне изменения входных напряжений и температуры окружающей среды. Преобразователь уровня обеспечивает согласование выхода компаратора с элементами заданного типа логики.

Схема включения компаратора с гистерезисной характеристикой приведена на рисунке 12.2.

Если напряжение на входе меньше, чем Uпор1, то компаратор находится в единичном состоянии. Напряжение на неинвертирующем входе компаратора

U1=(Uо*R1 + Uвых.h*R0)/(R1+R0),

где Uвых.h - выходное напряжение высокого уровня.

По мере увеличения Uвх состояние компаратора не изменится до тех пор, пока Uвх< U1 (U1=Uпор2). При Uвх = U1 (для идеального компаратора) компаратор переключится. Напряжение на выходе скачкообразно уменьшается до Uвых.l (выходного напряжения низкого уровня). Теперь напряжение на неинвертирующем входе компаратора

U2=(Uо*R1 + Uвых.l*R0)/(R1+R0).

Если теперь уменьшать входное напряжение, то состояние компаратора не будет изменяться до тех пор, пока входное напряжение не станет равным U2 (U2=Uпор1). Таким образом, схема имеет гистерезисную характеристику (рисунок 12.3).

Ширина петли гистерезиса

Uг = U1 - U2 = (Uвых.h - Uвых.l) R0/(R1+R0).

Среднее значение порога срабатывания

Uср = Uo*R1/(R0 + R1) + (Uвых.h + Uвых.l)*R0/2*(R1+R0).

Одно из возможных применений аналогового компаратора - преобразование напряжения во временной интервал. На один из входов подается линейно изменяющееся во времени опорное напряжение, на второй - преобразуемое напряжение. Если скорость изменения опорного напряжения

v = dUо/dt ,

то на выходе формируется прямоугольный импульс длительностью

tи = Uвх/v.

В этой схеме целесообразно использовать компаратор с гистерезисной характеристикой, что обеспечивает отсутствие колебательного процесса в моменты срабатывания компаратора. Ширина зоны гистерезиса должна быть больше напряжения шумов и порога срабатывания компаратора.

Другие применения аналоговых компараторов рассматриваются при выполнении настоящей лабораторной работы.

12.3 Подготовка к выполнению работы

12.3.1 В лабораторной работе исследуется ИМС компаратора К521СА4. При подготовке к выполнению работы по справочной литературе определить основные параметры микросхемы, привести в отчете принципиальную электрическую схему компаратора, возможные схемы его включения, условные графические обозначения в соответствии с требованиями стандарта.

12.3.2 Подготовить схемы включения макета для проведения экспериментов, таблицы для занесения экспериментальных данных.

12.3.3 Принципиальная электрическая схема лабораторного макета приведена на рисунке 12.4. На неинвертирующий вход компаратора через резистор сопротивлением 43 кОм подано опорное напряжение величиной порядка 1.5 В.

12.4 Порядок выполнения работы

12.4.1 Исследование характеристики "вход-выход" компаратора без обратной связи при подаче входного напряжения на инвертирующий вход компаратора. Входное напряжение изменять в диапазоне от 0 до 5 В. По полученной характеристике определить пороговое напряжение компаратора. Величина порогового напряжения практически совпадает с опорным напряжением, поданным на неинвертирующий вход компаратора. Входное и выходное напряжения измерять вольтметром.

Определить уровни логических сигналов на выходе компаратора.

12.4.2 Исследование характеристики "вход-выход" компаратора с обратной связью. Для определения гистерезиса входное напряжение должно изменяться сначала от 0 до 5 В, затем от 5 до 0 В. По полученной характеристике определить величину гистерезиса, рассчитать величину сопротивления резистора в цепи обратной связи.

12.4.3 Исследование работы компаратора в режиме формирования прямоугольных импульсов из гармонического сигнала частотой 1кГц, амплитудой 4В. Построить и сравнить временные диаграммы работы компаратора при наличии и отсутствии обратной связи.

12.4.4 Исследование схемы преобразователя напряжения во временной интервал при включении компаратора без обратной связи. Для этого пилообразное напряжение подать на неинвертирующий вход компаратора, а входное напряжение, изменяемое в диапазоне от 0 до 5 В, на инвертирующий вход. Выход компаратора контролировать осциллографом.

Определить диапазон изменения входного напряжения, при котором наблюдается импульсный сигнал на выходе компаратора. В этом диапазоне построить зависимость длительности выходных импульсов от напряжения на входе. Длительность измерять осциллографом, входное напряжение - вольтметром.

Объяснить, почему выходной сигнал компаратора имеет колебательный процесс во время переключения.

Построить временные диаграммы работы устройства.

Рисунок 12.1 – Структурная схема компаратора

Рисунок 12.2 –Схема включения компаратора с обратной связью

Рисунок 12.3 –АПХ компаратора с обратной связью

12.4.5 Рассчитать сопротивление обратной связи для получения ширины зоны гистерезиса порядка 0.3 В. Выбрать резистор, ближайший по номиналу к расчетному. Повторить исследование время-импульсного преобразователя (п.12.4.4) при использовании компаратора с обратной связью. Как влияет наличие гистерезиса на точность преобразования?

12.4.6 Исследование работы формирователя длительности выходных импульсов, управляемого напряжением. Для этого на неинвертирующий вход компаратора подать опорное напряжение с потенциометра, изменяемое в диапазоне от 0 до 5 В. Точку 14 макета заземлить. На инвертирующий вход компаратора подать через конденсатор прямоугольные импульсы. Определить диапазон изменения опорного напряжения, при котором наблюдается импульсный сигнал на выходе компаратора.

В этом диапазоне снять зависимость длительности выходного сигнала от величины опорного напряжения.

Построить временные диаграммы работы устройства при наличии и отсутствии обратной связи.