Контрольная работа по "Электротехнике и электронике"

ВОЕННАЯ  АКАДЕМИЯ  

ВОЙСКОВОЙ ПРОТИВОВОЗДУШНОЙ ОБОРОНЫ 

ВООРУЖЕННЫХ СИЛ  РОССИЙСКОЙ  ФЕДЕРАЦИИ

им. МАРШАЛА СОВЕТСКОГО СОЮЗА  А.М. ВАСИЛЕВСКОГО

 

 

 

Факультет «Радиотехники и информационных технологий»        

Рег. №

 

 

 

 

 

        КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА № 2

по дисциплине

       Электротехника и Электроника

вариант 25

 

 

 

 

 

 

 

 

студента  группы 3.зп

               Солоненко И.В.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Смоленск 2009

ЗАДАНИЕ № 1

 

Расчет параметрического стабилизатора постоянного 

напряжения

 

Рассчитать  схему параметрического стабилизатора  на кремневом стабилитроне для постоянной величины нагрузки (рис. 1) при заданных параметрах:

выходное  напряжение U_{вых ,} В;

выходной  ток  I_вых , мА;

входное напряжение U_{вх ,} В;

нестабильность  входного напряжения DU_вх , %.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1

 

Исходные данные:

выходное  напряжение U_вых =U_н = U_cт = 180 В;

выходной  ток  I_вых = I_н  = Iст = 15 мА;

входное напряжение U_вх  = 380 В;

нестабильность  входного напряжения DU_вх = ±10%.

Решение

1. По напряжению  стабилизации в справочной литературе выбираем стабилитрон  КС680А  с параметрами:

U_ст = 180 В;

 I_{ст мин} = 2,5 мА, 

 I_{ст макс} = 28 мА

Среднее значение тока стабилизации I_ст0 = (I_{ст макс} + I_{ст мин})/2= 15,25 мА, 

r_ст = 330 Ом.

         *Если в стабилизаторе используют несколько маломощных стабилитронов (VD₂ и VD_{3 ,}  ), то в этом случае:

                                                

где n –  число стабилитронов.                     

2. Определяем  сопротивление нагрузки

 

R_н = U_ст / I_ст = 180 / 15×10^-3 = 12000 Ом.

 

3. Рассчитываем  R_ог для рабочей точки "о"  что обеспечит устойчивую работу стабилизатора при отклонении входного напряжения как в положительную, так и в отрицательную сторону:

 

    R_ог = (U_вх  – U_ст) / (I_н  + I_ст0) = (380 – 180) / (15 + 15,25) ×10^-3  = 6612 Ом.

 

По таблице номинальных сопротивлений определяем номинал

R_г = 6800 Ом (в расчетах используется выбранное значение).

 

4. Определяем  допустимые отклонения входного  напряжения:

 

        U_{вх макс} = U_ст + R_ог (I_н  + I_{ст mах}) = 180 + 6800(15 +28) ×10^-3  =  472,4 В;

 

      U_{вх мин} = U_ст + R_ог (I_н  + I_{ст min}) = 180 + 6800(15 + 2,5) ×10^-3= 299 В.

 

           Из  полученных  результатов  следует, что рассчитанный  стабилизатор устойчиво   работает    при    заданных   отклонениях      входного    напряжения U_вх = 380 В ± 10%.

5. Определяем  коэффициент стабилизации,  используя  выражение:

 

К_ст  » (U_ст / U_вх) (R_ог / r_ст) = (180 / 380) (6800/ 330) = 9,76.

 

6. Находим  нестабильность выходного напряжения

 

DU_вых = DU_вх  / К_ст = ±10% / 9,76 »  ± 1,02 %.

 

7. Определяем  КПД стабилизатора

 

                         

 

ЗАДАНИЕ № 2

 

Графо-аналитическим  способом определить режим работы полевого транзистора VT и коэффициент усиления по напряжению Кu  схемы, представленной на рис. 2, если на вход действует гармонический сигнал.

Нарисовать  графики напряжений в режиме покоя  и при гармоническом входном сигнале: 1) на входе схемы; 2) на затворе транзистора; 3) на стоке транзистора; 4) на выходе схемы. Графики выполнить в масштабе по амплитуде и времени [1, 2].

 

 

Рисунок 2. Усилитель на полевом транзисторе и ВАХ транзистора.

 

1.      Исходные данные: Е_п=12В  В; R1=0,7 МОм; R_н=1500 Ом; Е_см= -3В

2.    Определить графо-аналитическим способом напряжение на стоке U_си и ток стока I_с полевого транзистора (рис. 2), при заданном Е_см, В. Сделать вывод о режиме работы транзистора.

