1. Cel ćwiczenia
Zapoznanie się z budową i działaniem przerzutnika astabilnego (multiwibratora) wykonanego w technice dyskretnej oraz TTL a także zapoznanie się z działaniem przerzutnika T (zwanego dwójką liczącą) jako dzielnika częstotliwości.
2. Wykaz przyrządów
• zestaw laboratoryjny (generator przebiegu prostokątnego + zasilacz + częstościomierz),
• oscyloskop 2-kanałowy z pamięcią,
• komputer z drukarką,
3. Przedmiot badań
• płytki montażowe z układem dyskretnego przerzutnika astabilnego,
• uniwersalne płytki montażowe z układami scalonymi:
! UCY 7400 (cztery dwuwejściowe bramki NAND) – 1 szt.
! UCY 7474 (dwa przerzutniki typu D z wejściami do ustawiania i zerowania) – 1 szt.
! UCY 7476 (dwa przerzutniki typu JK z wejściami do ustawiania i zerowania) – 1 szt.
4. Wprowadzenie teoretyczne
Przerzutniki dyskretne działają na zasadzie dodatniego sprzężenia zwrotnego w układzie dwustopniowego wzmacniacza oporowego, pokazanego na rysunku 1.
Rys. 1. Schemat ideowy przerzutnika astabilnego zbudowanego z elementów dyskretnych
Oba elementy wzmacniające (tranzystory) pracują na przemian bądź w stanie nasycenia bądź w stanie zatkania, dlatego napięcia otrzymywane na obu wyjściach przerzutnika są odwrócone względem siebie o 1800. Istnienia dodatniego sprzężenia zwrotnego powoduje, że przeskoki punktów pracy tranzystorów są bardzo szybkie, zależą tylko od górnej częstotliwości granicznej tranzystorów i dlatego nazywane są przerzutami. Dzięki szybkim przerzutom zmiany napięć wyjściowych w czasie są prawie prostokątne. Przerzutniki
R4
R1
C1 C2
T1 T2
U2
U1
R3 R2
UCC=+5[V]
UB1 UB2
R4 R5 R2
C2 D
Rys. 2. Przebiegi napięć w przerzutniku astabilnym, przy założeniu, że: τ =2 2τ1
Okres drgań przerzutnika astabilnego zależy od elementów sprzężenia zwrotnego wg wzoru:
2
1 τ
τ +
= T gdzie: τ1 =0,7R4C2, τ2 =0,7R3C1, czyli
) (
7 ,
0 R4C2 R3C1
T = +
Jeżeli chcemy otrzymać drgania symetryczne (τ =1 τ2) to przerzutnik musi być symetryczny, a więc R1=R2, R3=R4, C1=C2.
Wadą omawianego przerzutnika jest powolne narastanie napięcia wyjściowego spowodowane ładowaniem kondensatów przez rezystancje kolektorowe R1 i R2. Można tę wadę usunąć przez włączenie diody D i rezystora R5 w obwód ładowania kondensatora C (uzupełnienie rysunku 1).
UCC
-UCC
R3C4
t UB2
UCC
U2 R2C2
t UCC
-UCC
UB1
0,7 V
R4C2
t
UCC
U1
0,2 V
T t
R1C1
mogą być zbudowane w prosty sposób przy użyciu bramek logicznych. Na rysunku 3 pokazano schemat ideowy generatora astabilnego z możliwością kluczowania, zbudowanego z dwóch bramek NAND.
Rys. 3. Schemat ideowy symetrycznego generatora astabilnego
Stan niski na wejściu kluczowania oznacza zablokowanie układu, natomiast stan wysoki oznacza pracę układu jako przerzutnika. Częstotliwość sygnału wyjściowego (dla układu symetrycznego) z wystarczającą dokładnością oblicza się ze wzoru:
] Hz RC [
5 ,
f = 0 , R[Ω], C[F]
Maksymalna częstotliwość generatora tego rodzaju zależy od częstotliwości granicznej zastosowanych układów scalonych i może sięgać kilku MHz. Dla układu niesymetrycznego (R1 ≠R2,C1 ≠C2) właściwy jest wzór:
] Hz C [ R C R
4 , f 1
2 2 1
1 +
= , R1,R2[Ω], C1,C2[F]
W praktycznych układach należy przyjmować wartości R1 i R2 z przedziału 1÷10kΩ. Wartości pojemności kondensatorów dobiera się w zależności od żądanej częstotliwości oscylacji, należy przy tym unikać kondensatorów elektrolitycznych. Podobnie, nie są zalecane kondensatory o pojemności mniejszej niż 150pF.
Osobną grupę generatorów fali prostokątnej stanowią układy budowane z wykorzystaniem bramek linearyzowanych za pomocą rezystorowego sprzężenia zwrotnego (rysunek 4).
C f
0,01µF 910pF
1µF
100kHz 1MHz
1kHz R2=2k2
R1=2k2
C1=10nF
C2=10nF
B1 B2
U2
U1
kluczowanie
C
220 220
560
U1
B1 B2
a b
560 P
220 1,5k
a b
D
Q Q C
Bramka NAND ze sprzężeniem rezystorowym jest wzmacniaczem liniowym. Jeżeli dwie bramki ze sprzężeniem rezystorowym zostaną połączone szeregowo, wówczas stanowią układ wzmacniacza liniowego o przesunięciu fazowym 3600. Aby taki wzmacniacz przekształcić w układ astabilny, należy zamknąć go w pętlę poprzez kondensator C.
Maksymalna częstotliwość generowanych impulsów wynosi 10MHz. Zmianę częstotliwości drgań można uzyskać przez skokową zmianę pojemności C lub płynną zmianę rezystancji w pętlach sprzężenia zwrotnego, za pomocą potencjometru P.
Podstawowym elementem układów sekwencyjnych jest funktor, zwany przerzutnikiem, którego zadaniem jest zapamiętanie jednego bitu informacji. Przerzutnik jest układem o co najmniej dwu wejściach i z reguły dwu wyjściach. Zasadniczymi typami przerzutników synchronicznych są przerzutniki D, JK i T.
Przerzutnik typu D ma wejście informacyjne D i wejście zegarowe C. Wyzwalanie tego przerzutnika odbywa się zboczem narastającym, tzn. w chwili gdy napięcie na wejściu zegarowym zmienia się z poziomu logicznego „0” na „1”, następuje przepisanie informacji z wejścia D na wyjście Q. Przerzutnik pozostaje w tym nowym stanie do czasu pojawienia się kolejnego zbocza narastającego na wejściu zegarowym.
Symbol graficzny i tabela stanów logicznych dla przerzutnika D pokazane są na rysunku 5.
Rys. 5. Przerzutnik typu D
Przerzutnik typu JK ma dwa wejścia informacyjne J i K oraz wejście zegarowe C.
Wyzwalanie tego przerzutnika odbywa się zboczem opadającym, tzn. w chwili gdy napięcie na wejściu zegarowym C zmienia się z poziomu logicznego „1” na „0”, następuje przepisanie informacji na wyjście Q. Przerzutnik pozostaje w tym stanie do czasu pojawienia się kolejnego zbocza opadającego na wejściu zegarowym.
Symbol graficzny i tabela stanów logicznych dla przerzutnika JK pokazane są na rysunku 6.
C J K Q Q
0 0 Qn-1 Qn−1
0 1 0 1
1 0 1 0
1 1 Qn−1 Qn-1
Rys. 6. Przerzutnik typu JK
Przerzutniki D i JK mogą spełniać funkcję przerzutnika T, tzw. dwójki liczącej. Dwójka licząca jest układem pełniącym funkcję dzielnika częstotliwości przez 2 (lub inaczej licznika modulo 2). Przykłady realizacji przerzutnika T pokazano na rysunkach 7 i 8.
C D Q Q
0 0 1
1 1 0
J
Q Q C K
Rys. 7. Realizacja przerzutnika T na podstawie przerzutnika JK
Rys. 8. Realizacja przerzutnika T na podstawie przerzutnika D
Na podstawie przebiegów ilustrujących pracę przerzutnika T można stwierdzić, że zmiana stanu przerzutnika na wyjściu Q występuje zawsze podczas narastającego zbocza sygnału zegarowego C (dla realizacji z wykorzystaniem przerzutnika D) oraz podczas opadającego zbocza sygnału zegarowego (dla realizacji z wykorzystaniem przerzutnika JK).
Stąd wynika, że do uzyskania całego okresu przebiegu wyjściowego do wejścia C muszą być doprowadzone kolejne dwa impulsy.
Wy
D
Q Q We C
C D Q
C J Q
Wy
We
J
Q Q C K
"1"
Wy
We
J
Q Q C K
5. Przebieg ćwiczenia
5.1. Badanie dyskretnego przerzutnika astabilnego (multiwibratora)
a) wykorzystując płytkę montażową skonfigurować układ dla wybranych wartości rezystorów i kondensatorów, wg schematu pokazanego na rysunku 1,
b) po sprawdzeniu poprawności połączeń zasilić układ napięciem UCC = +5V,
c) przy pomocy oscyloskopu zaobserwować i zapamiętać przebiegi napięć na obu wyjściach przerzutnika,
d) dokonując kolejno zmian wartości: rezystora R1, potem rezystora R3, a następnie kondensatora C1, zaobserwować (dla każdej zmiany osobno) ich wpływ na kształt i okres generowanych przebiegów wyjściowych,
e) zarejestrować otrzymane z oscyloskopu przebiegi, wykorzystując do tego celu komputer z przygotowanym oprogramowaniem,
f) wyznaczyć okres generowanych drgań wg wzoru:
(
4 2 3 1)
7 ,
0 R C R C
T = +
a następnie porównać otrzymany wynik z okresem zmierzonym przy pomocy oscyloskopu.
5.2. Badanie dyskretnego przerzutnika astabilnego zbudowanego z bramek NAND
a) wykorzystując płytki montażowe z układem UCY7400 oraz rezystory i kondensatory zbudować przerzutnik astabilny wg schematu pokazanego na rysunku 3,
b) dobrać wartości elementów RC w celu uzyskania założonej częstotliwości przebiegu wyjściowego,
c) po sprawdzeniu poprawności połączeń zasilić układ napięciem UCC = +5V, d) przy pomocy oscyloskopu zaobserwować przebiegi na wyjściach przerzutnika, e) powtórzyć punkty b), c), d) dla układu z rysunku 4.
5.3. Badanie przerzutnika T zbudowanego w oparciu o przerzutniki D i JK
a) wykorzystując płytki montażowe z układami UCY7472 i UCY7474 sprawdzić działanie obu przerzutników (D i JK), podając na ich wejścia odpowiednie sygnały i rejestrując sygnały na wyjściu (sporządzić tabelę stanów logicznych),
b) z pomocą wspomnianych płytek zbudować przerzutnik typu T, na podstawie przerzutnika JK, wg schematów pokazanych na rysunku 7,
c) w układzie pokazanym na rysunku 9, przy pomocy oscyloskopu z pamięcią, zaobserwować przebiegi sygnałów na wejściu zegarowym (C), wejściach informacyjnych (J, K) oraz wyjściu (Q), a następnie zarejestrować je wykorzystując do tego komputer z przygotowanym oprogramowaniem,
Rys. 9. Oscyloskopowa analiza przebiegów sygnałów występujących w przerzutniku T (zbudowanym na podstawie przerzutnika JK)
d) przy pomocy częstościomierza dokonać pomiaru częstotliwości sygnałów na wejściu zegarowym (C) i wyjściu (Q),
e) powtórzyć punkty c) i d) dla przerzutnika T zbudowanego na podstawie przerzutnika D wg schematu pokazanego na rysunku 8. Dokonać obserwacji przebiegów sygnałów na wejściu zegarowym (C), wejściu informacyjnym (D) oraz wyjściu (Q).
6. Sprawozdanie z przebiegu ćwiczenia
Na podstawie przeprowadzonych pomiarów należy przygotować sprawozdanie, które powinno zawierać: schematy układów zrealizowanych na zajęciach, przebiegi sygnałów wyjściowych i obliczenia okresu generowanych drgań dla przerzutnika astabilnego (dyskretnego i scalonego), analizę pracy przerzutnika T oraz wnioski końcowe.
J
Q Q C K GENERATOR
PRZEBIEGU TTL
OSCYLOSKOP 2-KANAŁOWY
Z PAMIĘCIĄ
