close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Kulikov

код для вставкиСкачать
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное
образовательное учреждение высшего образования
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ
И МОДЕЛИРОВАНИЯ ОТДЕЛЬНЫХ
НЕСЛОЖНЫХ МОДУЛЕЙ
И МЕХАТРОННЫХ СИСТЕМ
Методические указания
к выполнению лабораторных работ
Составители: Д. Д. Куликов, С. В. Соленый, О. Я. Соленая
Рецензент – Н. М. Антипова
Приводятся материалы для выполнения лабораторных работ по
направлению испытания и определения характеристик основных
компонентов автоматических систем: датчиков, блоков управления,
исполнительных механизмов и др.
Предназначены для студентов среднего профессионального образования, изучающих междисциплинарный курс МДК.04.02 «Теоретические основы разработки и моделирования отдельных несложных
модулей и мехатронных систем» по специальности 15.02.07 «Автоматизация технологических процессов и производств (по отраслям)»;
а также для студентов очной формы обучения высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 15.03.06 «Мехатроника и робототехника», изучающих курс «Электрические и гидравлические приводы мехатронных и робототехнических устройств»,
а также для студентов среднего профессионального образования, изучающих междисциплинарный курс МДК.04.02 «Теоретические основы разработки и моделирования отдельных несложных модулей
и мехатронных систем» по специальности 15.02.07 «Автоматизация
технологических процессов (по отраслям)».
Публикуется в авторской редакции.
Компьютерная верстка Н. Н. Караваевой
Сдано в набор 23.03.18. Подписано к печати 31.05.18. Формат 60×84 1/16.
Усл. печ. л. 6,75. Тираж 50 экз. Заказ № 252.
Редакционно-издательский центр ГУАП
190000, Санкт-Петербург, Б. Морская ул., 67
© Санкт-Петербургский государственный
университет аэрокосмического
приборостроения, 2018
ВВЕДЕНИЕ
Методические указания разработаны в качестве руководства
к выполнению лабораторных работ с использованием комплекта типового лабораторного оборудования «Основы автоматизации производства».
Цель проводимых экспериментов – испытание и определение
характеристик основных компонентов автоматических систем:
датчиков, блоков управления, исполнительных механизмов и др.
В комплект включены универсальные блоки, необходимые для выполнения всех экспериментов, и специализированные блоки и измерительные приборы.
Весь курс работ разбит на пять разделов. Перед каждым разделом приведены описания специализированных блоков и аппаратуры, необходимых для проведения соответствующих лабораторных
работ.
Питание стенда осуществляется от однофазной электрической
сети напряжением 220 В.
Несмотря на предусмотренную систему защиты от поражения
электрическим током, а также защиту приборов от перегрузки при
превышении тока максимально допустимых значений, необходимо
строго соблюдать правила подачи электропитания:
1. Перед началом работы убедитесь, что стенд обесточен.
2. Соберите исследуемую цепь в соответствии с руководством по
выполнению базовых экспериментов.
3. Включите устройство защитного отключения и автоматический выключатель в однофазном источнике питания G1.
4. Включите выключатель «СЕТЬ» блоков, используемых в эксперименте.
5. Во время проведения эксперимента при необходимости изменения исследуемой схемы отключите выключатель «СЕТЬ» блоков,
измените схему, затем снова включите выключатель «СЕТЬ».
3
6. По завершении работы отключите выключатель «СЕТЬ» на
всех блоках и автоматический выключатель в однофазном источнике питания G1.
Особое внимание следует уделить работе с измерительными приборами. Для включения приборов кроме выключателя «СЕТЬ» необходимо нажать кнопку «ON/OFF», расположенную слева под индикатором.
Для переключения режимов работы мультиметра используется
механический переключатель, расположенный под цифровым индикатором. Под переключателем размещены гнезда подключения
проводников:
– гнездо «COM» – общее гнездо подключения прибора при любых
измерениях;
– гнездо «VΩ» – используется для подключения второго проводника при измерениях напряжения и сопротивления;
– гнездо «А» – используется при измерениях тока на всех пределах измерения тока, кроме 10 А;
– гнездо «10 А» предназначено для подключения цепи измерения
тока на пределе 10 А.
Недопустимо при переключении предела, даже кратковременно, устанавливать переключатель в положения, соответствующие
иным измеряемым величинам!
4
1. ДАТЧИКИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
Лабораторная работа № 1.
Испытание бесконтактных выключателей
Цель работы – определить границы зоны включения/выключения бесконтактного выключателя. Исследовать зависимость границы зоны включения/выключения от свойств объекта воздействия.
Таблица 1.1
Оборудование и приборы (блоки)
Наименование
Тип
Параметры
218.2
~ 220 В, 16 А
Блок испытания датчиков
линейного положения
395
Перемещение по горизонтали 0..100 мм по вертикали 0..120 мм
Блок программируемого
реле
409
Выход источника питания
+24 В
Однофазный источник
питания
Блок мультиметров
Бесконтактные выключатели (индуктивный,
емкостный и оптический),
зажим и набор объектов
воздействия
509.3
Из набора
600.14
МультиметрыMY60T,
MY65
Расстояние срабатывания
датчиков до 100 мм. Объекты шириной 30 и 90 мм
из различных материалов
Содержание работы
1. Изучить принцип работы бесконтактных выключателей.
2. Определить, на какие материалы датчики будут реагировать.
3. Измерить расстояние срабатывания датчика при отдалении и
приближении различных объектов воздействия.
Порядок выполнения работы
1. При испытаниях датчиков линейного положения используется блок 395, позволяющий изменить и измерить положение воздействующего объекта относительно датчика (рис. 1.1).
Собрать схему для испытания бесконтактного выключателя,
приведенную на рис. 1.2.
2. Установить бесконтактный датчик в каретку вертикального
перемещения (1, рис. 1.1), а зажим с объектом воздействия в каретку
5
БЛОК ИСПЫТАНИЯ ДАТЧИКОВ ЛИНЕЙНОГО ПОЛОЖЕНИЯ
90 100 110 120 130 140 150
4
7
8
3
6
10
20
30
40
50
60
70
80
90 100 110 120 130 140 150
10
20
30
40
50
60
70
80
1
5
2
395
Рис. 1.1. Блок испытания датчиков линейного положения:
1 – датчик, установленный в каретку вертикального перемещения;
2 – рукоятка вертикального перемещения; 3 – линейка вертикального
перемещения; 4 – каретка горизонтального перемещения;
5 – рукоятка горизонтального перемещения; 6 – линейка
горизонтального перемещения; 7 – зажим; 8 – объект воздействия
~220 В
Бесконтактный
выключатель
1
0
+ 24 В
0В
218.8
375
509.3.1
Рис. 1.2. Схема подключения бесконтактного выключателя
6
горизонтального перемещения. Вращая рукоятку вертикального
перемещения (2, рис.1.1) установить риску на корпусе датчика с лицевой стороны на отметку 100 мм вертикальной линейки.
3. Закрепленный в зажиме объект воздействия (7, 8, рис. 1.1)
установить в отверстия нижнего ряда каретки горизонтального перемещения (4). Затем, вращением рукоятки горизонтального перемещения подвести объект воздействия вплотную к торцу датчика.
Так как разные датчики имеют разные габаритные размеры, определить смещение нуля на горизонтальной линейке.
(При измерении длины смотреть расстояние от торца датчика до
ближнего торца объекта воздействия!)
4. Определив смещение нуля отвести объект воздействия от датчика до момента его выключения. Измерить расстояние выключения, записать в таблицу. Затем объект обратно приблизить к датчику и записать расстояние включения.
5. Рукояткой вертикального перемещения переместить датчик
на 10 мм, 20 мм и 30 мм ниже (или выше) оси объекта воздействия,
повторяя измерения на каждом этапе.
5. По данному алгоритму провести опыты со всеми объектами
воздействия и со всеми тремя выключателями.
Таблица 1.2
Результаты измерений
Датчик
Оптический
датчик
Смещение Смещение
нуля
осей
Керамика
lвыкл
lвкл
Стеклотекстолит
lвыкл
lвкл
Полиуретан
lвыкл
lвкл
0
10
20
30
Индуктивный
датчик
0
10
20
30
Емкостной
датчик
0
10
20
30
7
Если датчик никак не реагирует на объект, что вызвано физическими свойствами объекта, то в таблице ставить прочерк.
Для упрощения работы можно проверить, будет ли объект воздействовать на датчик, не вставляя его в каретку. При этом следует
помнить, что объект должен быть на одной оси с датчиком, а при
испытании оптического датчика плоскость пластины должна быть
перпендикулярна оси датчика, чтобы отраженный луч света падал
на светоприемник датчика.
Контрольные вопросы
1. Объясните принцип работы оптического бесконтактного выключателя.
2. Объясните принцип работы ёмкостного бесконтактного выключателя.
3. Сравните ёмкостной и индуктивный бесконтактные выключатели и перечислите их преимущества и недостатки.
4. Перечислите основные типы оптических датчиков положения, поясните их принцип действия.
Лабораторная работа № 2.
Испытание индуктивного датчика линейного положения
Цель работы – определить зависимость выходного тока датчика
от расстояния до объекта воздействия. Исследовать зависимость характеристики датчика от свойств объекта воздействия.
Таблица 2.1
Оборудование и приборы (блоки)
Наименование
Однофазный источник
питания
Тип
218.2
Параметры
~ 220 В, 16 А
Блок испытания датчиков
линейного положения
395
Перемещение по горизонтали
0..100 мм по вертикали 0..120 мм
Блок программируемого
реле
409
Выход источника питания +24 В
Блок мультиметров
Индуктивный аналоговый датчик, зажим и набор объектов воздействия
8
509.3
МультиметрыMY60T, MY65
Из набора Диапазон измерения датчика
600.14
0..40 мм. Объекты шириной 30 и
90 мм из различных материалов
Содержание работы
1. Изучить принцип работы бесконтактных выключателей.
2. Определить, на какие материалы датчики будут реагировать.
3. Измерить расстояние срабатывания датчика при отдалении и
приближении различных объектов воздействия.
4. Построить график зависимости выходного тока датчика от
расстояния до объекта воздействия.
Порядок выполнения работы
1. Установить индуктивный аналоговый датчик в каретку вертикального перемещения блока испытания датчиков линейного положения (рис. 1.1). Ручкой вертикального положения установить риску на корпусе датчика на отметку 100 мм вертикальной линейки.
2. Собрать электрическую схему, изображенную на рис. 2.1.
3. Определить на какие объекты реагирует индуктивный датчик: поочередно подносить объекты к торцу датчика и наблюдать за
изменением выходного тока датчика.
4. Установить зажим с выбранным объектом воздействия в каретку горизонтального перемещения. Ручкой горизонтального перемещения подвести объект к торцу датчика и по горизонтальной
линейке определить смещение нуля (5..8 мм). Для определения точного расстояния между объектом воздействия и датчиком, полученную величину смещения нуля необходимо вычесть из отсчета расстояния по горизонтальной линейке.
5. Ручкой горизонтального перемещения постепенно отодвигать
объект воздействия от датчика, измерять выходной ток датчика и
записывать данные в табл. 2.2. Записать расстояние, при котором
ток перестанет изменяться (Lоткл).
~220 В
Индуктивный
аналоговый
датчик
+ 24 В
1
0
0В
218.8
375
509.3.1
Рис. 2.1. Схема электрическая
9
Таблица 2.2
Результаты измерений
Керамика
Lпр, мм
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Iвых, А
Iоткл =
Lобр, мм
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Iвых, А
Сталь
Lоткл =
Lвкл =
Iвкл =
Lпр, мм
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Iвых, А
Lоткл =
Iоткл =
Lобр, мм
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Iвых, А
Lвкл =
Iвкл =
6. Повторить опыт приближая объект к датчику. Записать расстояние и ток включения (Lвкл, Iвкл).
7. По данным таблицы построить график зависимости выходного
тока от расстояния Iвых = f(L).
Контрольные вопросы
1. Что такое индуктивный датчик?
2. Объяснить, на каком принципе основана работа индуктивных
датчиков.
3. Назовите достоинства и недостатки индуктивных датчиков.
Лабораторная работа № 3.
Испытание резистивного датчика положения
Цель работы – определить зависимость выходного напряжения
датчика от положения его указателя.
Таблица 3.1
Оборудование и приборы (блоки)
Наименование
Однофазный источник
питания
Блок испытания датчиков
линейного положения
Электронагреватель
Блок мультиметров
Резистивный аналоговый
датчик
10
Тип
Параметры
218.2
~ 220 В, 16 А
395
Перемещение по горизонтали
0..100 мм по вертикали 0..120 мм
394.2
Выход источника питания +5 В
509.3
Мультиметры MY60T, MY65
Из набора
600.14
Диапазон измерения датчика
0..100 мм
R = 10 кОм
Содержание работы
1. Испытать резистивный аналоговый датчик положения.
2. Построить зависимость выходного напряжения от положения
указателя датчика.
Порядок выполнения работы
1. Установить резистивный аналоговый датчик в каретку горизонтального перемещения блока испытания датчиков линейного
положения (рис. 3.1). Указатель датчика переместить в крайнее левое (относительно корпуса датчика) положение и ручкой горизонтального перемещения установить указатель датчика на отметку
«0» горизонтальной линейки.
2. Собрать электрическую схему, изображенную на рис. 3.2.
БЛОК ИСПЫТАНИЯ ДАТЧИКОВ ЛИНЕЙНОГО ПОЛОЖЕНИЯ
1
4
Резистивный
аналоговый датчик
10
20
Выход
0В
0..5 В
+5 В
5
R=10 кОм
30
40
50
60
70
80
90 100 110 120 130 140 150
10
20
30
40
50
60
70
80
3
90 100 110 120 130 140 150
2
2
395
Рис. 3.1. Установка для испытания резистивного датчика положения:
1 – блок испытания датчиков линейного положения; 2 – резистивный
аналоговый датчик положения; 3 – бегунок датчика положения;
4 – ручка горизонтального перемещения; 5 – горизонтальная линейка
11
~220 В
1
0
1
0
0 В 0..5 В +5 В
218.8
509.3.1
394.2
Рис. 3.2. Схема испытания линейного потенциометрического
датчика положения
3. Рукой передвигать указатель датчика вдоль горизонтальной
линейки и измерять выходное напряжение датчика при нескольких положениях указателя.
4. Результаты измерений занести в таблицу и построить график
полученной зависимости.
Таблица 3.2
Испытание резистивного датчика
L, мм
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Uвых, В
Контрольные вопросы
1. Что такое резистивный (потенциометрический) датчик и на
каком принципе основана его работа?
2. Назовите достоинства и недостатки потенциометрических датчиков.
3. Что такое чувствительность датчиков?
4. Объясните отличие линейных потенциометрических датчиков
от функциональных.
12
Лабораторная работа № 4.
«Испытание датчика давления
Цель работы – определить характеристики аналогового дифференциального датчика давления, т. е. зависимости выходного напряжения от разности давлений на входе датчика.
Таблица 4.1
Оборудование и приборы (блоки)
Наименование
Тип
Параметры
218.2
~ 220 В, 16 А
397
–2…2 кПа, ±2+2,5 В
Электронагреватель
394.2
Выход источника питания +5 В
Блок мультиметров
509.3
Мультиметры MY60T, MY65
Однофазный источник
питания
Блок испытания датчика
давления
Содержание работы
1. Ознакомиться с устройством и принципом действия дифференциального датчика давления.
2. Снять характеристики датчика давления и построить зависимость выходного напряжения от разности давлений на входе датчика.
Порядок выполнения работы
При выполнении работы используется блок испытания датчика
давления (рис. 4.1). Перемещением зажимов (7 и 8, рис. 4.1) задается разность высот уровней жидкости в трубках манометра Δh, чем
обеспечивается перепад давления.
Чувствительность датчика 1В/кПа, т. е. при разности давлений
Δp = 1 кПа напряжение будет отклоняться на 1 В от среднего значения (Uср = 2,5 В). Среднее значение напряжения определяется при
одинакых высотах зажимов. При этом не важно их абсолютное значение, а необходимо только их равенство.
Для получения разности давлений в 1 кПа разность уровней воды должна составлять 102 мм.
1. Собрать схему, представленную на рис. 4.2.
2. Левый зажим трубки переместить вниз линейки, а правый
в верх таким образом, чтобы между ними была разность высот
Δh = –100 мм (знак «минус» означает отрицательную разность
давлений). При этом выходное напряжение будет ниже среднего
(Uвых< 2,5 В).
13
БЛОК ИСПЫТАНИЯ
ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ
1
2
150
6
130
5
Δh
110
100
8
20
20
10
30
40
50
60
70
80
90
120
130
110
100
0В
90
120
U 2 (P )
140
+5 В
140
150
∓P 2
10
30
40
50
60
70
80
7
4
±P 1
± 2 кПа
3
397
Рис. 4.1. Блок испытания датчика давления: 1 – датчик давления;
2,3 – гнезда питания датчика «+5 В» и «0 В»; 4 – гнездо выходного
напряжения датчика (относительно 0 В); 5 – трубка водяного
манометра; 6 – линейки для измерения разности уровней воды
в трубках манометра; 7,8 – зажимы трубок манометра
2. Левый зажим трубки переместить вниз линейки, а правый в верх
таким образом, чтобы между ними была разность высот Δh = – 100 мм
(знак «минус» означает отрицательную разность давлений). При этом
выходное напряжение будет ниже среднего (Uвых< 2,5 В).
14
~ 220 В
1
0
1
0
0В
+5 В
0В
218.8
394.2
509.3.1
397
Рис. 4.2. Электрическая схема подключения датчика давления
3. Поднять левый зажим на 5 мм, а правый опустить на 5 мм. Таким образом, уменьшилась разность высот на 10 мм. Проделывать
данные действия, записывая показания мультиметра в таблицу измерений.
4. По данным таблицы построить график зависимости выходного напряжения от разности давлений (разности высот).
5. Записать минимальное (при Δh = –100 мм), максимальное (при
Δh = 100 мм) и среднее (при Δh = 0) значения напряжений. Рассчитать среднее отклонение напряжения ΔU от среднего значения Uср
и сравнить с номинальным значением (ΔUN = ± 1 В)
ΔUmin =Uñð − Umin ;
ΔUmax =
−Uñð + Umax ;
ΔU
+ ΔUmax
ΔU = min
.
2
Таблица 4.2
Испытание датчика давления
Δh, мм –100 –90
–80
–70
–60
–50
–40
–30
–20
–10
0
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Uвых, В
Δh, мм
0
10
Uвых, В
15
Контрольные вопросы
1. Что такое датчик давления?
2. Перечислите методы реализации (виды) датчиков давления.
3. Опишите принцип действия аналогового дифференциального
датчика давления.
Лабораторная работа № 5.
Испытание датчиков температуры
Цель работы – определить характеристик датчиков температуры:
– терморезистивного преобразователя ТС125-50М.В2.60;
– термоэлектрического преобразователя ТПК225-010.80;
– полупроводникового терморезистора КТ110.
Таблица 5.1
Оборудование и приборы (блоки)
Наименование
Тип
Параметры
218.2
~ 220 В, 16 А
600.13.1
3 датчика
Электронагреватель
394.2
Выход источника питания +5 В
Блок мультиметров
509.3
МультиметрыMY60T, MY65
Однофазный источник
питания
Набор датчиков температуры
Содержание работы
1. Ознакомиться с принципом действия различных датчиков
температуры.
2. Освоить принцип управления электронагревателем.
3. Снять характеристики терморезистивногодатчикаи построить
зависимость сопротивления датчика от температуры, а также определить температурный коэффициент меди.
4. Снять характеристики термоэлектрического и полупроводникового датчиков температуры.
Порядок выполнения работы
1. Общая схема испытания датчиков температуры приведена на
рис. 5.2. При испытании резистивного и полупроводникового датчиков измерять сопротивлениемультиметром. При испытании термоэлектрического датчика измерять напряжение (предел измерения 200 мВ).
