Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Системи управління і автоматики
Кафедра:
Автоматики та телемеханіки
Інформація про роботу
Рік:
2002
Тип роботи:
Інші
Предмет:
Елементи дискретних пристроїв автоматики
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ "ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА"
ДОСЛІДЖЕННЯ СИМЕТРИЧНОГО ТРИГЕРА НА ТРАНЗИСТОРАХ
ІНСТРУКЦІЯ
до лабораторної роботи №3
з курсу
"ЕЛЕМЕНТИ ДИСКРЕТНИХ ПРИСТРОЇВ АВТОМАТИКИ"
для студентів спеціальності 7.091401
"Системи управління і автоматики"
усіх форм навчання
Затверджено
на засіданні кафедри
автоматики та телемеханіки
Протокол № від
Львів 2002
Дослідження симетричного тригера на транзисторах з курсу "Елементи дискретних пристроїв автоматики" для студентів спеціальності “Системи управління і автоматики” усіх форм навчання / Укл. О.С.Вітер, В.Б.Дудикевич, В.М.Максимович – Львів: НУ(ЛП(, 2002, 15с.
Укладачі: О.С.Вітер, канд. техн. наук, доц.,
В.Б.Дудикевич, докт. техн. наук, проф., В.М.Максимович, канд. техн. наук, доц.
Відповідальний за випуск: І.М.Ковела, к.т.н., доц.
Рецензенти: З.Р.Мичуда, З.М.Стрілецький кандидати техн. наук, доценти
1. МЕТА РОБОТИ
Метою роботи є практичне ознайомлення з роботою транзисторного симетричного тригера, принципом його дії, схемами запуску, основними розрахунковими співвідношеннями.
2. ТЕОРЕТИЧНИЙ ВСТУП
Тригером називають спусковий пристрій, який має два стани стійкої рівноваги і може переходити з одного в інший стрибком, кожний раз, коли керуюча напруга, що діє на його вхід, досягає певного рівня, що називається порогом спрацювання чи відпускання.
Стан тригера, в якому напруга на його виході висока, позначається цифрою (1(, а стан тригера, в якому напруга на його виході низька - цифрою (0( (очевидно, що можна прийняти і протилежні позначення).
Звичайно тригер поряд з основним (прямим) виходом Q має ще один вихід - інверсний, потенціал якого приймає значення, протилежне значенню потенціалу прямого виходу, тобто, якщо на прямому виході Q напруга висока (Q=1), то на інверсному виході буде низький потенціал (=0) і навпаки.
Використовують два способи запуску тригера - роздільний і спільний (лічильний). Умовне позначення тригера з роздільним запуском (чи з роздільними входами), так званого RS-тригера, наведено на рис. 1а.
При роздільному запуску управляючі (керуючі) сигнали надходять на два входи тригера від двох джерел: при надходженні управляючого сигналу на вхід S (установлення (1() тригер установлюється в стан 1 (Q=1, =0), а при надходженні управляючого сигналу на вхід R (установлення (0() тригер установлюється в стан 0 (Q=0, =1). Якщо на момент надходження управляючого сигналу на вхід S (чи R) тригер вже знаходився в стані 1 (чи 0), то його стан не зміниться.
Умовне позначення тригера із спільним (лічильним) запуском, так званого Т-тригера, наведено на рис. 1б.
При спільному (лічильному) запуску управляючі сигнали надходять на один спільний вхід Т-тригера і при цьому тригер спрацьовує від кожного сигналу, тобто кожний вхідний сигнал змінює стан тригера на протилежний.
На практиці використовують тригери з більш складним управлінням, наприклад RST-тригер (рис. 1в), тобто тригер з лічильним і роздільними входами.
Принцип роботи симетричного тригера на транзисторах
Принципова схема симетричного тригера на транзисторах типу p-n-p з резистивними зв’язками наведена на рис. 2.
