Laboratorium Analogowych Układów Elektronicznych

Grzegorz Pitera
Piotr Mądro
L01

SPRAWOZDANIE

1.

Obserwacja

charakterystyki

przej

zbudowanego na układzie UCY132 (4 bramki Schmitta)

W tym punkcie naszym zadaniem było zbadanie
bistabilnego opartego na szeregowym poł
odwracającego. Poniżej przedstawiono schemat przerzutnika.

Pierwsza z bramek pełni rolę bramki NAND z histerez
natomiast druga jest już klasycznym inwerterem gdy
wartości nie mieszczące się z zakresie histerezy wi
inwertera.

W związku z powyższym możemy rozpatrzy
się na pozostałą częścią układu
bramki Schmitta złożony z dwóch diod (lub tranzystora wieloemiterowego) b
odpowiednikiem bramki AND, przerzutnika Schmitta tworzonego przez dwa tranzystory oraz
wzmacniacza symetrycznego (symetryzato
Niestety na schemacie nie podano
wartości rezystorów wiec obliczenie
na jego podstawie wartości napi
niemożliwe. Można jedynie oszacowa
w

przybliżeniu

napięcia

wyj

lecz

napięcia

przełączania

musimy

odczytać z katalogu.

U1A

74132N

GND

GND

2

U

we

Laboratorium Analogowych Układów Elektronicznych

Rzeszów,

SPRAWOZDANIE

PRZERZUTNIKI

Obserwacja

charakterystyki

przejściowej

przerzutnika

bistabilnego

zbudowanego na układzie UCY132 (4 bramki Schmitta).

W tym punkcie naszym zadaniem było zbadanie charakterystyki przejściowej przerzutnika
bistabilnego opartego na szeregowym połączeniu dwóch bramek Schmitta typu

ej przedstawiono schemat przerzutnika.

ę

bramki NAND z histerezą czyli odwracająca bramka Schmitta

klasycznym inwerterem gdyż na jej wejście zostają

z zakresie histerezy więc jej działanie sprowadza się

ż

emy rozpatrzyć układ przerzutnika Schmitta bez zastanawiania

układu. Na poniższych schemacie widzimy podstawowy układ

ony z dwóch diod (lub tranzystora wieloemiterowego) b

odpowiednikiem bramki AND, przerzutnika Schmitta tworzonego przez dwa tranzystory oraz
wzmacniacza symetrycznego (symetryzatora) z dołączonym układem przeciwsobnym.
Niestety na schemacie nie podano

ci rezystorów wiec obliczenie

ci napięć jest

na jedynie oszacować

cia

wyjściowe

czania

musimy

U1A

74132N

U1B

74132N

R8

1kΩ

3

1

GND

GND

4

U

wy

Rzeszów, 30.11.2009

ciowej

przerzutnika

bistabilnego

ciowej przerzutnika

czeniu dwóch bramek Schmitta typu

ca bramka Schmitta

cie zostają podawane

c jej działanie sprowadza się tylko do roli

układ przerzutnika Schmitta bez zastanawiania

szych schemacie widzimy podstawowy układ

ony z dwóch diod (lub tranzystora wieloemiterowego) będących

odpowiednikiem bramki AND, przerzutnika Schmitta tworzonego przez dwa tranzystory oraz

czonym układem przeciwsobnym.

Laboratorium Analogowych Układów Elektronicznych

U

sat

U

CC

U

T-

U

T+

A

B

C

D

Laboratorium Analogowych Układów Elektronicznych

Współrzędne „załamań” charakterystyki

zmierzone

obliczone

U

we

[V]

U

wy

[V]

U

we

[V]

A

1.8

0.1

1.7

B

1.8

4.8

1.7

C

0.8

4.8

0.9

D

0.8

0.1

0.9

∗

||

||

∗

∗

charakterystyki

obliczone

U

wy

[V]

0.2

4.8

4.8

0.2

Laboratorium Analogowych Układów Elektronicznych

2.

Badanie monostabilnego przerzutnika Eccles-Jordana.

W tej części ćwiczenia obserwowaliśmy przebiegi w zadanych punktach przerzutnika
monostabilnego Eccles-Jordana przy krańcowych położeniach potencjometru R1.

Poniżej przedstawiono schemat badanego przerzutnika z zaznaczonymi punktami
pomiarowymi.