16
8
ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬ
СЕТЬ
1
1A
0
9
+ 5 В /50 мА
1
2
5
6
7
0В
3
4
Текущая
температура °С
К1
К2
AL
RS
PV
SV
Заданная
температура °С
Учебная
техника
394.2
Рис. 5.1. Электронагреватель: 1 – отверстие нагревателя; 2 –
измеритель-регулятор температуры; 3 – индикатор текущего
значения температуры нагревателя (PV); 4 – индикатор заданного
значения температуры нагревателя (SV); 5, 6, 7 – кнопки управления
регулятором температуры; 8 – выключатель питания; 9 – гнездо
источника питания +5 В
2. При выполнении работы используется электронагреватель
А7 (394.2), изображенный на рис. 5.1. Для работы с электронагревателем необходимо включить его питание. Нажатием кнопок «▲»
и «▼» на регуляторе температуры выставить требуемое значение
температуры, затем нажать кнопку «✔», тем самым мы зафиксируем в памяти регулятора значение требуемой температуры. Далее,
17
~220 В
1
0
218.8
1
0
394.2
509.3.1
Рис. 5.2. Схема испытания датчика температуры
снова нажимаем на кнопку «✔» и нажатием кнопок «▲» или «▼»
устанавливаем значение «StoP» (СТОП) или «rUn» (РАБОТА). После
выбора режима «rUn», нажимаем «✔»: электронагреватель нагреется до заданной температуры. Нагрев может занять от 5 до 30 минут.
3. Для нагрева датчика температуры его необходимо вставить
в отверстие на лицевой панели нагревателя.
4. Эксперимент начать с комнатной температуры. Поочередно измерить показания трех датчиков, записать результаты в таблицу.
5. Нагреть нагреватель до температуры 30 °С. Вставив испытываемый датчик в отверстие электронагревателя необходимо выждать
1–2 минуты, пока датчик нагреется. Затем, сняв показания, вставить следующий датчик. Таким образом проводить весь эксперимент, поочередно вставляя датчики приодном значении температуры, после чего нагревать электронагреватель до следующей точки.
6. По результатам испытания терморезистивного датчика построить зависимость сопротивления датчика от температуры
R1 = f(t °C). Определить температурный коэффициент меди по
формуле
Rt2 − Rt1
,
α=
Rt1t2 − Rt2t1
где Rt1 и Rt2 – сопротивления датчика при температурах t1 и t2.
18
Сравнить полученную величину со значением температурного
коэффициента сопротивления меди из справочника:
α = 4,28 * 10–3 град–1.
Таблица 5.2
Испытание датчиков температуры
Температура датчика
Терморезистивный
датчик,
ТС125-50М
Термоэлектрический
датчик,
ТПК225-010
°С
R1, Ом
U2, мВ
Полупроводниковый
датчик,
КТ110
R3, кОм
Комнатная
температура tк = °С
30 °С
40 °С
50 °С
60 °С
70 °С
Контрольные вопросы
1. Как изменяется сопротивление датчиков температуры при
увеличении температуры?
2. Назовите отличие терморезистивногодатчикаоттермоэлектрического, а также принципы их работы.
3. Что представляет из себя полупроводниковый датчик температуры и на чём основан принцип его действия?
19
2. ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА
Для проведения работ по исследованию цифровых устройств
используются набор миниблоков, блок испытания цифровых устройств и блок мультиметров.
1
2
3
4
БЛОК ИСПЫТАНИЯ ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ
СЕТЬ
1А
6
9
10
_
ИНДИКАТОР ЛОГИЧЕСКИХ УРОВНЕЙ
ТТЛ 5 В
1
КМОП 5 В
0
7
8
+
1
0
5
ИСТОЧНИК ЛОГИЧЕСКИХ
СИГНАЛОВ ТТЛ 1
0
0
1
0
1
0
1
0
1
100 Гц
10 Гц
1
0
0
1
2
3
1 Гц
1
0
219
Рис. 6.1. Лицевая панель блока испытания цифровых устройств:
1 – выключатель питания блока; 2 – индикатор перегрузки; 3 – кнопка
размыкания цепи питания; 4 – наборное поле блока; 5 – индикатор
логической единицы; 6 – тумблер переключения порога срабатывания
индикатора; 7 – индикатор логического нуля; 8 – кнопка управления
двумя логическими сигналами, работающими в противофазе;
9 – тумблеры управления статическими логическими сигналами;
10 – генератор импульсных логических сигналов
20
Блок испытания цифровых устройств включает в себя:
1. Источник питания +5 В/1 А с защитой от перегрузок и коротких замыканий.
2. Индикатор логических уровней.
3. Источник логических сигналов ТТЛ.
4. Наборное поле с разводкой шин питания.
Образ лицевой панели блока приведен на рис. 6.1.
Источник питания подает напряжение +5 В на индикатор логических сигналов ТТЛ и гнезда наборного поля. Установка миниблока в гнезда наборного поля автоматически подключает миниблок
к общим шинам питания. При этом сборка схем сводится к соединению входов и выходов логических элементов, источников и индикаторов логических сигналов.
Включать выключатель «СЕТЬ» следует только после сборки и
проверки цепи. Если ток нагрузки источника питания превысит
1,3…1,5 А или произойдет короткое замыкание, напряжение питания будет отключено и сработает индикатор перегрузки 2. Если после устранения причины перегрузки питание не восстановится автоматически, то необходимо нажать и отпустить кнопку 3.
Индикатор логических уровней отображает состояние подключенного к его входу логического сигнала (0 или 1). Если ни один индикатор не горит или горят сразу оба, значит, уровень сигнала не
определен. Переключателем 6 выбирается порог срабатывания индикаторов (2…5 В для элементов ТТЛ или 3,5…5 В для элементов
КМОП).
Источники логических сигналов используются для подачи логических сигналов на вход миниблоков. Кнопка 8 управляет двумя
логическими сигналами, переключающимися в противофазе. Группа четырех тумблеров 9 предназначена для задания статических логических сигналов. Генератор 10 вырабатывает импульсы с частотами 100, 10 и 1 Гц.
21
Лабораторная работа № 6.
Тестирование базовых логических функций
Цель работы–тестирование стандартных ТТЛ элементов, реализующих логические функции.
Таблица 6.1
Оборудование и приборы (блоки)
Наименование
Тип
Параметры
218.2
~ 220 В, 16 А
Блок испытания цифровых устройств
219
Индикаторы и источники
логических сигналов.
Питание +5 В / 1 А
Набор цифровых миниблоков
600.11.2
20 миниблоков
Однофазный источник
питания
Содержание работы
1. Закрепить теоретические знания по материалу о базовых логических функциях.
2. Протестировать элементы с одним (логическое НЕ) и двумя
(логическое И) входами на наборном поле блока испытания цифровых устройств.
3. Составить таблицы истинности по проведенным экспериментам.
Теоретические сведения
При исследовании логических элементов следует владеть основными знаниями по булевой алгебре (логике). В данном подразделе
приведены лишь поверхностные сведения, которые необходимы
для проведения экспериментов.
В логике переменная x может принимать только два значения:
0 или 1. От одной переменной возможно получить 4 варианта логических функций, что наглядно видно по табл. 6.2.
Из 4-х вариантов логической функции одной переменной y = f(x)
практический интерес представляет функция отрицание, или логическое НЕ. Обозначение элемента приведено на рис. 6.2.
Инверсию (отрицание) обозначает окружность около выхода логического элемента. Это также справедливо для любого элемента
(например, на миниблоке И-НЕ также присутствует окружность на
выходе).
22
Таблица 6.2
Логическая функция одной переменной
Значение
аргумента x
Значение функции
Константа 0,
fo(x)
Повторение x,
f1(x)
Отрицание x,
f2(x)
Константа 1,
f3(x)
0
0
0
1
1
1
0
1
0
1
x
1
y = x
Рис. 6.2. Логический элемент НЕ
Таблица 6.3
Логическая функция одной переменной
Аргументы
x1
0 0 1 1
x0
0 1 0 1
Функции
f(x0, x1)
f0
0 0 0 0
Константа 0
f1
0 0 0 1
Конъюнкция (И)
f2
0 0 1 0
f3
0 0 1 1
f4
0 1 0 0
f5
0 1 0 1
f6
0 1 1 0
Неравнозначность (Исключающее ИЛИ)
f7
0 1 1 1
Дизъюнкция (ИЛИ)
f8
1 0 0 0
Стрелка Пирса (ИЛИ-НЕ)
f9
1 0 0 1
Равнозначность (Исключающее ИЛИ-НЕ)
Название функции
f10 1 0 1 0
f11 1 0 1 1
f12 1 1 0 0
f13 1 1 0 1
f14 1 1 1 0
Штрих Шеффера (И-НЕ)
f15 1 1 1 1
Константа 1
23
x0
x1
x0
x1
x0
x1
&
1
1
y = x0 · x1
(1)
y = x0 ˅ x1
(2)
y = x0 ˅ x1
(3)
Рис. 6.3. Логическое И (1), логическое ИЛИ (2), логическое ИЛИ-НЕ (3)
Для функции двух переменных возможны уже 16 вариантов, которые сведены в таблицу истинности (табл. 6.3).
В комплект миниблоков включены элементы, реализующие следующие функции двух переменных.
1. Конъюнкция (логическое умножение, И)
2. Дизъюнкция (логическое сложение, ИЛИ)
3. Функция ИЛИ-НЕ (стрелка Пирса, отрицание ИЛИ)
Их условные обозначения приведены на рис. 6.3 соответственно
под номерами 1, 2, 3.
Порядок выполнения работы
1. В качестве логической функции с одной переменной реализована функция НЕ (отрицание). Схема для тестирования приведена
на рис. 6.4. На лицевой панели миниблока 3 (приложение I) изображено 4 отдельных элемента НЕ, у каждого из которых есть один
вход и один выход. Вход одного из логических элементов соединить
с источником логических сигналов, а выход того же элемента – с индикатором логических сигналов. Входы неиспользуемых элементов
подключаить к одной из шин питания (на схеме +5 В).
2. После проверки собранной схемы включить питание стенда и
соответствующего блока.
3. Тумблером 0 задатьвходной логический сигнал (входная переменная x) равный 0. Выходной сигнал (значение функцииy)
определить по индикатору логических уровней. Данные записать в таблицу истинности (табл. 6.4), где x – это значение входной
переменной(вход), а y –это выходное значение функции (выход).
4. Собрать схему для тестирования элемента И по рис. 6.5. Аналогично провести опыт, заполняя таблицу истинности (табл. 6.5). В отличие от первой части опыта, в данном случае будет два входных сигнала, но, также, одно значение функции (выходной сигнал). Входные
сигналы меняются с помощью тумблеров 0 и 1, что видно на схеме.
24
4. При выполнении последующих работ обратите внимание на
то, что таблицы истинности для элемента НЕ и элемента И подходят для всех элементов соответственно с одной или двумя переменными.
Таблица 6.4
Таблица истинности для элемента НЕ
x
0
1
y=x
Таблица 6.5
Таблица истинности для элемента И
x0
0
1
0
1
x1
0
0
1
1
y = f(x0, x1)
ТТЛ 5В
1
КМОП 5В
0
ИСТОЧНИК ЛОГИЧЕСКИХ
СИГНАЛОВ ТТЛ
1
0
0
1
0
1
0
1
0
1
100 Гц
10 Гц
1
0
0
1
1
1
1
1
2
3
1 Гц
+5 B
R = 1 кОм
1
0
Рис. 6.4. Схема тестирования элемента с одной переменной
25
ТТЛ 5В
1
КМОП 5В
0
ИСТОЧНИК ЛОГИЧЕСКИХ
СИГНАЛОВ ТТЛ
1
0
0
1
0
1
0
1
0
1
100 Гц
10 Гц
1
0
0
1
&
&
2
3
1 Гц
+5 B
R = 1 кОм
1
0
Рис. 6.5. Схема тестирования элемента
с двумя переменными
Контрольные вопросы
1. Что небходимо сделать, чтобы логический элемент ИЛИ-НЕ
выполнял функцию отрицания?
2. Объясните смысл функций равнозначности и неравнозначности.
3. По табл. 6.3 составить логические уравнения для функций
f1 … f14.
Лабораторная работа № 7.
Комбинационный узел на основе базовых логических элементов
для реализации произвольной логической функции
Цель работы – составление и тестирование комбинационного узла на основе базовых логических элементов, реализующего заданную логическую функцию.
26
Таблица 7.1
Оборудование и приборы (блоки)
Наименование
Тип
Параметры
Однофазный источник питания
218.2
~220 В, 16 А
219
Индикаторы и источники
логических сигналов.
Питание +5 В / 1 А
600.11.2
20 миниблоков
Блок испытания цифровых
устройств
Набор цифровых миниблоков
Содержание работы
1. Закрепить теоретические знания по материалу о базовых логических функциях.
2. Составить и собрать на базе логических элементов комбинационный узел, реализующий заданную логическую функцию.
3. Составить таблицу истинности по проведенному эксперименту.
Теоретические сведения
Пусть необходимо составить узел, реализующий функцию
y = (x0 ∨ x1 ) ⋅ x2 ∨ x3 .
Этой функции соответствует изображенные на рис. 7.1 последовательность вычисления и логическая схема.
В наборе миниблоков имеется элемент ИЛИ-НЕ, с помощью которого можно объединить (3) и (4) действия (см. рис. 7.1, логическую
схему).
y = (x0 ˅ x1) · x2 ˅ x3
x1
x2
1
x0 ˅ x1
2
(x0 ˅ x1) · x2
3 4
x3
1
1
x0
3
1
4
&
2
y = (x0 ˅ x1) · x2 ˅ x3
Рис. 7.1. Последовательность вычисления и логическая схема функции:
1 – операция дизъюнкция (ИЛИ), обозначается оператором ˅;
2 – операция конъюнкция (И), обозначается точкой или знаком ˄;
3 – операция дизъюнкция (ИЛИ); 4 – операция инверсия (НЕ),
обозначается чертой над буквой переменной
27
x0
x1
x2
1
&
1
x3
y = (x0 ˅ x1) · x2 ˅ x3
Рис. 7.2. Логическая схема в общепринятом начертании
В общепринятом начертании логическая схема, реализующая
заданную логическую функцию, имеет вид, показанный на рис. 7.2.
Аналогично составляется логическая схема, реализующая любую другую логическую функцию.
Порядок выполнения работы
1. В качестве произвольной логической функции логической
функции взять функцию, разобранную выше в теоретических сведениях. Схема для тестирования приведена на рис. 7.3. Переключатель индикатора логических уровней установить в положение «ТТЛ
5В». Входы неиспользуемых элементов подключить к шинам питания (на рисунке к +5 В).
ТТЛ 5В
1
КМОП 5В
0
ИСТОЧНИК ЛОГИЧЕСКИХ
СИГНАЛОВ ТТЛ
1
0
0
1
0
1
0
1
0
1
1
0
1
&
1
1
&
1
+5 B
R = 1 кОм
0
1
2
3
100 Гц 10 Гц 1 Гц
1
0
Рис. 7.3. Электрическая схема тестирования логической функции
28
2. После проверки собранной схемы включить питание стенда
и соответствующего блока.
3. Входные сигналы логической функции x0, x1, x2, x3 задают
тумблером 0, 1, 2, 3, с номерами, соответствующими индексам переменных. Значения входных сигналов для соответствующего опыта
определяют по таблице истинности (табл. 7.1). Например, для первого измерения все входные сигналы равны нулю. Для второго –
x0 = 1, x1= 0, x2= 0, x3 = 0, для третьего – x0 = 0, x1= 1, x2= 0, x3 = 0
и т. д. Значение логической функции на выходе цепи определять по
индикатору логических уровней.
Результаты записать в табл. 7.2
Таблица 7.2
Таблица истинности для произвольной функции
№
x0
x1
x2
x3 y = f(x0, x1, x2, x3) №
x0
x1
x2
x3 y = f(x0, x1, x2, x3)
1
0
0
0
0
9
1
0
0
0
2
0
0
0
1
10
1
0
0
1
3
0
0
1
0
11
1
0
1
0
4
0
0
1
1
12
1
0
1
1
5
0
1
0
0
13
1
1
0
0
6
0
1
0
1
14
1
1
0
1
7
0
1
1
0
15
1
1
1
0
8
0
1
1
1
16
1
1
1
1
4. По усмотрению преподавателя, возможно составить и другую
произвольную функцию. Главное ограничение при составлении
функций – это количество входных сигналов, которых может быть
не более 4-х. При этом особое внимание следует уделить сборке логической схемы, так как она должна точно соответствовать логической функции.
5. По завершении работы отключить выключатель «СЕТЬ» блока
испытания цифровых устройств и автоматический выключатель.
Контрольные вопросы
1. Нарисуйте логическую схему для функции y = (x1 ∨ x2 ⋅ x4 ) ⋅ x3 ∨ x1.
2. Нарисуйте логическую схему для функции y =x4 ∨ (x2 ∨ x1 ) ⋅ x3 .
3. Нарисуйте логическую схему для функции y = (x2 ∨ x4 ) ⋅ x1 ⋅ (x3 ∨ x4 ).
29
Лабораторная работа № 8.
Комбинационные узлы
на основе базовых логических элементов
для экспериментального подтверждения
законов алгебры логики
Цель работы – составление и тестирование комбинационных узлов на основе базовых логических элементов, реализующих заданные логические функции законов алгебры логики.
Таблица 8.1
Оборудование и приборы (блоки)
Наименование
Однофазный источник питания
Блок испытания цифровых
устройств
Набор цифровых миниблоков
Тип
Параметры
218.2
~ 220 В, 16 А
219
Индикаторы и источники
логических сигналов.
Питание +5 В/1 А
600.11.2
20 миниблоков
Содержание работы
1. Закрепить теоретические знания по материалу об основных
законах алгебры логики.
2. Составить и собрать на базе логических элементов комбинационные узлы, реализующие заданные логические функции законов
алгебры логики.
3. Составить таблицу истинности по проведенным экспериментам.
Теоретические сведения
Законы алгебры логики используются при работе со сложными
функциями для их упрощения. В курсе теории доказательства законов осуществляются с помощью аксиом. В данной же работе следует на практике проверить справедливость некоторых законов.
Приведенные в данной работе законы сведены в табл. 8.2–8.10.
В левых столбцах описано аналитическое выражение, а в правых –
логические схемы, соответствующие выражениям. В табл. 8.2–8.5
и табл. 8.9 по два столбца с логическими схемами – для левой и правой частей равенства. Потому, для проверки одного закона потребуется собрать поочередно две схемы. Соответственно, для каждой
схемы будет своя таблица истинности.
