Задания для индивидуальной работы: Методические указания для индивидуальной работы по курсу ''Схемотехника электронных средств''

Министерство науки и образования РФ

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ АКАДЕМИКА С.П. КОРОЛЕВА

Кафедра "Радиотехнические устройства"

Задания для индивидуальной работы

Методические указания для индивидуальной работы по курсу «Схемотехника электронных средств»

Самара 2004

2

Составитель: И.А. Кудрявцев УДК 531.7.681.2

Задания для индивидуальной работы: Методические указания для индивидуальной работы / Самарский гос. аэрокосмический ун-т. Сост. И.А. Кудрявцев. Самара 2004 12стр.

Методические указания рекомендуются для студентов, обучающихся по специальности 200800 по курсу " Схемотехника электронных средств".

Приведены варианты заданий для индивидуальной работы студентов, изучающих дисциплину " Схемотехника электронных средств".

3 СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………….4 1

ЦИФРОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ КЛЮЧИ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ... 4

2

СИНТЕЗ КОМБИНАЦИОННЫХ ЛОГИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ............................... 5

3

ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА НА ТРИГГЕРАХ ........................................................ 7

4

СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ........................................................................ 8

4 ВВЕДЕНИЕ

Индивидуальная работа студентов предполагает решение набора задач, посвященных разделам цифровой и аналоговой схемотехники, рассматриваемым в лекционном курсе. Задачи сгруппированы по разделам, в начале каждого раздела приводится образец примерного решения типовой задачи. Решенные задачи необходимо оформить на отдельных листах и сдать преподавателю в течение учебного семестра. Номер варианта определяется порядковым номером фамилии студента в списке учебной группы. 1

Цифровые электронные ключи на биполярных транзисторах

При расчете электронных ключей на биполярных транзисторах необходимо рассматривать два основных аспекта: статический режим ключа и его быстродействие. При этом основными показателями ключа являются: остаточное выходное напряжение на открытом ключе, мощность рассеяния на активном элементе (в статическом и динамическом режимах), длительности переходных процессов (отпирания и запирания ключа). При расчете статического режима необходимо обеспечить надежное запирание транзистора в выключенном состоянии и насыщение в открытом состоянии. Глубина насыщения определяет быстродействие ключа (и мощность цепи управления) и не должна быть чрезмерно большой. Пример: Рассчитать ключ на биполярном транзисторе, предназначенный для включения и выключения светодиода по следующему алгоритму: при наличии на входе ключа напряжения величиной ( U ВХ 1 = 4.5…5В) светодиод светится, при наличии напряжения ( U ВХ 0 = 0…0.5В) - погашен. Изобразить схему ключа и рассчитать параметры принципиальной схемы, если известно, что светодиод светится с достаточной яркостью при токе 10 мА, при этом падение напряжения на нем равно 1В. Источник управляющего сигнала обеспечивает вытекающий ток 0.8мА и втекающий 2мА. Транзистор имеет следующие параметры: β =100, U КЭНАС =1В, I КБОMAX =10 мкА. Считать, что напряжение отсечки равно U БЭОТС =0.7В, напряжение источника питания - 5В.

РЕШЕНИЕ Для решения поставленной задачи выберем схему, представленную на рис. 1. Очевидно, что при высоком уровне напряжения на входе транзистор отпирается и ток протекает через светодиод, при низком уровне напряжения транзистор заперт, ток коллектора равен нулю и светодиод погашен. Расчет схемы сводится к определению номиналов сопротивлений в цепи коллектора и базы. Так как известно, что ток коллектора должен быть равен 10 мА, то для коллекторной цепи можно записать: E = U КЭНАС + I K RK + U VD . Отсюда RK =300 Ом. Рисунок 1 - Транзисторный ключ со светодиодом Для надежного запирания транзистора необходимо выполнение условия: U ВХ 0 + I КБОМАХ RБ < U БЭОТС , откуда

5

RБ <

0.7 B − 0.5B = 20кОм . 10 мкА

Условие насыщения можно записать в виде: U ВХ 1 = U БЭОТС + I Б RБ , где I Б ток базы в режиме насыщения. Учитывая β =100, выберем I Б >

IK

β

. Учитывая

коэффициент запаса (2…3), I Б =0.5 мА, откуда RБ < 7.6кОм . Очевидно, условие насыщения более жесткое, следовательно, из ряда номинальных сопротивлений выберем 7.5кОм. Очевидно, источник сигнала не перегружен (0.5<0.8). Задача. Рассчитать ключ на биполярном транзисторе, управляющий электромагнитным реле, ток срабатывания и сопротивление обмотки которого приведены в таблице 1. Источник управляющего сигнала имеет те же параметры, что и в вышеприведенном примере, источник питания имеет напряжение 27В. Высокий уровень управляющего сигнала должен вызывать включение реле, низкий - выключение. При решении рассчитать мощности выбранных резисторов и обеспечить меры защиты транзистора от перегрузки по напряжению при выключении реле. Транзистор выбрать из справочника самостоятельно. Таблица 1 № вар. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

I, мА 50 75 100 120 150 50 75 100 120 160

2

R, Ом 10 50 100 70 120 120 70 50 100 90

№ вар. 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

I, мА 60 80 100 120 140 130 110 70 85 90

R, Ом 100 150 200 150 80 90 70 300 250 200

№ вар. 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

I, мА 200 300 150 120 110 50 75 100 90 180

R, Ом 120 50 55 65 70 400 280 125 250 110

Синтез комбинационных логических устройств

Синтез комбинационных логических устройств включает в себя составление формализованного задания, преобразование логической функции с целью оптимизации с учетом имеющейся (выбранной) элементной базы и построение принципиальной схемы. В качестве исходных данных может выступать описательное задание, логическая функция или таблица истинности. Преобразование осуществляют с помощью теорем и положений алгебры логики, карт Карно, алгоритмов Квайна и т.п. Таблица 2. X Y Z Пример. Разработать принципиальную схему уст0 0 0 ройства, таблица истинности которого приведена в 0 1 1 табл. 2. В качестве элементной базы использовать ло1 0 1 гику 2И-НЕ (КР555ЛА3). 1

1

0

6

Запишем логическую функцию в виде: Z = XY + X Y . Используя теоремы де Моргана, можно записать: Z = XY ( X + Y ) = XY X + XYY = XY X ⋅ XYY . Отметим, что для реализации полученного выражения необходимо 4 элемента 2И-НЕ, (достаточно одной микросхемы). Задача. Построить принципиальную схему устройства, заданного логической функцией (см. таблицу 3), используя соответствующий логический базис. Таблица 3. № вар. Логическая функция База 2И-НЕ, 2ИЛИ-НЕ 1 X 1X 2 X 3 + X 3 X 4 X 1 + X 1X 2 ⋅ X 4 X 3 2ИЛИ-НЕ 2 ( X 1 + X 2) X 3 X 4 2И-НЕ, 2ИЛИ-НЕ 3 X 1X 2 + X 3 + X 4 2И-НЕ, 2ИЛИ-НЕ 4 X1+ X 2 + X 3 + X 4 2И-НЕ, 2ИЛИ-НЕ 5 X 1⋅ X 2 ⋅ X 3 ⋅ X 4 2И-НЕ, 2ИЛИ-НЕ 6 X1+ X 2 + X 3 + X 4 2И-НЕ, 2ИЛИ-НЕ 7 X 1⋅ X 2 ⋅ X 3 ⋅ X 4 ( X 1 + X 2)( X 3 + X 4) 8 2И-НЕ, 2ИЛИ-НЕ ( X 1 + X 2)( X 3 + X 4) 9 2И-НЕ, 2ИЛИ-НЕ 2И-НЕ, 2ИЛИ-НЕ 10 X 1X 2 X 3 + X 1X 2 X 3 2И-НЕ, 2ИЛИ-НЕ 11 X 1X 2 X 3 + X 1X 2 X 3 ( X 1 + X 2) X 3 X 4 + X 1 12 2И-НЕ, 2ИЛИ-НЕ X 1X 4( X 2 + X 1X 3) 13 2И-НЕ, 2ИЛИ-НЕ ( X 1 + X 2 + X 3)( X 1 + X 2 X 3 X 4) 14 2И-НЕ, 2ИЛИ-НЕ ( X 1 + X 2 + X 3)( X 2 + X 2 X 3 X 4) 15 2И-НЕ, 2ИЛИ-НЕ 2И-НЕ, 2ИЛИ-НЕ 16 X 4X 3X 2X 1 2И-НЕ, 2ИЛИ-НЕ 17 X 1 + X 2 X 3 X 4 + X 1 + X 2 + X 4 + X 1X 3 2И-НЕ, 2ИЛИ-НЕ 18 X 1 + X 2 X 3( X 1 + X 4) 2И-НЕ, 2ИЛИ-НЕ 19 X 1 ⋅ ( X 2 + X 3) + X 3 X 4 2И-НЕ, 2ИЛИ-НЕ 20 X 1X 2 + X 3 X 4 + X 1X 3 X 4 2И-НЕ, 2ИЛИ-НЕ 21 X 4X 3 + X 1X 2 X 4 2И-НЕ, 2ИЛИ-НЕ 22 X 1X 2 + X 3 + X 1 + X 2 + X 4 2И-НЕ, 2ИЛИ-НЕ 23 X 1 + X 1X 2 + X 2 X 3 + X 1 X 4 X 1( X 2( X 3 + X 1X 4) + X 1X 3) 24 2И-НЕ, 2ИЛИ-НЕ ( X 1 + X 1X 2 X 3)( X 2 + X 2 X 4) 25 2И-НЕ, 2ИЛИ-НЕ ( X 1 + X 2 + X 1 + X 2)( X 3 + X 4 + X 1X 2) 26 2И-НЕ, 2ИЛИ-НЕ X 1 X 2( X 3 + X 4) + X 2 + X 4 27 2И-НЕ, 2ИЛИ-НЕ ( X 1 + X 3) X 2 X 4 + ( X 2 + X 4) X 1X 3 28 2И-НЕ, 2ИЛИ-НЕ X 1 + X 2 X 3 X 4 + X 2 + X 3( X 2 + X 1) 29 2И-НЕ, 2ИЛИ-НЕ 2И-НЕ, 2ИЛИ-НЕ 30 X1+ X 2 + X 3 + X 4

7

3

Цифровые устройства на триггерах

При анализе работы цифровых устройств, построенных на базе триггеров, необходимо использовать таблицы переходов, описывающих реакцию триггеров на внешние события с учетом не только управляющих сигналов в текущем такте, но и предысторию (состояние триггера в предыдущем такте). Наглядным способом описать поведение таких цифровых устройств является построение временных диаграмм. При этом необходимо учитывать задержку переключения триггеров. Пример. Нарисовать временные диаграммы работы устройства, схема которого приведена на рис. 2. На вход поступает периодическая последовательность импульсов.

Рисунок 2. - Делитель частоты на 3 Пусть оба триггера в начальный момент сброшены в ноль, тогда на их прямых выходах низкий логический уровень, а на инверсных - высокий. При поступлении первого спада первый триггер находится в счетном режиме и переключается, второй триггер - в режиме сброса, и его состояние не изменяется. Следующий спад переключает оба триггера, так как они находятся в счетном режиме. К моменту прихода третьего спада первый триггер сброшен, следовательно, на входе J второго триггера низкий уровень, и он сбрасывается, возвращая схему в исходное состояние. Таким образом, на выходе схемы формируется сигнал с частотой, втрое меньшей, чем на входе. Отметим, что схема, приведенная на рис. 3, обеспечивает деление входной частоты с коэффициентом К=2N+1.

Рисунок 3 - Делитель частоты с коэффициентом К=2N+1 Задача. Изобразить принципиальную схему делителя частоты на базе JK триггеров и привести диаграммы напряжения на выходах всех триггеров. Таблица 4. № вар. Коэффициент деления 1 33 2 19 3 21 4 15

8

5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

23 27 29 31 17 13 35 37 30 41 39 43 45 54 56 63 47 65 66 72 81 41 37 62 58 70 4

Стабилизаторы напряжения

Электронные стабилизаторы постоянного напряжения делятся на два основных типа: непрерывного регулирования и импульсного. Стабилизаторы непрерывного типа имеют в своем составе элемент, регулирующий напряжение в непрерывном режиме (транзистор в активном режиме). Можно разделить все стабилизаторы также по способу подключения регулирующего элемента относительно нагрузки на последовательные и параллельные. Наиболее простым стабилизатором параллельного типа является параметрический стабилизатор на основе стабилитрона - диода, ВАХ которого на отрицательном участке имеет значительную крутизну. Параметрический стабилизатор используется в качестве источника эталонного напряжения и источника питания для небольших нагрузок. Для расчета параметрического стабилизатора напряжения необходимо U СТ знать следующие параметры стабилитрона: U СТ - номинальное напряжение стабилизации; I MAX - максимальный допустимый ток стабилитрона; I MIN - минимальный ток в режиме стабилизации; PMAX - максимальная мощность, рассеиваемая стабилитроном.

9

Для оценки качества стабилизатора (коэффициент стабилизации, выходное сопротивление, температурные свойства) необходимо знать также: rCT - дифференциальное сопротивление стабилитрона; ТКУ - температурный коэффициент напряжения стабилизации. Пример. Определить величину балластного сопротивления, необходимого для построения параметрического стабилизатора напряжения и определить коэффициент стабилизации, если нагрузка имеет постоянное сопротивление 500 Ом. Напряжение стабилизации 10В, входное напряжение - 15В, I MIN - 5мА, I MAX - 50 мА, PMAX - 200 мВт, rCT - 1 Ом. Решение: Выберем рабочий ток стабилитрона равным 10мА, что обеспечивает достаточную крутизну ВАХ, при этом на стабилитроне рассеивается мощность P = I ⋅ U =100мВт, что не превышает PMAX . Ток через нагрузку равен U CT = 20мА. Суммарный ток, таким образом, равен 30мА, тогда баллаRH U − U CT стное сопротивление равно: R Б = ВХ =167 Ом. Из ряда номиналов выбиIΣ

- IH =

раем резистор сопротивлением 160 Ом. Мощность, рассеиваемая балластным сопротивлением PБ =150мВт. Коэффициент стабилизации равен: K =

U CT rCT + R Б ⋅ =106. U ВХ rCT

Необходимо отметить, что параметрический стабилизатор нечувствителен к короткому замыканию на выходе, самым тяжелым режимом для стабилитрона является как раз режим холостого хода. Для снижения выходного сопротивления и повышения КПД применяют схему с последовательным включением нагрузки (рис. 4). Расчет этой схемы аналогичен рассмотренному примеру с учетом того, что нагрузкой параметрического стабилизатора является эмиттерный повторитель. Выходное сопротивление такого стабилизатора определяется по формуле для выходного сопротивления схемы с общим коллектором.

Рисунок 4. - Параметрический стабилизатор напряжения с эмиттерным повторителем Задача. Рассчитать схему стабилизатора напряжения, определить мощность, рассеиваемую на транзисторе, коэффициент стабилизации, выходное сопротивление, коэффициент стабилизации устройства. Схема приведена на

10

рис. 5. Транзистор и стабилитрон выбрать самостоятельно, параметры определить по справочнику, остальные данные приведены в табл. 5. Таблица 5 № варианта RН (min…..max), Ом UВЫХ, В UВХ, В 1 100…500 10 15 2 10…20 5 8 3 10…1000 10 20 4 500…2000 30 33 5 1…10 5 10 6 10…15 36 42 7 10…15 5 8 8 100…500 12 18 9 10…50 80 100 10 10…100 36 45 11 20…50 3 8 12 0.5…5 5 9 13 0.5…10 5 12 14 1…10 12 18 15 20…75 15 20 16 10…50 24 30 17 100…120 100 120 18 1…5 3.6 6 19 1…10 5 20 20 5…10 10 16 21 1…5 5 9 22 50…100 24 36 23 0.1…0.5 10 15 24 2…100 10 15 25 5…15 5 10 26 1000…2000 100 150 27 100…500 50 75 28 1…30 12 24 29 8…50 40 50 30 2…5 15 20

11