Z przebiegów odczytujemy wartość czasu trwania impulsu T i czasu biernego t

b

,

które odpowiednio wynoszą:

dla

R1 w skrajnie lewym położeniu i częstotliwość generatora impulsów SN3511 w pozycji M:

(

≅ 10).

≅ 35"#

$

%

≅ 6"#

dla

R1 w skrajnie prawym położeniu częstotliwość generatora impulsów SN3511 w pozycji L:

(

≅ 1).

≅ 880"#

$

%

≅ 40"#

Dla ustawienia gałki rezystora R1 w pozycji skrajnie lewej generator SN3511 był ustawiony
na pozycje M odpowiadającej średniej częstotliwości generowanych impulsów (ok. 10 kHz),
natomiast w przypadku pozycji skrajnie prawej ustawiliśmy niską częstotliwość L (ok. 1kHz).

Wartości T i t

b

można obliczyć przy pomocy wzorów:

) ∗ ln ,

2

./0

1 ,

) 3

∗ 4

5

6

$

%

3

Laboratorium Analogowych Układów Elektronicznych

• Punkt pomiarowy A – kolektor tranzystora T1

R1 w skrajnie lewym położeniu

R1 w skrajnie prawym położeniu

Laboratorium Analogowych Układów Elektronicznych

kolektor tranzystora T1

Laboratorium Analogowych Układów Elektronicznych

• Punkt pomiarowy B – baza tranzystora T1

R1 w skrajnie lewym położeniu

R1 w skrajnie prawym położeniu

Laboratorium Analogowych Układów Elektronicznych

baza tranzystora T1

Laboratorium Analogowych Układów Elektronicznych

• Punkt pomiarowy C – baza tranzystora T2

R1 w skrajnie lewym położeniu

R1 w skrajnie prawym położeniu

Laboratorium Analogowych Układów Elektronicznych

baza tranzystora T2

Laboratorium Analogowych Układów Elektronicznych

• Punkt pomiarowy D – kolektor tranzystora T2

R1 w skrajnie lewym położeniu

R1 w skrajnie prawym położeniu

Laboratorium Analogowych Układów Elektronicznych

kolektor tranzystora T2

Laboratorium Analogowych Układów Elektronicznych

Przekroczenie wartości R

1

odpowiadającej najdłuższemu możliwemu czasowi trwania

impulsu T powoduje brak możliwości nasycenia się tranzystora T

1

.

7 ∗ 8

> 8

– układ stabilny

Zmieniając nierówność na przeciwną otrzymamy warunek niestabilności.

7 ∗ 8

< 8

– układ niestabilny

Obliczając dalej

7 ∗

<

./0

W przybliżeniu

7

<

1

1

<

1

7

Ostatecznie:

>

7

Przy znajomości współczynnika wzmocnienia prądowego możemy wykorzystać powyższe
równanie do obliczenia maksymalne wartości rezystancji R

2

.

Spadek napięcia na kolektorze tranzystora T

2

jest bardzo szybki ze względu na zatkania się

tranzystora T

1

co oznacza, że obie strony kondensatora C

2

zmieniają potencjał równocześnie

i ładunek w tym zgromadzony na okładkach jest nie zmienia się czyli nie następuje
rozładowywanie się kondensatora. Natomiast czas trwania zbocza opadającego jest związany
z rozładowywaniem się kondensatora a jak wiemy napięcie na nim nie może zmienić się
skokowo i trwa przez ściśle określony czas t

b

.

Podczas przerzutu napięcie na bazie tranzystora zmienia się gwałtownie o wartość równa

∆

∆

./0

a to oznacza, że im wyższe napięcie zasilające tym ten skok będzie

większy. Grozi to przebiciem złącza baza – emiter tranzystora na, którym następuje skok.

Laboratorium Analogowych Układów Elektronicznych

3.

Badanie przerzutnika monostabilnego z zewnętrzną pętlą sprzężenia zwrotnego.

Poniżej przedstawiono schemat projektowanego układu.