30
Таблица 8.2
Аксиомы
Аналитическое выражение
Конъюнкция
Логическая схема
x
x⋅0 =
0
x
1
x ⋅1 =
x
x
x⋅x =
0
Дизъюнкция
&
0
&
x
&
1
x
x⋅0 =
x
0
x
x ⋅1 =
1
1
x
x∨x =
1
0
0
1
х
1
1
1
1
1
Таблица 8.3
Закон двойного отрицания
Аналитическое выражение
Логическая схема
x
x=x
1
1
1
Таблица 8.4
Закон повторения
Аналитическое выражение
Конъюнкция
Дизъюнкция
x ⋅ x ⋅ x ⋅ ... ⋅ x =
x
x ∨ x ∨ x ∨ ... ∨ x =
x
Логическая схема
&
x
x
1
x
x
31
Таблица 8.5
Переместительный закон
Логическая схема
Аналитическое
выражение
Конъюнкция
Дизъюнкция
x0 ⋅ x1 = x1 ⋅ x0
x0 ∨ x=
1 x1 ∨ x0
Левая часть
равенства
x0
&
x1
x0
1
x1
Правая часть
равенства
x0
x0 · x 1
x0
x0 · x 1
Дизъюнкция
Логическая схема
Правая часть
Левая часть равенства
равенства
( x0 ⋅ x1 ) ⋅ x2 =
= x0 ⋅ ( x1 ⋅ x2 ) =
= ( x0 ⋅ x2 ) ⋅ x1 =
= x0 ⋅ x1 ⋅ x2
x0
x1
x2
x1 x0
x2 x2
x0 x1
&
( x0 ∨ x1 ) ∨ x2 = x
0
= x0 ∨ ( x1 ∨ x2 ) =
x1
= ( x0 ∨ x2 ) ∨ x1 =
x2
= x0 ∨ x1 ∨ x2
x1 x0
x2 x2
x0 x1
&
x0 ⋅ ( x1 ∨ x2 ) =
= x0 ⋅ x1 ∨ x0 ⋅ x2
=
32
x1 · x 0
Аналитическое
выражение
&
x0
x1
x2
&
x0
x1
x2
x0 ∨ ( x1 ⋅ x2 ) =
( x0 ∨ x1 ) ⋅ ( x0 ∨ x2 )
&
1
Таблица 8.7
Логическая схема
Левая часть
Правая часть
равенства
равенства
Аналитическое выражение
Дизъюнкция
1
Таблица 8.6
Распределительный закон
Конъюнкция
x1 · x 0
x1
Сочетательный закон
Конъюнкция
&
x1
x0
x1
x2
x0
x1
x2
1
&
x0
x1
x2
&
1
x0
x1
x2
&
1
&
1
&
1
Таблица 8.8
Закон инверсии (закон де Моргана)
Логическая схема
Левая часть
Правая часть
равенства
равенства
Аналитическое
выражение
Конъюнкция
x0 ⋅ x1 = x1 ∨ x0
x0
x1
&
x0 ∨ x1 = x1 ⋅ x0
x0
x1
1
Дизъюнкция
x0
1
x1
1
x0
1
x1
1
1
&
Таблица 8.9
Закон склеивания
Аналитическое выражение
Логическая схема
Конъюнкция
x0
1
x1
(x0 ∨ x1 ) ⋅ (x0 ∨ x1 ) =
x0
1
Дизъюнкция
x0
x0
&
x1
x0 ⋅ x1 ∨ x0 ⋅ x1 =
x0
&
1
1
&
1
x0
Таблица 8.10
Закон поглощения
Аналитическое выражение
Логическая схема
Левая часть равенства Правая часть равенства
x0
x0 ⋅ ( x0 ∨ x1 ) = x0
(
)
x0 ⋅ x0 ∨ x1 = x0 ⋅ x1
x1
x0
1
&
1
&
x0
x0 · x1
x0
&
x1
x0
x1
1
&
1
x0 ˅ x1
x0
&
x0
1
x1
x1
x0 ∨ x0 ⋅ x1 = x0
x0 ∨ x0 ⋅ x1 = x0 ∨ x1
1
1
x0 · x1
x0
x1
x0 ˅ x1
33
Порядок выполнения работы
1. В данной работе задание выбирается по усмотрению преподавателя. Рекомендуется брать для проверки 3–4 закона.
2. После выбора задания следует составить таблицы истинности.
Количество таблиц точно соответствует количеству логических
схем, приведенных в таблице с законом. Например, для закона поглощения (табл. 8.10) необходимо составить 6 таблиц истинности.
Структура таблицы зависит от количества входных переменных
(x0, x1, x2). В табл. 8.11–8.13 приведены таблицы истинности для одной, двух и трех переменных.
Таблица 8.11
Таблица истинности для логической функции одной переменной
x0
0
1
Y = f(x0)
Таблица 8.12
Таблица истинности для логической функции двух переменных
x0
0
1
0
1
x1
0
0
1
1
y = f(x0, x1)
Таблица 8.13
Таблица истинности для логической функции трех переменных
x0
0
1
0
1
0
1
0
1
x1
0
0
1
1
0
0
1
1
x2
0
0
0
0
1
1
1
1
Y = f(x0, x1, x2)
3. Заданные логические схемы собрать из набора миниблоков, используя рекомендации для лабораторных работ № 6 и № 7.
На рис. 8.1 приведена общая схема для тестирования комбинационного узла на наборном поле блока испытания цифровых устройств.
Переключатель индикатора логических уровней устанавливают
в положение «ТТЛ 5В». Входы неиспользуемых элементов подключают к шинам питания (на рисунке к +5 В).
34
ТТЛ 5В
1
КМОП 5В
0
ИСТОЧНИК ЛОГИЧЕСКИХ
СИГНАЛОВ ТТЛ 1
0
0
1
0
1
0
1
0
1
100 Гц
10 Гц
1
0
0
1
2
y = f(x0, x1, ...)
x0
x1
+5 B
Исследуемая цепь
R = 1 кОм
x2
3
1 Гц
1
0
Рис. 8.1. Схема для тестирования комбинационного узла
4. Входные сигналы логической функции x0, x1, x2 задают тумблером 0, 1, 2 с номерами, соответствующими индексам переменных. Значения входных сигналов для соответствующего номера измерения определяют по таблице истинности. Значение логической
функции на выходе цепи определяют по индикатору логических
уровней. Полученные значения сводят в таблицы истинности.
4. По завершении работы отключить выключатель «СЕТЬ» блока
испытания цифровых устройств и автоматический выключатель.
Контрольные вопросы
1. Используя законы алгебрылогики упростить следующее логическое выражение: x ⋅ y ∨ x ∨ y ∨ x.
2. Используя законы алгебрылогики упростить следующее логическое выражение: x ⋅ y ∨ x ⋅ y ⋅ z ∨ x ⋅ z.
3. Используя законы алгебрылогики упростить следующее логическое выражение: x ∨ y ⋅ z ∨ x ∨ y ∨ z.
35
Лабораторная работа № 9.
Преобразователь кода и дешифратор
Цель работы – изучение принципа работы и тестирование преобразователя кода и дешифратора.
Таблица 9.1
Оборудование и приборы (блоки)
Наименование
Тип
Параметры
Однофазный источник питания
218.2
~220 В, 16 А
Блок испытания цифровых
устройств
219
Индикаторы и источники
логических сигналов.
Питание +5 В / 1 А
600.11.2
20 миниблоков
Набор цифровых миниблоков
Содержание работы
1. Изучить принцип работы и назначение преобразователя кода.
2. Изучить принцип работы и назначение дешифратора.
3. Отдельно протестировать работу дешифратора и преобразователя кода.
4. Составить таблицы истинности по проведенному эксперименту.
Теоретические сведения
Преобразователь кода – комбинационное устройство, предназначенное для изменения вида кодирования информации, т. е. каждой
комбинации 0 и 1 на входах устройства соответствует строго определенная комбинация 0 и 1 на выходах устройства.
В работе тестируются
– дешифратор – преобразователь двоичного кода в позиционный
код: каждому двоичному числу на входе соответствует выходной
сигнал строго на одном выходе устройства;
– преобразователь двоично-десятичного кода в код управления
семисегментнымзнакосинтезирующим индикатором.
Обозначение дешифратора приведено на рис. 9.1.
Номер активного выхода дешифратора задается двоичным числом на входах А0 и А1. При сигнале 0 на входе разрешения E, выбранный выход переходит в состояние 0 (низкий уровень логического сигнала). На всех остальных выходах сохраняется 1 (высокий
уровень логического сигнала). При 1 на входе разрешения E дешиф36
A1
TT
0
1
A2
2
3
E
Рис. 9.1. Обозначение дешифратора
+5 В
A0
A1
A2
A3
1 DC
2
4
8
ST
BL
LT
A
B
C
D
E
F
G
DP
A
A
B
C
D
E
F
G
DP
F
G
E
B
C
D
DP
Рис. 9.2. Схема преобразователя двоично-десятичного кода
в код управления семисегментнымзнакосинтезирующим индикатором
0 10 = 0000 2
1 10 = 0001 2
2 10 = 0010 2
3 10 = 0011 2
4 10 = 0100 2
5 10 = 0101 2
6 10 = 0110 2
7 10 = 0111 2
8 10 = 1000 2
9 10 = 1001 2
Числа от 1010 = 10102 до 1510 = 11112
все сегменты индикатора выключены
Рис. 9.3. Работа сегментов индикатора
при соответствующих входных сигналах
37
ратор блокируется: все входы остаются в состоянии 1 независимо
от сигналов на входах А0 и А1. В качестве дешифратора используется микросхема 1533ИД14 (74ALS139).
Преобразователь двоично-десятичного кода в код управления семисегментнымзнакосинтезирующиминдикаторомвыполнен на микросхеме 74НСТ4511 (CD4511) и нагружен на светодиодный индикатор с общим катодом. Схема миниблока преобразователя и обозначения сегментов индикатора приведены на рис. 9.2.
В соответствии с двоичным числом на входах А0, …, А3 появляется высокий потенциал на входах А, … , G, обеспечивающий включение необходимых сегментов индикатора, как показано на рис. 9.3
Порядок выполнения работы
1. Собрать схему тестирования дешифратора, приведенную на
рис. 9.4. Входы дешифратора А0, А1 и Е соединить с тумблерами
ТТЛ 5В
1
КМОП 5В
0
ИСТОЧНИК ЛОГИЧЕСКИХ
СИГНАЛОВ ТТЛ
1
0
0
1
0
1
0
1
0
1
100 Гц
10 Гц
1
0
0
A 1 DC 0
0
A2
1
1
2
1
2
E
3
2
3
3
1 Гц
1
0
Рис. 9.4. Схема тестирования дешифратора
38
источника логических сигналов 0, 1 и 2. Выходы дешифратора 0, 1,
2, 3 соединить с индикаторами логических уровней миниблока 5
(приложение I).
2. После проверки собранной схемы включить питание стенда и
соответствующего блока.
3. По таблице истинности дешифратора (таблица 9.2) задавать
соответствующие номеру измерения входные сигналы. Значения
выходных сигналов определять по индикаторам логических уровней миниблока 5. Свечение индикатора соответствует логической 1
на соответствующем входе миниблока. По результатам работы заполнить таблицу истинности.
4. По окончании испытания дешифратора обесточить блок испытания цифровых устройств.
5. Собрать схему тестирования преобразователя кода с семисегментнымзнакосинтезирующим индикатором на наборном поле блока испытания цифровых устройств (рис. 9.5). Входы миниблока
преобразователя кода А0, А1, А2, А3 соединить с тумблерами источника логических сигналов 0, 1, 2, 3.
6. После проверки собранной схемы включить питание стенда и
соответствующего блока.
7. По таблице истинности преобразователя двоично-десятичных
кодов (табл. 9.3) задаватьсоответствующие номеру измерения входные сигналы. Значения выходных сигналов определять по индикатору логически уровней. По результатам работы заполнить таблицу
истинности. Результаты записать в таблицу истинности преобразователя (табл. 9.2).
8. По окончании работы обесточить блок испытания цифровых
устройств и выключить автомат, питающий стенд.
Таблица 9.2
Входы
Таблица истинности для произвольной функции
А0
0
1
0
1
0
1
0
1
А1
0
0
1
1
0
0
1
1
Е
0
0
0
0
1
1
1
1
Выходы
0
1
2
3
39
ТТЛ 5В
1
КМОП 5В
0
ИСТОЧНИК ЛОГИЧЕСКИХ
СИГНАЛОВ ТТЛ
1
0
0
1
0
1
0
1
0
1
0
0
A1
A2
1
A3
DP
2
1
100 Гц
A 0 DC
+5 B
3
10 Гц
R = 1 кОм
1 Гц
1
0
Рис. 9.5. Схема тестирования преобразователя кода
с семисегментным индикатором
Таблица 9.3
Выходы
Входы
Таблица истинности преобразователя двоично-десятичного кода
в код семисегментного индикатора
40
А0
А1
А2
А3
0
0
0
0
1
0
0
0
0
1
0
0
1
1
0
0
0
0
1
0
1
0
1
0
0
1
1
0
1
1
1
0
0
0
0
1
1
0
0
1
0
1
0
1
1
1
0
1
0
0
1
1
1
0
1
1
0
1
1
1
1
1
1
1
Контрольные вопросы
1. Что такое преобразователь кода?
2. Что такое дешифратор?
3. Составьте логические функции для каждого из выходов дешифратора (рис. 9.1) на основании полученных данных из таблицы
9.2 и нарисуйте по ним логическую схему этого дешифратора.
Лабораторная работа № 10.
Мультиплексор и демультиплексор
Цель работы – изучение принципа работы и тестирование преобразователя кода и дешифратора.
Таблица 10.1
Оборудование и приборы (блоки)
Наименование
Однофазный источник питания
Блок испытания цифровых
устройств
Набор цифровых миниблоков
Тип
Параметры
218.2
~ 220 В, 16 А
219
Индикаторы и источники
логических сигналов.
Питание +5 В / 1 А
600.11.2
20 миниблоков
Содержание работы
1. Изучить принцип работы и назначение мультиплексора и демультиплексора.
2. Экспериментально определить соответствие между адресами
и входами мультиплексора.
3. Реализовать с помощью мультиплексора логическую функцию двух переменных.
4. Протестировать работу демультиплексора.
Теоретические сведения
Мультиплексор – устройство, подключающее один из входов D0,
…, D3 к единственному выходу, т. е. «переключатель». Номер выбранного входа задается двоичным числом на входах А0 и А1.
С помощью мультиплексора можно реализовать произвольную
логическую функцию с числом аргументов, равным числу адресных
входов. Таким образом, показанный на рис. 10.1 мультиплексор позволяет реализовать любую логическую функцию двух переменных
y = f(x0, x1). При этом адресные входы необходимо рассматривать
41
как аргументы функции. Все возможные варианты логических
функций сведены в табл. 10.2. (Данная таблица в точности соответствует табл. 6.3 в лабораторной работе № 6.)
D 0 MS
D1
D2
D3
A0
A1
Рис. 10.1. Условное обозначение мультиплексора
Таблица 10.2
Логическая функция одной переменной
Аргумент x1
0
0
1
1
Аргумент x0
0
1
0
1
Входы
мультиплексора
D0
D1
D2
D3
f0
f1
f2
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
1
0
f3
f4
f5
f6
0
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
1
1
0
1
0
f7
f8
f9
0
1
1
1
0
0
1
0
0
1
0
1
f10
f11
1
1
0
0
1
1
0
1
f12
f13
f14
f15
1
1
1
1
1
1
1
1
0
0
1
1
0
1
0
1
Функции
f(x0, x1)
42
Название функции
Константа 0
Конъюнкция (И)
Неравнозначность
(Исключающее ИЛИ)
Дизъюнкция (ИЛИ)
Стрелка Пирса (ИЛИ-НЕ)
Равнозначность
(Исключающее ИЛИ-НЕ)
Штрих Шеффера (И-НЕ)
Константа 1
A1
A2
DMX
0
1
2
E
3
Рис. 10.2. Условное обозначение демультиплексора
Демультиплексор – устройство, у которого сигнал с единственного входа подключается к одному из его выходов. Номер выхода определяется двоичным числом на входе адреса. Обозначение демультиплексора (DMX) приведено на рис. 10.2.
При выполнении работы в качестве демультиплексора используется дешифратор с входом разрешения. Адрес одного из выходов 0,
…, 3 определяет двоичное число на адресных входах А0 (младший
разряд числа) и А1 (старший разряд числа). В качестве входа мультиплексора используется вход разрешения Е дешифратора: сигнал
на выбранном выходе повторяет сигнал на входе Е. На других выходах сохраняется 1.
Порядок выполнения работы
А. Тестирование мультиплексора
Задача эксперимента состоит в том, чтобы определить, какой
адрес соответствует каждому из входов мультиплексора.
1. Собрать схему для тестирования мультиплексора (рис. 10.3).
Адресные входы мультиплексора А0 и А1 подключить к тумблерам
источника сигналов, вход D0 подключить к верхней кнопке источника логических сигналов, оставшиеся входы подключить к шине питания миниблока 16 (+5 В или 0). Верхняя кнопка в отжатом состоянии обеспечивает логический 0, а в нажатом – логическую 1. Выход
мультиплексора соединить с индикатором логических уровней.
2. После сборки и проверки схемы подать питание на стенд и
блок испытания цифровых устройств.
3. Тумблерами 0 и 1 задать первый адрес: А0 = 0, А1 = 0. Затем
нажимать на кнопку источника логических сигналов и следить за
изменением сигнала на выходе. Если сигнал изменяется, значит текущий адрес соответствует подключенному к кнопке входу. Если же
43
изменений нет, то следует задать следующий адрес (А0 = 1, А1 = 0)
и повторить те же действия. Так до тех пор, пока не отыщется нужный адрес для испытываемого входа. Правильный адрес для данного входа записать в табл. 10.3.
4. После идентификации первого входа обесточить блок, подключить вход D0 к шине питания, а вход D1 – к кнопке. Повторить
все действия, описанные в пункте 3 для входа D1, а затем для оставшихся входов.
ТТЛ 5В
1
КМОП 5В
0
ИСТОЧНИК ЛОГИЧЕСКИХ
СИГНАЛОВ ТТЛ
1
0
0
1
0
1
0
1
0
1
100 Гц
10 Гц
D 0 MS
D1
D2
D3
A0
A1
1
0
0
1
2
3
1 Гц
1
0
Рис. 10.3. Схема для тестирования мультиплексора
Таблица 10.3
Тестирование мультиплексора
D0
А0
А1
44
D1
D2
D3
Б. Тестирование логической функции двух переменных, реализованной с помощью мультиплексора
Эксперимент можно выполнить двумя способами. Первый способ – по таблице истинности составить функцию двух переменных,
затем экспериментально ее проверить и заполнить таблицу истинности.
Второй способ – в произвольном порядке подключить входы к шинам питания, заполнить таблицу истинности для получившейся
функции и соотнести результат с табл. 10.2 (номер реализованной
функции f0 … f15 и название, если имеется для данной функции).
1. Собрать схему тестирования мультиплексора, приведенную
на рис. 10.4. Тумблерами 0 и 1, подключенными к входам А0 и А1,
ТТЛ 5В
1
КМОП 5В
0
y = f(x0 x1, ...)
Каждый из входов D0, D1, D2, D3
подключаются к 0 (нулевая шина)
или 1 (+5 В), в зависимости
от реализуемой функции
ИСТОЧНИК ЛОГИЧЕСКИХ
СИГНАЛОВ ТТЛ
1
0
0
1
0
1
0
1
0
1
100 Гц
10 Гц
1
0
0
1
x0
D 0 MS
D1
D2
D3
A0
A1
+5 B
R = 1 кОм
x1
2
3
1 Гц
1
0
Рис. 10.4. Схема для тестирования функции двух переменных,
реализованной с помощью мультиплексора
45
задавать номер входа мультиплексора D0, … ,D3. Сигнал на выходе мультиплексора определять по индикатору логических уровней.
Каждый из входов мультиплексора D0, …, D3 подключитьк 0 или 1
в соответствии с таблицей истинности реализуемой функции (0 соответствует нулевому проводу миниблока 16, 1 соответствует шине +5 В). Сигнал на выходе определять по индикатору логических
уровней.
2. После сборки и проверки схемы подать питание на стенд и
блок испытания цифровых устройств.
3. Заполнить таблицу истинности по проведенному эксперименту (табл. 10.4).
В. Тестирование демультиплексора
1. Собрать схему по рис. 10.5. Вход разрешения E подключить
к нижней кнопке источника логических сигналов (отжатая кнопка –
1, нажатая – 0). Тумблеры 0 и 1 подключить к адресным входам.
Выходы демультиплексорасоединить с индикаторами миниблока 5.
2. После сборки и проверки схемы подать питание на стенд и
блок испытания цифровых устройств.
3. Задавать поочередно адреса выходов (адреса выходов демультиплексора аналогичны адресам входов мультиплексора), кнопкой
логических сигналов менять сигнал на входе Е и наблюдать за изменением сигнала на выходе. В таблицу 10.3 записать, какой адрес
соответствует каждому выходу.
4. По окончании работы обесточить блок испытания цифровых
устройств и выключить автомат, питающий стенд.
Таблица 10.4
Таблица истинности для функции двух переменных,
реализованной с помощью мультиплексора
№ функции
Наименование
D0
D1
D2
D3
Таблица 10.5
Соответствие адресных входов и выходов демультиплексора
№ выхода
Адрес
46
0
А0
А1
1
2
4
ТТЛ 5В
1
КМОП 5В
0
ИСТОЧНИК ЛОГИЧЕСКИХ
СИГНАЛОВ ТТЛ
1
0
0
0
1
1
0
0
1
1
0
1
100 Гц
10 Гц
0
1
1
A2
1
0
A 1 DC 0
2
E
3
2
3
2
3
1 Гц
1
0
Рис. 10.5. Схема тестирования демультиплексора
Контрольные вопросы
1. Что такое мультиплексор?
2. Что такое демультиплексор?
3. Нарируйте схему 4-канального мультиплексора с 2-разрядным управляющим адресным кодом, используя только базовые логические элементы.
47
Лабораторная работа № 11.
