Рис. 16.7. Реализация двухвходового мультиплексора на логических элементах И

Мультиплексоры являются универсальными логическими устройствами, на основе которых создают различные комбинационные и последовательностные схемы. Мультиплексоры могут использовать в делителях частоты, триггерных устройствах, сдвигающих устройствах, для преобразования параллельного двоичного кода в последовательный и др.

Демультиплексором называют устройство, в котором сигналы с одного информационного входа поступают в желаемой последовательности по нескольким выходам в зависимости от кода на адресных шинах. Таким образом, демультиплексор в функциональном отношении противоположен мультиплексору. Демультиплексоры обозначают через DMX или DMS.

Рис. 16.8. Функциональная схема демультиплексора с двумя выходами

Если соотношение между числом выходов n и числом адресных входов m определяется равенством n=2m, то такой демультипликатор называют полным, при n<2m демультиплексор является неполным.

Рассмотрим функционирование демультипликатора с двумя выходами, который условно изображен в виде коммутатора, а состояние его входов приведено в таблице (рис. 16.8). Из этой таблицы следует: , т.е. реализовать такое устройство можно так, как показано на рис. 16.9.

Рис. 16.9. Реализация демультиплексора с двумя выходами на логических элементах И

Функции демультиплексоров сходны с функциями дешифраторов. Дешифратор можно рассматривать как демультиплексор, у которого информационный вход поддерживает напряжение выходов в активном состоянии, а адресные входы выполняют роль входов дешифратора. Поэтому в обозначении как дешифраторов, так и демультиплексоров используются одинаковые буквы - ИД. Выпускают дешифраторы (демультиплексоры) К155ИД3, К531ИД7 и др.

Сумматоры - это комбинационные устройства для сложения чисел. Рассмотрим сложение двух одноразрядных двоичных чисел, для чего составим таблицу сложения (таблицу истинности), в которой отразим значения входных чисел А и В, значение результата суммирования S и значение переноса в старший разряд P (рис. 16.10). Работа устройства, реализующего таблицу истинности, описывается следующими уравнениями: .

Очевидно, что по отношению к столбцу S реализуется логическая функция «исключающее ИЛИ», т.е. S=A B.



Рис. 16.10. Таблица истинности

Устройство, реализующее таблицу (рис. 16.10), называют полусумматором, и оно имеет логическую структуру, изображенную на рис. 16.11. Поскольку полусумматор имеет только два входа, он может использоваться для суммирования лишь в младшем разряде.

Рис. 16.11. Схема полусумматора

При суммировании двух многоразрядных чисел для каждого разряда (кроме младшего) необходимо использовать устройство, имеющее дополнительный вход переноса.

Рис. 16.12. Схема полного сумматора

Такое устройство (рис. 16.12) называют полным сумматором и его можно представить как объединение двух полусумматоров (Рвх - дополнительный вход переноса).

Сумматор обозначают через SM.

Последовательностные цифровые устройства

Триггер - простейшее последовательностное устройство, которое может находиться в одном из двух возможных состояний и переходить из одного состояния в другое под воздействием входных сигналов. Триггер является базовым элементом последовательностных логических устройств.

Триггеры классифицируют по следующим признакам:

· способу приема информации;

· принципу построения;

· функциональным возможностям.

Различают асинхронные и синхронные триггеры.

Асинхронный триггер изменяет свое состояние непосредственно в момент появления соответствующего информационного сигнала.

Синхронные триггеры реагируют на информационные сигналы только при наличии соответствующего сигнала на входе синхронизации С (строб).

По функциональным возможностям триггеры разделяются на следующие классы:

· с раздельной установкой состояния 0 и 1 (RS - триггеры);

· универсальные (JK - триггеры);

· с приемом информации по одному входу D (D - триггеры, или триггеры задержки);

· со счетным входом Т (Т-триггеры).

Входы триггеров обычно обозначают следующим образом:

S - вход для установки состояния «1»;

R - вход для установки состояния «0»;

J - вход для установки в состояние «1» в универсальном триггере;

К - вход для установки в состояние «0» в универсальном триггере;

Т - счетный (общий) вход;

D - вход для установки в состояние «1» или в состояние «0»;

V - дополнительный управляющий вход для разрешения приема информации (иногда используют букву Е вместо V).

Рассмотрим асинхронный RS-триггер, имеющий условное графическое обозначение, приведенное на рис. 16.13. Триггер имеет два информационных входа: S и R. Закон функционирования триггеров удобно описывать таблицей переходов (таблицей истинности) (рис. 16.14). Через St, Rt, Qt обозначены соответствующие логические сигналы, имеющие место в некоторый момент времени t, а через Qt+1 - выходной сигнал в следующий момент времени t+1.

Рис. 16.13. RS-триггер Рис. 16.14. Таблица истинности

Комбинацию входных сигналов St=1, Rt=1 часто называют запрещенной, так как после нее триггер оказывается в состоянии (1 или 0), предсказать которое заранее невозможно. Подобных ситуаций следует избегать.

Рассмотренный триггер может быть реализован на двух элементах ИЛИ-НЕ (рис. 16.15). Микросхема К564ТР2 содержит 4 асинхронных RS-триггера и один управляющий вход (рис. 16.16). При подаче на вход V низкого уровня выходы триггеров отключаются от выводов микросхем и переходят в третье, так называемое высокоимпедансное, состояние. При подаче на вход V логического сигнала «1» триггеры работают в соответствии с таблицей истинности (рис. 16.14).



Рис. 16.15. Триггер Рис. 16.16. Микросхема К564ТР2 на элементах ИЛИ-НЕ

Счетчики импульсов - это последовательностное цифровое устройство, обеспечивающее хранение слова информации и выполнение над ним микрооперации счета, заключающейся в изменении значения числа в счетчике на 1. По существу счетчик представляет собой совокупность соединенных определенным образом триггеров. Основной параметр счетчика - модуль счета. Это максимальное число единичных сигналов, которое может быть сосчитано счетчиком. Счетчики обозначаются через СТ.

Счетчики классифицируют:

по модулю счета:

· двоично-десятичные;

· двоичные;

· с произвольным постоянным модулем счета;

· с переменным модулем счета;

по направлению счета:

· суммирующие;

· вычитающие;

· реверсивные;

по способу формирования внутренних связей:

· с последующим переносом;

· с параллельным переносом;

· с комбинированным переносом;

· кольцевые.

Рис. 16.17. Суммирующий счетчик на JK -триггерах

Рассмотрим суммирующий счетчик (рис. 16.17,а). Такой счетчик построен на четырех JK-триггерах, которые при наличии на обоих входах логического сигнала «1» переключаются в моменты появления на входах синхронизации отрицательных перепадов напряжения.

Временные диаграммы, иллюстрирующие работу счетчика, приведены на рис. 16.17,б. Через Ксн обозначен модуль счета (коэффициент счета импульсов). Состояние левого триггера соответствует младшему разряду двоичного числа, а правого - старшему разряду. В исходном состоянии на всех триггерах установлены логические нули. Каждый триггер меняет свое состояние лишь в тот момент, когда на него действует отрицательный перепад напряжения. Таким образом, данный счетчик реализует суммирование входных импульсов. Из временных диаграмм (рис. 16.17,б) видно, что частота каждого последующего импульса в два раза меньше, чем предыдущая, т.е. каждый триггер делит частоту входного сигнала на два, что и используется в делителях частоты.

Регистр - это последовательностное логическое устройство, используемое для хранения n-разрядных двоичных чисел и выполнения преобразований над ними. Регистр представляет собой упорядоченную последовательность триггеров, число которых соответствует числу разрядов в слове. С каждым регистром обычно связано комбинационное цифровое устройство, с помощью которого обеспечивается выполнение некоторых операций над словами.

Типичными является следующие операции:

· прием слова в регистр;

· передача слова из регистра;

· поразрядные логические операции;

· сдвиг слова влево или вправо на заданное число разрядов;

· преобразование последовательного кода слова в параллельный и обратно;

· установка регистра в начальное состояние (сброс).

Фактически любое цифровое устройство можно представить в виде совокупности регистров, соединенных друг с другом при помощи комбинационных цифровых устройств.

Регистры классифицируются по следующим видам:

· накопительные (регистры памяти, хранения);

· сдвигающие.

В свою очередь сдвигающие регистры делятся:

· по способу ввода-вывода информации на

- параллельные;

- последовательные;

– комбинированные;

· по направлению передачи информации на

- однонаправленные;

- реверсивные.

Рассмотрим накопительный регистр с параллельными вводом и выводом информации (рис. 16.18). Основой регистра являются D-триггеры, которые на своих выходах повторяют значения сигналов на входах Х1 - Х4 (информационные входы) при логическом сигнале 1 на входе синхронизации (т.е. осуществляется параллельный ввод входной информации в регистр).

Рис. 16.18. Накопительный регистр с параллельными вводом и выводом информации

Рис. 16.19. Микросхема регистра К155ИР15

На четырех двухвходовых элементах «И» реализованы схемы совпадения, входные сигналы которых совпадают с выходными сигналами триггеров в том случае, когда на вход Y2 подана логическая единица. Таким образом осуществляется параллельный вывод информации. В качестве примера рассмотрим микросхему регистра К155ИР15. Приведем условное обозначение и таблицы внутренних и выходных состояний (рис. 16.19).

17. Цифровые запоминающие устройства

Цифровыми запоминающими называют устройства, предназначенные для записи, хранения и считывания информации, представленной в цифровом коде. Запоминающие устройства (ЗУ) классифицируют по назначению, технологии изготовления, способу адресации, способу хранения информации и т.д. По назначению запоминающие устройства подразделяют на оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) и постоянные запоминающие устройства (ПЗУ). ОЗУ обеспечивают режим записи, хранения и считывания информации в процессе ее обработки. ПЗУ в рабочем режиме допускает только считывание информации.

По технологии изготовления ЗУ делятся на биполярные (ТТЛ-, ТТЛШ-, ЭСЛ-, И2Л-технологии) и униполярные (n-МОП, КМОП- и другие технологии).

По способу адресации все ЗУ делятся на адресные и безадресные (ассоциативные). В адресных ЗУ обращение к элементам памяти производится в соответствии с их адресом, задаваемым двоичным кодом. Большинство ЗУ являются адресными. В ассоциативных ЗУ считывание информации осуществляется по ее содержанию и не зависит от физических координат элементов памяти. Ассоциативные ЗУ не имеют входов адресных сигналов.

К основным параметрам ЗУ относятся информационная емкость, потребляемая мощность, время хранения информации, быстродействие и др.

Основой любого ЗУ является матрица памяти (накопитель), которая состоит из n строк. Каждая строка имеет m ячеек памяти, образующих m-разрядное слово.

Оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) подразделяются на статические и динамические. В статических ОЗУ запоминающая ячейка представляет собой триггер на биполярных или полевых транзисторах, что определяет потенциальный характер управляющих сигналов и возможность считывания информации без ее разрушения.

ОЗУ динамического типа позволяют реализовать большой объем памяти, но они сложнее в использовании, так как необходимо наличие специальной схемы управления режимами работы. В современных динамических ОЗУ имеются встроенные системы регенерации и синхронизации. Такие ОЗУ по внешним сигналам управления не отличаются от статических ОЗУ.

Рассмотрим в качестве примера некоторые микросхемы ОЗУ (рис. 17.1).

Рис. 17.1. Микросхемы ОЗУ

Выводы микросхем имеют следующие обозначения: CS - выбор микросхемы, Ai - адресные входы, DIi - информационные входы, DOi - информационные выходы, W/R - разрешение записи/считывания, RAS - строб адреса строки, CAS - строб адреса столбца, CE -сигнал разрешения.

Микросхема К155РУ2 - это статическое ОЗУ с открытым коллекторным выходом - выполнена на основе ТТЛ-структур емкостью 64 бит. Имеет структуру 16Ч4, т.е. может хранить 16 слов длиной 4 разряда каждое.

Микросхема К537РУ8 - это статическое ОЗУ объемом 2 Кбайта, выполнена на основе структур КМОП, по входу и выходу совместима с ТТЛ-структурами. Имеет двунаправленную 8-разрядную шину данных, которая используется и для записи, и для считывания информации.

Микросхема К565РУ5 - это динамическое ОЗУ на основе n-МОП-структурами, по входам и выходам совместима с ТТЛ-структурами, имеет организацию 64КЧ1. Шина адреса работает в мультиплексном режиме.

Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) можно разделить на следующие группы:

· программируемые при изготовлении (обозначают как ПЗУ или ROM);

· с однократным программированием, позволяющим пользователю однократно изменить состояние матрицы памяти электрическим путем по заданной программе (обозначаются как ППЗУ или PROM);

· перепрограммируемые (репрограммируемые), с возможностью многократного электрического перепрограммирования, с электрическим или ультрафиолетовым стиранием информации (обозначают как РПЗУ или RPROM).

Промышленность выпускает большое количество микросхем ПЗУ. Приведем для примера две микросхемы ПЗУ (рис. 17.2). На схемах использованы следующие обозначения: Ai - адресные входы; Di - информационные выходы; CS - выбор микросхемы; CE - разрешение входа.



Рис. 17.2. Микросхемы ПЗУ

Микросхема К573РФ5 - это репрограммируемое ПЗУ (РПЗУ) с ультрафиолетовым стиранием, имеющее структуру 2КЧ8. По входу и выходу эта микросхема совместима с ТТЛ-структурами. Микросхема К556РТ5 - это однократно программируемая ПЗУ, выполнена на основе ТТЛШ-структур, по выходу совместима с ТТЛ-структурами, имеющая структуру 512 битЧ8.

18. Устройства для формирования и аналого-цифрового преобразования сигналов

Односторонний амплитудный ограничитель - это устройство, напряжение на выходе которого Uвых(t) остается на постоянном уровне Uогр, когда входное напряжение Uвх(t) либо превышает некоторое пороговое значение Uпор (ограничение сверху), либо ниже порогового значения (ограничение снизу). Иначе выходное напряжение повторяет форму входного.

Двусторонние ограничители ограничивают сигнал на двух уровнях. Наиболее простыми являются ограничители на диодах (диодные ограничители).

Диодные ограничители бывают последовательные и параллельные. В последовательных ограничителях диод включен последовательно с нагрузкой, а в параллельных - параллельно нагрузке.

Рис. 18.1. Последовательный диодный ограничитель

Рассмотрим идеализированную схему последовательного диодного ограничителя (рис. 18.1). До тех пор пока входное напряжение меньше E0, диод закрыт и Uвых равно Е0. В промежутках времени, когда входное напряжение превышает E0, диод открыт и Uвых повторяет Uвх. Таким образом, рассмотренный ограничитель является последовательным диодным ограничителем на положительном уровне снизу.

Практически используемая схема рассмотренного ограничителя приведена на рис. 18.2. Она позволяет регулировать уровень ограничения, сделав одно из резисторов R1 или R2 переменным.

Рис. 18.2. Реальная схема последовательного диодного ограничителя

Рассмотрим принцип действия параллельного диодного ограничителя (рис. 18.3). Лишь в промежутках времени, когда входное напряжение более отрицательно, чем E0, диод открыт и Uвых равно Е. Во все остальные моменты времени диод закрыт и Uвых повторяет Uвх. Таким образом, данный ограничитель является параллельным диодным ограничителем на отрицательном уровне снизу.

Рис. 18.3. Параллельный диодный ограничитель

Широкое распространение нашли ограничители амплитуды, построенные на основе ОУ. На рис. 18.4,а приведена схема одностороннего ограничителя на основе ОУ, на рис. 18.4,б - передаточная характеристика ограничителя, а на рис. 18.4,в - временные диаграммы его работы.

Рис. 18.4. Ограничитель амплитуды на ОУ

Основой данного ограничителя является инвертирующий усилитель на основе ОУ. В промежутках времени, когда напряжение Uвых отрицательное или меньше, чем Uст+Uд, диод закрыт и устройство работает как обычный инвертирующий усилитель (Uст - напряжение стабилизации стабилитрона, Uд - прямое падение напряжения на диоде). В промежутках времени, когда напряжение Uвх выше уровня Uст+Uд, диод закрыт, а стабилитрон находится в режиме стабилизации и напряжение Uвых ограничивается на уровне Uст+Uд.

Входное напряжение U1, при котором начинается ограничение выходного, определяется выражением

,

где К=R2/R1.

Цифроаналоговые преобразователи

Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) предназначены для преобразования цифровых сигналов в аналоговые. Такое преобразование необходимо, например, при восстановлении аналогового сигнала, предварительно преобразованного в цифровой для передачи на большие расстояния или хранения (таким сигналов, в частности, может быть звук).

К основным параметрам ЦАП относят разрешающую способность , время установления, погрешность нелинейности и др. Разрешающая способность - величина, обратная максимальному числу шагов квантования выходного аналогового сигнала. Время установления tуст - интервал времени от подачи кода на вход до момента, когда выходной сигнал войдет в заданные пределы, определяемые погрешностью. Погрешность нелинейности - максимальное отклонение графика зависимости выходного напряжения от напряжения, задаваемого цифровым сигналом, по отношению к идеальной прямой во всем диапазоне преобразования.

ЦАП является «связующим звеном» между аналоговой и цифровой электроникой. Существуют различные принципы построения АЦП.

На рис. 18.5 приведена схема ЦАП с суммированием весовых токов. Ключ S5 замкнут только тогда, когда разомкнуты все ключи S1…S4 (при этом uвых=0). U0 - опорное напряжение. Каждый резистор во входной цепи соответствует определенному разряду двоичного числа. По существу этот ЦАП - инвертирующий усилитель на основе операционного усилителя. Если замкнут один ключ S1, то

,

что соответствует единице в первом и нулям в остальных разрядах. Модуль выходного напряжения пропорционален числу, двоичный код которого определяется состоянием ключей S1…S4. Токи ключей S1…S4 суммируются в точке «а» причем токи различных ключей различны (имеют разный «вес»). Это и определяет название схемы.



Рис. 18.5. ЦАП с суммированием токов

На рис. 18.6 приведена схема ЦАП на основе резистивной матрице R - 2R (матрицы постоянного сопротивления.

Рис. 18.6. ЦАП на основе резистивной матрицы

В схеме использованы так называемые перекидные ключи S1…S4, каждый из которых в одном из состояний подключен к общей точке, поэтому напряжения на ключах невелики. Ключ S5 замкнут только тогда, когда все ключи S1…S4 подключены к общей точке. Тогда напряжение относительно общей точки в каждой следующей из точек «а»…«d» в 2 раза больше, чем в предыдущей. К примеру, напряжение в точке «b» в 2 раза больше, чем в точке «а» (напряжение Ua, Ub, Uc и Ud в указанных точках определяются следующим образом: Ud=U0; Uc=U0/2; Ud=U0/4; Ua=U0/8). Допустим, что состояние указанных ключей изменилось. Тогда напряжения в точках «а»…«d» не изменится, так как напряжение между входами операционного усилителя практически нулевое.

На рис. 18.7 приведена схема ЦАП для преобразования двоично-десятичных чисел.

Рис. 18.7. ЦАП для преобразования двоично-десятичных чисел

Для представления каждого разряда десятичного числа используется отдельная матрица R - 2R (обозначены прямоугольниками). Z0…Z3 обозначают числа, определенные состоянием ключей каждой матрицы R - 2R. Принцип действия становится понятным, если учесть, что сопротивление каждой матрицы равно R. На выходе ЦАП получим

.

Наиболее распространенными являются ЦАП серий микросхем 572, 594, 1108, 1118 и др. В табл. 18.1 приведены параметры некоторых из них.

Таблица 18.1

Аналого-цифровые преобразователи

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) - это устройства, предназначенные для преобразования аналоговых сигналов в цифровые. Для такого преобразования необходимо осуществить квантование аналогового сигнала, т.е. мгновенные значения аналогового сигнала ограничить определенными уровнями, называемыми уровнями квантования. Характеристика идеального квантования имеет вид, приведенный на рис. 18.8.

Рис. 18.8. Квантование аналогового сигнала

Квантование представляет собой округление аналоговой величины до ближайшего уровня квантования, т.е. максимальная погрешность квантования равна ±0,5h (h - шаг квантования).

К основным характеристикам АЦП относят число разрядов, время преобразования, нелинейность и др. Число разрядов - количество разрядов кода, связанного с аналоговой величиной, которое может вырабатывать АЦП. Разрешающая способность - величина, обратная максимальному числу кодовых комбинаций на выходе АЦП. Так, 10-разрядный АЦП имеет разрешающую способность (210=1024)-1, т.е. при шкале АЦП, соответствующей 10 В, абсолютное значение шага квантования не превышает 10 мВ. Время преобразования tпр - интервал времени от момента заданного изменения сигнала на входе АЦП до появления на его выходе соответствующего устойчивого кода.

Характерными методами преобразования являются следующие: параллельного преобразования аналоговой величины и последовательного преобразования.

Рассмотрим АЦП с параллельным преобразованием входного аналогового сигнала (рис. 18.9). По параллельному методу входное напряжение одновременно сравнивают с n опорными напряжениями и определяют, между какими двумя опорными напряжениями оно лежит. При этом результат получают быстро, но схема оказывается достаточно сложной. Например, если Uвх>3/2U, но меньше 5/2U, то на выходе двух нижних ОУ появляется напряжение +Епит, что приводит к появлению на выходах кодирующего преобразователя (КП) кода 010.

Рассмотрим конкретный вариант АЦП с последовательным преобразованием входного сигнала (последовательного счета), который называют АЦП со следящей связью (рис. 18.10). В АЦП рассматриваемого типа используется ЦАП и реверсивный счетчик, сигнал которого обеспечивает изменение напряжения на выходе ЦАП.

Рис. 18.9. АЦП с параллельным преобразованием

Настройка схемы такова, что обеспечивается примерное равенство напряжений на входе Uвх и на выходе ЦАП - U. Если входное напряжение Uвх больше напряжения U на выходе ЦАП, то счетчик переводится в режим прямого отсчета и код на его выходе увеличивается, обеспечивая увеличение напряжения на выходе ЦАП. В момент равенства Uвх и U счет прекращается и с выхода реверсивного счетчика снимается код, соответствующий входному напряжению.

Рис. 18.10. АЦП с последовательным преобразование входного сигнала

Метод последовательного преобразования реализуется и в АЦП время-импульсного преобразования (АЦП с генератором линейно изменяющегося напряжения - ГЛИН) (рис. 18.11).

Рис. 18.11. Последовательное АЦП с время-импульсным преобразованием

Принцип действия рассматриваемого АЦП основан на подсчете числа импульсов в отрезке времени, в течение которого линейно изменяющееся напряжение (ЛИН), увеличиваясь от нулевого значения, достигает уровня входного напряжения Uвх. Используются следующие обозначения: СС - схема сравнения; ГИ - генератор импульсов; Кл - электронный ключ; Сч - счетчик импульсов. Отмеченный на временной диаграмме момент времени t1 соответствует началу измерения входного напряжения, а момент времени t2 - равенству входного напряжения и текущего напряжения ГЛИН. Погрешность измерения определяется шагом квантования времени. Ключ Кл подключает к счетчику генератор импульсов от момента начала измерения до момента равенства Uвх и UГЛИН. Через UСч обозначено напряжение на входе счетчика. Код на выходе счетчика пропорционален входному напряжению. Одним из недостатков этой схемы является невысокое быстродействие.

Наиболее распространенными являются АЦП серий микросхем 572, 1107, 1138 и др. (табл. 18.2).

Таблица 18.2

Из таблицы видно, что наилучшим быстродействием обладает АЦП параллельного преобразования, а наихудшими - АЦП последовательного преобразования.

18.1 Генераторы импульсных сигналов

Наиболее распространены генераторы прямоугольных и линейно изменяющихся (пилообразных) импульсов напряжения.

Генераторы импульсных сигналов (импульсные генераторы) могут работать в одном из трех режимов: автоколебательном, ждущем и синхронизации.

В автоколебательном режиме генераторы непрерывно формируют импульсные сигналы без внешнего воздействия. В ждущем режиме генераторы формируют импульсный сигнал лишь по приходе внешнего (запускающего) сигнала. В режиме синхронизации генераторы вырабатывают импульсы напряжения, частота которых равна или кратна частоте синхронизирующего сигнала.

Генераторы прямоугольных импульсов делятся на мультивибраторы и блокинг-генераторы. И те и другие могут работать как в автоколебательном, так и в ждущем режимах.

Автоколебательные мультивибраторы могут быть построены на дискретных, логических элементах или операционных усилителях. Автоколебательный мультивибратор на основе ОУ представлен на рис. 18.12.

Рис. 18.12 . Автоколебательный мультивибратор на основе ОУ

В данной схеме с помощью резисторов R1 и R2 введена положительная обратная связь, что является необходимым условием для возникновения электрических колебаний. В зависимости от напряжения на выходе (которое может быть равно либо +Епит, либо -Епит, где Епит - напряжение питания ОУ) на неинвертирующем входе ОУ устанавливается или напряжение U+1, или напряжение U+2. Емкость С, входящая в цепь отрицательной обратной связи, перезаряжается с постоянной времени ф=RC. Период следования импульсов Т определяется выражением

.

Таким образом, данный мультивибратор формирует прямоугольные импульсы напряжения.

Блокинг-генераторы используют для получения мощных прямоугольных импульсов малой длительности (от долей микросекунды до долей миллисекунды) и скважностью до нескольких десятков тысяч. Основным элементом таких генераторов является импульсный трансформатор (рис. 18.13).

Рис. 18.13. Автоколебательный блокинг-генератор

Блокинг-генератор может работать в автоколебательном, ждущем режимах или в режиме синхронизации. Во время паузы (выходное напряжение отсутствует) происходит перезаряд конденсатора по цепи E-R-W2 с постоянной времени ф1=RC. В момент времени, когда напряжение на конденсаторе С (и, следовательно, на базе транзистора) становится равным нулю, транзистор начинает открываться (выходить из режима отсечки), начинает протекать ток коллектора, что вызывает появление сигнала положительной обратной связи (через обмотку трансформатора W2), под действием которой транзистор скачкообразно переходит в режим насыщения. При этом конденсатор С перезаряжается по цепи W2-C - входное сопротивление транзистора rвх с постоянной времени ф2=rвх?С. При увеличении напряжения на конденсаторе С ток базы начинает уменьшаться и в конце заряда транзистор выходит из насыщения и закрывается. После этого энергия, запасенная в индуктивности, разряжается на нагрузку. Так как rвх<<R, то время нахождения транзистора в открытом состоянии tu, а следовательно, и длительность импульса на нагрузке значительно меньше периода следования импульсов.

Генератор линейно изменяющегося напряжения. Линейно изменяющимся напряжением (ЛИН) называют напряжение, которое в течение промежутка времени, называемого рабочим ходом, изменяется по линейному закону, а затем в течение промежутка времени, называемого обратным ходом, возвращается к исходному уровню (рис. 12.16).

Рис. 18.14. Линейно изменяющееся напряжение

На рис. 18.14 приняты следующие обозначения: U0-начальный уровень, Um-амплитуда ЛИН, Тр-время рабочего хода, Т0 -время обратного хода.

Устройства, предназначенные для формирования ЛИН, называют генераторами ЛИН (ГЛИН). Генераторы ЛИН часто называют генераторами пилообразного напряжения.

Принцип построения генераторов ЛИН основан на заряде емкости постоянным током. Основой ГЛИН (рис. 18.15) является емкость, через которую от источника постоянного тока ИТ протекает постоянный ток, благодаря чему при разомкнутом ключевом устройстве КУ напряжение на емкости определяется выражением

,

(при iс=I=const), т.е. изменяется по линейному закону.

ГЛИН могут работать либо в ждущем (рис. 18.15,а), либо в автоколебательном режиме (рис. 18.15,б). ГЛИН в автоколебательном режиме формирует ЛИН регулярно, а для получения ЛИН в ГЛИН в ждущем режиме необходим внешний импульс напряжения Uвх.

Рис. 18.15. Генераторы линейно изменяющихся напряжений, работающих в ждущем (а) и автоколебательном (б) режимах

Все ГЛИН можно разделить на три типа:

а) с интегрирующей RC-цепочкой (рис. 18.15);

б) с токостабилизирующим двухполюсником (рис. 18.16);

в) с компенсирующей обратной связью (ОС) (рис. 18.17).

Рис. 18.16. ГЛИН на основе транзисторного ключа (с интегрирующей RC-цепочкой)

До момента времени t1 транзисторный ключ находится в режиме насыщения, т.е. напряжение Uкэ, а значит, и напряжение Uвых, равны нулю. При подаче в момент времени t1 запирающего импульса напряжения транзистор входит в режим отсечки, и емкость С заряжается от источника Ек через резистор Rк, причем напряжение на емкости стремится к уровню Ек. В момент времени t2 транзистор вновь входит в режим насыщения, и емкость через малое сопротивление промежутка коллектор-эмиттер транзистора разряжается.

Рассмотрим принцип построения ГЛИН с токостабилизирующим двухполюсником, обеспечивающим протекание через него постоянного тока независимо от приложенного напряжения (рис. 18.17). Простейшим токостабилизирующим элементом является транзистор. При постоянном токе базы (например, iбэ), даже при значительном уменьшении напряжения uэк между эмиттером и коллектором (например, от U2 до U1) коллекторный ток транзистора уменьшается незначительно.

Рис. 18.17. ГЛИН с токостабилизирующим двухполюсником

Недостатком данной схемы является то, что при подключении к выходу (т.е. к емкости С) сопротивления нагрузки искажается линейность выходного напряжения.

Рассмотрим ГЛИН с компенсирующей ОС (на основе ОУ) (рис. 18.18). В момент времени t1 ключ К размыкается и осуществляется и осуществляется прямой ход, а в момент времени t2 ключ замыкается, емкость С разряжается и на выходе устанавливается нулевое напряжения. Емкость С заряжается постоянным током, а значит, напряжение на ней (как и напряжение Uвых) изменяется по линейному закону (рис. 18.18,б). Компенсирующее напряжение Uк повторяет напряжение на емкости Uc при размыкается ключа и заряде емкости от источника U. Поскольку компенсирующее напряжение включено встречно по отношению к напряжению на емкости, то напряжение, приложенное к резистору R, все время постоянно и равно U.

Рис. 18.18. ГЛИН с компенсирующей обратной связью

Протекающий через резистор R ток определяется выражением

iR=(E-Uвх)/R.

Если ОУ близок к идеальному, (К> ?, Uвх> 0, i-> 0), то iR=E/R=const. Тогда выходное напряжение определяется выражением

.

Литература

1. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. - М.: Высшая школа. 1991.

2. Ибрагим К.Ф. Основы электронной техники. Схемы. Системы. - М.: Мир. 2001.

3. Лачин В.И., Савелов Н.С. Электроника. - М.: Ростов-на-Дону, «Феникс». 2001.

4. Осадчий Ю.Ф. Аналоговая и цифровая схемотехника. - М.: Прямая линия. 1999.

5. Прянишников В.А. Электроника: Курс лекций. - СПб.: Корона-принт. 1998.

6. Соклоф С. Аналоговые интегральные схемы: Пер. с англ. - М.: Мир. 1988.

Размещено на Allbest.ru

...