МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Целью настоящего занятия является исследование статических характеристик логических элементов. Работа проводится на основе программной оболочки, моделирующей различные процесы в электрических цепях, с использованием библиотеки элементной базы необходимых логических элементов.

В ходе работы студенты собирают необходимые электрические схемы, снимают нужные характеристики, сводя экспериментальные данные в таблицы, строят графики исследуемых зависимостей. На основе проведенных исследований составляется отчёт.

Проведем исследование передаточной характеристики:

1. Запустите программу моделирования электронных схем Microcap.

2. Соберите схему по рис. 3 для получения передаточной характеристики логического элемента.

В качестве исследуемой схемы возьмите трёхвходовой элемент ИЛИ-НЕ из меню Component, включаемый по схеме рис. 2,а.

Разместите выбранный элемент на рабочей области

Параметр Timing model установить в DLY_TTL и для завершения операции нажать кнопку ОК.

Входной сигнал на схему подавать от регулируемого источника постоянного напряжения через 1 вольт в диапазоне от 0 до 5 В. При создании элемента указывается значение напряжения питания. Изменить этот параметр можно щелкнув по элементу в режиме Selected Mode (Cntr+E).

Для соединения элементов по схеме рис.2 необходимо добавить элемент ground . И установить соединения в режиме Wire Mode (Cntrl+W) как показано на рисунке.

Для корректной работы блока анализа пакета Microcap следует закрыть выход логического элемента высокоомным резистором. Для этого щелкните мышкой по иконке , укажите значение сопротивления 10 КОм

Установите соединения в режиме Wire Mode (Cntrl+W) как показано на рисунке.

Включите режим Node Numbers нажав на иконку . На схеме высветятся номера узлов.

Для построения искомой характеристики необходимо зафиксировать напряжение на входе и выходе логического элемента. Для этого достаточно измерять напряжение в точках 1 и 2. Воспользуемся блоком анализа (функция Transient)

В открывшемся окне нужно настроить параметры вывода:

В поле «Р» таблицы графиков в нижней части окна нужно ввести значение «1» в верхнюю строчку и значение «2» во вторую. В полях «Y Expression» следует оказать номера точек измерения. А первом поле ввести v(1) (v-означает значение в Вольтах, «1» - номер точки), а во втором v(2). Смотри рисунок.

Нажмите кнопку RUN и увидите графики со значением напряжения.

Для определения точного значения удобно включить функцию peak и считать значения с графика

Из рисунка Видно что напряжение на входе 5 вольт.

А на выходе 0,2 вольт.

Для следующего измерения закроем окноTransient Analysis и изменим напряжение источника на 4 в.

Для получения новой пары значений снова воспользуемся блоком анализа (функция Transient). Произведя аналогичные действия получим новые значения

Из рисунка видно, что значение напряжения на входе 4 В, а на выходе 0,2 В.

Аналогично производим замеры при напряжении источника 3, 2, 1 и 0В. Данные заносим в таблицу.

В местах резкого изменения хода характеристики шаг задаваемого входного напряжения следует уменьшать до 0.1 В. Из таблицы видно что диапазон от 1 до 2 В нужно исследовать с шагом 0,1В. Найдем передаточную характеристику при напряжении на источнике в 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 В. Экспериментальные данные сведите в таблицу, на основании которой постройте график передаточной характеристики.

Таблица 1 – экспериментальные данные (заполнена не полностью)

Рисунок 1 – Передаточная характеристика логического элемента, построенная по экспериментальным данным таблицы 1

3. В схеме по рис. 3 в качестве исследуемой схемы возьмите трёхвходовой элемент И-НЕ из той же библиотеки и той же модели, включаемый по рис. 2,б. Повторите для него действия п. 2.

В качестве логического элемента выбираем

4. В схеме по рис.. 3 в качестве исследуемой схемы включите два последовательно соединённые трёхвходовые элементы И-НЕ по рис. 5, поставьте дополнительную точку для измерения выходного напряжения с первого ЛЭ и снимите переходные характеристики элементов.

Схема в среде microcup в этом случаее будет выглядеть следующим образом

Для получения значения напряжения в точке 3 в окне анализатора добавим (ADD) еще одноу строку данных и заполним ее как показано на рисунке

Теперь получим три графика для считывания значений. По верхнему будем определять напряжение на входе, по среднему на выходе второго логического элемента (на схеме обозначен U1), а по третьему на выходе первого логического элемента (первый слева, обозначен U2).

Проведите эксперимент как в предыдущих пунктах. Данный занесите в таблицу.

Таблица 2 – экспериментальные данные (заполнена не полностью)

По полученным данным постройте в одной системе координат прямую и обращённую переходные характеристики этих элементов по аналогии с рис. 6. Отметьте характерные точки.

5. Соберите схему по рис. 7 для снятия входной характеристики трёхвходового элемента И-НЕ.

Входное напряжение изменять в диапазоне от 0 до 5 В с шагом 1 В. На участках резкого изменения характера вида кривой шаг уменьшать до 0.1 В.

Для определения входной характеристики необходимо знать силу тока на входе в логический элемент. В среде микрокап есть возможность отобразить силу тока на элементах. Для этого сначало следует включить функцию ProbeTransient (в открывшемся левом окно можно видеть характеристики выделенного элемента)

Включите Currents и на схеме отобразиться величина силы тока. Обратите внимание на стрелочки указывающие направление тока. Если направление изменится то ток отмечаем как отрицательный.

После изменения характеристик источник Probe нужно запустить заново. Обратите внимание что в режиме probe характеристики в схеме менять нельзя. Сначала нужно закрыть левое окошко.

Напряжение можно измерять тем же способом что в предыдущих заданиях.

Постройте таблицу данных график входной характеристики.

Таблица 3 – экспериментальные данные (заполнена не полностью)

Постройте график характеристики по аналогии с рис.8

6. Соберите схему по рис. 9,б для снятия выходной характеристики нуля и проведите эксперимент при условиях п. 5.

Напряжение следует снимать в точке 2, а силу тока на элементе R2. Напряжение источника устанавливаем постоянным – N Вольт – согласно варианту. Напряжение как и силу тока можно также измерять в режиме ProbeTransient щелкнув мышкой по точке 2 и считав с левого окна по графику V(1).

Таблица 4 – напряжение источника N (вариант выбираем по номеру компьютера)

Сопротивление элемента R2 следует менять таким образом, чтобы напряжение на выходе элемента менялось от 0 до N В.

Постройте график выходной характеристики нуля (рис 9,б). Определите экспериментальное значение коэффициента разветвления ЛЭ серии ТТЛ

7. Соберите схему по рис. 10,б для снятия выходной характеристики единицы и проведите эксперимент при условиях п. 5.

Выходное напряжение снимаем измеряя потенциал в точке 2. Силу тока меряем на элементе R1. Все измерение аналогично предыдущему пункту.

Постройте график выходной характеристики единицы (как на рис. 10).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Назовите статические характеристики логических элементов, что они характеризуют?

2. Какие способы подачи входного напряжения применяют для многовходовых логических элементов. Назовите преимущества и недостатки каждого из них.

3. Для чего используются прямые и обращённые передаточные характеристики, каков внешний вид типовых характеристик для инвертора серии ТТЛ?

4. Начертите схему для снятия входной характеристики логического элемента. Что она характеризует?

5. Каков вид типовых выходных характеристик нуля и единицы логических элементов серии ТТЛ?