Триггеры
Цель работы – изучение устройства и принципа работы асинхронных и синхронных триггеров и тестирование трех видов триггеров.
Таблица 11.1
Оборудование и приборы (блоки)
Наименование
Тип
Параметры
Однофазный источник питания
218.2
~ 220 В, 16 А
219
Индикаторы и источники
логических сигналов.
Питание +5 В/1 А
600.11.2
20 миниблоков
Блок испытания цифровых
устройств
Набор цифровых миниблоков
Содержание работы
1. Изучить принцип работы и применениетриггеров.
2. Протестировать работу асинхронного RS-триггера.
3. Протестировать работу синхронного D-триггера
4. Протестировать работу синхронного T-триггера.
Теоретические сведения
Триггер – последовательностное устройство, имеющее два устойчивых состояния и способное переключаться из одного состояния в
другое под воздействием внешних сигналов. При отсутствии внешних сигналов триггер сохраняет свое состояние, что обуславливает
его применение в качестве элемента памяти емкостью 1 бит.
В общем случае триггеры различных типов содержат элемент
памяти и разнообразные комбинационные схемы формирования
сигналов управления. Элемент памяти состоит из двух инверторов
(элемент НЕ), охваченных глубокой положительной связью, поэтому переход из одного состояния в другое происходит лавинообразно
за очень короткое время.
В работе тестируются асинхронные RS триггеры и синхронные
D, Tтриггеры.
RS триггер – триггер с раздельной установкой состояния логического нуля и логической единицы. Общее обозначение варианта RS триггера, реализованного на элементах ИЛИ-НЕ, показано
на рис. 11.1.
48
S
S
R
T
1
Q
Q
1
R
Q
Q
Рис. 11.1. Асинхронный RS триггер: Q – прямой выход триггера;
Q – инверсный выход триггера. Состояние инверсного выхода всегда
противоположно состоянию прямого выхода Q; S – вход установки 1
на прямом выходе (Set); R – вход установки 0 на прямом выходе
Переключение на 0 или на 1 происходит при подачи логической 1 на соответствующий вход (S или R).
Данный RS триггер является асинхронным одноступенчатым
триггером, переключение которого происходит непосредственно
в момент изменения входных сигналов.
Таблица 11.2
Переходы RS триггера
R
S
Qn+1
0
0
Qн
1
0
0
0
1
1
1
1
Неопределенно
В таблице Qн и Qn+1 обозначают, соответственно, текущее и последующее состояние триггера. Логическая функция переходов
RSтриггера на элементах ИЛИ-НЕ имеет вид
Qn+1 = S ∨ R ⋅ Qn .
При R = S = 1 оба выхода триггера равны 0. После одновременной
установки R = S = 0 состояние триггера неопределенно, возможно,
как 1, так и 0. Поэтому, недопустимо подавать одновременно на два
входа 1.
D триггер – триггер задержки (Delay), передающий информацию
с входа на выход в момент появления синхронизирующего (тактирующего) импульса. В комплект миниблоков включен синхронный D
триггер, выполненный на микросхеме 1533ТМ2 (74ALS74).
49
S
TT
Q
D
C
Q
R
Рис. 11.2. Синхронный D триггер: Q и Q – прямой и инверсный выходы
триггера; D – информационный (Data) вход триггера; C – вход
синхронизации (Clock) триггера. Черточка / на выводе входа C означает,
что запись информации в триггер с входа D происходит при переходе
сигнала синхронизации из 0 в 1, т. е. при нарастании сигнала, его
положительном перепаде; S – асинхронный вход установки 1 на прямом
выходе независимо от состояния сигналов C и D; R – асинхронный вход
установки 0 на прямом выходе независимо от состояния сигналов C и D
Так как оба входа инверсные, то установка на 1 или 0 происходит
при подаче 0 на соответствующий вход. Аналогично асинхронному
RS триггеру недопустимо подавать 0 одновременно на оба входа, так
как после установки 1 на оба входа, на выходе состояние будет неопределенно.
Для того, чтобы нормально использовать информационный вход D,
на асинхронные входы нужно подавать сигнал 1 (S = R = 1).
Таблица 11.3
Переход выходного сигнала при положитльном перепаде C
D
Qn
Qn+1
0
0
0
0
1
0
1
0
1
1
1
1
T триггер – триггер со счетным входом, изменяющий свое состояние на противоположное при подаче управляющего импульса (или
фронта импульса). В работе тестируется T триггер, созданный на основе D триггера. Соединение инверсного выхода Q с информацион50
S
TT
S
Q
TT
Q
D
T
Q
R
T
C
Q
R
Рис. 11.3. T триггер, собранный на базе D триггера: Q и Q – прямой и
инверсный выходы триггера; Т – счетный вход (Toggle) триггера. Смена
состояний триггера происходит при положительном перепаде сигнала
на входе Т; S – асинхронный вход установки 1 на прямом выходе
независимо от сигнала Т; R – асинхронный вход установки 0 на прямом
выходе независимо от сигнала Т
ным входом D приводит к тому, что триггер меняет свое состояние
при каждом положительном перепаде сигнала на входе синхронизации C.
Так как оба входа инверсные, то установка на 1 или 0 происходит
при подаче 0 на соответствующий вход. Аналогично асинхронному
RS триггеру недопустимо подавать 0 одновременно на оба входа, так
как после установки 1 на оба входа, на выходе состояние будет неопределенно.
Для того, чтобы нормально использовать информационный вход D,
на асинхронные входы нужно подавать сигнал 1 ( S = R = 1).
Порядок выполнения работы
А. Тестирование RS-триггеров
1. Собрать схему для тестирования RS триггеров (рис. 11.4).
По схеме видно, что индикатор 2 показывает прямой выход триггера,
а индикатор 3 – инверсный. Тумблерами 2 и 3 задаются сигналы на
асинхронных входах. Перед включением выставить оба сигнала 0.
2. После сборки и проверки схемы подать питание на стенд и
блок испытания цифровых устройств.
3. С помощью табл. 11.1 протестировать работу триггера и убедиться, что они работают в соответствии с описанием. Задать на оба
входа триггера 1, и проследить за результатом, затем одновременно
переключить оба тумблера на 0.
51
ТТЛ 5В
1
КМОП 5В
0
ИСТОЧНИК ЛОГИЧЕСКИХ
СИГНАЛОВ ТТЛ
1
0
1
0
0
1
1
0
1
0
1
100 Гц
10 Гц
0
0
1
2
3
S
R
1
Q
0
1
Q
1
2
3
1 Гц
1
0
Рис. 11.4. Схема для тестирования RS триггера
Б. Тестирование D триггера
1. Собрать схему для тестирования D триггера (рис. 11.5). Перед
включением выставить оба сигнала 1. Кнопку источника логических сигналов соединить с входом синхронизации C. Каждое нажатие кнопки – это положительный перепад, т. е. условие для записи
сигнала с входа D.
2. После сборки и проверки схемы подать питание на стенд и
блок испытания цифровых устройств.
3. Первую часть эксперимента провести по аналогии с RS триггером. Для задания сигналов использовать табл. 11.2. При установке
триггера в 0 и 1 изменить сигналы навходе Dи C и проследить, будут
ли изменения на выходе.
4. Установить на входах асинхронных входах R = S = 1. Убедиться, что на прямом выходе 0, на инверсном – 1. Если нет, то обнулить
триггер (выключить и снова включить питание блока). На D уста52
ТТЛ 5В
1
КМОП 5В
0
ИСТОЧНИК ЛОГИЧЕСКИХ
СИГНАЛОВ ТТЛ
1
0
0
1
0
1
C
1
0
0
S
C
1
0
1
0
1
100 Гц
10 Гц
S TT
D
R
R
Q
Q
0
1
2
3
2
3
1 Гц
+5 B
R = 1 кОм
1
0
Рис. 11.5. Схема для тестирования D триггера
новить 0, нажать на кнопку C, затем поменять сигнал на входе D и
снова нажать кнопку C. Проследить изменения на выходе триггера.
5. При наличии 1 на прямом выходе переключить тумблер R
или S, проследить за результатом.
В. Тестирование T триггера
1. Собрать схему для тестирования Т триггера (рис. 11.6). Перед
включением выставить оба сигнала 1. Кнопку источника логических сигналов соединить с входом синхронизации C. Каждое нажатие кнопки – это положительный перепад, т. е. условие для записи
сигнала с входа D. Как видно на схеме – сигнал D снимается с инверсного выхода триггера.
2. После сборки и проверки схемы подать питание на стенд и
блок испытания цифровых устройств.
3. Нажать несколько раз на кнопку С, проследить закономерность
изменения сигнала на прямом выходе. Затем установить триггер
53
ТТЛ 5В
1
КМОП 5В
0
ИСТОЧНИК ЛОГИЧЕСКИХ
СИГНАЛОВ ТТЛ
1
0
0
1
0
1
C
1
0
0
S
D
1
0
1
0
1
100 Гц
R
S TT
D
C
Q
0
1
Q
2
R
3
2
3
10 Гц
1 Гц
+5 B
R = 1 кОм
1
0
Рис. 11.6. Схема для тестирования D триггера
на 0 ил 1 с помощью асинхронного входа, снова нажать на кнопку и
проследить, будут ли изменения.
4. Для каждого из трех экспериментов в отчете предоставить
таблицы срабатывания триггеров. Для Т и D триггеров заполнить
табл. 11.4 (для T триггера вход D определяется по инверсному
выходу Q.
Таблица 11. 4
Схема тестирования D триггера (T триггера)
R
54
S
D/(T)
C (нажимается/
не нажимается)
Qn
Qn+1
Контрольные вопросы
1. Что такое триггер?
2. Объясните различие между собой T-триггера и D-триггера;
3. Как реализовать T-триггер на базе D-триггера?
4. Нарисуйте асинхронный RS-триггер реализованный на элементах Шеффера.
Лабораторная работа № 12.
Регистры
Цель работы – изучение структур и назначений параллельного и
сдвигового регистров.
Таблица 12.1
Оборудование и приборы (блоки)
Наименование
Тип
Параметры
Однофазный источник питания
218.2
~ 220 В, 16 А
219
Индикаторы и источники
логических сигналов.
Питание +5 В/1 А
600.11.2
20 миниблоков
Блок испытания цифровых
устройств
Набор цифровых миниблоков
Содержание работы
1. Изучить принцип работы и назначение регистра.
2. Протестировать работу параллельного регистра.
3. Протестировать работу сдвигового (последовательного) регистра.
4. Провести сравнительный анализ работы параллельного и сдвигового регистров.
Теоретические сведения
Регистром называется последовательностное устройство, предназначенное для записи, хранения и/или сдвига информации, представленной в виде многоразрядного двоичного кода. В работе тестируются однофазные параллельный и последовательный(сдвиговый)
регистры, выполненные на D-триггерах.
В параллельных регистрах (регистрах хранения) данные записываются и считываются одновременно во всех разрядах. Пример
обозначения четырехразрядного параллельного регистра показан
на рис. 12.1.
Логическая схема четырехразрядного параллельного регистра,
выполненного на D-триггерах, приведена на рис. 12.2.
55
D0
D1
D2
D3
C
RG
Q0
Q1
Q2
Q3
Рис. 12.1. Параллельный четырехразрядный регистр
Рис. 12.2.Логическая схема параллельного регистра
Двоичный код, установленный на входах D0, …, D3, записывается в триггеры регистра при положительном перепаде на входе C,
и сохраняется в регистре до следующей операции записи. Записанный в регистр код может быть считан с прямых выходов триггеров
Q0, …, Q3. Для нормальной работы триггеров регистра необходимо
условие S = R = 1 (вспомните принцип работы D триггера).
В сдвиговом (последоваетльном) регистре триггеры соединены
последовательно, т. е. информация с выхода триггера передается на
вход следующего тригеера. Пример обозначения четырехразрядного сдвигового регистра приведен на рис. 12.3, а логическая схема
сдвигового регистра на рис. 12.4.
При отсутствии сигнала синхронизации на входе C триггеры регистра сохраняют свое состояние, которое может быть считано с выходов регистра Q0, …, Q3. Данные с прямого выхода каждого триггера поступают на вход D следующего триггера.
При положительном перепаде импульса синхронизации на
входе C в каждый триггер записывается состояние предыдущего
триггера, т. е. данные сдвигаются на 1 разряд (на рис. 12.4 – вправо). В первый триггер регистра записываются данные с входа D.
Следующий синхронный импульс сдвигает данные еще на один
56
D
RG Q0
Q1
Q2
C
Q3
Рис. 12.3. Обозначение четырехразрядного сдвигового регистра
Рис. 12.4. Логическая схема сдвигового регистра на D триггерах
разряд. С последнего триггера предыдущая информация просто
стирается.
Для нормальной работы триггеров необходимо условие S = R = 1.
Порядок выполнения работы
А. Тестирование параллельного регистра
1. Собрать схему для тестирования параллельного регистра
(рис. 12.5). Тумблеры логических сигналов 0, …, 3 соединить с информационными входами D. Кнопку источника логических сигналов параллельно соединить с входами синхронизации C триггеров.
Асинхронные входы R и S замкнуть на +5В (логическая 1).
2. После сборки и проверки схемы подать питание на стенд и
блок испытания цифровых устройств.
3. Протестировать работу регистра. Для этого тумблерами 0, …,
3 задать различные сигналы. Затем нажать на кнопку синхронизирующего сигнала C и по индикаторам логических уровней миниблока 5 определить сигналы на выходах Q0, …, Q1. С помощью тумблеров и сигнала синхронизации задать некоторое выходное значение
регистра (например, 1101). Записать в протокол полученное число,
количество тумблеров и число нажатий на кнопку синхронизации.
4. По завершении испытания выключить питание блока.
57
ТТЛ 5В
1
КМОП 5В
0
ИСТОЧНИК ЛОГИЧЕСКИХ
СИГНАЛОВ ТТЛ
1
0
0
1
0
1
0
1
0
1
100 Гц
0
1
2
3
C
1
0
S
0
1
TT
S
TT
S
TT
TT
S
D
D
D
D
C
C
C
C
R
R
R
R
2
+5 B
3
10 Гц
R = 1 кОм
1 Гц
1
0
Рис. 12.5. Схема для тестирования параллельного регистра
ТТЛ 5В
1
КМОП 5В
0
ИСТОЧНИК ЛОГИЧЕСКИХ
СИГНАЛОВ ТТЛ
1
0
0
1
0
1
0
1
0
1
100 Гц
10 Гц
1
0
0
1
2
3
C
S
0
1
2
3
TT
S
TT
S
TT
TT
S
D
D
D
D
C
C
C
C
R
R
R
R
+5 B
R = 1 кОм
1 Гц
1
0
Рис. 12.6. Схема для тестирования сдвигового регистра
58
Б. Тестирование сдвигового регистра
1. Не разбирая схему предыдущего опыта настроить схему испытания сдвигового регистра. Для этого отсоединить провод от тумблера 1
и присоединить этот конец к неинверсному выходу Q0 первого триггера. Аналогично, провод второго тумблера переподключить к выходу
Q1 второго триггера, а третьего тумблера – к выходу Q2 третьего триггера. Схема, которая должна получиться изображена на рис. 12.6.
2. После сборки и проверки схемы подать питание на стенд и
блок испытания цифровых устройств.
3. Освоить работу сдвигового регистра. Для этого задавать различные значения входного сигнала тумблером 0, и после каждого
изменения нажимать синхронизирующий сигнал. В качестве отчета задать число, кторое было набрано в предыдущем опыте. Описать
последовательность действий для получения этого числа (последовательность значений тумблера и количество нажатий синхронизирующего сигнала С).
4. По завершении работы обесточить стенд и рабобрать схему.
Контрольные вопросы
1. В чём заключается отличие параллельного регистра от последовательного (сдвигового)?
2. Для чего предназначен синхровход «C»?
3. Начиная с какого разряда (старшего или младшего) происходит подача входной кодовой комбинации на сдвиговый регистр изображённый на рис. 12.4?
Лабораторная работа № 13.
Счетчики
Цель работы – изучение типов, структур и назначений счетчиков.
Таблицв 13.1
Оборудование и приборы (блоки)
Наименование
Тип
Параметры
Однофазный источник питания
218.2
~ 220 В, 16 А
219
Индикаторы и источники
логических сигналов.
Питание +5 В / 1 А
600.11.2
20 миниблоков
Блок испытания цифровых
устройств
Набор цифровых миниблоков
59
Содержание работы
1. Изучить принцип работы и назначение регистра.
2. Протестировать работу параллельного регистра.
3. Протестировать работу сдвигового(последовательного) регистра.
4. Провести сравнительный анализ работы параллельного и сдвигового регистров.
Теоретические сведения
В работе тестируются четырехразрядные двоичные суммирующий и вычитающий счетчики, двоично-десятичный счетчик и двоично-десятичный реверсивный счетчик.
Двоичный суммирующий асинхронный счетчик собирается на
базе T-триггеров по логической схеме, приведенной на рис. 13.1. Как
уже известно Tтриггер строится на базе D триггера. Для этого с инверсного выхода Q сигнал подается обратно на информационный
вход D. Положительный перепад на синхронизирующем входе C
увеличивает содержимое счетчика на 1.Переход любого триггера
счетчика из состояния 1 в 0 приводит к появлению положительного
перепада на инверсном выходе Q , что приводит к переключению
триггера следующего разряда.
Для нормальной работы счетчика на синхронных входах Q и S
триггеров должна быть установлена логическая 1. Переход сигнала 0
на одной из этих шин немедленно приводит счетчик в состояние
010= 00002 (вход R) или 1510 = 11112 (вход S) и блокирует счет. Счет
возобновится после восстановления S = R = 1.
Одновременно с увеличением числа на прямых выходах триггеров счетчика, двоичное число на инверсных выходах триггеров
убывает от 1510 = 11112 до 010 = 00002, т. е. относительно инверсных
выходов счетчик можно рассматривать как вычитающий.
Рис. 13.1. Структурная схема двоичного суммирующего счетчика
60
Двоично-десятичный счетчик создан на основе двоично-суммирующего счетчика. Дополнительная комбинационная логическая
цепь выявляет появление в счетчике числа 1010 = 10102 и сбрасывает счетчик в состояние 0. Затем счет начинается заново.
Для нормальной работы счетчика на синхронных входах R и S
триггеров должна быть установлена логическая 1. Установка 0 на
входе R приводит к сбросу счетчика, т. е. переводит его в состояние
010 = 00002.
Структурная схема двоично-десятичного счетчика представлена
на рис. 13.2. Как видно по схеме, на элемент И-НЕ поступает сигнал
с разрядов 2 и 8. Когда счетчик доходит до числа 1010 = 10102, то на
входах элемента И-НЕ обе единицы, что после отрицания результата дает 0. Тогда этот 0 поступает на элемент И, задает 0 на выходе
элемента и нулевой сигнал подается на асинхронные входы R. Таким образом при достижении числа 10, счетчик сбрасывается на
ноль.
Двоично-десятичный реверсивный счетчик выполнен на микросхеме 1533ИЕ6 (74ALS192), условное изображение которой приведено на рис. 13.3.
Положительный перепад на входе «+1» (при сигнале 1 на входе
«+1») увеличивает содержимое счетчика, а положительный перепад
на входе «-1» (при сигнале 1 на входе «+1) – уменьшает. При подаче 1
на входы сброса R счетчик обнуляется. Если содержимое счетчика
равно 910 = 10012, то положительный перепад на входе «+1» переводит счетчик в состояние 010 = 00002, и на выходе переноса «+1» появляется положительный перепад, который добавляет 1 в счетчик
старшего разряда.
При уменьшении содержимого счетчика, находящегося в состоянии 010 = 00002, счетчик переходит в состояние 910 = 10012 и на
выходе «-1» формируется сигнал 1 для счетчика старщего порядка.
Рис. 13.2. Структурная схема двоично-десятичного счетчика
61
+1
–1
1
2
4
8
R
+1
–1
Рис. 13.3. Двоично-десятичный реверсивный счетчик
Порядок выполнения работы
А. Тестирование двочного суммирующего счетчика
1. Собрать схему для тестирования двочного суммирующего счетчика(рис. 13.4). Схему собирать по сплошным линиям (пунктирные
относятся к следующему пункту работы). Тумблеры логических
сигналов 0 и 2 соединить с асинхронными входами R и S. На S всегда подавать единицу, так как установка 0 приведет к неопределенному состоянию счетчика. Сигналом 0 на входеR можно обнулять
счетчик. Положительный перепад на входе C (обеспечивается нажатием кнопки) добавляет единицу в счетчике. По схеме триггер 1 –
это самый младдший разряд, 4 – старший.