Схема утворена з’єднанням виходу одного резисторно-транзисторного ключа з входом другого і виходом останнього з входом першого. Цю схему можна представити двокаскадним резисторним підсилювачем, замкненого в петлю позитивного оберненого зв’язку. Конденсатори С є прискорюючими. Вони зменшують час переключення тригера з одного стійкого стану в інший. Напруга зміщення подається від незалежного джерела зміщення .
В схемі, в принципі, можливий стан електричної рівноваги, при якому обидва транзистори і відкриті, струми і дорівнюють один одному і всі напруги в схемі постійні. Однак цей стан є нестійким. Якщо припустити, що коефіцієнт підсилення двокаскадного підсилювача, замкненого в петлю позитивного зворотного зв’язку, перевищує одиницю, то будь-яка зміна струмів і напруг приведе до виникнення лавиноподібного, регенеративного процесу наростання струму одного транзистора і зменшення струму другого. Регенеративний процес зміни струмів і напруг буде продовжуватись до тих пір, доки не припиниться дія позитивного зворотного зв’язку. Це можливо при запиранні одного транзистора (наприклад ) і насиченні другого (). В обох випадках настане стійка рівновага. Параметри схеми вибираються так, що в статичному стані один з транзисторів закритий, а другий - відкритий і насичений (в цьому випадку тригер називається насиченим).
Перехід тригера з одного стійкого стану в інший, тобто перекидання чи переключення, здійснюється завдяки дії зовнішньої керуючої (запускаючої) напруги (струму). Ця напруга (струм) можуть бути введені, наприклад, в коло бази одного з транзисторів. Як тільки керуюча напруга досягає порогового рівня, схема стрибком перейде з одного стійкого стану в інший. Якщо, наприклад, керуюча напруга введена в коло бази закритого транзистора , то як тільки ця напруга досягне рівня, при якому відкриється, появиться колекторний струм , зменшиться струм , транзистор перейде в активний режим, і буде, таким чином, відновлена петля позитивного зворотного зв’язку. При цьому виникне регенеративний, лавиноподібний процес зміни струмів і напруг, який приведе до перекидання схеми: транзистор закривається, а транзистор відкривається і насичується.
В результаті перекидання на колекторах транзисторів утворюються додатні і від’ємні перепади струмів і напруг, які можна використати для управління другими тригерами чи різноманітними ключовими схемами. Амплітуда вихідного перепаду напруги дорівнює зміні напруги на колекторі транзистора в результаті перекидання
, (1)
де - колекторна напруга закритого транзистора, - колекторна напруга відкритого транзистора в насиченому режимі;
, (2)
де - напруга на базі насиченого транзистора.
Враховуючи, що в насичених тригерах звичайно ( і ( можна записати
. (3)
Для забезпечення статичних режимів, тобто двох стійких станів, повинні бути виконані умови запирання одного транзистора і насичення другого. Для схеми, що розглядається, ці умови приймають вигляд таких нерівностей:
; . (4)
Способи підвищення швидкодії тригера
Аналіз перехідних процесів при переключенні тригера показує, що основними методами підвищення швидкодії є:
а) використання високочастотних імпульсних транзисторів;
б) усунення (чи зменшення) запізнення, обумовленого розсмоктуванням неосновних носіїв в базі насиченого транзистора;
в) зменшення часу установлення напруг на колекторах і прискорюючих конденсаторах;
г) використання різних способів запуску.
Розглянемо деякі схемні реалізації вказаних методів підвищення швидкодії.
1. Для усунення шкідливого впливу ефекту насичення використовується схема тригера з нелінійним зворотним зв’язком (рис. 3). Специфіка схеми полягає в тому, що в ній використовуються транзисторні ключі з нелінійним зворотним зв’язком, що виключає насичення транзистора. В якості компенсуючого джерела напруги використовується падіння напруги на резисторі r. В іншому схема ненасиченого тригера має багато спільного зі схемою насиченого тригера і відмінність полягає тільки в тому, що опір R розбитий на дві частини, одна з яких r використовується для отримання компенсуючої напруги.