3.     Определить максимальное и минимальное напряжения на стоке, если на вход действует гармонический сигнал с указанной амплитудой U_вх и частотой  f_c. Определить коэффициент усиления по напряжению К_u каскада.

Решение

Для решения этой задачи построим  нагрузочную прямую по двум точкам, т.е. определяем статический режим

1) при  Iс=0 определяем значение Uси=Еп=12В – первая точка графика;

2) при Uси=0 определяем значение Iс=Еп/Rн=12/1500=8мА – вторая точка графика. 

Т=1/ f_c =1/5*10³=0,2мс

 

По точке пересечения (рабочей точке) нагрузочной прямой с ВАХ транзистора, соответствующей напряжению на затворе Uз=Есм= -3В определяем, что полевой транзистор находится в линейном режиме.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Затем определяем максимальное и минимальное напряжения на стоке, исходя из амплитуды действующего на вход гармонического сигнала. По этим значениям на графике определяется амплитуда переменной составляющей напряжения сток-исток ΔUси.

По полученным значениям определяется коэффициент усиления по напряжению Кu для данной схемы усилителя.

К_u=U_вых/U_вх=ΔU_си/ΔU_зи=(11-4,5)/(|-3,5|-|-2,5|)=6,5

 

ЗАДАНИЕ № 3

 

Цифровые и аналоговые устройства

Триггеры. Назначение и классификация триггеров, условное 
схематическое обозначение, принцип построения.  
RS-триггер на транзисторах: схема, временные диаграммы, принцип работы, таблица истинности.

                                              

  ТРИГГЕРЫ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И  КЛАССИФИКАЦИЯ

Триггер (бистабильный мультивибратор — это цифровой автомат, имеющий несколько входов и 2 выхода.      Триггер — один из базовых (основных) элементов цифровой техники Некоторые исследователи включают триггер в 100 великих изобретений.            Триггер не является логическим элементом первого уровня, а сам состоит из логических элементов первого уровня - инверторов или логических вентилей. По отношению к логическим элементам первого уровня триггер является логическим устройством второго уровня.  Триггер — элементарная ячейка оперативной памяти.   Триггер - простейшее устройство, выполняющее логическую функцию с обратной связью, т.е. простейшее устройство кибернетики.  Триггеры - элементарные автоматы, содержащие элемент памяти и схемы управления им. При подаче на управляющие входы триггера соответствующих сигналов он устанавливается, как правило, в одно из двух устойчивых состояний, которое сохраняется в течении заданного времени после окончания действия входных сигналов.

Состояние триггера определяется значением  выходного сигнала Q на прямом выходе. Обычно триггер имеет и инверсный выход с сигналом . Стандартные серии ИС содержат большое количество различных триггеров, отличающихся друг от друга способом записи информации, принципом функционирования и т.д. Поэтому технически грамотное применение готовых триггеров зависит от понимания принципов их функционирования и ограничений по входным и управляющим сигналам. Помощь же в этом может оказать их классификация, приведенная ниже.            Триггерные схемы классифицируют по следующим признакам:

• числу целочисленных устойчивых состояний (основанию системы счисления) (обычно устойчивых состояний два, реже — больше;
• числу уровней — два уровня (высокий, низкий) в двухуровневых элементах, три уровня (положительный, ноль, отрицательный) в трёхуровневых элементах, …, N-уровней в N-уровневых элементах, … ;
• принципу построения;
• функциональным возможностям;
• способу приёма логических сигналов.      

По способу  работы с сигналами различают  асинхронные, синхронные и смешанные  триггерные схемы, статические и  динамические.  Асинхронный триггер изменяет своё состояние непосредственно в момент появления соответствующего информационного сигнала.   Синхронные триггеры реагируют на информационные сигналы только при наличии соответствующего сигнала на так называемом входе синхронизации С (от англ. clock). Этот вход также обозначают терминами «строб», «такт». Синхронные триггеры в свою очередь подразделяют на триггеры со статическим (статические) и динамическим (динамические) управлением по входу синхронизации С.    Статические триггеры воспринимают информационные сигналы при подаче на вход С логической единицы (прямой вход) или логического нуля (инверсный вход).        Динамические триггеры воспринимают информационные сигналы при изменении (перепаде) сигнала на входе С от 0 к 1 (прямой динамический С-вход) или от 1 к 0 (инверсный динамический С-вход).   Статические триггеры в свою очередь подразделяют на одноступенчатые (однотактные) и двухступенчатые (двухтактные).   В одноступенчатом триггере имеется одна ступень запоминания информации, а в двухступенчатом — две такие ступени. Вначале информация записывается в первую ступень, а затем переписывается во вторую и появляется на выходе (обычно двухступенчатые триггеры применяются в схемах, где логические функции входов триггера зависят от его выходов, во избежание временных гонок). Двухступенчатый триггер обозначают ТТ.