ТТЛ 5В
1
КМОП 5В
0
ИСТОЧНИК ЛОГИЧЕСКИХ
СИГНАЛОВ ТТЛ
1
0
0
1
0
1
0
1
0
1
100 Гц
10 Гц
0
1
2
3
C
1
1
0
0
1
S
D
TT
2
S
D
TT
3
S
D
TT
4
S
D
C
C
C
C
R
R
R
R
TT
2
+5 B
3
R = 1 кОм
1 Гц
1
0
Рис. 13.4. Схема для тестирования двоичного суммирующего счетчика
62
2. После сборки и проверки схемы подать питание на стенд и
блок испытания цифровых устройств.
3. Протестировать работу счетчика. Заполнить таблицу работы
счетчика (табл. 13.2). В столбце «Выходы Q» заносить логическое
состояние 0 или 1 на выходах триггеров после каждого нажатия
кнопки.
4. По завершении испытания выключить питание блока.
Таблица 13.2
Тестирование двоичного суммирующего счетчика
Десятичное
число
Выходы Q
23 =
8
22 =
21 = 2
4
20 = 1
Б. Тестирование двочного вычитающего счетчика
1. Для построения схемы двоичного вычитающего счетчика необходимо соединить входы счетчиков с неинверсными выходами
счетчиков предыдущих порядков. На рис. 13.4 пунктиром показано, как необходимо соединить входы и выходы триггеров (т. е., от
инверсного выхода отсоединить провод и подключить его к неинверсному).
2. После сборки и проверки схемы подать питание на стенд и блок
испытания цифровых устройств.
3. Протестировать работу вычитающего двоичного счетчика и полученные данные занести в табл. 13.3.
4. После завершения работы выключить питание блока испытания цифровых устройств.
Таблица 13.3
Тестирование двоичного суммирующего счетчика
Десятичное
число
Выходы Q
23 = 8
22 = 4
21 = 2
20 = 1
63
В. Тестирование двочно-десятичного счетчика
1. На рис. 13.5 приведена схема тестирования двоично-десятичного счетчика. Сплощными линиями показано соединения для суммирующего счетчика, а пунктирными – для вычитающего. В комплекте имеется только один миниблок двоично-дестичного счетчика, потому для проверки передачи сигнала в старший разряд можно
подкючить вольтметр на вход «+1» (для суммирующего) или «–1»
(для вычитающего) счетчиков, нулевой провод соединить с «землей» миниблока 16. Предел измерений – 20 В.
2. После сборки и проверки схемы подать питание на стенд и
блок испытания цифровых устройств.
3. Протестировать работу суммирующего двоично-десятичного
счетчика и полученные данные занести в табл. 13.4.
4. Изменить схему для испытания вычитающего счетчика и аналогично протестировать его работу (данные записать в табл. 13.4).
5. После завершения работы выключить питание блока испытания цифровых устройств.
ТТЛ 5В
1
КМОП 5В
0
ИСТОЧНИК ЛОГИЧЕСКИХ
СИГНАЛОВ ТТЛ
1
0
0
1
0
1
0
1
0
1
100 Гц
10 Гц
С
1
0
0
R
+1 СТ 1
10 2
–1
4
8
R
+1
–1
A0 DC
A1
A2
A3
DP
1
2
3
1 Гц
+5 B
R = 1 кОм
1
0
Рис. 13.5. Схема тестирования двоично-десятичного счетчика
64
Таблица 13.4
Тестирование двоичного суммирующего счетчика
Номер
измерения
Выходы Q
23 =
8
22 =
4
21 = 2
20 = 1
Десятичное
число
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Контрольные вопросы
1. Как получить из двоичного суммирующего асинхронного
счетчика вычитающий?
2. Что такое двоично-десятичный счетчик?
3. Нарисуйте схему электрическую функциональную двоичного
реверсивного счётчика.
65
3. АНАЛОГОВЫЕ
И АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА
В данном разделе содержатся работы, связанные с устройствами,
которые преобразуют аналоговые и аналого-цифровые сигналы.
В отличие от дискретных сигналов, которые имеют конкретное логическое состояние (0 или 1), аналоговые сигналы представляют собой непрерывную функцию.
В разделе рассмотрены операционный усилитель, компаратор,
собранный на базе оперционного усилителя, цифро-аналоговые
(ЦАП) и аналого-цифровые (АЦП) преобразователи.
Все испытания проводятся на наборном поле блока испытания
цифровых устройств, как и работы в предыдущем разделе.
Для лучшего понимания материала желательно иметь базовые
знания по электротехнике и электронике.
Лабораторная работа № 14.
Испытание операционного усилителя
Цель работы – изучение принципа действия и схем подключения операционного усилителя и испытание устройства в качестве
усилителя и в качестве компаратора
Таблица 14.1
Оборудование и приборы (блоки)
Наименование
Тип
Параметры
Однофазный источник питания
218.2
~ 220 В, 16 А
219
Индикаторы и источники
логических сигналов.
Питание +5 В/1 А
Блок испытания цифровых
устройств
Набор цифровых миниблоков
Блок мультиметров
600.11.2
20 миниблоков
509.3
Мультиметры MY60
и MY65
Содержание работы
1. Изучить принцип работы и назначение операционного усилителя.
2. Протестировать работу операционного усилителя в режиме
усиления.
3. Протестировать работу операционного усилителя в режиме
компаратора.
66
Теоретические сведения
Усилитель – это устройство, усиливающее сигналы за счет внешнего источника питания.
В автоматических системах контроля и управления используют электронные операционные усилители, выполненные обычно на
микросхемах. Это усилители постоянного тока, обладающие очень
большим усилением и имеющие дифференциальный вход, т. е. фактически устройство имеет два входа – прямой и инверсный (обозначается кружком). Входное напряжение обычно прикладывается
между одним из входов и нулевой точкой усилителя. Выходной сигнал также снимается относительно нулевой точки.
Важнейшая характеристика усилителя – коэффициент усиления KU, равный отношению напряжения на выходе усилителя Uвых
к напряжению на его входе Uвх. Если напряжение подается на прямой (неинвертирующий) вход, то
Uвых = KU·Uвх1,
(1)
если на инвертирующий, то
Uвых = –KU·Uвх2,
(2)
а если на оба входа сразу, то
Uвых = KU· (Uвх1 – Uвх2),
(3)
где Uвых – выходное напряжение, Uвх1 – напряжение прямого входа, Uвх2 – напряжение инверсного входа.
Коэффициент усиления операционного усилителя можно регулировать, введя отрицательную обратную связь с выхода на инверсный вход. Подача выходного напряжения на вход частично
подавляет входной сигнал, поэтому такая связь называется отрицательной. Нужный коэффициент усиления устанавливается изменением сопротивления одного из резисторов цепи обратной связи.
С достаточной точностью можно считать, что коэффициент усиления
а)
б)
Инверсный
вход
Uвх2
Uвх1
Прямой
вход
в)
R2
Выход
R2
Uвых
+
–
Нулевая
точка
Uпитания
Uвх
R1
Uвых
+
–
R1
Uвх
Uвых
+
–
Рис. 14.1. Операционные усилители: графическое обозначение (а);
инвертирующий (б) инеинвертирующий (в) усилители с обратной связью
67
с обратной связью KUос при подаче вхоного на пряжения на инверсный вход равен KUос = R2/R1, а при подаче на прямой вход
KUос = 1 + R2/R1. При выполнении эксперимента входное напряжение подается на прямой вход усилителя (рис. 14.1, в).
Зависимость выходного напряжения от входного называется амплитудной характеристикой усилителя (рис. 14.2).
На характеристике выделены три зоны: А, В и С. Зона А соответствует входному сигналу, близкому к нулю, но напряжение на
выходе усилителя отлично от нуля – оно равно так называемому
напряжению шумов. В зоне В амплитудная характеристика усилителя линейна. В зоне С начинается насыщение усилителя: напряжение на его выходе приближается к напряжению источника
питания, а коэффициент усиления падает. При выполнении эксперимента опытным путем определяется и строится амплитудная характеристика реального операционного усилителя.
Операционные усилители с большим коэффициентом усиления
и без обратной связи широко испольуются в автоматических системах в качестве компаратора – устройства сравнения напряжений.
Если на входы такого усилителя подать два напряжения, то в соответствии с уже приводившейся формулой Uвых = KU· (Uвх1 – Uвх2)
напряжение на выходе будет зависеть от разности входных сигналов. При очень большом коэффциенте усиления даже очень маленькая разница напряжений выведет усилитель в состояние насыщения. Если теперь одно напряжение будет становиться то чуть
больше, то чуть меньше другого, выходной сигнал будет скачком
меняться от напряжения питания до нуля и наоборот. Таким обраUвых
Uпит
С
В
А
0
Uв min
Uв max
Рис. 14.2. Амплитудная характеристика усилителя
68
зом, компаратор практически фиксирует момент равентсва напряжений на его входах.
Порядок выполнения работы
А. Тестирование неинвертирующегооперационного усилителя
1. Собрать схему для тестирования неинвертирующего операционного усилителя (рис. 14.3). Пунктиром показаны точки подключения мультиметра: 1 – инвертирующий вход, 2 – прямой вход, 3 –
выход. Напряжение на прямом входе задается переменным резистором миниблока 13. Цепь отрицательной обратной связи образована
двумя резисторами миниблока 14.
2. После сборки и проверки схемы подать питание на стенд и
блок испытания цифровых устройств.
3. Повернуть ручку переменного резистора (потенциометра) до
упора против часовой стрелки, тем самым выставив напряжение
на входе усилителя равное нулю. Измерить напряжение на входе
и выходе усилителя, данные занести в табл. 14.2. Затем увеличить
ТТЛ 5В
1
КМОП 5В
0
100 кОм
5,5 мкФ
ИСТОЧНИК ЛОГИЧЕСКИХ
СИГНАЛОВ ТТЛ
0
1
0
1
0
1
0
1
100 Гц
1
0
100 кОм
1
0
0В
Предел 20 В
2,6 мкФ
0
2
3
4
1
1
2
5
0
1 кОм
0B
+5 B
1
A
mA COM
V
3
2
3
10 Гц
1
0
Рис. 14.3. Схема для тестирования
неинвертирующего операционного усилителя
69
напряжение на входе, снять 5–6 значений, включая максимальное
значение.
4. По данным тблицы построить экспериментальную амплитудную характеристику усидителя. Из формулы (1) выразить коэффициент усиления KUи расчитатьего по полученным данным. Данные
занести в табл. 14.2.
Таблица 14.2
Результаты измерений и вычислений
Uвх1
Uвых
K
Б. Тестирование аналогового компаратора
1. Собрать схему испытания компаратора на базе операционного усилителя, приведенную на рис. 14.4. В схеме присутствуют два
потенциометра: один задает напряжение на инверсном входе, а второй – на прямом. С выхода усилителя сигнал подается на индикатор
логических уровней. (Напомним, что уровень логической единицы
соответствует напряжению 2…5 В для элементов ТТЛ и 3,5…5 В для
элемнтов КМОП. Таким образом, для получения логической единицы необходимо, чтобы на выходе было положительное напряжение
соответствующей величины).
2. После сборки и проверки схемы подать питание на стенд и
блок испытания цифровых устройств.
3. Переменный резистор на инверсном входе установить в положение 2…4 В и измерить напряжение (точка 1). Переменный резистор на прямом входе установить в положение 0. Измерить выходное напряжение (точка 3) Uвых0.
4. Постепенно увеличить напряжение на прямом входе до момента включения индикатора логической единицы. Измерить и записать
напряжение на прямом входе U+01 (точка 2). Обратить внимание, что
напряжение на прямом входе несколько превышает напряжение инвертирующего входа. Это напряжение переключения из 0 в 1.
5. Уменьшать напряжение на прямом входе до переключения
в состояние 0. Зафиксировать значение напряжения на прямом входе U+10 (это напряжение переключения из 1 в 0).
70
ТТЛ 5В
1
КМОП 5В
0
ИСТОЧНИК ЛОГИЧЕСКИХ
СИГНАЛОВ ТТЛ
1
0
0
1
0
1
0
1
0
1
100 Гц
3
2
1
0
1
0
+5 B
2
3
4
1
1
2
5
0
1 кОм
0B
+5 B
Предел 20 В
R = 1 кОм
5
1 кОм
0B
0
+5 B
4
A
1
mA COM V
3
2
3
10 Гц
1
0
Рис. 14.4. Схема испытания аналогового компаратора
6. Вычислить гистерезис компаратора как разность между напряжением на прямом входе при переключении из 0 в 1 и из 1 в 0:
ΔU = U+01 – U+10.
Контрольные вопросы
1. Что такое коэффициент усиления KU? Напишите формулу для
получения KU.
2. Что такое компаратор?
3. Что происходит в зоне насыщения усилителя?
Лабораторная работа № 15.
Испытание цифро-аналогового преобразователя
с выходом по току
Цель работы – изучение устройства и принципа действия цифроаналогового преобразователя с выходом по току.
71
Таблица 15.1
Оборудование и приборы (блоки)
Наименование
Тип
Параметры
Однофазный источник питания
218.2
~ 220 В, 16 А
219
Индикаторы и источники
логических сигналов.
Питание +5 В/1 А
Набор миниблоков
600.11.2
20 миниблоков
Блок мультиметров
509.3
Мультиметры MY60
и MY65
Блок испытания цифровых
устройств
Содержание работы
1. Изучить принцип работы и назначение ЦАП с выходом по току.
2. Протестировать работу ЦАП с выходом по току.
3. Провести сравнительный расчет выходных токов ЦАП.
Теоретические сведения
Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) – это устройство, которое преобразует цифровой сигнал на входе в аналоговый сигнал
на выходе.
В эксперименте определяются характеристики ЦАП с выходом
по току, выполненного на основе резистивной матрицы R-2R (миниблок 11 из набора миниблоков – Приложение 1)
На рис. 15.1 приведена схема, поясняющая принцип действия
ЦАП.
“U”
E
+
I
R1
I
1 2
I
2
2R
S1
0 1
R2
R
2
R3
I
4
2R
I
4
R4
I
R
3 8
I
8
R5
2R
S2
0 1
R6
R
4
R7
I
16
I
16
2R
S3
0
1
R8
2R
S4
0 1
“R”
“ I ” PA1
mA
Iвых
“ 8”
“ 4”
“ 2”
“ 1”
Рис. 15.1. Принципиальная схема ЦАП
72
“0 В”
Матрица R-2R состоит из одинаковых звеньев, включающих 2 резистора. Одно звено показано пунктиром на схеме (рис. 15.1). Разрядность ЦАП определяется числом последовательно включенных
звеньев. Серийно выпускаются микросхемы ЦАП с 8, 10, 12, 14 или
16 двоичными разрядами.
В матрицу поступает постоянный ток I от источника напряжения “U”. Выходной сигнал ЦАП – ток миллиамперметра PA1 – изменяется в зависимости от положения переключателей S1 … S4.
Буквыи цифры в кавычках “U”, “I”, “R”, “1”, “2” и т.д. обозначают
одноименные клеммы на лицевой панели миниблока (рис. 15.2).
Токи в резисторах матрицы R-2R не зависят от положения переключателей S1 … S4. Действительно, резисторы R1, R3, R5 и R7
всегда подключены к общему проводу цепи: в положении переключателей «0» – напрямую, в положении переключателей «1» – через
миллиамперметр PA1 (выход ЦАП), сопротивление которого близко к 0.
Другая особенность матрицы – одинаковое входное сопротивление любого звена, независимо от числа включенных справа (по рисунку 15.1) от него звеньев. Если разорвать цепь в узле 3, входное
сопротивление звена R6-R7 вместе с R8 относительно узла 3 равно
R7 ⋅ R8
2R ⋅ 2R
R( 3 ) =
R6 +
R+
2R.
=
=
R7 + R8
2R + 2R
(1)
Сопротивление R(3) включено параллельно R5, т. е. входное сопротивление звена R4, R5 относительно узла 2 также составит 2R.
Аналогичные расчеты можно распространить на любое число последовательно включенных звеньев R-2R. Из этого следует, что входное
сопротивление матрицы резисторов относительно узла 1 неизменно
DAC
1
2
4
8
+5 B
U
R
I
0B
Рис. 15.2. Лицевая панель миниблока 11
73
и равно R, так как при параллельном соединении R1 и звена R2-R3,
сопротивление которого равно 2R, входное сопротивление матрицы
равно:
R1 ⋅ R(1)
2R ⋅ 2R
=
= = R.
Râõ
(2)
R1 + R(1) 2R + 2R
В этом случае входной ток матрицы резисторов
I=
E
.
R
В узле 1 входной ток I резистивной матрицы разжеляется поровну между сопротивлением R1 = 2R и входным сопротивлением
оставшейся части матрицы, также равным 2R. Таким образом, токи в R1 и R2 будут равны I/2. Переключатель S1 направляет ток R1
или непосредственно на общий провод (положение «0»), или на выход ЦАП (миллиамперметр PA1) в положении «1».
В свою очередь ток, протекающий через резистор R2 в узле 2
I
вновь разделится на равные части: токи в R3 и R4равны . Пере4
ключатель S2 в положении «1» направит этот ток на выход ЦАП.
Очевидно, что каждое последующее звено продолжит деление
его входного тока на 2, а переключатель этого звена будет подключать к выходу ЦАП ток равный
I
In =
,
2n
где n – номер ключа, считая от входа матрицы резисторов.
В схеме на рис. 15.1 коммутируемые ключами токи составляют
для S1 – I/2, S2 – I/4, S3 – I/8 и для S4 – I/16. Полный ток на выходе
ЦАП (ток PA1) равен сумме токов ключей, находящихся в положении «1», т. е. выходной ток будет пропорционален двоичному числу,
соответствующему положению переключателей. При этом S1 соответствует самому старшему разряду (вес – I/2), а S4 – самому младшему (вес – I/16). Если все переключатели установлены в положение «0» (двоичное число 00002), то ток на выходе преобразователя
равен 0. Наибольшее значение тока будет соответствовать двоичному числу 11112, и составит
I I I I 8I 4I 2I I 15I
Imax = + + + = + + + =
.
2 4 8 16 16 16 16 16 16
74
Если переключатели ЦАП установлены в положение, соответствующее двоичному числу N, то выходной ток преобразователя составит
N⋅I
In = .
2n
Для рассматриваемого ЦАП необходимо точное отношение сопротивлений R и 2R, при этом их абсолютные величины не имеют
существенного значения.
Порядок выполнения работы
1. Собрать схему для тестирования ЦАП на наборном поле блока
испытания цифровых устройств, приведенную на рис. 15.3. Для переключения разрядов ЦАП в микросхеме используются электронные ключи, управляемые логическими сигналами на входах микросхемы. Соответствующие входы выведены на лицевую панель
миниблока и обозначены «8» (старший разряд), «4», «2» и «1» (младший разряд). Вход «U» подключается к напряжению питания «+5».
Выходной ток (гнездо «I») измеряется мультиметром на пределе
«2 мА».
2. Включить устройство защитного отключения и автоматический выключательв однофазном источнике питания.
3. Включить выключатель «Сеть» блока испытания цифровых
устройств А1 и блока мультиметров А9.
4. Провести эксперимент и заполнить табл. 15.1. Для этого задавать тумблерами логических сигналов двоичые коды в соответствии с таблицей и записывать выходной ток Iвых, мА. Затем определить вес единицы младшего разряда ЦАП:
I(1) =
Iâûõ(15)
15
,
где Iвых(15) – выходной ток ЦАП при N10 = 15 (максимальное значение двоичного числа на входе ЦАП). Выходной ток (расчет) находится по формуле
Iвых(р) = N10·I(1).
Относительная погрешность выходных токов ЦАП равна
δ=
Iâûõ − Iâûõ( ð )
Iâûõ( ð )
⋅ 100%.
75
ТТЛ 5В
1
КМОП 5В
0
Предел 2 мА
ИСТОЧНИК ЛОГИЧЕСКИХ
СИГНАЛОВ ТТЛ
1
0
0
1
0
1
0
1
0
1
100 Гц
1
0
DAC
0
1
2
4
1
8
+5 B
U
A
R
mA COM V
I
0B
2
3
10 Гц
1
0
Рис. 15.3. Схема электрицеская для испытания ЦАП с выходом по току
Таблица 15.2
Результаты измерений и вычислений
Вход
ЦАП
N10дес.
76
Состояние цифровых входов
ЦАП (N2 – двоичное)
Вход
«8»
Вход
«4»
Вход
«2»
Вход
«1»
0
0
0
0
0
1
0
0
0
1
2
0
0
1
0
3
0
0
1
1
4
0
1
0
0
5
0
1
0
1
6
0
1
1
0
7
0
1
1
1
8
1
0
0
0
Выходной
ток Iвых,
мА
Выходной
ток
(расчет)
Iвых(р)
Относительная
погрешнсть δ
Окончание табл. 15.2
Вход
ЦАП
N10дес.
Состояние цифровых входов
ЦАП (N2 – двоичное)
Вход
«8»
Вход
«4»
Вход
«2»
Вход
«1»
9
1
0
0
1
10
1
0
1
0
11
1
0
1
1
12
1
1
0
0
13
1
1
0
1
14
1
1
1
0
15
1
1
1
1
Выходной
ток Iвых,
мА
Выходной
ток
(расчет)
Iвых(р)
Относительная
погрешнсть δ
5. По завершении работы отключите выключатель «СЕТЬ» блока испытания цифровых устройств А1, блока мультиметров А9 и
автоматический выключатель.
Контрольные вопросы
1. Что такое цифро-аналоговый преобразователь?
2. Что такое разрядность ЦАП?
3. Назовите основные достоинства и недостатки ЦАП, выполненного на основе резистивной матрицы R-2R.
Лабораторная работа № 16.
Испытание цифро-аналогового преобразователя
с выходом по напряжению
Цель работы – изучение устройства и принципа действия цифроаналогового преобразователя с выходом по напряжению.
Таблица 16.1
Оборудование и приборы (блоки)
Наименование
Тип
Однофазный источник питания
218.2
~220 В, 16 А
219
Индикаторы и источники
логических сигналов.
Питание +5 В/1 А
Набор миниблоков
600.11.2
20 миниблоков
Блок мультиметров
509.3
МультиметрыMY60 и
MY65
Блок испытания цифровых
устройств
Параметры
77
Содержание работы
1. Изучить принцип работы ЦАП с выходом по напряжению.
2. Протестировать работу ЦАП с выходом по напряжению.
3. Провести сравнительный расчет выходного напряения ЦАП.
Теоретические сведения
Схема, поясняющая работу ЦАП с выходом по напряжению,
представлена на рис. 16.1. Сравните данную схему со схемой ЦАП
с выходом по току (рис. 15.1). Принципиальное отличие состоит
в том, что источник питания и приемник выходного сигнала поменялись местами. Действительно, в схеме ЦАП с выходом по напряжению источник питания подключен к гнезду «I», а выходное напряжение снимается мультиметром (гнездо «U»).
Матрица R-2R состоит из одинаковых звеньев, включающих 2 резистора. Одно звено показано пунктиром на схеме (рис. 15.1). Разрядность ЦАП определяется числом последовательно включенных
звеньев. Выходной сигнал ЦАП – напряжение между узлом 1 и общим проводом (Uвых).
Рассмотрим прицнип действия ЦАП с выходом по напряжению.
Предположим, что только один из переключателей находится в положении 1, то есть резистор 2R данного звена подключен к источнику E. Разорвем цепь в узле n и составим эквивалентную схему звена
(рис. 16.2, а). Из предыдущей работы известно, что эквивалентное
сопротивление звеньев, расположенных справа (для данного изображения схемы), всегда равно 2R.
Представим данное звено эквивалентным генератором относительно левого (n – по рисунку 16.2, а) узла матрицы R-2R. ЭДС эквивалентного генератора вычислим как напряжение холостого хода
на зажимах генератора
E
E
U=
= 2R
= .
(1)
õõ 2RI
2R + 2R 2
“U”
+
V
Uвых
1
R1
2R
S1
0 1
“8”
R2
R
2
R3
2R
S2
0 1
“4”
R4
R
3
R6
R
4
R5
2R
S3
0 1
R7
2R
S4
0 1
“2”
“1”
R8
2R “R”
“I”+ E
“0 В”
Рис. 16.1. Принципиальная схема ЦАП с выходом по напряжению
78
а)
R
n
n+1
2R
2R
U
Rэкв
R
n
n+1
2R
2R
U
2R
+
U хх
в)
б)
n
+
E
E
Рис. 16.2. Эквивалентная схема звена ЦАП
Потенциалы n и n + 1 одинаковы, так как при холостом ходе ток
через резистор R не протекает. Внутреннее сопротивление эквивалентного генератора определим по схеме на рис. 16.2, б
2R ⋅ 2R
rýêâ =
R+
2R.
=
2R + 2R
(2)
Результирующая схема приведена на рис. 16.2, в.
Если рассматриваемое звено является самым левым в матрице
R-2R, то оно создаст на выходе ЦАП напряжение E/2.
Заменив эквивалентным генератором второе слева звено матрицы, оно вместе с правым звеном даст схему, аналогичную рисунку
16.2, а, но отличающуюся величиной ЭДС, равной E/2. Повторяя
для этой схемы проделанные выше преобразования, получим относительно выходных зажимов ЦАП эквивалентный генератор с сопротивлением 2R и ЭДС E/4.
Преобразования для третьего слева звена дадут ЭДС на выходе
E
E
. В общем случае «вес» звена в выЦАП – , а для четвертого –
8
16
E
ходном напряжении ЦАП равен n , где n – номер звена, считая от
2
выхода схемы (выход «U»). Таким образом, при подключении нескольких разрядов к источнику E выходное напряжение ЦАП будет
равно сумме «весов» этих разрядов, т. е. окажется пропорционально
двоичному числу, определяющему состояние переключателей ЦАП.
Для исследуемого преобразователя выходное напряжение будет из15
E (состояние
меняться от 0 (состояние переключателей 00002) до
16
переключателей 11112).
79
Рассматриваемый преобразователь можно использовать в режиме «перемножающего ЦАП» – выходной сигнал определяется произведением входного напряжения E на двоичный кодчисла на цифровых входах N.
Порядок выполнения работы
1. Собрать схему для тестирования ЦАП на наборном поле блока
испытания цифровых устройств, приведенную на рис. 16.3. Для переключения разрядов ЦАП в микросхеме используются электронные ключи, управляемые логическими сигналами на входах микросхемы. Соответствующие входы выведены на лицевую панель
миниблока и обозначены «8» (старший разряд), «4», «2» и «1» (младший разряд). Вход «I» подключается к напряжению питания «+5».
Выходное напряжение (гнездо «I») измеряется мультиметром.
2. Включить устройство защитного отключения и автоматический выключательв однофазном источнике питания.
ТТЛ 5В
1
КМОП 5В
0
Предел 20 В
ИСТОЧНИК ЛОГИЧЕСКИХ
СИГНАЛОВ ТТЛ
1
0
0
1
0
1
0
1
0
1
100 Гц
1
0
DAC
0
1
2
+5 B
1
2
U
4
8
I
R
A
mA COM
0B
3
10 Гц
1
0
Рис. 16.3. Схема электрицеская для испытания ЦАП
с выходом по напряжению
80
V
3. Включить выключатель «Сеть» блока испытания цифровых
устройств А1 и блока мультиметров А9.
4. Провести эксперимент и заполнить табл. 16.1. Для этого задавать тумблерами логических сигналов двоичые коды в соответствии с таблицей и записывать выходное напряжение Uвых, В. Затем определить «вес» единицы младшего разряда ЦАП:
U(1) =
Uâûõ(15)
,
15
где Uвых(15) – выходное напряжение ЦАП при N10 = 15 (максимальное значение двоичного числа на входе ЦАП). Выходное напряжение (расчет) находится по формуле
Uвых.(р) = N10·U(1).
Относительная погрешность выходных напряжений ЦАП равна
δ=
Uâûõ − Uâûõ( ð )
Uâûõ( ð )
⋅ 100%.
5. По завершении работы отключите выключатель «СЕТЬ» блока испытания цифровых устройств А1, блока мультиметров А9 и
автоматический выключатель.
Таблица 16.2
Результаты измерений и вычислений
Вход
ЦАП
N10дес.
Состояние цифровых входов
ЦАП (N2 – двоичное)
Вход
«8»
Вход
«4»
Вход
«2»
Вход
«1»
0
0
0
0
0
1
0
0
0
1
2
0
0
1
0
3
0
0
1
1
4
0
1
0
0
5
0
1
0
1
6
0
1
1
0
7
0
1
1
1
8
1
0
0
0
9
1
0
0
1
Выходной
ток Uвых,
мА
Выходной
Относиток
тельная
(расчет)
погрешнсть δ
Uвых(р)
81
Окончание табл. 16.2
Вход
ЦАП
N10дес.
Состояние цифровых входов
ЦАП (N2 – двоичное)
Вход
«8»
Вход
«4»
Вход
«2»
Вход
«1»
10
1
0
1
0
11
1
0
1
1
12
1
1
0
0
13
1
1
0
1
14
1
1
1
0
15
1
1
1
1
Выходной
ток Uвых,
мА
Выходной
Относиток
тельная
(расчет)
погрешнсть δ
Uвых(р)
Контрольные вопросы
1. Назовите основные виды ЦАП.
2. Что такое максимальная частота дискретизации ЦАП?
3. В чём состоит принципиальное отличие ЦАП с выходом по напряжению от ЦАП с выходом по току?
Лабораторная работа № 17.
Испытание аналого-цифрового преобразователя
развертывающего и следящего преобразования»
Цель работы – изучение устройства и принципа действия аналого-цифрового преобразователя (АЦП) развертывающего и следящего преобразования.
Таблица 17.1
Оборудование и приборы (блоки)
Наименование
Тип
Параметры
Однофазный источник питания
218.2
~ 220 В, 16 А
219
Индикаторы и источники
логических сигналов.
Питание +5 В / 1 А
Набор миниблоков
600.11.2
20 миниблоков
Блок мультиметров
509.3
Мультиметры MY60
и MY65
Блок испытания цифровых
устройств
82
Содержание работы
1. Ознакомиться со схемой и принципом действия АЦП развертывающего преобразования.
2. Ознакомиться со схемой и принципом действия АЦП следящего преобразования.
3. Протестировать работу АЦП развертывающего и следящего
преобразований.
4. Дать сравнительную оценку работы схем АЦП развертывающего и следящего преобразований
Теоретические сведения
В аналого-цифровом преобразователе (АЦП) развертывающего
преобразования компаратор (операционый усилитель) сравнивает
измеряемое напряжение с напряжением цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). Вход ЦАП подключен к счетчику. Каждый тактовый импульс увеличивает содержимое счетчика на 1 и пропорционально возрастает напряжение на выходе ЦАП. В некоторый
момент напряжение ЦАП превысит измеряемое и произойдет переключение компаратора. Сигнал компаратора зафиксирует текущее
содержимое счетчика в регистре хранения и это значение отобразится на индикаторе. В дальнейшем продолжится увеличение содержимого счетчика, и после переполнениясчетчик вернется в исходное состояние. Далее цикл измерения повторится. Недостаток
развертывающего преобразования – длительное время измерения.
В случае ЦАП с nдвоичными разрядами на его выходе необходимо
установить 2n значений напряжения, что требует 2n тактовых импульсов.
Испытываемый АЦП развертывающего преобразования упрощен: выполняется только одно преобразование, а для выполнения
следующего необходим ручной сброс. В испытываемой схеме переключение выходного сигнала компаратора (0→1) блокирует тактовые импульсы, счет останавливается, напряжение на выходе ЦАП
не меняется. Индикатор отображает содержимое счетчика в момент
остановки, т.е. число, соответствующее измеряемому напряжению.
Цикл измерения повторится после сброса счетчика вручную.
В АЦП следящего преобразования вместо остановки счета при
переключении выходного сигнала компаратора тактовые импульсы
переключаются с суммирующего входа счетчика ЦАП на вычитающий вход этого счетчика – на следующем такте напряжение ЦАП
уменьшается. Напряжение ЦАП становится меньше измеряемого, вновь переключается сигнал на выходе компаратора. Тактовые
83
импульсы вновь поступают на суммирующий вход счетчика ЦАП:
при следующем тактовом импульсе содержимое счетчика увеличится на 1 и напряжение на выходе ЦАП вновь превысит измеряемое. Далее процесс повторится.
На рис. 17.1 приведена схема испытания АЦП развертывающего и следящего (пунктирная линия показывает изменение в схеме)
преобразований.
Измеряемое напряжение в диапазоне от 0 до +5 В задается переменным резистором (4), подключенным к шинам питания.
Измеряемое напряжение сравнивается компаратором (7) с напряжением ЦАП (6). Состояние выхода компаратора отображается индикатором логических уровней. Сигнал с выхода компаратора
поступает на адресный вход А0 демультиплексораDC (5).
Опорное напряжение на входе «I» ЦАП задается переменным
резистором (3). Соответствующее данному опорному напряжению
максимальное выходное напряжение ЦАП Umax измеряется при
выполнении испытаний.
Напряжение на выходе ЦАП нарастает вместе с увеличением содержимого двоичного счетчика (1) от 0 (счетчик 00002) до макси-
ТТЛ 5В
1
КМОП 5В
0
1
ИСТОЧНИК ЛОГИЧЕСКИХ
СИГНАЛОВ ТТЛ
1
0
0
1
0
1
0
0
100 Гц
1
1
+1
-1
R
1
0
2
+1 СТ 1
10 2
-1
4
8
A0 DC
A1
A2
1
2
3
10 Гц
5
A1 DC 0
A2
1
2
E
3
3
0
4
2
4
3
4
1
5
1 кОм
0
5
1 кОм
A3
DP
0
3
2
1
0B
+5 B
DAC
+5 B
1
2
4
8
0B
+5 B
7
6
U
R
I
0B
V
1
0
COM U max
V
U изм
Рис. 17.1. Схема испытания аналого-цифрового преобразователя
развертывающего и следящего преобразования
84
мальной величины Umax (счетчик 10012). Шаг увеличения напряжения ЦАП равен Umax/9. Эти величины определяют, соответственно,
диапазон измерения и разрешающую способность испытываемого
АЦП. При ином опорном напряжении ЦАП, соответственно изменятся разрешающая способность и диапазон измерения АЦП.
Состояние счетчика отображает цифровой индикатор (2).
Работа АЦП развертывающего преобразования
Тактовые импульсы от генератора с частотой 1 Гц поступают на
вход разрешения (E) демультиплексора. Пока напряжение на выходе
ЦАП меньше измеряемого, сигнал на выходе компаратора равен 1.
Этот сигнал поступает на вход А0 демультиплексораDC и подключает вход разрешения демультиплексораE к выходу 1 (т. е. адрес задается двоичным числом 012, где A1 = 0, А0 = 1). Тактовые импульсы 1 Гц проходят через демультиплексор на вход +1 двоично-десятичного счетчика СТ10. Каждый тактовый импульс увеличивает
содержимое счетчика на 1, и, пропорционально, возрастает напряжение на выходе ЦАП. В некоторый момент времени напряжение
ЦАП превысит измеряемое и сигнал на выходе компаратора станет
равным 0. Этот сигнал переключит демультиплексор (А0 = 0, А1 = 0)
и тактовые импульсы с входа Eбудут поступать на выход 0, который
в рассматриваемой схеме не подключен. Соответственно исчезнут
тактовые импульсы на выходе 1 демультиплексораDC и входе +1
счетчика СТ10. Содержимое счетчика перестанет меняться, а измеренное значение напряжения отобразится на цифровом индикаторе. Для повторного запуска процесса измерения необходимо сбросить счетчик СТ10 подачей сигнала 1на вход сброса R (нажатием
кнопки «Источника логических сигналов ТТЛ»).
Работа АЦП следящего преобразования
Для перехода к схеме АЦП следящего преобразования необходимо переключить провод вычитающего входа «–1» счетчика СТ10
от гнезда «+5В» миниблока ЦАП к выходу 0 демультиплексораDC
(проводник показан пунктиром на рис. 17.1).
Пока напряжение на выходе ЦАП не превышает измеряемое, работа АЦП следящего преобразования не отличается от АЦП развертывающего преобразования.
В момент времени, когда напряжение ЦАП превысит измеряемое напряжение, сигнал на выходе компаратора станет равным 0.
Этот сигнал переключит демультиплексор (А0 = 0) – тактовые
импульсы с входа E будут поступать на выход 0, подключенный
85
к входу «–1» счетчика СТ10. При следующем тактовом импульсе содержимое счетчика уменьшится на 1. Соответственно напряжение
на выходе ЦАП станет меньше измеряемого и на выходе компаратора вновь появится 1. Далее процесс повторится. Значение на цифровом индикаторе будет постоянно меняться, то уменьшаясь, то увеличиваясь на 1.
Если измеряемое напряжение окажется больше максимального напряжения на выходе ЦАП Umax (напомним, оно задается переменным резистором 3 по рис. 17.1), то переключение сигнала на
выходе компаратора из 1 в 0 окажется невозможным. Содержимое
счетчика СТ10 будет увеличиваться до максимального значения
(10012), следующий тактовый импульс переведет счетчик в состояние 00002 и далее процесс увеличения содержимого счетчика будет
периодически повторяться.
Неиспользуемые входы элементов подключены к шинам питания «0» или «+5 В» миниблока ЦАП и миниблоков переменных резисторов.
Порядок выполнения работы
А. Тестирование АЦП развертывающего преобразования
1. Собрать схему испытания АЦП развертывающего преобразования (рис. 17.1). Выше приведено подробное описание принципа работы схемы. Ручки переменных резисторов повернуть в положение 0 (до
упора против часовой стрелки), мультиметр выставить на предел 20 В.
2. Задать некоторое значение (3 … 5 В) опорного напряжения
ЦАП переменным резистором (3). Постепенно увеличивая измеряемое напряжение переменным резистором (4) добиться, чтобы
на цифровом индикаторе отображалась цифра 9. Измерить максимальное напряжение на выходе ЦАП Umax, соответствующее числу
10012 = 910 на входе ЦАП (напряжение между гнездами «0 В» и «U»
на миниблоке ЦАП (6)).
3. Вычислить шаг изменения напряжения на выходе ЦАП
ΔU = Umax/9.
4. Установить переменным резистором (4) произвольное значение
напряжения Uизм, не превышающее Umax. Подключить мультиметр
к гнезду «0 В» и к гнезду неинвертирующего входа компаратора для
контроля Uизм.
5. Вычислить ожидаемое двоичное число на выходе АЦП после
измерения Uизм. Результат в двоичной системе счисления
N10 = Uизм/ΔU.
86
Полученное значение округлить до ближайшего большего целого, т. к. преобразование останавливается, когда напряжение ЦАП
превысит измеряемое.
6. Сбросить счетчик нажатием кнопки «Источника логических
сигналов ТТЛ» и сравнить установившееся значение на цифровом
индикаторе и расчетное значение N10.
7. Повторить опыт с несколькими произвольными значениями.
8. Проверить работу преобразователя, если измеряемое напряжение Uизм превышает максимальное напряжение ЦАП Umax.
Б. Тестирование АЦП следящего преобразования
1. Собрать схему испытания АЦП следящего преобразования
(рис. 17.1). Для этого переключить провод, как показано на схеме
пунктиром (с выхода «+5 В» миниблокаАЦПк выходу 0 дешифратора DC).
2. Нажать кнопку сброса счетчика.
3. Наблюдать работу АЦП при различных значениях Uизм и Umax.
Общий алгоритм тестирования проделать, как для АЦП развертывающего преобразования, приведенный в пункте А.
Контрольные вопросы
1. Что такое аналого-цифровой преобразователь?
2. Что такое разрешение АЦП?
3. Что такое разрядность АЦП?
87
4. УСТРОЙСТВА УПРАВЛЕНИЯ
Лабораторная работа № 18.
Командоаппарат с жесткой логикой
Цель работы – освоение сборки и испытания командоаппарата
с жесткой логикой.