При ненасиченому режимі роботи транзисторів можна уникнути стадії підготовки при запуску тригера. Тому максимальна частота переключення ненасиченого тригера при використанні низькочастотних транзисторів є близькою до . Схема не чутлива до розкидів транзисторів по , що забезпечує високу стабільність і надійність тригера в умовах температури, що змінюється, при максимальній для даного типу транзисторів швидкодії.
Недоліком схеми, що розглядається, є підвищення чутливості до різного роду завад, так як транзистори працюють в режимі підсилення. Слід також відмітити, що коефіцієнт використання напруги дещо менший, ніж в схемі насиченого тригера.
2. Максимальну частоту переключення і навантажувальну здатність тригера можна істотно збільшити, якщо використати емітерні повторювачі (рис. 4).
Швидкодія тригера в цьому випадку збільшується внаслідок прискорення процесу заряду конденсатора зв’язку через малий вхідний опір емітерного повторювача, який разом з тим забезпечує можливість надійної роботи при низькоомному навантаженні. Максимальна частота переключення тригера з емітерним повторювачем складає 1,3 .
3. Для скорочення тривалості від’ємного фронту напруги на колекторі транзистора, що закривається, використовують фіксацію потенціалу закритого транзистора на рівні за допомогою діоду чи стабілітрону.
4. Для побудови ненасичених тригерів використовуються перемикачі струмів; власне такими є схеми тригерів в ряді комплексів інтегральних елементів.
Схеми запуску симетричних тригерів
В залежності від функції, що виконується тригером, використовують різні способи управління, наприклад, роздільний і спільний (лічильний). В залежності від того, куди безпосередньо поступає імпульс зі схеми запуску, розрізняють схеми запуску на бази і на колектори. В транзисторних тригерах можуть бути схеми спільного і роздільного запуску на бази і спільного і роздільного запуску на колектори. Для запуску тригерів часто використовують як порівняно короткі імпульси, так і перепади напруги. Тому складовою частиною більшості схем запуску тригерів на дискретних компонентах є укорочуюча RC-ланка чи RL-ланка. Така ланка скорочує час дії на тригер тривалих вхідних імпульсів, тобто дозволяє запускати тригер по одному входу до закінчення імпульсу на другому вході. Однак при скороченні цією ланкою вхідного імпульсу на тригер діють два короткі імпульси (додатній і від’ємний), що виникають в наслідок диференціювання фронтів імпульсу запуску. В результаті створюється небезпека подвійного спрацювання тригера від одного імпульсу запуску. Розділяючі (відсікаючі) діоди усувають цю небезпеку.
Схема роздільного запуску на бази.
Схема роздільного запуску на бази наведена на рис. 5. Вхідний сигнал диференціюється за допомогою -ланки і імпульс додатної полярності через розділювальний діод надходить на базу транзистора. Джерело напруги дозволяє закрити розділювальні діоди в проміжку часу між двома вхідними імпульсами. Це підвищує завадостійкість тригера і приводить до розділення кіл запуску і зворотного зв’язку тригера.
Запуск тригера можна виконувати, запираючи вхідним імпульсом насичений транзистор чи відкриваючи запертий транзистор. Однак перевагу слід віддати запуску тригера запираючими імпульсами, виходячи з наступних причин. По-перше, при запуску відпираючими імпульсами в колі запуску проходить великий струм, отже споживається велика потужність від вхідного генератора, і по-друге, при запуску відпираючими імпульсами потрібні прискорюючі конденсатори більшої ємності.
В швидкодіючих тригерах замість резисторів і використовуються діоди. Це прискорює процес заряду конденсаторів і при від’ємному перепаді вхідної напруги.
Схема роздільного запуску на колектори.
Схема роздільного запуску на колектори, що зображена на рис. 6, за принципом дії аналогічна схемі на рис. 5.
Нехай транзистор закритий. Тоді діод закритий напругою
. (5)
В багатьох тригерах порядок цієї напруги – (2-3)В. При додатному перепаді напруги на вході з амплітудою , струм, що запирає насичений транзистор проходить через конденсатори і , діод і базу транзистора . Таким чином, додатний імпульс на вході схеми, що зображена на рис. 6, виконує таку ж дію, що й додатний імпульс на вході схеми, що зображена на рис. 5. Але чутливість тригера при запуску на колектори значно нижча чутливості при запуску на бази, так як в першому випадку струм в базу насиченого транзистора проходить через , і конденсатор . Для того щоб цей струм зменшувався відносно повільно, прискорюючі ємності і , в цій схемі, доводиться брати великими, що зменшує роздільну здатність тригера.
Схема спільного запуску на бази.
Схема спільного (лічильного) запуску на бази показана на рис. 7. Нехай в початковому стані транзистор насичений., а транзистор закритий. Тоді діод в початковому стані відкритий, а діод закритий напругою . Додатний імпульс запуску пройде тільки через діод на базу насиченого і викличе перекидання схеми.
Здавалося б, що в цій схемі є небезпека подвійного спрацювання тригера від вхідного імпульсу, якщо одразу після перекидання тригера відкриється діод , і вхідний імпульс на цей момент ще не закінчиться. Але відкривання діоду відбувається не одразу, а лише після того, як розрядиться конденсатор . Якщо врахувати, що тривалість скороченого імпульсу, що діє на катод діоду , теж визначається часом розрядки конденсатора , то стане зрозуміло, що подвійне спрацювання тригера від одного вхідного імпульсу не відбудеться.
До моменту наступного запуску конденсатори і повинні встигнути повністю перезарядитись, діод виявиться при цьому закритим, а діод – відкритим. Тому наступний імпульс пройде через діод і викличе перекидання схеми.
Схема спільного запуску на колектори.
Розглянемо принцип дії схеми, що наведена на рис. 8. При закритому транзисторі і насиченому діод закритий напругою , тоді як діод закритий порівняно невеликою наругою .
Додатний вхідний імпульс відкриває тільки діод і діє потім на тригер так само, як в схемі на рис. 7. При цьому заряд конденсатора після запирання транзистора повинен відбуватись достатньо повільно, інакше діод може відкритись до закінчення дії вхідного імпульсу. Тому конденсатори і виконують в цій схемі роль елемента затримки чи (пам’яті( і, отже, повинні мати більшу ємність ніж в схемі на рис. 7.
Розрахунок тригера
1. Вибір напруги живлення .
Враховуючи, що амплітуда вхідних імпульсів менша напруги джерела живлення, вибираємо , виходячи з умови
. (6)
2. Вибір джерела зміщення .
Збільшення напруги джерела зменшує швидкодію тригера. Тому напругу вибрати великою недоцільно. Для надійного запирання звичайно вибирають =(1(2,5)В.
3. Вибір транзистора.
При виборі транзистора повинні виконуватись наступні умови:
а) допустима напруга повинна бути більшою напруги джерела
; (7)
б) частотні властивості транзистора повинні забезпечувати необхідну швидкодію:
. (8)
4. Розрахунок опору .
Величина опору розраховується виходячи з величини ємності колекторного переходу транзистора :
, (9)
З іншого боку, необхідно, щоб струм через транзистор не перевищував допустимий, отже:
. (10)
5. Розрахунок прискорюючої ємності С.
Прискорюючу ємність розраховують за формулою:
. (11)
6. Розрахунок дільника , . Опір розраховуємо виходячи з умови забезпечення стабільності роботи тригера при зміні температури (), а також враховуючи розкид величин опорів і нестабільність величини напруг живлення . Звичайно допускають і знаходять максимальне значення опору:
. (12)
З другого боку величина опору базового дільника , повинна бути такою, щоб при максимальній частоті імпульсів запуску прискорююча ємність, що підключена до колектору транзистора, який відкривається, встигала розрядитись. Рахуючи, що
. (13)
Опір розраховується за формулою, виходячи з умови забезпечення насичення транзистора у найбільш несприятливому випадку: пониженій напрузі живлення і підвищеній напрузі зміщення , пониженій величині опорів і і підвищеній величині :
, (14)
де S – коефіцієнт насичення (при достатньо високоомному навантаженні рекомендується вибирати S=1,2(1,5); ; a – коефіцієнт пропорційності, який дорівнює 0,005(0,01 1/град.
7. Розрахунок амплітуди і тривалості імпульсів запуску.
Амплітуда імпульсів запуску повинна бути більшою напруги зміщення на деяку величину . Однак перепад після запирання відкритого транзистора через прискорюючу ємність передається на колектор закритого транзистора, створюючи на ньому паразитний викид, тому величина не повинна бути великою. Звичайно вибирають
. (15)
Під час запуску генератор повинен забезпечити струм, який трохи перевищує струм насичення
. (16)
Мінімальна тривалість вхідного імпульсу визначається часом розсмоктування заряду в насиченому транзисторі:
. (17)
Звичайно тривалість вхідного імпульсу вибирають з двократним чи трикратним запасом
. (18)
8. Розрахунок перехідної ємності С.
За час тривалості імпульсу перехідна ємність не повинно істотно розрядиться
, (19)
де – збільшення напруги на ємності за час дії імпульсу. Звичайно вибирають =(0,03(0,05)В.
9. Вибір діодів.
Основні вимоги до діодів – малий час перехідних процесів.
3. ЗМІСТ РОБОТИ
1. Згідно завдання викладача розрахувати симетричний насичений тригер на транзисторах.
2. Ознайомитись з макетом.
3. Зібрати схему тригера з роздільним запуском (на бази і колектори) і переконатись в його працездатності.
4. Зібрати схему і дослідити роботу тригера зі спільним (лічильним) запуском на бази і колектори.
5. Дослідити вплив амплітуди і тривалості імпульсів запуску на роботу тригера. Зарисувати осцилограми в основних вузлах схеми.
6. Дослідити вплив навантаження по постійному струму для двох випадків включення навантаження – паралельно колекторному опору і паралельно транзистору. Переконатись в підвищенні навантажувальної здатності тригера при включенні емітерних повторювачів на виході.
7. Дослідити роботу тригера з нелінійним зворотним зв’язком. Зарисувати осцилограми. Пояснити отримані результати.
4. ВКАЗІВКИ ДО ЗВІТУ
Звіт повинен містити.
1. Назву і мету роботи.
2. Технічне завдання.
3. Електричні схеми кіл, що досліджуються.
4. Структурну схему досліджень.
5. Осцилограми вхідних і вихідних імпульсів.
6. Короткі висновки до роботи.
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1. Гольденберг Л.М. Импульсные и цифровые устройства. Учебник для вузов. М., Связь, 1973.
2. Скаржепа В.А., Луценко А.Н. Электроника и микросхемотехника. Ч. 1. Электронные устройства информационной автоматики: Учебник/ Под общ. ред. А.А.Краснопрошеной.-К.: Выща шк. Головное изд-во, 1989.
Навчальне видання
ДОСЛІДЖЕННЯ СИМЕТРИЧНОГО ТРИГЕРА НА ТРАНЗИСТОРАХ
ІНСТРУКЦІЯ
до лабораторної роботи №3
з курсу
"ЕЛЕМЕНТИ ДИСКРЕТНИХ ПРИСТРОЇВ АВТОМАТИКИ"
для студентів спеціальності 7.091401
"Системи управління і автоматики"
усіх форм навчання
Укладачі: Олександр Сергійович Вітер
Валерій Богданович Дудикевич Володимир Миколайович Максимович
Редактор
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора