МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАЇНИ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ "ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА"
ДОСЛІДЖЕННЯ РОБОТИ ДИФЕРЕНЦІЮЮЧИХ І ІНТЕГРУЮЧИХ ЛАНОК ІНСТРУКЦІЯ до лабораторної роботи №1 з дисципліни "ЕЛЕМЕНТИ ДИСКРЕТНИХ ПРИСТРОЇВ АВТОМАТИКИ ТА ОБЧИСЛЮВАЛЬНОЇ ТЕХНІКИ" для студентів базового напрямку 050201’Системна інженерія’ Затверджено на засіданні кафедри автоматики та телемеханіки Протокол № 5 від Львів - 2009 Дослідження роботи диференціюючих і інтегруючих ланок з дисципліни "Елементи дискретних пристроїв автоматики та обчислювальної техніки" для студентів базового напрямку 050201’Системна інженерія’ усіх форм навчання / Укл. О.С.Вітер, Р.В. Проць – Львів: НУ(ЛП(, 2009, 10с. Укладачі: О.С.Вітер, канд. техн. наук, доц., Р.В. Проць, канд. техн. наук, доц.. Відповідальний за випуск: І.М.Ковела, к.т.н., доц. Рецензенти: З.Р.Мичуда, проф. 1. МЕТА РОБОТИ Метою роботи є ознайомлення з практичними схемами диференціюючих і інтегруючих ланок, вивчення впливу параметрів вхідних сигналів і параметрів ланок на параметри вихідних сигналів. 2. ТЕОРЕТИЧНИЙ ВСТУП Диференціюючою ланкою називають лінійний чотириполюсник, вихідна напруга якого пропорційна похідній вхідної напруги:
, де
- коефіцієнт пропорційності. Диференціювання базується на використанні залежності між струмом і напругою на ємності (чи індуктивності), що має наступний вигляд:
чи
(1) Найбільш часто на практиці використовується найпростіша ланка, що складається з двох елементів R і C (рис. 1а). Якщо б в цій схемі не існувало опора R, то мало б місце ідеальне диференціювання, так як струм в схемі є похідною напруги. Звичайно на виході необхідно отримати не струм, а напругу, пропорційну похідній вхідної. Тому на виході схеми необхідно включити активний опір R. Це приводить до неточності диференціювання. З виразу
, (2) видно, що вихідна напруга буде пропорційна похідній вхідної напруги тільки при умові
(
. (3) Диференціювання буде тим точнішим, чим меншою буде
у порівнянні з
. Це можна досягнути двома шляхами – зменшуючи R чи зменшуючи С. Однак, при RC(0 прямує до нуля і вихідна напруга. На практиці часто використовують RC ланки, для яких нерівність RC(
не виконується, тобто для яких постійна часу RC близька за значенням з тривалістю вхідних імпульсів. При невеликій постійній часу, тобто при RC = 0,3 ( 0,4
, можна рахувати, що за час дії вхідного імпульсу конденсатор C встигає практично повністю зарядитись до напруги
, тоді на виході ми одержимо два різнополярних імпульси, які за амплітудою є рівними амплітуді вхідного імпульсу. Форма імпульсів на виході диференціюючого кола, яка показана на рис. 1б, має місце лише при ідеальних умовах: нескінчено малій тривалості фронтів вхідних імпульсів і нульовому опорі
генератора вхідної напруги. Вплив параметрів
зводиться в основному до зменшення амплітуди і збільшення тривалості вихідних імпульсів, тобто до погіршення їх форми. Диференціюючі ланки використовуються: для отримання електричним шляхом математичної похідної заданої функції; для укорочення тривалості імпульсів, для створення запускаючих імпульсів; для селекції імпульсів за тривалістю і для інших цілей. Інтегруючою ланкою називається лінійний чотириполюсник, у якого вихідна напруга пропорційна інтегралу вхідної:
. (4) Найпростіша інтегруюча ланка наведена на рис. 2а. Напруга на виході цієї ланки описується рівнянням
, (5) тобто, при виконанні умови
(
, (6) коло, що розглядається, є інтегруючим. Використовуються інтегруючі ланки для: одержання напруг і струмів, що лінійно змінюються; селекції імпульсів за тривалістю; виконання математичної операції інтегрування; формування імпульсів більшої тривалості з коротких імпульсів. Процес інтегрування починається з появи на вході кола прямокутного імпульсу. При цьому починається процес заряду конденсатора C через резистор R. Так як опір резистора R великий, то конденсатор C заряджається повільно. Після закінчення вхідного імпульсу цей конденсатор повільно розряджається через резистор R. За час паузи між імпульсами конденсатор розряджається незначно і кожний черговий імпульс підзаряджує його. Напруга на виході ланки збільшується (рис. 2б). 3. ОПИС ЛАБОРАТОРНОЇ УСТАНОВКИ Робота по дослідженню диференціюючих і інтегруючих ланок виконується на спеціальному стенді, де встановлені наступні прилади: 1. Лабораторний макет. 2. Набір провідників для комутації схем. 3. Генератор прямокутних імпульсів. 4. Осцилограф. 4. МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ Дослідження електричних ланок, що вивчаються в даній роботі, виконується почергово. Спочатку досліджується диференціююча ланка, а потім - інтегруюча. Вихідні імпульси диференціюючої ланки, що спостерігаються на екрані осцилографа, слід зарисувати на міліметрівці, дотримуючись одного масштабу так, щоб можна було порівняти їх і, таким чином, проаналізувати вплив параметрів схеми на форму і параметри вихідних імпульсів.. При дослідженні інтегруючих ланок спочатку необхідно зібрати ці кола з найбільшими значеннями R і C, а потім, зменшуючи їх, спостерігати вихідну напругу. 5. ПОРЯДОК ВИКОНАНННЯ РОБОТИ 5.1. Дослідження диференціюючої ланки. 1. Ознайомитись з робочим місцем і приладами. 2. Скласти структурну схему дослідження. 3. Зібрати схему диференціюючої ланки. 4. Здійснити попереднє дослідження схеми. Для цього, включивши генератор і осцилограф в мережу, подати на вхід осцилографа імпульси з виходу генератора при відключеному RC-колі. Отримати стійке зображення імпульсів на екрані осцилографа. Зарисувати осцилограму імпульсів і виміряти їх параметри - амплітуду і тривалість. 5. Підключити RC-коло до виходу генератора імпульсів. Одержати на екрані осцилографа зображення вхідних імпульсів і порівняти їх з імпульсами, одержаними в п. 4. 6. Зарисувати імпульси на вході диференціюючої ланки. Виміряти їх параметри. Результати вимірів записати в табл. 1. 7. Підключити осцилограф до виходу диференціюючої ланки. Отримати на екрані осцилографа стійке зображення вихідних імпульсів, зарисувати їх осцилограму і заміряти параметри. Дані вимірювань записати в табл. 1. 8. Змінюючи величину опору R переключенням перемикача в різні положення, виконати те ж, що й в п. 7. Те саме повторити для іншого значення ємності C. 9. Збільшити масштаб розгортки і розтягнути на екрані осцилографа фронт вихідного імпульсу. Порівняти реальний імпульс з ідеальним. 10. За даними значеннями R і C провести розрахунок тривалості імпульсів, і порівняти їх з отриманими експериментальними даними. 5.2. Дослідження інтегруючої ланки. 1. Зібрати інтегруючу ланку. 2. Вхідні клеми зібраної ланки підключити до виходу генератора імпульсів, а вихідні до виходу осцилографа. 3. Включити генератор і осцилограф і отримати на екрані стійке зображення вихідної напруги, Тривалість вхідного імпульсу встановити біля 1 мксек. 4. Зарисувати отриману осцилограму. 5. Змінюючи величину ємності, почергово змінювати постійну часу кола і виконати те ж, що й в п. 3 і 4. Виконати те саме і для другого значення R.
6. МОДЕЛЮВАННЯ ДИФЕРЕНЦЮЮЧИХ І ІНТЕГРУЮЧИХ ЛАНОК ЗА ДОПОМОГОЮ ПРОГРАМИ MULTISIM. Порядок виконання моделювання: Запустити програму Multisim. Вивести на робочий стіл функціональний генератор Function Generator, встановити частоту прямокутної напруги 1 кГц при амплітуді (Amplitude) напруги 5В і зміщенні (Offset) 5В. Зібрати схеми диференцюючих і інтегруючих ланок відповідно до схеми, показаної на рис. 3. Вивести і з’єднати з з виходами ланок два 4-канальні осцилографи 4 Channel Oscilloscope і один двохканальний Oscilloscope. Запустити програму кнопкою 0-1 або зеленим трикутником і проглянути осцилограми вихідних напруг ланок. Після вибору оптичальної шкали часу Timebase Scale на осцилографі запинити аналіз кнопкою 0-1 або червоним прямокутником. Розрахувати значення амплітуд напруг на виходах усіх ланок в момент часу, заданий згідно варіанту заданого в таблиці. Порівняти результати розрахунків з результатами моделювання. Таблиця № вар. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10  Час, мкс 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200   7. 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 вихідних імпульсів за результатами моделювання. 6. Розрахунок параметрів імпульсів на виході диференціюючих та інтегруючих ланок. 7. Короткі висновки до роботи. 8. КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ 1. Нарисувати електричну схему диференціюючої ланки і пояснити фізичні процеси в ній. 2. Написати умову, при якій RC-ланка буде диференціюючою. 3. Як потрібно змінити параметри RC-кола для отримання більш точного диференціювання? 4.Нарисувати графіки імпульсів на виході диференціюючої ланки при подачі на її вхід прямокутних імпульсів. 5. Нарисувати електричну схему інтегруючої ланки і пояснити фізичні процеси і ній. 6. Як потрібно вибрати параметри R і C, щоб ланка була інтегруючою.? 7. Нарисувати графіки імпульсів на виході інтегруючої ланки при подачі на її вхід прямокутних імпульсів. 8. Де використовуються диференціюючі і інтегруючі ланки? 9. Як визначити тривалість імпульсів на виході диференціюючої ланки? 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.

Рис. 3. Схема для моделювання Навчальне видання ДОСЛІДЖЕННЯ РОБОТИ ДИФЕРЕНЦІЮЮЧИХ І ІНТЕГРУЮЧИХ ЛАНОК ІНСТРУКЦІЯ до лабораторної роботи №1 з курсу "ЕЛЕМЕНТИ ДИСКРЕТНИХ ПРИСТРОЇВ АВТОМАТИКИ ТА ОБЧИСЛЮВАЛЬНОЇ ТЕХНІКИ" для студентів базового напрямку 050201’Системна інженерія’ Укладачі: [ім’я автора приховано] Роман Володимировия Проць Редактор