Импульсная и цифровая техника

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЛЕКЦИЯ

ИМПУЛЬСНАЯ И ЦИФРОВАЯ ТЕХНИКА

В современной информационной электронике импульсный принцип построения систем занимает доминирующее положение по сравнению с аналоговым. Импульсный режим широко используется в устройствах как силовой, так и цифровой электроники.

В отличие от аналоговых систем, в которых сигналы изменяются непрерывно во времени, импульсный режим работы электронного устройства характерен резкими изменениями токов и напряжений. При этом в промежутках времени между этими изменениями токи и напряжения меняются сравнительно мало.

Преобладающее применение импульсных систем обусловлено их существенно меньшим потреблением тока (большим КПД), более высокой точностью, меньшей критичностью к изменению температуры, большей помехоустойчивостью. Немаловажную роль играют также относительная простота средств представления информации в импульсной форме и наличие эффективных способов ее обработки (преобразования).

В импульсной технике применяются импульсы различной формы. Распространены импульсы, близкие по форме к прямоугольной, пилообразной и экспоненциальной кривым (рис. 1, а - в), а также импульсы положительной, отрицательной и чередующейся полярности (рис. 1, г).

Рис. 1. Импульсные сигналы прямоугольной (а), пилообразной (б), экспоненциальной (в), прямоугольной с чередующейся полярностью (г) форм

Импульсный сигнал характеризуется рядом параметров. Рассмотрим их на примере реального импульса напряжения с формой кривой, близкой к прямоугольному (рис. 2).

Такой сигнал вначале быстро нарастает до максимального значения. Затем напряжение может сравнительно медленно изменяться в течение некоторого промежутка времени, после чего происходит быстрое спадание импульса. Характерными участками импульса являются фронт (передний фронт), вершина (плоская часть) и срез (задний фронт).

Рис. 2. Реальный импульс напряжения прямоугольной формы

Параметрами импульса являются амплитуда, длительность, длительность фронта, длительность среза и спад вершины.

Амплитуда импульса U_т определяет наибольшее значение напряжения импульсного сигнала.

Длительность импульса t_и характеризует продолжительность импульса во времени. Ее часто измеряют на уровне, соответствующем половине амплитуды (активная длительность импульса).

Длительность фронта t_ф и длительность среза импульса t_с характеризуют соответственно времена нарастания и спада импульса. Чем меньше значения t_ф и t_с по сравнению с t_и, тем меньше отличие сигнала от идеального импульса прямоугольной формы.

Спад вершины импульса ДU и его относительная величина ДU/U_т отражают уменьшение напряжения на плоской части импульса.

Параметрами последовательности импульсов являются период повторения (следования), частота повторения, пауза, коэффициент заполнения и скважность.

Периодом повторения импульсов называют интервал времени между соответствующими точками двух соседних импульсов.

Величину, обратную периоду повторения, называют частотой повторения импульсов: f=1/T.

Паузой t_п называют интервал времени между окончанием одного и началом следующего импульсов: t_п=Т - t_и.

Коэффициент заполнения г характеризуется отношением длительности импульсов к периоду их следования: г=t_и/T.

Величину, обратную коэффициенту заполнения, называют скважностью импульсов: S=T/t_и=1/г.

Импульсный сигнал (последовательность импульсов) обладает большими информационными возможностями. Для преобразования электрического или неэлектрического параметра в сигнал импульсной формы наибольшее применение получили время-импульсный и число-импульсный методы. Носителем информации в первом случае является длительность импульса, во втором - число импульсов в фиксированном интервале времени.

В схемах импульсной техники для обработки и преобразования информации широко применяют цифровые методы. Они базируются на использовании сигнала прямоугольной формы, имеющего два фиксированных уровня напряжения. Это позволяет представить сигнал в цифровой форме: уровню высокого напряжения приписывают символ "1", а уровню низкого напряжения - символ "0".

Цифровая форма представления сигнала упрощает рассмотрение импульсных систем и позволяет использовать при их анализе и разработке соответствующий математический аппарат (алгебру логики).

ИМПУЛЬСНЫЙ РЕЖИМ РАБОТЫ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ. КОМПАРАТОРЫ. ТРИГГЕР ШМИДТА.

Выходное напряжение ОУ в процессе импульсной работы определяется либо напряжением U⁺_{вых тах}, либо U^-_{вых тах}. Работу ОУ в импульсном режиме рассмотрим на примере компаратора, осуществляющего сравнение измеряемого входного напряжения (u_вх) с опорным напряжением (U_оп). Опорное напряжение представляет собой неизменное по величине напряжение положительной или отрицательной полярности, входное напряжение изменяется во времени. При достижении входным напряжением уровня опорного напряжения происходит изменение полярности напряжения на выходе ОУ, например с U⁺_{вых тах} на U^-_{вых тах}. При U_оп=0 компаратор осуществляет фиксацию момента перехода входного напряжения через нуль. Компаратор часто называют нуль-органом, поскольку его переключение происходит при u_вх-U_оп?0.

Компараторы нашли широкое применение в системах автоматического управления в измерительной технике, а также для построения различных узлов импульсного и цифрового действия (АЦП, ЦАП).

Рис. 3. Схема компаратора на ОУ (а), его передаточная характеристика (б), схема компаратора с входными делителями напряжения (в)

Простейшая схема компаратора на ОУ приведена на рис. 3, а. Ее характеризует симметричное подключение измеряемого и опорного напряжений ко входам ОУ. Разность напряжений u_вх-U_оп является входным напряжением и₀ ОУ, что и определяет передаточную характеристику компаратора (рис. 3, б). При u_вх<U_оп напряжение и₀<0, в связи с чем u_вых=U⁺_{вых тах}. При u_вх>U_оп напряжение и₀>0 и u_вых=U^-_{вых тах}.

Изменение полярности выходного напряжения происходит при переходе входного измеряемого напряжения через значение U_оп. Если источники входного и опорного напряжений в схеме рис. 4, а поменять местами или изменить полярность их подключения, то произойдет инверсия передаточной характеристики компаратора. Условию u_вх<U_оп будет отвечать равенство u_вых=U^-_{вых тах}, а условию u_вх>U_оп - u_вых=U⁺_{вых тах}.

Схема рис. 3, а применима тогда, когда измеряемое и опорное напряжения не превышают допустимых паспортных значений входных напряжений ОУ. В противном случае они подключаются к ОУ с помощью делителей напряжения (рис. 3, в).

Широкое применение получил компаратор, в котором ОУ охвачен ПОС, осуществляемой по неинвертирующему входу с помощью резисторов R₁, R₂ (рис. 4, а). Такой компаратор обладает передаточной характеристикой с гистерезисом (рис. 4, б). Эта схема называется триггер Шмидта или пороговое устройство.

Рис. 4. Схема компаратора с ПОС (а) и его идеализированная передаточная характеристика (б)

Переключение схемы в состояние U^-_{вых тах} происходит при достижении u_вх напряжения (порога) срабатывания U_ср, а возвращение в исходное состояние u_вых=U⁺_{вых тах} - при снижении u_вх до напряжения (порога) отпускания U_отп. Значения пороговых напряжений находят по схеме, положив u₀=0:

откуда ширина зоны гистерезиса

Лучшим быстродействием обладают специализированные ОУ, предназначенные непосредственно для импульсного режима работы и получившие общее название "компараторы". Схема компаратора с нулевым опорным напряжением и его передаточная характеристика представлены на рис. 5.

Рис. 5. Схема компаратора с ПОС и нулевым опорным напряжением (а), его передаточная характеристика (б)

РЕЛАКСАЦИОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

Для получения прямоугольных импульсов широко используют устройства, называемые релаксационными генераторами (релаксаторами).

Релаксаторы могут работать в одном из трех режимов: 1) Автоколебательный; 2) Ждущий; 3) Синхронизации.

На практике чаще применяют устройства, основанные на использовании первых двух режимов.

В режиме автоколебаний в релаксаторе нет состояния устойчивого равновесия. Релаксатор переходит из одного состояния в другое без внешних воздействий, генерируя импульсы, параметры которых зависят от параметров релаксатора. Такой релаксатор называется мультивибратором.

В ждущем режиме переход релаксатора из одного состояния в другое происходит под воздействием внешнего запускающего импульса, а обратный переход - самопроизвольно по истечении некоторого времени, определяемого параметрами устройства. Таким образом, в ждущем режиме релаксатор генерирует импульс с определенными параметрами при воздействии запускающего импульса. Отсюда название устройства - одновибратор

В режиме синхронизации частота повторения определяется частотой внешнего синхронизирующего напряжения. Если синхронизирующее напряжение снять, устанавливается режим автоколебаний.

МУЛЬТИВИБРАТОРЫ

Мультивибраторы относятся к классу узлов импульсной техники, предназначенных для генерирования периодической последовательности импульсов напряжения прямоугольной формы с требуемыми параметрами (амплитудой, длительностью, частотой следования и др.). Подобно генераторам синусоидальных колебаний, мультивибраторы работают в режиме самовозбуждения: для формирования импульсного сигнала в мультивибраторах не требуется внешнее воздействие, например подача входных сигналов. Процесс получения импульсного напряжения основывается на преобразовании энергии источника постоянного тока.

Мультивибратор в подавляющем большинстве случаев выполняет функцию задающего генератора, формирующего запускающие входные импульсы для последующих узлов и блоков в системе импульсного или цифрового действия.

Возможность создания мультивибратора на ОУ основывается на использовании ОУ в качестве порогового узла (компаратора). Схема симметричного мультивибратора на ОУ приведена на рис. 6, а. Ее основой служит компаратор на ОУ с ПОС (рис. 5). Автоколебательный режим работы создается благодаря подключению к инвертирующему входу ОУ времязадающей цепи из конденсатора С и резистора R. Принцип действия схемы иллюстрируют временные диаграммы, приведенные на рис. 6, б-г.

Предположим, что до момента времени t₁ напряжение между входами ОУ u₀>0. Это определяет напряжение на выходе и на его неинвертирующем входе (рис. 6, б, в), где - коэффициент передачи цепи ПОС. Наличие на выходе схемы напряжения обусловливает процесс заряда конденсатора С через резистор R с полярностью, указанной на рис. 6, а без скобок. В момент времени t₁ экспоненциально изменяющееся напряжение на инвертирующем входе ОУ (рис. 6, г) достигает напряжения на неинвертирующем входе . Напряжение u₀ становится равным нулю, что вызывает изменение полярности напряжения на выходе ОУ: (рис. 7.6, б). Напряжение изменяет знак и становится равным (рис. 7.6, в), что соответствует u₀<0 и .

С момента времени t₁ начинается перезаряд конденсатора от уровня напряжения . Конденсатор стремится перезарядиться в цепи с резистором R до уровня . Напряжение u₀ становится равным нулю, что вызывает переключение ОУ в противоположное состояние (рис. 6, б-г). Далее процессы в схеме протекают аналогично.

Частота следования импульсов симметричного мультивибратора:

Процесс перезаряда конденсатора С описывается уравнением:

где .

Отсюда:

Приняв , находим:

Если принять для ОУ

, то:

,

.

ОДНОВИБРАТОРЫ

Одновибраторы (ждущий мультивибратор) предназначены для формирования прямоугольного импульса напряжения требуемой длительности при воздействии на входе короткого запускающего импульса.

Одновибраторы, так же как мультивибраторы, относятся к классу схем, обладающих двумя состояниями. Однако в отличие от мультивибраторов, в которых оба состояния являются неустойчивыми, в одновибраторах одно состояние устойчивое, а другое - неустойчивое. Устойчивое состояние характеризует исходный режим работы (режим ожидания) одновибратора. Неустойчивое состояние наступает с приходом входного запускающего импульса. Оно продолжается некоторое время, определяемое времязадающей цепью схемы, после чего одновибратор возвращается в исходное устойчивое состояние.

Выходной импульс формируется в результате следования одного за другим двух тактов переключения схемы.

Наибольшее распространение получила схема одновибратора, приведенная на рис. 7, а.

Ее основой служит схема мультивибратора, в которой для создания ждущего режима работы параллельно конденсатору С включен диод Д₁. При показанном на рис. 7, а направлении включения диода Д₁ схема запускается входным импульсом напряжения положительной полярности. При обратном включении диода Д₁ (а также Д₂) требуется запускающий импульс отрицательной полярности, чему соответствует также изменение полярности выходного импульса.

В исходном состоянии напряжение на выходе одновибратора равно , что определяет напряжение на неинвертирующем входе ОУ (рис. 7, б-г). Напряжение на инвертирующем входе ОУ , равное падению напряжения на диоде Д₁ от протекания тока по цепи с резистором R, близкое к нулю (рис. 7, д).

Поступающий входной импульс в момент времени t₁ переводит ОУ в состояние . На неинвертирующий вход ОУ передается напряжение (рис. 7, г), поддерживающее его изменившееся состояние. Воздействие напряжения положительной полярности на выходе ОУ вызывает процесс заряда конденсатора С в цепи с резистором R, в которой конденсатор стремится зарядиться до напряжения (рис. 7, д). Характер процесса заряда находят из уравнения

, где

:

Однако в процессе заряда напряжение на конденсаторе не достигает значения , т.к. в момент времени t₂ при происходит возвращение ОУ в исходное состояние (рис. 7, в, г). Приняв , находим длительность импульса, формируемого одновибратором:

.

После момента времени t₂ в схеме наступает процесс восстановления исходного напряжения на конденсаторе и_с=0 (рис. 7, д), который обусловливается изменившейся полярностью напряжения на выходе ОУ. Тогда:

.

Режим восстановления заканчивается тем, что напряжение на конденсаторе достигает напряжения отпирания диода Д₁, которое можно принять равным нулю. Приняв при t=t_восст и_с=0, находим время восстановления:

.

При имеем:

.

Процесс восстановления исходного состояния схемы должен быть завершен к приходу очередного запускающего импульса. В тех случаях, когда длительность t_u соизмерима с периодом следования запускающих импульсов, возникает задача сокращения времени t_восст. С этой целью параллельно резистору R включают ветвь из диода Д₂ и резистора R', уменьшающую постоянную времени этапа восстановления.

ГЕНЕРАТОРЫ ЛИНЕЙНО ИЗМЕНЯЮЩЕГОСЯ НАПРЯЖЕНИЯ

Линейно изменяющимся (пилообразным) напряжением (ЛИН) называют импульсное напряжение, которое в течение некоторого времени изменяется практически по линейному закону, а затем возвращается к исходному уровню (рис. 8).

Генераторы линейно изменяющегося напряжения служат для создания развертки электронного луча по экрану электронно-лучевых приборов, получения временных задержек импульсных сигналов, модуляции импульсов по длительности и т.д. Находят применение напряжения, изменяющиеся по линейному закону как при одной (положительной или отрицательной) полярности, так и при обеих полярностях.

Линейно изменяющееся напряжение (рис. 8) характеризуется максимальным значением U_m, длительностью рабочего хода t_p, временем обратного хода t_о и коэффициентом нелинейности:

,

где - скорости изменения напряжения во времени соответственно в начале и в конце рабочего участка.

Формирование линейно изменяющегося (пилообразного) напряжения основано на чередовании во времени процессов заряда и разряда конденсатора.

Простейшая схема генератора, в котором для получения линейно изменяющегося напряжения используют начальный участок экспоненциального заряда конденсатора, приведена на рис. 9, а. Функцию элемента, создающего цепь для быстрого разряда конденсатора, выполняет транзистор.

Разряд конденсатора и поддержание на нем напряжения, близкого к нулю, происходит в интервалах паузы t_п входного сигнала (рис. 9, б, в), когда транзистор находится в режиме насыщения.

На транзисторе Т собран ключ, управляемый прямоугольными импульсами и_вх отрицательной полярности (рис. 9, б). В исходном состоянии транзистор насыщен (ключ замкнут), что обеспечивается выбором соотношений сопротивлений резисторов R_б и R_к. При воздействии входного импульса длительностью Т_р транзистор закрывается (ключ разомкнут) и конденсатор С заряжается от источника +Е_к через резистор R_к.

Характер изменения напряжения на конденсаторе при закрытом транзисторе подчиняется закону:

,

где - постоянная времени зарядной цепи, выбираемая много больше времени t_p.

По окончании входного импульса транзистор переходит в режим насыщения (ключ замкнут) и конденсатор быстро разряжается через промежуток коллектор-эмиттер. Используя начальный участок экспоненты, линейность которого достаточно высока, можно получить импульсы с малым коэффициентом нелинейности. Однако при этом отношение мало, в чем состоит основной недостаток данной схемы.

Высококачественные ГЛИН создают на основе ОУ, схема которого изображена на рис. 10, а. Выходное напряжение генератора представляет собой усиленное ОУ напряжение на конденсаторе, ОУ охвачен отрицательной (резистор R₂, а также резистор R₁ и источник питания Е₀) и положительной (резистор R₄) обратными связями.

Управление работой генератора производится транзистором Т, осуществляющим разряд конденсатора до нуля и обеспечивающим малое время обратного хода t_о формируемого напряжения. Длительность открытого состояния транзистора Т определяется длительностью t_п входного импульса напряжения положительной полярности (рис. 10, б). Вид кривых напряжений на конденсаторе и на выходе схемы показан на рис. 10, в, г.

На интервале t_p ОУ работает в линейном режиме. Если принять для ОУ и₀=0, то напряжение и для цепи ОС по инвертирующему входу можно записать следующее уравнение для токов:

,

Откуда

.

Токи цепи ОС по неинвертирующему входу ОУ связаны соотношением:

.

В результате преобразований выражений, а также учитывая, что , находим

.

импульс усилитель генератор напряжение

Характер изменения во времени напряжения на конденсаторе зависит от соотношений сопротивлений резисторов.

При Е₀=0 формируется выходное напряжение, как и напряжение и_с (рис. 10, в), имеющее вид "пилы" положительной полярности.

Если нужно получить выходное напряжение, изменяющееся по линейному закону при обеих полярностях (рис. 10, г), то Е₀ выбирают по требуемому значению начального напряжения на выходе генератора и(0), соответствующему и_с=0. Так, для получения максимального значения U_m пилообразного напряжения начальной величине и_вых будет отвечать напряжение ОУ (рис. 10, г). Тогда .

Размещено на Allbest.ru