Założenia projektowe:

Czas trwania impulsu T Stosunek T/t

b

Amplituda na wyjściu U

wymax

C

20µs

5

4V

200pF

Ostateczne wzory projektowe:

5

∗ 9.3

3J

0.7L

2000 195.872kΩ

1

J

0.7L3

$

%

∗ 4.3

9.3

42000

5

6 ∗ 4.3

6000 9.148kΩ

N

J

1.4L ∗

O

41.4 156

11.890kΩ

Dobrane elementy:

R

14

R

15

R

17

C

9.7kΩ 199kΩ 11.7kΩ 200pF

Laboratorium Analogowych Układów Elektronicznych

Poniżej przedstawiono wykres zmian projektowanych warto
w tabelce warunkach projektowych w funkcji zmian zakładanej pojemno
pojemność nie może być dobrana dowolnie. W naszym przypadku mie
od ok. 80pF do ok. 450pF

• Punkt pomiarowy E

Laboratorium Analogowych Układów Elektronicznych

wykres zmian projektowanych wartości rezystancji przy okre

ce warunkach projektowych w funkcji zmian zakładanej pojemności. Widzimy tutaj ze

dobrana dowolnie. W naszym przypadku mieści się ona w granicach

ci rezystancji przy określonych

ci. Widzimy tutaj ze

ę

ona w granicach

Laboratorium Analogowych Układów Elektronicznych

• Punkt pomiarowy F

• Punkt pomiarowy G

Laboratorium Analogowych Układów Elektronicznych

Laboratorium Analogowych Układów Elektronicznych

• Punkt pomiarowy H

Jak widać na powyższych przebiegach, amplitudy nie odpowiadaj
spodziewamy po analizie układu. Jest to zwi
10 co oznacza, ze każdym 100mV na przebiegu odpowiada 1V w rzeczywisto

Odczytane parametry przebiegów:

≅ 24

$

%

≅ 8

P/Q

Jak widać zmierzona wartość maksymalnego napi
z wartością zadaną w projekcie. Czas trwania impulsu jest nieznacznie wi
od zakładanego natomiast czas trwania fazy biernej jest zdecydowanie za du
do zakładanego. Stosunek T/t

b

to rozbieżnością miedzy wartościami rezystancji obliczonymi a dobranymi rezystorami

Laboratorium Analogowych Układów Elektronicznych

szych przebiegach, amplitudy nie odpowiadają wartościom jakich si

spodziewamy po analizie układu. Jest to związane użytą sondą która dzieliła napi

dym 100mV na przebiegu odpowiada 1V w rzeczywistości.

Odczytane parametry przebiegów:

24"#

8"#

P/Q

R

≅ 4.7 0.7 4S

ść

maksymalnego napięcia wyjściowego jest w przybli

w projekcie. Czas trwania impulsu jest nieznacznie wi

od zakładanego natomiast czas trwania fazy biernej jest zdecydowanie za duży w porównaniu

b

wyniósł 3 zamiast zakładanych 5. Spowodowane jest

ś

ciami rezystancji obliczonymi a dobranymi rezystorami

ś

ciom jakich się

dzieliła napięcie przez

ś

ci.

ciowego jest w przybliżeniu równa

w projekcie. Czas trwania impulsu jest nieznacznie większy

ż

y w porównaniu

wyniósł 3 zamiast zakładanych 5. Spowodowane jest

ciami rezystancji obliczonymi a dobranymi rezystorami.

Laboratorium Analogowych Układów Elektronicznych

4.

Projektowanie i badanie generatora 555.

Mają do dyspozycji scalony timer LM555 możemy w prosty sposób zbudować generator
przebiegów prostokątnych. Schemat takiego układu przedstawiono poniżej.

Założenia projektowe:

Częstotliwość f Współczynnik wypełnienia D

R

3

C

3

15kHz

1/3

3.1kΩ 10nF

Ostateczne wzory projektowe:

,

1

T 21 ∗

3.1kΩ

3

1.44

4

2 ∗

6 ∗ 10.32UV

Dobrane elementy:

R

2

R

3

C

2

C

3

3.11kΩ 3.12kΩ 12nF 11nF

Jak widać dobrane elementy nie odbiegają wiele od zakładanych.

f

projekt

[kHz]

k

%

C2 [nF], C3 [nF],

R2 [

kΩ

], R3 [

kΩ

]

f

pomiar

[kHz]

∆f/f

%

k

pomiar

%

UCC = 5V UCC = 5.7V

15

33 12, 11, 3.11, 3.10

13,59

13,55

0,30 32.5

C

3

C

2

R

2

R

3

Laboratorium Analogowych Układów Elektronicznych

• U

CC

= 5V

• U

CC

= 5.7V

Laboratorium Analogowych Układów Elektronicznych

Laboratorium Analogowych Układów Elektronicznych

• Projektowanie i badanie multiwibratora opartego o układ 74132.

Poniżej przedstawiono schemat układu.

Jak widzimy za generowanie przebiegu prostokątnego odpowiedzialny jest układ RC.
Załóżmy, że kondensator jest rozładowany co odpowiada włączeniu układu. Ponieważ
bramka negowana, zeru na wejściach odpowiada stan wysoki na wyjściu pierwszej bramki.
Druga bramka działa jako zwykły negator. W tym momencie rozpoczyna się ładowanie
kondensatora. Po osiągnięciu napięcia U

H

na kondensatorze następuje zmiana stanu na

wyjściu bramki Schmitta, która to teraz powoduje rozładowywanie się kondensatora.
Po opadnięciu napięcia do wartości U

L

następuje kolejna zmiana poziomu na wyjściu bramki

i tym samym kończony jest cykl generacyjny.

• Cykl ładowania.

Z badania przerzutnika w punkcie 1 znamy rzeczywiste napięcia przełączające bramkę.

1.8S

0.8S

Wyznaczenie warunków początkowych. Na chwile przed przełączeniem (t<0) na
kondensatorze odkłada się napięcie równe U

T-

.

406

Wyznaczenie wartości ustalonych. Po komutacji na kondensatorze ustaliło by się napięcie
równe U

wy

bramki.

W

4$6

W

406

U1A

U1B

R1

C1

GND

GND

R2

3

GND

1

2

GND

Uwy

Laboratorium Analogowych Układów Elektronicznych

Zapiszmy teraz bilans napięć w oczku korzystając z napięciowego prawa Kirchhoffa.

X

Y

X

Z

[

∗ X

3

\X

\$ X

Otrzymaliśmy równanie różniczkowe niejednorodne. W celu wyznaczenia składowej
przejściowej musimy rozwiązać równanie różniczkowe jednorodne.

3

\X

]

\$ X

]

0

3

\X

]

\$ X

]

\X

]

\$

X

]

3

\X

]

X

]

\$

3

Całkujemy teraz obustronnie

^

1

X

]

\X

]

1

3 ^ \$

ln X

]

$

3

X

]

_

0

Y

_

0

Y

∗ _

X

]

`_

0

Y

Zapiszmy teraz równanie napięć na kondensatorze

X

4$6 X

W

4$6 X

]

4$6

X

4$6

`_

0

Y

Wyznaczmy teraz stałą A dla t = 0

X

406 X

W

406 X

]

406

`

`

Ostatecznie otrzymujemy równanie opisujące proces ładowania kondensatora

X

4$6

J

L_

0

Y

Laboratorium Analogowych Układów Elektronicznych

• Cykl rozładowywania.

Wyznaczenie warunków początkowych. Na chwile przed przełączeniem (t<0) na
kondensatorze odkłada się napięcie równe U

T+

.

406

Wyznaczenie wartości ustalonych. Po komutacji na kondensatorze ustaliło by się napięcie
równe 0.

W

4$6 0

W

406 0

Podobnie jak poprzednio otrzymamy równie różniczkowe:

3

\X

\$ X

Którego rozwiązaniem jest wyrażenie na składową przejściową:

X

]

`_

0

Y

Równanie napięć na kondensatorze ma postać

X

4$6 0 `_

0

Y

Wyznaczamy stałą A dla t = 0

` X

406

Ostatecznie otrzymujemy równanie opisujące proces rozładowania kondensatora

X

4$6

_

0

Y

Laboratorium Analogowych Układów Elektronicznych

• Wyprowadzenie równań projektowych

Otrzymaliśmy dwa równania, które będą na przemian opisywały ładowanie i rozładowywanie
kondensatora, który steruje bramką. Przekształćmy teraz nasze wzory tak aby otrzymać
zależności na czas ładowania.

Ładowanie (przez czas

$

):

X

4$6

J

L_

0

a

Y

J

L_

0

a

Y

_

0

a

Y

ln b

c

$

3

$

3 ln b

c

Rozładowanie (przez czas

$

):

X

4$6

_

0

d

Y

_

0

d

Y

_

0

d

Y

ln ,

1

$

3

$

3 ln ,

1

Na jeden okres sygnału wyjściowego składa się czas ładowania i rozładowania kondensatora.

$

$

1

$

$

1

3 ln ,

1 3 ln e

f

1

3 ,ln ,

1 ln e

f1

1

3 ,ln ,

1 ln e

f1

Laboratorium Analogowych Układów Elektronicznych

1

3 ln g

1

1

h

Dzięki powyższemu wzorowi możemy w prosty sposób obliczyć rezystancję potrzebną do
generowania sygnału o zadanej częstotliwości zakładając jedynie wartość pojemności.
Pozostałe parametry jak napięcie wyjściowe oraz napięcia przełączania możemy odczytać
z katalogu lub jak w naszym przypadku zmierzyć.

f

projekt

[kHz] R

proj

[kΩ] R

użyte

[kΩ] C [nF]

f

pomiar

[kHz]

∆

f/f [%] k [%]

U

CC

= 5V U

CC

= 5.7V

50

1.679

1.65

11

48.5

49.1

0.012

67.1

75

1.119

1.10

11

75.7

77.4

0.023

68.8

110

0.763

0.75

11

108.5

112.4

0.036

72.6

200

0.419

0.43

11

175.1

183.3

0.041

77.2

Z tabeli wynika, że zwiększenie napięcia zasilającego bramki powoduje wzrost częstotliwości
generowanego przebiegu co jest zgodne ze wzorem poniżej.

1

3 lng

1

1

h

Wzrost częstotliwości jest związany z obniżeniem rezystancji a co za tym idzie
przyśpieszeniem ładowania kondensatora. Szybszy przyrost napięcia na kondensatorze
powoduje wzrost częstotliwości przełączania bramek. Wraz ze wzrostem częstotliwości
rośnie również względna zmiana częstotliwości czyli przerzutnik jest bardziej podatny na
zmiany napięcia zasilającego. Natomiast odwrotnie proporcjonalny do częstotliwości jest
współczynnik wypełnienia przebiegu. Zmierzone wartości częstotliwości w dobrym
przybliżeniu zgadzają się z obliczonymi oprócz częstotliwości najwyższej, przy której to
obserwujemy już znaczny spadek wartości zmierzonej w stosunku do wartości projektowej.

Laboratorium Analogowych Układów Elektronicznych

Ze względu na brak czasu nie udało nam si
z tym w sprawozdaniu umieściliś
Multisim 10. Na oscylogramie przedstawiono zmian
pierwszej bramki w funkcji czasu.

Wyrysowane funkcje zostały przesuni
wskazywał on początek narastania lub opadania przebiegu.
istnieje pewna niestałość zmian napi
pierwszej bramki posiada naprzemiennie zmieniaj
wyjściowy przerzutnika zmienia si
pierwszej bramki.

5 - 4.2*exp(-(time-23.30u)/(1679*11n))

1.8*exp(-(time-28.02u)/(1679*11n))

Laboratorium Analogowych Układów Elektronicznych

du na brak czasu nie udało nam się już zdjąć przebiegów czasowych. W zwi

ś

ciliśmy oscylogram stworzony poprzez symulację w programie

. Na oscylogramie przedstawiono zmianę napięcia na kondensatorze oraz wyj

pierwszej bramki w funkcji czasu.

Wyrysowane funkcje zostały przesunięte o czas odczytany przy pomocy kursora, tak aby

tek narastania lub opadania przebiegu. Na widocznym oscylogramie

zmian napięcia na kondensatorze przez co sygnał wyj

pierwszej bramki posiada naprzemiennie zmieniający się współczynnik wypełnienia. Sygnał

ciowy przerzutnika zmienia się w taki sam sposób gdyż jest on zanegowanym stanem

u)/(1679*11n))

28.02u)/(1679*11n))

Napięcie wyjściowe pierwszej bramki

Napięcie na kondensatorze

przebiegów czasowych. W związku

my oscylogram stworzony poprzez symulację w programie

cia na kondensatorze oraz wyjściu

przy pomocy kursora, tak aby

Na widocznym oscylogramie

cia na kondensatorze przez co sygnał wyjściowy

czynnik wypełnienia. Sygnał

jest on zanegowanym stanem

ciowe pierwszej bramki

cie na kondensatorze