Таблица 18.1
Оборудование и приборы (блоки)
Наименование
Тип
Параметры
Однофазный источник питания
218.2
~220 В, 16 А
219
Индикаторы и источники
логических сигналов.
Питание +5 В/1 А
600.11.2
20 миниблоков
Блок испытания цифровых
устройств
Набор миниблоков
Содержание работы
1. Ознакомиться со схемой и принципом действия командоаппарата с жесткой логикой.
2. Протестировать работу командоаппарата с жесткой логикой
по нескольким вариантам соединений.
3. Составить диаграммы напряжений на выходах триггеров.
Теоретические сведения
При выполнении работы тестируется командоаппарат, выполненный на логических элементах. В каждом цикле командоаппарат
последовательно устанавливает на 2 выходах управления исполнительными механизмами напряжение высокого уровня. Это напряжение высокого уровня удерживается на каждом выходе в течение
заданного числа тактов задающего генератора.
Цикл работы командоаппарата задается двоично-десятичным
счетчиком СТ10. Содержимое счетчика увеличивается на 1 с частотой задающего генератора блока испытания цифровых устройств.
Текущий номер такта в пределах цикла работы командоаппарата
отображается на цифровом индикаторе.
В зависимости от номера такта декодер DC выдает импульсы,
управляющие RS-триггерами. На первом такте цикла (номер такта – 0) происходит сброс RS-триггеров в состояние 0. Соответствующие значения (0) устанавливаются на выходах командоаппарата и
гаснутиндикаторы 0 и 1 миниблока индикации.
88
При следующих тактах цикла RS-триггеры устанавливаются в
состояние 1 и эти значения появляются на выходах командоаппарата (т. е. неинвертирующих выходах триггеров). Соответственно,
включаются светодиоды 0 и 1 миниблока индикации.
Порядок выполнения работы
1. Собрать схему, изображенную на рис. 18.1. После проверки собранной схемы включить устройство защитного отключения и автоматический выключатель.
2. Протестировать работу командоаппарата. Для этого, наблюдать за изменениями выходных сигналов на блоке индикации. Составить диаграмму напряжений на каждом выходе командоаппарата в зависимости от номера такта.
3. Переключить провод с выхода 2 на выход 3 декодера DC (пунктирная линия на рисунке). Составить новую диаграмму работы командоаппарата.
4. По завершении работы отключить выключатель «СЕТЬ» блока
испытания цифровых устройств и автоматический выключатель.
ТТЛ 5В
1
КМОП 5В
0
ИСТОЧНИК ЛОГИЧЕСКИХ
СИГНАЛОВ ТТЛ
1
0
0
1
0
1
0
1
0
1
+1 СТ 1
10 2
-1
4
8
R
+1
-1
A0 DC
A1
A2
A3
DP
1
0
S
0
C
R
1
2
3
+5 B
R = 1 кОм
A1 DC 0
S
1
D
A2
2
E
100 Гц
TT
D
3
TT
C
0
1
2
3
R
10 Гц
1
0
Рис. 18.1. Схема тестирования командоаппарата
с жесткой логикой
89
Контрольные вопросы
1. Какое устройство задаёт цикл работы командоаппарата?
2. Поясните, почему на исследуемой схеме у дешифратора вход
«E» подключается к общему минусу?
3. Что означают знаки инверсии на входах R и S у D-триггеров?
Лабораторная работа № 19.
Тестирование основных логических функций
программируемого реле
Цель работы – протестировать основные логические функции
программируемого реле LOGO!
Таблица 19.1
Оборудование и приборы (блоки)
Наименование
Тип
Параметры
Однофазный источник питания
218.2
~ 220 В, 16 А
Блок программируемого реле
375
6 цифровых входов/
2 цифровых (аналоговых)
входа/4 релейных входа
Пост управления
376
3 кнопки без фиксации/
3 кнопки с фиксацией/
потенциометр
355.2
4 светодиодных
лампы 24 В
Блок световой сигнализации
Содержание работы
1. Ознакомиться с руководством программируемого реле LOGO!
2. Освоить метод написания коммутационных программ для
программируемого реле.
3. Составить коммутационную программу для тестированяосновных логических функций реле.
4. Протестировать работу реле по составленной программе.
Теоретические сведения
Коммутационная программа и ее описание
Коммутационную программу можно наглядно представить в виде блок-схемы. Блоки условно разделим на три группы: входные
(обозначены буквой I, или AI), промежуточные (B) и выходные (Q).
Входной блок служит для идентификации входа реле (задает, с ка90
кого входа будет сниматься сигнал). Промежуточные блоки могут
производить различные логические операции (И, ИЛИ, НЕ и т. д.),
операции сравнения, операции задержки (имитирующие реле времени) и др. Промежуточные блоки по определению должны иметь
вход и выход. Выходные блоки идентифицируют выходной контакт
реле.
Разберем коммутационную программу на примере программы
для тестирования функции «Логическое И». На рис. 19.1 приведена
блок-схема данной программы.
Коммутационная программа обеспечивает передачу сигналов
с входов I1 и I2 реле на входы тестируемой функции (блок B1) коммутационной программы, а релультат вычисления функции (выхода блока) – на выход Q1. Программу достаточно ввести один раз,
и, в дальнейшем, заменять функцию блока B1 (отображается знаком &) на другие функции. Не подключенные входы блока B1 автоматически принимают значения, не влияющие на выполнение заданной функции блока. Подключать их или задавать им начальные
значения нет необходимости.
Ниже описан алгоритм ввода программы в ручном режиме.
1. Выход Q1. Ввод программы начинается с выбора выхода. Блок
«Выход» (Q) отображается на экране реле по умолчанию при входе
в режим программирования. Мигающий курсор указывает на поле
выбора номера выхода. Выбор производится кнопками курсора «▲»,
«▼». Для подтверждения необходимо нажать кнопу «ОК».
2. Блок B1. После выполнения п. 1 курсор автоматически перемещается в левую часть экрана (в область входа блока Q1). Далее,
кнопками курсора «▲», «▼» необходимо выбрать список, к кторому
относится следующий блок программы: Co («Контакты»), GF («Основные функции») или SF(«Специальные функции»). Для рассмаI1
I
B1
Q1
&
Q
I2
I
Рис. 19.1. Коммутационная программа
для тестирования Основных функций (GF)
91
триваемой программы выбираем список GFи подтверждаем выбор
кнопкой «OK». Затем, выбираем непосредственно саму функцию «&».
3. Подключение входов B1. По завершении п. 2 курсор находится в области входов B1 и указывает на вход 1 (In1). Нажав «OK»,
переходим к выборусписка, к которому относится следующий блок
(Co, GF, SF), выбираем Co и подтверждаем («OK»). Далее, выбираем
вход реле I1 и подтверждаем. Мигающий курсор указывает на вход
2 (In2) B1. Дальнейший ввод: «OK», выбор («▲», «▼») Co, «OK», выбор(«▲», «▼») входа реле I2, «OK».
Функция любого блока коммутациионной программы может
быть модифицирована инвертированием одного или нескольких логических входов этого элемента. Для этого необходимо перевести
курсор на границу рамки блока в точке подключения инвертируемого входа, нажать кнопку «OK» и кнопками курсора «▲» или «▼»
инвертировать вход или удалить инверсию. Инверсия изображается точкой на линии входа у рамки блока. Завершив инвертирование, нажмите кнопку «Esc».
Закончив ввод коммутационной программы, перейдите в «Главное меню» (нажав несколько раз кнопку «Esc»). Если введенная
программа не содержит ошибок, то она сохраняется в памяти реле.
В противном случае в памяти остается ранее введенная программа, а ввод новой программы необходимо повторить!!!
При вводе программы можно использовать и другие входы и выходы реле, изменив, соответственно, электрическую схему соединений.
Порядок выполнения работы
1. Убедиться, что устройства, используемые в эксперименте, отключены от сети электропитания.
2. Соединить аппаратуру в соответствие со схемой электрических соединений, изображенной на рис. 19.2.
3. Включить УЗО и автоматический выключатель в однофазном
источнике питания и включить выключатель «СЕТЬ» блока программируемого реле.
4. Перевести реле в режим отображения «Главное меню» (состояние STOP, см. п. 5.2.3 приложения I).
5. Ввести в реле коммутационную программу. Алгоритм составления программы подробно рассмотрен в теоретических сведениях,
а также в приложении II разделы 3.7 и 4 («LOGO! Руководство»).
6. Запустить программу на исполнение. Далее, протестировать
работу реле, заполнив таблицу истинности (табл. 19.1) для каждого
92
220 В
376
375
355,2
218,2
Рис. 19.2. Схема электрических соединений
Таблица 19.2
Таблица истинности
Вход I1
Вход I2
Выход Q1
элемента из набора Основных функций (GF). При этом, для корректирования программы, необходимо остановить ее выполнение
(ESC > Stop > Yes).
7. По завершении работы остановить коммутационую программу, отключить выключатель «СЕТЬ» и автоматический выключатель в однофазном источнике питания.
Контрольные вопросы
1. Что такое программируемый логический контроллер (ПЛК)?
2. Что такое программируемое реле и в чём заключается его отличие от ПЛК?
3. Что представляет собой язык программирования FBD?
93
Лабораторная работа № 20.
Тестирование специальных логических функций
Цель работы – протестировать специальные логические функции программируемого реле LOGO!
Таблица 20.1
Оборудование и приборы (блоки)
Наименование
Тип
Параметры
Однофазный источник питания
218.2
~ 220 В, 16 А
Блок программируемого реле
375
6 цифровых входов/
2 цифровых (аналоговых)
входа/4 релейных входа
Пост управления
376
3 кнопки без фиксации/
3 кнопки с фиксацией/
потенциометр
355.2
4 светодиодных
лампы 24 В
Блок световой сигнализации
Содержание работы
1. Составить коммутационную программу для тестированяспециальных логических функций реле.
2. Протестировать работу реле по составленной программе.
Теоретические сведения
Коммутационная программа для тестирования функций, имеющих только логические входы, приведена на рис. 20.1. Коммутационные программы для тестирования других функций отличаются
только числом подключенных входов.
Для тестирования функций с аналоговым входом используется
программа, приведенная на рис. 20.2. Блок B1выполнет функцию
«Аналогового порогового выключателя».
Для задания или изменения параметров этот и некоторые другие
блоки имеют специальный вход Par. Поместив курсор на этот блок
и нажав «OK», появляется меню задания параметров функции (блока). При вводе данной программы необходимо задать параметры –
пороги включения (On) и выключения (Off). Любой аналоговый сигнал дискретизируется в коммутационной программе в диапазоне
0…1000, т. е. при подаче на вход 10 В «вес» единицы дискетной сту94
I1
I
S
R
I2
I
B1
Q1
RS
Q
Rem = off
Рис. 20.1. Коммутационная программа для тестирования функций
только с логическими входами
AI1
B1
Q1
AI
A
Q
Gain=1.0+
Offset=0
On=510
Off=490
Point=0
Рис. 20.2. Коммутационная программа для тестирования функций
с аналоговыми входами
пени будет равен 10/1000 = 0,01 В. Это значит, что на рисунке приведенный порог включения (On) равен
510 · 0,01 = 5,1 В,
а порог выключения (Off) равен
490 · 0,01 = 4,9 В.
Порядок ввода описан в лабораторной работе № 19. Функции (блоки) программ выбираются из списка «Специальные функции» (SF).
Порядок выполнения работы
1. Убедиться, что устройства, используемые в эксперименте, отключены от сети электропитания.
2. Соединить аппаратуру в соответствие со схемой электрических соединений, изображенной на рис. 19.2 (из лабораторной работы № 19).
3. Включить УЗО и автоматический выключатель в однофазном
источнике питания и включить выключатель «СЕТЬ» блока программируемого реле.
95
220 В
376
375
355.2
218.2
Рис. 20.3. Схема электрическая для тестирования функции реле
тока программируемого реле
4. Перевести реле в режим отображения «Главное меню» (состояние STOP, см. п. 5.2.3 приложения I).
5. Ввести в реле коммутационную программу по рис. 20.1. Алгоритм составления программы подробно рассмотрен в теоретических
сведениях, а также в приложении II разделы 3.7 и 4 («LOGO! Руководство»).
6. Протестировать работу реле.
7. Остановить выполнение программы.
8. Собрать схему по рис. 20.3.
9. Ввести коммутационную программу по рис. 20.2. Обратить
внимание на необходимость задания параметров некоторых блоков.
10. Протестировать работу реле. За состоянием входов удобно
следить на экране состояния входов (I – цфровые; AI – аналоговые).
Чтобы перейти к экрану состояния входов из «Меню пуска», следует
нажать кнопку ►.
11. По завершении работы остановить коммутационую программу, отключить выключатель «СЕТЬ» и автоматический выключатель в однофазном источнике питания.
Контрольные вопросы
1. Опишите принцип действия, временную диаграмму функционирования и настройки блока специальных функций «Реле с блокировкой» (рис. 20.1).
96
2. Какой сигнал будет на выходе Q1при одновременной подаче на
входы I1 и I2 логической «1»?
3. Опишите принцип действия и настройки блока специальных
функций «аналоговый пороговый выключатель» (рис. 20.2).
Лабораторная работа № 21.
Тестирование логических функций для управления объектом
Цель работы – протесировать программу управления объектом,
составленную из логических функций (блоков) программируемого
реле.
Таблица 21.1
Оборудование и приборы (блоки)
Наименование
Тип
Параметры
Однофазный источник питания
218.2
~220 В, 16 А
Блок программируемого реле
375
6 цифровых входов/
2 цифровых (аналоговых)
входа/4 релейных входа
Пост управления
376
3 кнопки без фиксации/
3 кнопки с фиксацией/
потенциометр
355.2
4 светодиодных
лампы 24 В
Блок световой сигнализации
Содержание работы
1. Составить коммутационную программу для тестированялогической функции управления объектом.
2. Протестировать работу реле по составленной программе.
Теоретические сведения
Объектом управления в данной работе является лампа блока световой сигнализации.
Объект работает по следующему алгоритму.
1. Включение и выключение сигнальной лампы производится
кнопкой без фиксации. Одно нажатие на кнопку включает лампу,
другое – выключает.
2. Изменение состояния лампы происходит после нажатия кнопки без фиксации с временной задержкой длительностью 3 секунды.
Коммутационная программа представлена на рис. 21.1.
97
I1
I
Trg
S
R
Rem = off
B2
B1
RS
Rem = off
03:00s+
03:00s
Q1
Q
Рис. 21.1. Коммутационная программа
для управления объектом
Цепочка элементов коммутационной программы (I1 – B2 – B1 – Q1)
управляет переключением лампы. Логический сигнал с входа I1
управляет состоянием «Импульсного реле» B2 (список SF, прочие
функции). Выход «Импульсного реле» изменяет свое состояние (0↔1)
при каждом переходе сигнала на входе I1 из 0 в 1 (т. е. при нажатии кнопки без фиксации). Переключение выхода «Импульсного
реле» B2 запускает «Задержку вкл./выкл.» B1(список SF, таймеры).
В качестве параметров блокаB1задано одинаковое время задержки
включения и отключения – 3 с (на рисунке 3:00s). После отработки
задержки изменяется состояние контактов выхода реле Q1, и, соответственно, включение или выключение лампы.
Ввод коммутационной программы начинается с цепочки Q1 – B1 –
B2 – I1. Для блока B1 задаются параметры задержки включения
и отключения 3 с. Для этого нужно установить курсор на нижний
вход блока (Par) и нажать «OK», затем ввести параметры On = 03:00,
Off = 03:00. После ввода нажать «Esc».
Порядок выполнения работы
1. Убедиться, что устройства, используемые в эксперименте, отключены от сети электропитания.
2. Соединить аппаратуру в соответствие со схемой электрических соединений, изображенной на рис. 21.2.
3. Включить УЗО и автоматический выключатель в однофазном
источнике питания и включить выключатель «СЕТЬ» блока программируемого реле.
4. Перевести реле в режим отображения «Главное меню» (состояние STOP, см. п. 5.2.3 приложения I).
5. Ввести в реле коммутационную программу по рисунку 20.1.
Алгоритм составления программы подробно рассмотрен в теоретических сведениях.
98
220 В
376
375
355.2
218.2
Рис. 21.2. Схема электрическая
для тестирования функции управления объектом
6. Протестировать работу реле. За состоянием входов удобно следить на экране состояния входов (I – цфровые; AI – аналоговые).
Чтобы перейти к экрану состояния входов из «Меню пуска», следует нажать кнопку ►.
7. По завершении работы остановить коммутационую программу, отключить выключатель «СЕТЬ» и автоматический выключатель в однофазном источнике питания.
Контрольные вопросы
1. Какой из входов R или S имеет больший приоритет у блока B2
на рис. 21.1
2. Какой сигнал будет на выходе блока B2 (рис. 21.1), если на входы Trg и R одноврененно подать логические «1»?
3. Какое максимальное время задержки на включение/выключение можно установить в блоке B1 (рис. 21.1)?
Лабораторная работа № 22.
Коммандоаппарат для управления светофором
Цель работы – собрать схему и составить коммутационную программу для управления светофором.
99
Таблица 22.1
Оборудование и приборы (блоки)
Наименование
Тип
Параметры
Однофазный источник питания
218.2
~220 В, 16 А
Блок программируемого реле
375
6 цифровых входов/
2 цифровых (аналоговых)
входа/4 релейных входа
Пост управления
376
3 кнопки без фиксации/
3 кнопки с фиксацией/
потенциометр
355.2
4 светодиодных
лампы 24 В
Блок световой сигнализации
Содержание работы
1. Составить коммутационную программу для управления светофором.
2. Протестировать работу реле по составленной программе.
Теоретические сведения
Программа работает по следующему алгоритму.
1. Система вклучается и отключается кнопкой фиксации.
2. Длительности включенного состояния сигналов светофора составляют: красный – 15 с, желтый – 5 с, зеленый – 15 с.
Коммутационная программа представлена на рис. 22.1.
Внимание! Нумерация блоков на схеме не будет совпадать с нумерацией блоков вашей программы, так как номер блока задается автомотически, и определяется последовательностью ввода очередного блока.
В табл. 21.2 приведены функции, которые используются в коммутационной программе.
Точка около входа функции обозначает инверсию. Напомним,
чтобы задать инверсию, необходимо перевести курсор на границу
рамки блока в точке подключения инвертируемого входа, нажать
кнопку «OK» и кнопками курсора «▲» или «▼» инвертировать вход
или удалить инверсию.
Работа программы:
1) При первом цикле выполнения программы, независимо от состояния входа I1, устанавливается в 1 флаг инициализации (M8) и
100
Красный
Q1
Q
I1
B8
I
&
B5
>1
B6
Желтый
Q2
>1
Q
B1
M8
M
(бит инициализации)
Rem = off
15:00s+
00:00s
1
Зеленый
Q3
B2
Q
Rem = off
05:00s+
00:00s
1
B3
Rem = off
15:00s+
00:00s
1
B4
M1
M
Rem = off
05:00s+
00:00s
1
Рис. 22.1. Коммутационная программа командоаппарата
для управления светофором
сбрасывают все интервальные реле (B1, B4–B6). Выходы интервальных реле и выходы Q1, Q2, Q3 устанавливаются в 0. Лампы светофора погашены.
2) Если на входе I1 установлен 0 (светофор выключен) выходы
интервальных реле и выходы Q1, Q2, Q3 сохраняются в состоянии 0.
3) При включении светофора (1 на входе I1) запускается интервальное реле времени B1, и контакты выхода Q1 включают красную лампу светофора. По истечении 15 с на выходе B1 устанавливается 0 и запускается интервальное реле B6, включающее желтый
свет на 5 с. После отключения B6, запускается B5 (зеленый, 15 с).
Отключение B5 запускает B4 (снова желтый, 5 с), а отключение B4
запускает B1. Далее циклы повторяются, пока на входе I1 сохраняется сигнал 1. Установка 0 на I1 отключает светофор.
Таблица 22.2
Список функций
Изображение блока
Описание функции
I
I1 – вход (список Co). Управляет включением/выключением светофора
101
Окончание табл. 22.2
Изображение блока
M
&
>1
Описание функции
M1, M8 – флаги (список Co), т. е. переменные программы. M8 (бит инициализации) – особый флаг,
принимающий значение 1 при первом цикле выполнения программы
B3 – функция И (список GF)
B2, B7 – функция ИЛИ (список GF)
B1,B4– B6 – интервальное реле времени, запускаемое фронтом (список SF). Верхний вход – запуск
реле (выход реле устанавливается в 1), второй
сверху – сброс (выход реле устанавливается в 0)
Q
Q1, Q2, Q3 – выходы программируемого реле
(список Co).
Порядок выполнения работы
1. Убедиться, что устройства, используемые в эксперименте, отключены от сети электропитания.
2. Соединить аппаратуру в соответствие со схемой электрических соединений, изображенной на рис. 22.2.
3. Включить УЗО и автоматический выключатель в однофазном
источнике питания и включить выключатель «СЕТЬ» блока программируемого реле.
4. Перевести реле в режим отображения «Главное меню» (состояние STOP, см. п. 5.2.3 приложения I).
5. Ввести в реле коммутационную программу по рис. 22.1. Внимательно следить за последовательностью ввода новых блоков.Так,
согласно схеме, первым задается выход Q1, затем, к нему присоединяется блок B1, на его вход присоединяется B2, далее B3 и затем
вход I1 и бит инициализации M8. После этого происходит возврат
к блоку B2, задается флаг M1. Далее, возврат на самое начало –
к блокам выходов. Создается выход Q2. К нему, соответственно,
присоединяется блокB4, к последнему – блоки B5 и B6 и т. д. Главное, не пропустить ни одного соединения между блоками, в противном случае программа не будет выполняться корректно.
102
220 В
376
375
355,2
218,2
Рис. 22.2. Схема электрическая для тестирования командоаппарата
управления светофором
Как уже было сказано, нумерация блоков задается автоматически и обусловлена только последовательностью создания очередного блока.
6. Протестировать работу реле. За состоянием входов удобно следить на экране состояния входов (I – цифровые; AI – аналоговые).
Чтобы перейти к экрану состояния входов из «Меню пуска», следует
нажать кнопку ►.
7. По завершении работы остановить коммутационую программу, отключить выключатель «СЕТЬ» и автоматический выключатель в однофазном источнике питания.
Контрольные вопросы
1. Объясните принцип действия и назначение вх./вых. интервального реле времени.
2. Что такое фраг М8 и для чего он предназначен в исследуемой
схеме (рис. 22.1)?
3. Каково назначениефлага М1 в исследуемой схеме (рис. 22.1)?
Лабораторная работа № 23.
Система автоматического управления наружным светом
Цель работы – протестировать систему автоматического управления наружным светом.
103
Таблица 23.1
Оборудование и приборы (блоки)
Наименование
Тип
Параметры
Однофазный источник питания
218.2
~ 220 В, 16 А
Блок программируемого реле
375
6 цифровых входов/
2 цифровых (аналоговых)
входа/4 релейных входа
Пост управления
376
3 кнопки без фиксации/
3 кнопки с фиксацией/
потенциометр
355.2
4 светодиодных
лампы 24 В
407
Выход 0…10 В
Блок световой сигнализации
Датчик освещенности из набора
миниблоков 600.11.2
Содержание работы
1. Составить коммутационную программу для автоматического
управления наружным освещением.
2. Протестировать работу реле по составленной программе.
Теоретические сведения
В коммутационной программе используются блоки, приведенные в табл. 23.2. Точка около входа функции обозанчает инверсию
данного сигнала. На рис. 23.1 изображена коммутационная программа управления наружным освещением.
I1
I
AI1
B1
Q1
&
Q
Лампа 1
B2
AI
A
Gain=1.0+
Offset=0
On=200
Off=100
Point=0
Рис. 23.1. Коммутационная программа
104
Таблица 23.2
Функции для коммутационной программы
управления наружным освещением
Изображение блока
Описание функции
I
I1 – вход (список Co). Управляет включением/выключением системы
&
B1 – функция И (спискоGF)
A
Q
B2 – аналоговый пороговый выключатель (список
SF). При настройке устанавливаются параметры:
порог включения (On = 200, т. е. 2,00 В) и выключения (Off = 100, т. е. 1,00 В)
Q1 – выход программируемого реле (список Co)
Программа работает по следующему алгоритму:
1. Логический 0 на входе I1 устанавливает 0 на выходе B1 (функция И) и 0 на выходе реле Q1. Система отключена.
2. При установке 1 на входе I1 система включается. Сигнал на выходе B1 (и Q1) является инвертированным сигналом аналогового порогового выключателя. При высокой освещенности пороговый выключатель включен (1 на выходе B2) и 0 на выходах B1 и Q1 (лампа
освещения отключена). При низкой освещенности выход порогового
выключателя равен 0, а на выходах B1 и Q1 – 1, освещение включено.
Порядок выполнения работы
1. Убедиться, что устройства, используемые в эксперименте, отключены от сети электропитания.
2. Соединить аппаратуру в соответствие со схемой электрических соединений, изображенной на рис. 23.2.
3. Включить УЗО и автоматический выключатель в однофазном
источнике питания и включить выключатель «СЕТЬ» блока программируемого реле.
4. Перевести реле в режим отображения «Главное меню» (состояние STOP, см. п. 5.2.3 приложения I).
105
220 В
376
407
375
355,2
218,2
Рис. 23.2. Схема электрическая для тестирования коммутационной
программы управления наружным освещением
5. Ввести в реле коммутационную программу по рис. 23.1.
6. Затемняя датчик освещенности проверьте работу системы.
За состоянием входов удобно следить на экране состояния входов
(I – цифровые; AI – аналоговые). Чтобы перейти к экрану состояния
входов из «Меню пуска», следует нажать кнопку ►. Значения порогов срабатывания реле можно уточнить наблюдая на экране состояние аналоговых входов (AI) уровень выходного сигнала датчика освещенности.
7. По завершении работы остановить коммутационую программу, отключить выключатель «СЕТЬ» и автоматический выключатель в однофазном источнике питания.
Контрольные вопросы
1. Что произойдёт, если второй вход блока B1 (рис. 23.1) оставить
не инвертированным?
2. Что необходимо сделать в исследуемой схеме, чтобы лампа вылючалась в пределах от 1 до 2 вольт?
3. Измените исследуемую схему таким образом, чтобы при высокой освещённости лампа гасла через 20 секунд.
106
Лабораторная работа № 24.
Система автоматического управления
исполнительным электродвигателем
Цель работы – протестировать систему автоматического управления исполнительным электродвигателем.
Таблица 24.1
Оборудование и приборы (блоки)
Наименование
Тип
Параметры
Однофазный источник питания
218.2
~220 В, 16 А
Блок программируемого реле
375
6 цифровых входов/
2 цифровых (аналоговых)
входа/4 релейных входа
Пост управления
376
3 кнопки без фиксации/
3 кнопки с фиксацией/
потенциометр
Блок световой сигнализации
355.2
4 светодиодных
лампы 24 В
Исполнительный электродвигатель
378
Напряжение питания 24 В
Содержание работы
1. Составить коммутационную программу для автоматического
управления исполнительным электродвигателем.
2. Протестировать работу реле по составленной программе.
Теоретические сведения
В коммутационной программе используются блоки, приведенные в табл. 24.2.
Программа работает по следующему алгоритму:
1. Сигнал с аналогового входа AI2 поступает на вход аналогового
порогового выключателя (B1). Если сигнал превышает порог срабатывания, то на выходе выключателя B1 и выходе реле Q1 устанавливается 1. Контакты Q1 замыкают цепь сигнальной лампы. При
снижении сигнала датчика ниже порога срабатывания лампа отключается.
2. При включении системы на выходах RS триггеров 0, т. е. цепь
питания двигателя через контакты выходов Q3 и Q4 разомкнута.
3. Подача 1 на вход I1 устанавливает 1 на выходе триггера B2,
и через контакты выхода Q3 подается напряжение на клемму вра107
Таблица 24.2
Функции для коммутационной программы
управления исполнительным электродвигателем
Изображение блока
Описание функции
I
I1, I2, I3 – входы (списокCo). Управляют соответственно, вращением против часовой стрелки, по
часовой стрелке, остановкой двигателя.
AI
AI2 (I8) – аналоговый вход реле A1 (список Co).
На вход подается сигнал датчика положения вала
двигателя 0 … 10 В.
RS
B2, B3 – RS триггер (список SF). Верхний вход
(S = 1) – установка 1 на выходе триггера, нижний
вход (R = 1) – установка 0 на выходе. Если
и S = R = 1, то на выходе триггера 0 (приоритет R)
>1
B4, B5 – функция ИЛИ (список GF)
A
B1 – аналоговый пороговый выключатель (список
SF). При настройке устанавливаются одинаковые
значения порогов включения и выключения
(On = 500, Off = 500, что соответствует делению
50 шкалы положения вала двигателя)
Q
Q1, Q2, Q3 – выходы программируемого реле
(список Co). Управляют соответственно, красной
лампой, вращением против часовой стрелки и по
часовой стрелке
щения двигателя противчасовой стрелки. Одновременно сигнал
с I1 через B5 устанавливает триггерB3 в 0. При этом контакты выхода Q4 снимают напряжение с клеммы вращения двигателя по часовой стрелке.
4. Подача 1 на вход I2 устанавливает 1 на выходе триггера B3,
и через контакты выхода Q4 подается напряжение на клемму вращения двигателя почасовой стрелке. Одновременно сигнал с I2
через B4устанавливает триггерB2в 0. При этом контакты выхода
Q3снимают напряжение с клеммы вращения двигателя против часовой стрелки.
108
AI1
AI
Датчик угла
B1
Q1
A
Q
Gain=1.0+
Offset=0
On=500
Off=500
Point=0
I1
Вращение
против часовой
стрелки
I
B4
>1
B2
Q2
RS
Q
B3
Q3
RS
Q
Сигнал
датчика
Rem = off
I2
Вращение по
часовой стрелке
I
B5
>1
Rem = off
I3
Стоп
I
Рис. 24.1. Коммутационная программа
5. Сигнал 1 на входе I3 (Стоп), через блоки B4 и B5 переводит выходы обеих триггеров (B2 и B3) в состояние 0. При 0 на выходах Q3
и Q4 двигатель отключен от источника питания.
На рис. 24.1 изображена коммутационная программа управления исполнительным электродвигателем.
Порядок выполнения работы
1. Убедиться, что устройства, используемые в эксперименте, отключены от сети электропитания.
2. Соединить аппаратуру в соответствие со схемой электрических соединений, изображенной на рис. 24.2.
3. Включить УЗО и автоматический выключатель в однофазном
источнике питания и включить выключатель «СЕТЬ» блока программируемого реле.
4. Перевести реле в режим отображения «Главное меню» (состояние STOP, см. п. 5.2.3 приложения I).
5. Ввести в реле коммутационную программу по рис. 24.1.
109
220 В
376
375
378
355.2
218.2
Рис. 24.2. Схема электрическая для тестирования коммутационной
программы управления исполнительным электродвигателем
6. Протестировать работу схемы под управлением реле. Кнопки
без фиксации поста управления А4 управляют двигателем А5: верхняя подает сигнал для вращения двигателя против часовой стрелки;
вторая сверху – для вращения по часовой стрелке; третья сверху –
подает сигнал на останов двигателя.
7. По завершении работы остановить коммутационую программу, отключить выключатель «СЕТЬ» и автоматический выключатель в однофазном источнике питания.
Контрольные вопросы
1. Какие изменения необходимо произвести в исследуемой коммутационной программе, чтобы сигнальная лампа зажигалась при
пороговом значении равном 300, а гасла при пороговом значении
равным 500?
2. Какие изменения необходимо произвести в исследуемой коммутационной программе, чтобы сигнальная лампа начинала мигать
при остановке электродвигателя (длительность импульса 0,5 сек., период равен 1 сек.)? Блоки AI1 и B1 из программы необходимо удалить.
3. Доработайте коммутационную программу так, чтобы при повороте электродвигателя в левую или правую сторону на выход Q4
поступил сигнал логической «1» и был снят через 5 секунд.
110
Лабораторная работа № 25.
Система автоматического регулирования температуры
Цель работы – протестировать систему автоматического регулирования температуры
Таблица 25.1
Оборудование и приборы (блоки)
Наименование
Тип
Параметры
Однофазный источник питания
218.2
~220 В, 16 А
Блок программируемого реле
375
6 цифровых входов/
2 цифровых (аналоговых)
входа/4 релейных входа
Пост управления
376
3 кнопки без фиксации/
3 кнопки с фиксацией/
потенциометр
355.2
4 светодиодных
лампы 24 В
379
Лампа накаливания 24 В/
датчик температуры
0 … 10 В
Блок световой сигнализации
Модель отапливаемого
помещения
Содержание работы
1. Составить коммутационную программу для автоматического
регулирования температуры.
2. Протестировать работу реле по составленной программе.
Теоретические сведения
В коммутационной программе используются блоки, приведенные в табл. 25.2.
На рис. 25.1 изображена коммутационная программа автоматического регулирования температуры.
Программа работает по следующему алгоритму:
1. Сигнал 0 на входе I1блокиует работу программы – выход реле
Q1 находится в состоянии 0, нагреватель отключен.
2. Программа переходит в режим регулирования температуры
при 1 на входе I1.
3. В заданном диапазоне регулирования температуры (40…60 °C)
выходное напряжение датчика температуры изменяется от 4,00 В
до 6,00 В, т. е. 0,1 В/°C. В коммутационной программе данному диапазону напряжений будут соответствовать числа от 400 до 600 на
выходе AI2.
111
I1
Пуск/стоп
I
AI1
Заданная
температура
Q1
&
Q
Лампа
(нагрев)
B4
AI
A
Gain=0.2+
Offset=400
Point=0
AI2
Датчик
температура
B1
AI
B3
B2
A
On=5
Off= – 5
Gain=1.0+
Offset=0
Point=0
Rem = off
05:00s+
00:00s
Рис. 25.1. Коммутационная программа
Таблица 25.2
Функции для коммутационной программы
автоматического регулирования температуры
Изображение блока
I
AI
&
Описание функции
I1– вход (списокCo). Управляют включением/
выключением системы
AI1, AI2 (I7, I8) – аналоговые входы реле A1 (список
Co). На вход AI1 подается сигнал задания температуры с переменного сопротивления (0…+10 В). На вход
AI2 – синалдатчикатемпературы
B1 – функция И (список GF)
B2 – задержка включения/выкключения (список
SF). При переходе сигнала на входе 0→1 или 1→0
аналогичный переход сигнала на выходе происходит
спустя заданный промежуток времени
A
112
B3 – аналоговый компаратор (список SF). Установлены порог включения On=5 и выключения
Off = –5. Пороги определяются как разность
аналоговых сигналов верхнего (по рисунку)
и нижнего входов компаратора
Окончание табл. 25.2
Изображение блока
A
Q
Описание функции
B4 – аналоговый усилитель (список SF). Для блока
установлен коэффициент усиления Gain = 0.2
и смещение Offset = 400. Выходной сигнал усилителя вычисляется по формуле: AI1 ·Gain + Offset,
т. е. AI1 · 0.2 + 400
Q1 – выход программируемого реле (список Co).
Контакты выхода управляют нагревателем (лампой)
4. Сигнал задания температуры на входе реле AI1 меняется от 0
до 10 В, что соответствует диапазону изменения сигнала 0…1000 на
выходе блока AI1. Аналоговый усилитель B4 преобразует входной
сигнал с диапазоном 0…1000 в сигнал диапазона 400…600, согласованный с диапазоном изменения температуры. Для выполнения
этого преобразования в качестве параметров блока B4 заданы коэффициент усиления Gain = 0.2 и смещение Offset = 400. Выходной
сигнал усилителявычисляется по формуле: AI1 Gain + Offset, т. е.
AI1 · 0.2 + 400.
5. Аналоговый компаратор B3 вычисляет разность заданного и
измеряемого значений температуры. Если разность превышает порог включения (параметр On = 5), то выход компаратора устанавливается в 1. С учетом масштаба аналоговых сигналов в коммутационной программе установленный порог соответствует 0,05 В или
0,5 °С. Спустя 5 с сигнал 1 появляется на выходе блока задержки
включения/выключения B2, выходе B1 и Q1. Включается лампа нагрева. Временная задержка введена для исключения многократных
включений/отключений лампы при медленном переходе температуры через заданный порог сработывания.
6. Когда измеренная температура превышает заданную на величину порога выключения компаратора (параметр Off = – 5), выход
компаратора переходит в состояние 0. Спустя время задержки блока B2 (5 с) значение 0 устанавливается на выходах B2, B1 и Q1. Лампа нагревателя отключается. При снижении температуры нагреватель снова включается, и т. д.
Порядок выполнения работы
1. Убедиться, что устройства, используемые в эксперименте, отключены от сети электропитания.
113
220 В
376
375
379
218.2
Рис. 25.2. Схема электрическая для тестирования коммутационной
программы автоматического регулирования температуры
2. Соединить аппаратуру в соответствие со схемой электрических соединений, изображенной на рис. 25.2.
3. Включить УЗО и автоматический выключатель в однофазном
источнике питания и включить выключатель «СЕТЬ» блока программируемого реле.
4. Перевести реле в режим отображения «Главное меню».
5. Ввести в реле коммутационную программу по рис. 25.1.
6. Протестировать работу схемы под управлением реле. Переменным резистором изменяется заданное значение температуры.
7. По завершении работы остановить коммутационую программу, отключить выключатель «СЕТЬ» и автоматический выключатель в однофазном источнике питания.
Контрольные вопросы
1. Чему будет равно значение на выходе аналогового усилителя
В4, если значение на входе AI равно 50?
2. Чему будет равен коэффициент усиления, если смещение равно 150, значение на входе аналогового усилителя равно 50 и выходной сигнал усилителя равен 300?
3. Объясните назначение блока B2 в коммутационной программе
(рис. 25.1).
114
СОДЕРЖАНИЕ
Введение ..................................................................................
3
1. Датчики технологических параметров ......................................
5
Лабораторная работа № 1. Испытание бесконтактных
выключателей ......................................................................
5
Лабораторная работа № 2. Испытание индуктивного
датчика линейного положения ................................................
8
Лабораторная работа № 3. Испытание резистивного
датчика положения ...............................................................
10
Лабораторная работа № 4.«Испытание датчика давления............
13
Лабораторная работа № 5.Испытание датчиков температуры ......
16
2. Цифровые устройства .............................................................
20
Лабораторная работа № 6. Тестирование базовых
логических функций.............................................................
22
Лабораторная работа № 7. Комбинационный узел
на основе базовых логических элементов
для реализации произвольной логической функции ..................
26
Лабораторная работа № 8. Комбинационные узлы на основе
базовых логических элементов для экспериментального
подтверждения законов алгебры логики ..................................
30
Лабораторная работа № 9. Преобразователь кода и дешифратор....
36
Лабораторная работа № 10. Мультиплексор и демультиплексор....
41
Лабораторная работа № 11. Триггеры ......................................
48
Лабораторная работа № 12. Регистры ......................................
55
Лабораторная работа № 13. Счетчики ......................................
59
3. Аналоговые и аналого-цифровые устройства .............................
66
Лабораторная работа №14. Испытание операционного усилителя
66
Лабораторная работа № 15. Испытание цифро-аналогового
преобразователя с выходом по току .........................................
71
Лабораторная работа № 16. Испытание цифро-аналогового
преобразователя с выходом по напряжению .............................
77
Лабораторная работа № 17. Испытание аналого-цифрового
преобразователя развертывающего и следящего преобразования»
82
4. Устройства управления ..........................................................
88
Лабораторная работа № 18. Командоаппарат с жесткой логикой .
88
Лабораторная работа № 19. Тестирование основных
логических функций программируемого реле...........................
90
Лабораторная работа № 20. Тестирование специальных
логических функций.............................................................
94
Лабораторная работа № 21. Тестирование логических
функций для управления объектом .........................................
97
Лабораторная работа № 22. Коммандоаппарат
для управления светофором ...................................................
99
Лабораторная работа № 23. Система автоматического
управления наружным светом ................................................ 103
Лабораторная работа № 24. Система автоматического
управления исполнительным электродвигателем ...................... 107
Лабораторная работа № 25. Система автоматического
регулирования температуры .................................................. 111
115
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
3
Размер файла
1 179 Кб
Теги
kulikov
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа