1. Теоретическая часть

Лабораторно-практическая работа

«Исследование триггеров»

Цель работы:

- изучение теоретического материала о принципах работы триггеров;

- исследование работы триггеров.

Материальное оснащение:

- персональный компьютер (процессор 386 с ОЗУ не менее 1 Мб);

- монитор с разрешающей способностью не менее 640х480;

- видеокарта, работающая в режиме 640х480 с цветностью не менее 256 цветов;

- операционная система DOS 3. 3 и выше;

- манипулятор «мышь»;

- программа анализа электронных схем «Micro-Cap II».

Ход работы.

1. Теоретическая часть

Рассмотрим схему триггера (бистабильного мультивибратора) на двух транзисторах в соответствии с рисунком 1. Это два транзисторных переключателя, соединенных один с другим.

Рисунок 1 - Схема триггера (бистабильного мультивибратора)

Предположим, что при включении питания, транзистор VТ1 откроется первым. Когда он насыщен, напряжение на его коллекторе будет в пределах 0, 3 В относительно земли. Это означает, что через резистор R3 в базу транзистора VT2 ток течь не может, поскольку требуется около 0, 6 В, чтобы создать соответствующие условия для кремниевого р-n перехода. Поэтому транзистор VТ2 останется запертым. Отметим, что поскольку транзистор VT2 закрыт, напряжение на его коллекторе равно 6 В, так что ток, протекающий по резистору R4 в базу транзистора VT1 поддерживается на одном и том же уровне. Схема находится в устойчивом состоянии.

Теперь на мгновение замкнем базу транзистора VT1, на землю, сделав равным нулю его базовый ток. Ток коллектора этого транзистора упадет до нуля, а напряжение на коллекторе поднимется до 6 В. Транзистор VT1 заперт, а в базу транзистора VT2 через резистор R3 теперь течет ток, который отпирает его. Теперь транзистор VT2 находится в насыщении, напряжение на его коллекторе близко к нулю, и тем самым предотвращается протекание какого-либо тока в базе транзистора VT1 даже в том случае, когда короткое замыкание устранено. Схема снова находится в устойчивом состоянии, но на этот раз транзистор VT2 открыт. Триггер имеет два устойчивых состояния. Эта схема действует как электрическая память, помня, какой транзистор запирался последним. Эта схема является основным строительным блоком в цифровых схемах, находя применение в счетчиках и памяти. В цифровых схемах триггер называют также опрокидывающейся схемой (flip-flop).

Состояние триггера можно изменить сигналом от самовозбуждающегося мультивибратора или от другого триггера, используя цепь запуска в соответствии с рисунком 2. Эта цепь специально рассчитана на работу с низкочастотным сигналом от самовозбуждающегося мультивибратора.

Для более надежной работы емкости конденсаторов С1 и С₂ можно подобрать экспериментально. Импульсы большой длительности от мультивибратора или от другого триггера поступают на переключающий вход и дифференцируются цепями С1, R5 и С2, R6. Отрицательный перепад во входном импульсе порождает отрицательный запускающий импульс, который направляется к тому из транзисторов, который открыт, переводя его в запертое состояние путем кратковременного смещения перехода база-эмиттер в обратном направлении.

Рисунок 2 - Триггер со схемой запуска, пригодный для двоичного счета.

Поскольку триггер изменяет свое состояние только при отрицательном перепаде в последовательности запускающих импульсов, он переключается вдвое реже предшествующего каскада. Это становится ясно из временных диаграмм в соответствии с рисунком 3, на которых представлены выходные сигналы самовозбуждающегося мультивибратора и триггера.

Рисунок 3 - Временные диаграммы выходных сигналов

Рассмотрение входного и выходного сигналов показывает, что триггер действительно считает число полных периодов сигнала самовозбуждающегося мультивибратора. Если напряжению 6 В поставить в соответствие 1, а напряжению 0 В - 0, то состояния триггера на выходе имеют вид 00, 01. Один триггер может считать только до 1.

Триггер Шмитта является схемой с двумя устойчивыми состояниями, но ее состояние определяется уровнем напряжения на входе. Он применяется как схема определения уровня сигнала, а также как средство преобразования синусоидального сигнала в прямоугольный сигнал с малым временем нарастания и спада. В соответствии с рисунком 4 типичная схема триггера Шмитта, составленная из дискретных компонентов.

При нулевом напряжении на входе транзистор VT1 заперт и транзистор VT2 находится в насыщении; его ток базы течет по резисторам R1 и R2.

Рисунок 4 - Триггер Шмитта

Пренебрегая разностью потенциалов между коллектором и эмиттером транзистора VT2, можно считать, что напряжение питания 9 В распределено между резистором R3 в эмиттере и резистором R4 в коллекторе. На резисторе R3 упадет 1, 6 В, а на резисторе R4 упадет 7, 4 В (разности потенциалов пропорциональны сопротивлениям резисторов, составляя в сумме 9 В). Поэтому потенциал эмиттера транзистора VT1 равен 1, 6 В и напряжение коллектора транзистора VT2 находится примерно на том же уровне. Когда входное напряжение увеличивается до значения около 2B, через транзистор VT1 начинает протекать ток, вызывающий падение напряжения на коллекторной нагрузке R1, отбирая ток базы у транзистора VT2. По мере того, как падает эмиттерный ток транзистора VT2, уменьшается напряжение на общей эмиттерной нагрузке R3, открывая транзистор VT1 еще быстрее. Эта регенеративная положительная обратная связь продолжает действовать до тех пор, пока транзистор VT1 не попадет в насыщение, а транзистор VT2 не закроется, а выходное напряжение становится при этом равным +9 В.

Если входное напряжение теперь уменьшается, то коллекторный ток транзистора VT1 постепенно падает. В это время однако начинает действовать дополнительный фактор, в работу вступает эмиттерный повторитель и напряжение на эмиттере транзистора VT1 падает вместе с входным напряжением до тех пор, пока напряжение на коллекторе транзистора VT1 не поднимется настолько, что станет открываться транзистор VT2. Когда в транзисторе VT2 начинает увеличиваться ток эмиттера, он вызывает быстрый регенеративный процесс. Дополнительное падение напряжения на резисторе R3 помогает запиранию транзистора VT1, поднимая потенциал его эмиттера. Как только транзистор VT1 полностью закроется, напряжение на его коллекторе поднимется до напряжения источника питания, полностью открывая транзистор VT2

Функционирование эмиттерного повторителя, который вступает в действие, когда входное напряжение уменьшается, является причиной гистерезиса в триггере Шмитта. Триггер выключается при меньшем напряжении, чем включается. В рассмотренной схеме гистерезис мал и составляет приблизительно 0, 6 В, но его можно изменить выбирая другие отношения между величинами сопротивлений R1 и R4 или R2 и R5.

В базу транзистора VT1, конечно, течет некоторый ток, когда схема переключается. Если это нежелательно, то на место транзистора VT1 можно непосредственно поставить n-канальный полевой транзистор, обеспечивающий схеме большое входное сопротивление, обычно присущее схемам на полевых транзисторах.

Триггер Шмитта является идеальной схемой для стыковки медленно меняющихся входных сигналов с логическими схемами, которым требуются сигналы с малым временем нарастания и спада. Для таких применений удобен триггер Шмитта в интегральном исполнении.

2. Практическая часть

2. 1. Изучить теоретическую часть лабораторно-практической работы.

2. 2. Запустить на компьютере программу анализа электронных схем.

2. 3. Провести исследования процессов в схемах триггеров.

2. 4. Загрузить для исследования файл 6_0, для чего последовательно нажать клавиши “C”, “Y”, “F”, “1”, “6”, “_”, “0”, “Enter”. Последовательное нажатие клавиш “6”, “_”, “0”, - это имя файла.

2. 5. Провести анализ схемы, представленной на экране монитора, для чего последовательно нажать клавиши “A”, “1”, “Y”, “Enter”, “Enter”.

2. 6. На экране монитора будут графики процессов, происходящих в схеме триггера Шмитта. По оси абсцисс указано время в микросекундах (US), а по оси ординат - напряжение в вольтах (В). Напряжения для каждого графика указаны справа и слева по оси ординат соответствующими цветами. Причем на верхнем и нижнем графиках – это выходной (красного цвета) и входной (синего цвета) сигналы, только на нижнем графике для лучшего отсчета указан другой масштаб по оси ординат.

2. 7. Зарисовать эти графики к себе в тетрадь.

2. 8. Измерить на нижнем графике амплитуды входных сигналов, при которых происходит включение и выключение триггера. Записать данные в тетрадь, используя форму таблицы 1.

Таблица 1

Наименование схемы	Напряжение, В		Величина сопротивления в цепи эмиттера, Ом
	Uвкл	Uвыкл
6_0 6_1 6_2

2. 9. Для выхода из режима анализа схемы и возврата в режим просмотра схемы необходимо нажать клавишу “3”.

2. 10. Загрузить для исследования файл 6_1, для чего последовательно нажать клавиши “C”, “Y”, “F”, “1”, “6”, “_”, “1”, “Enter”.

2. 11. Повторить пункты 2. 5., 2. 6., 2. 7, 2. 8, 2. 9.

2. 12. Аналогично схеме из файла 6_1 проведите исследование для схемы из файла 6_2.

2. 13. Выйти из программы, для чего в режиме просмотра схемы необходимо последовательно нажать клавиши “Q”, “Y”.

2. 14. На основании анализа полученных результатов измерений входного напряжения сделать выводы величинах входного напряжения включения и выключения триггера, а так же о изменениях величины гистерезиса при изменении величины сопротивления в общей цепи эмиттеров транзисторов.

3. Контрольные вопросы

3. 1. Сколько устойчивых состояний имеет триггер (бистабильный мультивибратор)?

3. 1. 1. Пять.

3. 1. 2. Четыре.

3. 1. 3. Три.

3. 1. 4. Два.

3. 1. 5. Одно.

3. 2. В каких схемах находит применение триггер?

3. 2. 1. RL цепи.

3. 2. 2. LC цепи.

3. 2. 3. RC цепи.

3. 2. 4. RLC цепи.

3. 2. 5. Счетчики, память.

3. 3. Сколько устойчивых состояний имеет схема триггера Шмитта?

3. 3. 1. Одно.

3. 3. 2. Два.

3. 3. 3. Три.

3. 3. 4. Четыре.

3. 3. 5. Пять.

3. 4. Чем определяется устойчивое состояние схемы триггера Шмитта?

3. 4. 1. Длительностью входного сигнала.

3. 4. 2. Длительностью выходного сигнала.

3. 4. 3. Временем нахождения в предыдущем состоянии.

3. 4. 4. Уровнем входного сигнала.

3. 4. 5. Временем заряда конденсатора.

3. 5. В какой выходной сигнал преобразуется входной синусоидальный сигнал в схеме триггера Шмитта?

3. 5. 1. Прямоугольный.

3. 5. 2. Шумовой.

3. 5. 3. Линейный.

3. 5. 4. Квадратичный.

3. 5. 5. Аналоговый.

3. 6. В чем особенность выходного сигнала триггера Шмитта?

3. 6. 1. Наличие шумового сигнала.

3. 6. 2. Независимое выходное состояние от входного сигнала.

3. 6. 3. Линейное увеличение во времени.

3. 6. 4. Нестабильное состояние.

3. 6. 5. Малое время нарастания и спада.

3. 7. При каком входном напряжении включается триггер Шмитта?

3. 7. 1. Входное напряжение включения меньше входного напряжения выключения.

3. 7. 2. Входное напряжение включения равно входному напряжения выключения.

3. 7. 3. Входное напряжение включения больше входного напряжения выключения.

3. 7. 4. Входное напряжение включения меняется по линейному закону.

3. 7. 5. Входное напряжение включения меняется по гармоничному закону.

3. 8. При каком входном напряжении выключается триггер Шмитта?

3. 8. 1. Входное напряжение выключения меньше входного напряжения включения.

3. 8. 2. Входное напряжение выключения равно входному напряжения включения.

3. 8. 3. Входное напряжение выключения больше входного напряжения включения.

3. 8. 4. Входное напряжение выключения меняется по линейному закону.

3. 8. 5. Входное напряжение выключения меняется по гармоничному закону.

3. 9. Для какого применения триггер Шмитта является идеальной схемой?

3. 9. 1. Для стыковки двух логических схем с быстро меняющимися выходными сигналами.

3. 9. 2. Для стыковки медленно меняющихся входных сигналов с логическими схемами.

3. 9. 3. Для стыковки быстро меняющихся входных сигналов с логическими схемами.

3. 9. 4. Для усиления аналогового сигнала.

3. 9. 5. Для ослабления аналогового сигнала.

3. 10. В каком исполнении предпочтительнее схема триггера Шмитта для практического применения?

3. 10. 1. Дискретном.

3. 10. 2. Ламповом.

3. 10. 3. Транзисторном.

3. 10. 4. Диодном.

3. 10. 5. Интегральном.

4. Оформление отчёта

Отчет должен содержать полученные данные в результате выполнения практической части работы и ответы на контрольные вопросы.