По структурному построению — однотактные (триггеры защёлки), двухтактные и триггеры с динамическим управлением. По способу реакции на помехи — прозрачные и непрозрачные. Непрозрачные, в свою очередь, делятся на проницаемые и непроницаемые. По функциональному назначению — RS, D, JK, T, RR, SS, EE, DV.    При изготовлении триггеров применяются преимущественно полупроводниковые приборы (обычно полевые транзисторы), в прошлом — электромагнитные реле, электронные лампы. В настоящее время логические схемы, в том числе с использованием триггеров, создают в интегрированных средах разработки под различные программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС).    Используются, в основном, в вычислительной технике для организации компонентов вычислительных систем: регистров, счётчиков, процессоров, ОЗУ.           По функциональным возможностям триггеры разделяют на следующие классы:            - с раздельной установкой состояния 0 и 1 (RS-триггеры). Если триггер является синхронным — добавляется вход синхронизации C.;  - универсальные (JK-триггеры);        - с приёмом информации по одному входу D (D-триггеры, или триггеры задержки);           - со счётным входом Т (Т-триггеры).      Каждый тип триггера имеет собственную таблицу работы (таблицу истинности).

Рисунок 3.1 Классификация триггеров

Триггеры RS типа имеют два входа раздельной установки в нулевое и единичное состояние. Воздействие по входу S (set-установка) переводит триггер в единичное состояние, а воздействие по входу R (reset - сброс) - в нулевое. Одновременная подача сигналов S и R не допускается.

Триггер типа D (от слова delay - задержка) принимает информацию по одному входу. Его состояние повторяет входной сигнал, с задержкой, определяемой тактовым сигналом.

Триггер типа Т (от слова toggle - защелка) называется счетным триггером. Он изменяет свое состояние на противоположное каждый раз, когда на его вход приходит очередной сигнал.

Триггеры типов DV и TV отличаются от своих прототипов D и T дополнительным входом V. Если на этот вход подан высокий уровень напряжения, то триггеры функционируют как прототипы. Если же на входе V низкий уровень напряжения, то триггеры находятся в режиме хранения и не воспринимают изменения информации на входах.

Триггер типа JK - универсален, с раздельной установкой нулевого и единичного состояний. В отличии от RS триггера в нем не запрещена одновременная подача сигналов на оба входа. Причем одновременная подача логической единицы на оба входа переводит его в счетный режим, и триггер начинает функционировать аналогично триггеру типа Т относительно тактового входа. При раздельном использовании входов установка триггера в единичное состояние осуществляется по входу J, а в нулевое - по входу K.

В комбинированных  триггерах совмещаются несколько режимов. Например, комбинированным является триггер типа RST с входами установки единичного и нулевого состояний, а также счетным.

Примером триггера со сложной входной  логикой может служить JK триггер, у которого имеется несколько  входов J и K. Причем как по входам J, так и по входам K выполняется логическая операция И.

 

      RS - триггер  

  

 Важным  методом, используемым для описания  функционирования RS-триггера, является  метод таблиц состояний (таблиц  переходов). Таблица состояний (рис. 3.2.а) RS-триггера в сокращенной форме (эту таблицу называют также управляющей таблицей, таблицей функционирования) содержит два входных сигнала (сигналы R и S) и один выходной сигнал Q (функция). Хотя триггеры имеют два выхода - один прямой Q, а другой - инверсный , в описании триггера и в таблице состояний указывают лишь состояние прямого выхода Q.  

 Из таблицы  состояний триггера видно, что  при подаче на вход R уровня  лог. «1» триггер принимает  состояние логического «0», а  при подаче управляющего сигнала  «1» на вход S - состояние «1».  Следует отметить также, что  если до подачи управляющего  сигнала, например, на вход R, триггер  находился в состоянии логического  «0», его состояние не изменится и после подачи сигнала «1» на вход R. Если на обоих входах триггера имеются уровни логического «0» - это состояние соответствует режиму хранения и триггер сохраняет предыдущее состояние. В таблице это состояние обозначено условно Q⁰. При подаче на входы R и S одновременно уровня «1» триггер будет находиться в неопределенном (или неправильном) состоянии, поэтому такое сочетание сигналов R и S называется запрещенной комбинацией управляющих сигналов и в таблице состояний обозначается буквой a.  

 Сокращенная  таблица состояний триггера отражает  лишь динамику изменения состояния триггера и не учитывает свойство триггера запоминать единицу информации. Полная таблица состояний триггера должна учитывать влияние (на процесс управления) значения предыдущего состояния  триггера Q⁰.  Причем  Q⁰ представляется как входная переменная. Полная таблица состояний RS -триггера приведена на рис. 3.2, б.

Таблицу состояний  строят так же, как и таблицу  истинности.  

  Анализ таблицы показывает, что  только в ситуациях, описываемых  строками 4 и 5, происходит изменение  состояния триггера.

 Рис. 3.2. RS - триггер: а) - упрощенная таблица состояний; б) полная таблица переходов; в) Карта Карно; г) RS - триггер, управляемый сигналом низкого уровня (триггер); д) RS - триггер на элементах базиса ИЛИ-НЕ

 

 

 

   

  Рассмотрим строку 4. После того, как подается сигнал на вход R, триггер сбрасывается, т.е. переходит из состояния “1” в состояние “0”.

Рассмотрим  строку 5. Триггер устанавливается, т.е. переходит из состояния “0”  в состояние “1”, в результате подачи сигнала “1” на вход S. Для строк 1 и 2 сигналы S =0^1* и R=0, и, следовательно, никаких изменений в состоянии триггера не происходит. Для строки 3 сигнал R=1, и этот сигнал в нормальных условиях должен сбросить триггер, но так как триггер уже “сброшен” и Q = 0, то сигнал R = 1 не изменяет его состояние.  

 Аналогично  для строки 6 сигнал S = 1, и этот  сигнал в обычных условиях  будет устанавливать триггер  в “1”, но Q = 1, и, следовательно,  состояние триггера останется  без изменений до поступления  следующего сигнала R.  

 Особенность RS-триггера заключается в том, что при подаче одновременно на входы R и S сигнала, соответствующего логической 1, состояние триггера становится неопределенным: на обоих выходах Q и установится уровень “1”, а после снятия со входов управляющих сигналов, в силу случайных причин, триггер может установиться в состояние “0” либо “1”. Очевидно, что для нормальной работы триггера необходимо исключить указанное сочетание входных сигналов, приводящее к неопределенному состоянию, что можно осуществить, предусмотрев выполнения запрещающего условия R × S=0.  

 Из таблицы  состояний может быть получено  уравнение, описывающее поведение триггера. Это уравнение носит название характеристического уравнения триггера. Оно показывает, как меняется состояние триггера в зависимости от текущих значений состояния и входов.  

 Для получения  упрощенного аналитического выражения,  описывающего поведение RS-триггера, построим карту Карно и проведем соответствующие контуры (рис. 3.2, в). Полученное характеристическое уравнение триггера имеет вид

 

  Применив закон де Моргана преобразуем полученные выражение в базис И-НЕ:

 

       

 Из формулы  RS - триггера видно, что при  реализации его в базисе И-НЕ, триггер управляется сигналами низкого уровня, т.е. уровня лог. "0" (если не предусмотрены инверторы). Для приведения поведения триггера, выполненного на элементах И-HE, в соответствие с таблицей состояний сигналы S и R необходимо инвертировать.      Для построения RS -триггера на элементах ИЛИ-НЕ приведем формулу триггера в базис ИЛИ-НЕ  

 

 

  

 Схема  RS -триггера, выполненная на элементах  базиса ИЛИ-HЕ, приведена на рис. 3.2, д. Временные диаграммы, поясняющие работу RS-триггера, приведены на рис. 3.3, б.

Из временных  диаграмм (рис. 3.3, б) следует, что рассмотренные выше RS-триггеры опрокидываются, т.е. управляются сигналами R и S, в любой момент времени. В тех случаях, когда длительности управляющих сигналов не синхронизированы (не согласованы), триггер может находиться в неопределенном состоянии (интервалы времени t₄, t₅), и поэтому такие триггеры называют асинхронными.  

 

 

 

  Синхронный RS -триггер. Синхронные триггеры снабжаются дополнительным входом, по которому поступает синхронизирующий (тактирующий) сигнал. При этом изменение состояния триггера происходит (при наличии управляющего сигнала) только в те моменты времени, когда на специальный синхровход триггера поступает тактирующий импульс (рис 3.4, а). Синхронный RS-триггер строится в соответствии с рис. 3.4, б, а его условное изображение на принципиальных и функциональных схемах приведено на рис. 3.4, в. Синхронизирующий вход обозначается буквой С.

 

Входные сигналы S и R являются информационными, а на входе С - синхронизирующими, по ним происходит переключение триггера.

                

                 Рисунок  3.5 RS-триггер на полевых транзисторах

 

 

 

 

 

Рисунок 3.5 RS-триггер на биполярных транзисторах