Konkursnaya rabota LNV 1 - Всероссийский фестиваль
реклама
Министерство образования и науки Челябинской области ГБОУ СПО (ССУЗ) «Каслинский промышленно – гуманитарный техникум» 456835 Челябинская область, г. Касли, ул.8 Марта, 50 тел.8(35149) 2-24-11 «Всероссийский интернет-конкурс педагогического творчества (educontest.net)» Номинация: Педагогические идеи и технологии: профессиональное образование Курс лекций по дисциплине «Импульсная техника» по специальности «Радиоаппаратостроение» Автор: Лукиных Надежда Владимировна, преподаватель высшей категории ГБОУ СПО (ССУЗ) «Каслинский промышленно-гуманитарный техникум» Касли, 2013 Содержание Введение……………………………………………………………….3 Раздел 1. Сигналы в импульсных и цифровых устройствах ………6 Раздел 2. Элементная база импульсных устройств ………………...15 Раздел 3. Формирующие устройства………………………………...26 Раздел 4. Генераторы прямоугольных импульсов………………….46 Раздел 5. Генераторы линейно изменяющегося напряжения……...62 Раздел 6. Триггеры……………………………………………………73 Список используемой литературы…………………………………..86 2 ВВЕДЕНИЕ Место предмета в учебном плане. Краткие сведения из истории импульсных устройств. Тенденции и перспективы развития. Импульсная техника – эта та же электронная техника, при условии кратковременных, прерывистых электрических колебаний (импульсных сигналов), т. е. она является составной частью радиоэлектроники и служит, в частности, базой радиолокации, радионавигации, телевидения, многоканальной связи; на основе импульсной техники созданы электронные цифровые устройства вычислительной машины. Области использования импульсной техники Радиолокация Телевидение Телеуправление, радиоуправлени е Цифровая вычислительная техника Многоканальная связь Другое 1) Радиолокация. Импульсная радиолокационная станция излучает электромагнитные колебания (радиоимпульсы), которые отражаются от цели и принимаются той же станцией. По времени распространения каждого радиоимпульса до цели и обратно (с учетом скорости распространения радиоволн) определяют дальность цели. Аналогично измеряются высота полета самолета, высота облачного покрова и т. д. Радиолокация широко используется в системах навигации кораблей и летальных аппаратов, в радиоастрономии, при освоении космического пространства. 2) Телевидение. При телевизионных передачах изображение на экране приемной трубки формируется построчно. Чтобы на строках экрана телевизора изображение размещалось аналогично тому, как оно размещается по «строкам» передаваемого предмета (и на специальном электроде передающей трубки), в телевизионном сигнале присутствуют, в частности, синхронизирующие импульсы. Только благодаря этому совпадают положения строк изображения на приемной и передающей строках тракта. 3) Многоканальная связь. Прерывистость импульсных колебаний дает возможность осуществлять многоканальную связь, используя один канал: импульсы, передающие одно сообщение, размещаются в паузах между импульсами, передающими другое сообщение. 4) Телеуправление – управление на расстоянии. 3 5) Цифровая вычислительная техника. В современных вычислительных машинах тактовая частота импульсов составляет 2000 МГц и более, а передача информации в комплексах таких машин происходит со скоростью 2∙109 импульсов в секунду. 6) Другое: а) Набирая номер телефона, мы посылаем импульсы телефонной станции, которая расшифровывает их и соединяет с другим абонентом. б) Телевизионный кнопочный пульт позволяет на расстоянии управлять телевизором с помощью импульсов инфракрасного излучения. в) Современный автомобиль тоже насыщен импульсной и цифровой техникой, импульсы используются в системах зажигания, поворотной сигнализации, охранных кодовых системах. г) Контрольно-измерительная техника тоже использует импульсы. д) Автоматические системы контроля и дистанционного управления также построены на основе использования импульсной техника. Курс импульсной техники поможет ориентироваться в сложной номенклатуре изделий, узнать их возможности и позволит применять в соответствие с назначением. А также мы изучим основные законы, действующие в импульсных электрических устройствах и цепях, поясняющие физические законы, на которых базируются процессы, происходящие в полупроводниковых импульсных и базовых элементах цифровой техники. Краткие сведения из истории импульсных устройств стр. 6 – 7 [1] Своему становлению и развитию импульсная техника обязана трудам специалистов многих стран мира, среди которых значительная роль принадлежит отечественным ученым. 1) Впервые импульсные методы были использованы изобретателем телеграфа – нашим соотечественником П.Л. Шиллингом. 2) Импульсный искровой передатчик сконструировал в 1985 г. Изобретатель радио А.С. Попов. 3) В 1907 г. Л.И. Мандельштам разработал принцип временного масштаба, что нашло применение в осциллографах при наблюдении кратковременных импульсных процессах. 4) В том же году профессор Б.Л. Розинг впервые использовал электронно-лучевую трубку для приема изображения, что обусловило развитие электронного телевидения. 5) М.А. Бонч-Бруевич в 1918 г. Создал и проанализировал устройство, послужившее основой импульсных схем – триггеров и мультивибраторов. 6) В 30-х годах М.А. Бонч-Бруевич, Д.Е. Малеров, К.И. Крылов, В.П. Лясов – создали магнетрон – прибор для генерации электромагнитных колебаний сверхвысоких частот, сыгравшая огромное значение в совершенстве радиолокаторов. 4 7) В 1931 г. В.А. Котельников сформулировал и доказал теорему, ставшую фундаментальным положением импульсной электро- и радио связи. 8) В 1934 г. П.К. Ащепковым была начата разработка импульсной радио локаций, 1937 г. Ю.Б. Кобзаревым и его сотрудниками создана локационная станция, в которой использовался импульсный режим работы. 9) Разработка теории импульсных колебании и переходных процессов в радиотехнических цепях связано с именами советских ученых во главе Л.И. Мандельштамом и Н.Д. Папалекси. 5 РАЗДЕЛ 1 Сигналы в импульсных и цифровых устройствах Тема 1.1 Сигналы в импульсных устройствах Сигналом называют физический процесс, несущий информацию. Сигналы могут быть, в частности звуковыми, световыми, электрическими. Информация сосредоточена в изменениях параметров физического процесса. Если параметры процесса не меняются, то он не является сигналом. Так неизменный звук, световой поток, синусоидальное электрическое колебание никакого сообщения не содержат. Наоборот, в изменениях громкости и типа звука, яркости и цвета светового излучения, амплитуды, частоты и фазы электрического колебания информации. Информативным так же является также появление, например, электрического колебания, т.е. его изменение. Под электрическим импульсом понимают отклонение напряжение или тока от некоторого постоянного уровня (в частности от нулевого), наблюдаемое в течение времени, меньшего или сравнимого с длительности переходных процессов в схеме. Виды электрических импульсов 1) Прямоугольные 2) Экспоненциальные 4) Трапециидальные 3) Пилообразные и треугольные 5) Колокообразные Видеоимпульсы 2) Экспоненциальные импульсы формируются из-за влияния ёмкостей, сопротивлений и индуктивностей на начальный и конечный участки прямоугольного импульса. 6 3) Пилообразные и треугольные импульсы (импульсы линейного нарастающего напряжения) используют в схемах развёртки осциллографов и электронно-лучевых индикаторов. 5) В некоторых случаях для исследования статистических закономерностей в электрических цепях используют колокообразные импульсы Перечисленные импульсы напряжения называют видеоимпульсом. Если внутри импульса происходят колебания напряжения определенной частоты, то такой импульс называется радиоимпульсом. Графическая форма записи радиоимпульсов в напряжении Также импульсы используют в радиолокаторах, а способ их получения называется импульсной модуляцией радиосигнала (импульс высокочастотным заполнением). Кроме радиолокации, радиоимпульсы используют в многоканальной радиосвязи для одновременной передачи нескольких сообщений. Различают видеоимпульсы положительной и отрицательной полярности, а так же двухсторонние – разнополярные импульсы. Графическая форма записи видеоимпульсов напряжения Следует иметь в виду, что реальные импульсы не имеют формы, строго соответствующей названию. Устройства, в которых действуют электрические импульсы, называют импульсными. Параметры импульсов стр. 10 – 12 [ 1 ] 7 Реальный прямоугольный импульс 1) Длительность. За активную длительность τна принимают промежуток времени, измеренный на уровне, соответствующем половине амплитуды. Иногда длительность импульса, определяют на уровне 0,1Umax. или по основанию импульса τu. Длительность импульса измеряется в единицах времени: секундах (с), мили секундах (мс), микросекундах (мкс), наносекундах (нс). 2) Амплитуда. Наибольшее значение напряжение или тока импульса данной формы является его амплитудой. Амплитуда импульса Umax(Imax) измеряется в вольтах (В), киловольтах (кВ), милливольтах (мВ), микровольтах (мкВ), или амперах (А), миллиамперах (мА), микроамперах (мкА). 3) Длительность и крутизна фронта импульса. Импульс имеет передний фронт и срез, последний также называется задним фронтом. Длительность переднего фронта импульса определяется временем нарастания импульса, длительность среза – временем спада импульса. Наиболее часто используется понятие активной длительности фронта tф , за которую принимают время нарастания импульса от 0,1 Umax до 0,9 Umax ; аналогично, длительность среза tc – время спада импульса от 0,9 Umax до 0,1 Umax Чем меньше tф и tc фронты импульса характеризуют скорость нарастания (спада). Эту величину называют крутизной S фронта (среза) и измеряют в вольтах на секунду (В/с), киловаттах в секунду (кВ/с) и т.д. Для прямо усиленного импульса приближено S=Umax /tф. Участок импульса между фронтами называют плоской вершиной ΔU. А также имеется отрицательный импульс. 4) Мощность в импульсе. Энергия W импульса отнесённая к его длительности, определят мощность в импульсе: Pu=W/tu. Она измеряется в ватах (Вт), киловаттах (кВт) 5) Период повторения импульсов. Периодом повторения (следования) называют промежуток времени между началом двух соседних однополярных импульсов. Она измеряется в единицах времени: с, мс, мкс. 6) Частота повторения (следования). Величину, обратную периоду повторения, называют частотой повторения следования импульсов f. Она определяет количество периодов в течение одной секунды и измеряется в герцах (Гц), килогерцах (кГц) и т.д. 7) Коэффициент заполнения. Часть периода T занимает пауза – отрезок времени между окончанием и началом двух соседних импульсов, т.е. τu=T-tn. Отношение длительности импульса к периоду повторения называют коэффициентом заполнения: Ј=τu/T. Коэффициент заполнения – величина безразмерная и меньше единицы. 8 8) Скважность импульсов. Величину, обратную коэффициенту заполнения, называют скважностью импульсов: q=1/ Ј=T/τ1. Скважность тоже безразмерная величина, но больше единицы. 9) Среднее значение импульсного колебания. При определении среднего за период значения импульсного колебания Uср(Iср) импульс напряжения или тока распределяют равномерно на весь период так, чтобы площадь прямоугольника IсрT равнялась площади Su. Так, для прямоугольного импульса Su=Imax∙τu и Imax ∙τu/T = Imax∙j =Imax/q, т.е. среднее значение тока (напряжение) прямоугольного импульсного колебания в q раз меньше амплитудного. Рисунок, поясняющий определение среднее значение импульсного колебания. 10) Средняя мощность. Энергия W импульса, отнесённая к величине периода T, определяет среднюю мощность импульса: Pcp=W/T Сравнивая выражение Pu и Pcp, получим Puτu=Pcp*T, Pu=PcpT/τu=Pcpq и Pcp=Puτu/T=Pu/q, т.е. средняя мощность и мощность в импульсе отличаются в q раз. Отсюда следует, что мощность в импульсе, которую обеспечивает генератор, может в q раз превосходить среднюю мощность генератор. 9 10 Тема 1.2 Сигналы в цифровых устройствах стр. 22 – 39 [1] Двойная система счисления. Структура условного сигнала: потенциальный и импульсный цифровой сигнал. Представление цифрового сигнала в последовательный и параллельной форме. Цифровые сигналы в электронных и радиотехнических устройствах. Алгебра логики (основные соотношения). Понятие минимизаций логических функций. Двойная система счисления. В двоичной системе счисления основанием системы является число 2, используемых цифр – две: 0 и 1, а веса в соседних разрядах отличаются вдвое. Число в двоичной системе счисления представляется последовательностью коэффициентов в разложении по степеням 2. Так число 3810 выражается следующим рядом по степеням 2: 3810=1∙25+0∙24+0∙23+1∙22+1∙21+0∙20=1001102 Преимуществом двоичной системы счисления является то, что она использует только две цифры. Поэтому в аппаратуре для выполнения операций достаточно пользоваться двумя значениями, к примеру, напряжения. Структура цифрового сигнала. Цифровым сигналом представляются двоичные числа. Поэтому он состоит из элементов только двух различных значений. Одним из них представляется 1, а другим – 0. Цифровой сигнал Потенциальный Потенциальный цифровой сигнал. Импульсный Импульсный цифровой сигнал. Элементами импульсного цифрового сигнала являются импульсы неизменной амплитуды и отсутствие ux. Элементами потенциального цифрового сигнала являются потенциалы двух уровней. . 11 Цифровой сигнал (форма) Последовательная Параллельная Размеры числа представляются последовательно, Соответствующие размеры передаются по одной линии и обрабатываются устройством последовательно. Разряды числа представляются одновременно. Количество линий передачи равно числу разрядов числа, обрабатывается каждый разряд своим однотипным элементом устройства. Потенциальный цифровой сигнал, выражающий двоичное число 10011010 в параллельной форме. Потенциальный цифровой сигнал, выражающий двоичное число 10011010 в последовательной форме. Класс логики Положительная логика Элемент с большим значением – единица. Элемент с меньшим значением – нуль. Отрицательная логика Элемент с большим значением – нуль. Элемент с меньшим значением – единица. 12 Аналого-цифровой преобразователь Непрерывный сигнал преобразуется в цифровой. Алгоритмы преобразования 1. Из непрерывного сигнала периодически производится выборки мгновенных значений. 2. Каждая выборка округляется до ближайшего разрешенного уровня. 3. Код этого уровня представляется элементами цифрового сигнала. Алгоритм преобразования непрерывного сигнала в цифровой. Алгебра логики (основные соотношения) 1. Дизъюнкция (логическое сложение) – операция ИЛИ y=x1+x2+...+xn Значение у=0 имеет только при х1=х2=…=хn=0 Х1 0 0 1 1 Х2 0 1 0 1 У 0 1 1 1 1 Элемент, выполняющий дизъюнкцию, называется элементами ИЛИ. 2. Конъюнкция (логическое умножение) – операция И Значения у=0 имеет, если хотя бы один из переменных равен 0. Х1 0 0 1 1 Х2 0 1 0 1 У 0 0 0 1 & Элемент, выполняющий конъюнкцию, называется элементом И 13 3. Инверсия (логическое отрицание) – операция НЕ. Х 0 1 У 0 0 1 Элемент, выполняющий инверсию, называется инвертором или элементом НЕ. Основные соотношения алгебры логики: Переместительный закон Сочетательный закон Закон поглощения Закон склеивания Закон отрицания РАЗДЕЛ 2 Элементная база импульсных устройств Классификация импульсных устройств Устройства и цепи для передачи импульсов Генераторы – устройства, в которых формируются импульсы требуемой амплитуды и формы Формирующие устройства, предназначенные для преобразования импульсных сигналов в сигналы заданной формы Схемы запуска, синхронизации и деления частоты, обеспечивающи е требуемое расположение во времени импульсов отдельных узлов и всего устройства Устройства и цепи для передачи импульсов – переходные разделительные цепи, импульсные усилители, импульсные трансформаторы, кабели и искусственные линии задержки. Формирующие устройства – дифференцирующие, укорачивающие и интегрирующие RC – цепи, устройства для формирования последовательности прямоугольных импульсов из гармонического напряжения. Генераторы – 1) генераторы прямоугольных импульсов Триггеры Мультивибраторы Автоколеб ательный Ждущий Блокинг генераторы Автоколеб ательный 2) генераторы линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН) 15 Ждущий Тема 2.1 Электронные ключи Общие сведения об электронных ключах. Параллельные и последовательные транзисторные ключи. Основные характеристики транзисторных ключей. Насыщенные ключи: с внешним включением, с ускоряющем конденсатором, ненасыщенные ключи с нелинейной обратной связью. Ключи на полевых транзисторах. Переключатели тока. Расчет параметров транзисторных ключей. Особенности ключей в интегральном исполнении. Одним из основных элементов большинства импульсных схем является электронный ключ, главное назначение которого состоит в коммутации цепи нагрузки с помощью управляющих электрических сигналов, он может быть реализован на: Электронные лампы Микросхемы Транзисторы Аналоговые Диоды Оптроны Цифровые Тиристоры Электронные ключи – это устройства, резко изменяющее внутреннее сопротивление под воздействием управляющего сигнала. Ключ коммутирует (выключает и включает) участки электрической цепи. Его действие основано на том, что во включенном состоянии он обладает очень малым, а в выключенном весьма большим сопротивлением. Нас интересует ключ не по его прямому назначению, а как элемент цифровых и импульсных устройств. Транзисторные ключи стр. 241 – 242 [4] 1) Наибольшее распространение получила схема с общим эмиттером. 2) Бывают, последовательная и параллельная схемы электронного ключа. Последовательная схема электронного ключа последовательное включение евх, электронного ключа S и RН. 16 предусматривает Параллельная схема электронного ключа предусматривает параллельное включение евх, электронного ключа S и RН. Последовательная схема коммутаций электронных ключей Параллельная схема схема коммутаций электронных ключей Последовательная схема электронного ключа на биполярном транзисторе n-p-n типа стр. 241 -242 [4] 3) Проведем на семействе выходных характеристик нагрузочную прямую, соответствующую выбранному значению RК: UКЭ = ЕК, IК =ЕК /RК. 4)Пересечение кривой UКБ = 0 с нагрузочной прямой дает точку границы режима насыщения (точка Нс.). 5) Пересечение кривой IБ = 0 с нагрузочной прямой дает точку границы режима отсечки (точка От). 6) Для работы в ключевом режиме рабочая точка транзисторного каскада должна находиться либо левее точки Нс (режима насыщения), либо правее точки От (режима отсечки). 7) Нахождение между точками Нс и От допускается только при переключении транзистора из насыщенного состояния в состояние отсечки и наоборот. 17 Выходные характеристики биполярного транзистора n-p-n типа ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ТРАНЗИСТОРНОГО КЛЮЧА стр.73 [1] 1) Сопротивление во включенном состоянии 0. 2) Сопротивление в выключенном состоянии . 3) Остаточные напряжения на ключе. 4) Быстродействие, определяемое временем переключение 0. РЕЖИМЫ ЭЛЕКТРОННЫХ КЛЮЧЕЙ стр. 73 - 75 [1] Статические (стационарные) Динамические (переходные процессы) Ключевой каскад может находиться в одном из двух стационарных состояний: во включенном (транзистор насыщен) и в выключенном (транзистор заперт). Так как транзистор является инерционным прибором, то переход из одного стационарного состояния в другое переходит не мгновенно. ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В КЛЮЧЕ стр. 245 [4] I. Процесс перехода ключа из выключенного состояния во включенное Общая продолжительность t вкл = Задержка включения tзад + Длительность фронта включения tф Причины, которые влияют на эти длительности tзад– входная емкость Свх транзистора, заряжающаяся через резистор RБ; tф – а)время распространения носителей от эмиттера через базу к коллектору, б) коллекторная емкость; tнак – интервал накопления, переходной процесс в транзисторе в момент времени t2 не заканчивается и в области базы продолжается процесс накопления избыточного заряда, tнак = (2-3) τнак, где τнак – постоянная времени накопления заряда. 18 II. Процесс перехода ключа из включенного состояния в выключенное Общая продолжительность t выкл = Рассасывание избыточного заряда + Формирование спада коллекторного базы tрас тока tсп tрас – уменьшение объемного заряда базы; tсп – а) уменьшение объемного заряда базы до нуля, б) перезаряд емкости коллекторного перехода; tуст – интервал установления, процессы аналогичны процессам задержки включения транзистора. Временные диаграммы включения биполярного транзистора Временные диаграммы выключения биполярного транзистора РАЗНОВИДНОСТИ КЛЮЧЕЙ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ стр. 79 – 83 [1] Ненасыщенные ключи Насыщенные ключи 19 1) Ключ с внешним 2) Ключ с ускоряющим 3) Ненасыщенный ключ с отрицательной обратной связью стр. 246 – 250 [4] 1) Ключ с внешним смещением. В исходном состоянии такой ключ заперт источником смещения ЕБ, а в отпертом состоянии переключается положительным управляющим импульсом. Это отличает его от ключа, для переключения которого требуется двуполярные импульсы. 2)Ключ с ускоряющим (форсирующим) конденсатором. Конденсатор - для повышения быстродействия ключа. Схема управления биполярного транзистора с форсирующим конденсатором Временные диаграммы биполярного транзистора с ускоряющей (форсирующей) емкостью 3)Насыщенный ключ с отрицательной обратной связью. Задержку выключения можно устроить полностью, если избежать насыщения транзистора. Для этого коллектор транзистора n- p –n –типа должен всегда иметь положительный потенциал относительно базы (UКБ > 0). Насыщенный ключ с отрицательной обратной связью с фиксацией напряжения UКБ базовым резистором Выводы: 1. Основными преимуществами схем коммутации на биполярных транзисторах (по сравнению с диодом) являться: управляемость внешним сигналом; лучшие характеристики во включенном состоянии; возможность, изменяя параметры управляющего сигнала, влиять на быстродействие устройства. 20 2. В качестве основного недостатка следует отменить большую сложность транзисторных ключей по сравнению с ключами на диодах. Ключ на полевых транзисторах Современный этап развития электроники характеризуется тем, что проектирования электронных средств различного назначения используют не дискретные элементы (транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы и т. п.), а законченные функциональные узлы, выполненные в виде ИС. Микросхемы бывают цифровыми и аналоговыми, основным элементом цифровых микросхем является электронный ключ. В настоящее время разработано большое количество аналоговых микросхем, как общего, так и специального назначения. К ним в первую очередь следует отнести: 1) усилители постоянного тока (операционные усилители); 2) источники питания (непрерывные стабилизаторы напряжения); 3)схемы сравнения (компараторы). Источники питания уже были рассмотрены в курсе “Источники питания радиоаппаратуры”, микросхема 142ЕН. Операционные усилители и компараторы рассмотрим сейчас. Пример: Определить синфазный и дифференциальный сигналы на входах ИМС ОУ, если U(+) = 1,015 B; U(-) = 1,013 В Uсф = 0,5(U(+)+U(-)) = 0,5(1,015+1,013В) =1,014 В Uдиф= U(+)-U(-)=1,015-1,013=0,002В=2мВ Условное графическое обозначение ОУ 21 Тема 2.2 ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ И КОМПАРАТОРЫ стр. 88 – 112 [1] Операционные усилители и компараторы, схемы включения, передаточная характеристика, схемы включения положительно обратной связи. Схемы включения ОУ в режиме компаратора. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ Свое название операционные усилители (ОУ) получили вследствие того, что он может использоваться для выполнения различных математических операций над сигналами: алгебраического сложения, интегрирования, дифференцирования, логарифмирования и т. д. В настоящее время операционным называют усилитель с большим коэффициентом усиления, который охватывают цепью обратной связи, определяющей основные показатели и характер выполняемых усилителем операций. Современные ОУ выполняются на базе интегральных микросхем (ИМС). 1)Питание симметричное (например,+_15В). 2)ОУ является усилителем постоянного напряжения. 3)Имеет 2 входа: инвертирующий (“-“) и не инвертирующий(“+”). 4)На входе подаются напряжения U(+) и U(-), из них бывает синфазный (Uсф) и дифферициальный (Uдиф) сигналы. Uсф = (U(+) + U(-))/2; Uдиф = 2U = (U(+) - U(-)). ИМС ОУ – операционный усилитель без обратной связи, ОУ – операционный усилитель с обратной связью. Иногда ОУ называют как интегральную схему, так и целиком весь усилитель. Структура ИМС операционного усилителя Несмотря на существенные схематические различия ИМС ОУ разных типов, структура их одинакова 22 Структура ИМС ОУ Входной каскад - дифференциальный усилитель (ДУ), т.е., VT1 и VT2 одинаковые, RК1 и RК2 – одинаковые, VT3 и VT4 – генератор стабильного тока I01. Дифференциальный усилитель должен реагировать только на дифференциальный сигнал – резкости напряжений, приложенных к входам, но это выполняется при идеально стабильном токе I01. Однако, если ток I01 может изменяться (а он может изменяться), то ДУ будет реагировать и на сигнал, в конечном счете Uсф приводит к появлению напряжения на выходе ДУ. Наибольшее влияние на выходное напряжения ОУ оказывают изменения напряжений во входном каскаде (нестабильность питающих напряжений, нестабильность температуры, старения элементов), поэтому все меры предпринимаются ко входному каскаду, очень маленький коэффициент усиления входного каскада (большое входное сопротивление). Усилитель напряжения – Т5, Т6 выполнен по схеме ДУ, но эмиттерный ток не стабилизирован, один выход – коллектор Т6. Цепь смещения уровня – нужен, так как нет конденсаторов, на которых выделились бы постоянные составляющие напряжения. Высокий потенциал на коллекторе Т6 смещен вниз на сумму напряжений UБЭ7 и I02 R. Т10 осуществляет сдвиг постоянного уровня вверх на величину UБК10 → в итоге результирующий сдвиг равен постоянному напряжению на коллекторе Т6 . Выходной каскад – Т11, Т12 работают в режиме эмиттерных повторителей. Это обеспечивает высокое и малое выходное сопротивление каскада. Поскольку постоянное напряжение на базах близко к нулю, то один из транзисторов работает при положительном сигнале, а другой при отрицательном. Функциональные узлы, выполненные на базе ИМС операционный усилитель ОУ 1. Инвертирующий усилитель (инвертор) 2. Не инвертирующий усилитель 3. Дифференциальный усилитель 1) Инвертирующий ОУ. Uвх подается на вход (-), из-за чего выходное напряжение Uвых инвертировано относительно Uвх. Uвх = 80 м В Uвых = -4 В Инвертирующий усилитель (инвертор) 23 2) Неинвертирующий ОУ. Входной сигнал подается на вход (+) Uвых = Uвх (R0 + R1)/R1 Неинвертирующий усилитель 3) Дифференциальный ОУ. В данном усилителе сигналы подаются на входы (-) и (+). U вых (U вх2 U вх1 ) R0 R1 Дифференциальный усилитель Аналоговые компараторы Компаратор – это устройство, предназначенное для сравнения сигналов: один из них называют опорным (Uоп), а другой измеряемым или входным (Uвх). В момент равенства сигналов напряжение на выходе компаратора резко изменяется. Обычно после компаратора включают цифровой элемент, на выход которого следует подавать напряжения только двух уровней: один соответствует лог. 1, а другой – лог. 0. Компараторы на микросхемах операционных усилителей Наличие двух входов и большой коэффициент усиления ИМС ОУ позволяет построить компаратор на ее основе. 24 2) При сравнении напряжений, поступающих на входы ИМС ОУ, отличающихся более чем на 1мВ, выходное напряжение достигает насыщения и оказывается равным +Е при U(+) > U(-) и – Е при U(+) + < U(-). Если использовать ИМС ОУ без ОС, заземлить его инверсный вход, а на прямой вход подать, например, гармоническое напряжение, то при прохождении последнего через нуль напряжение на выходе ОУ будет изменяться от –Е до +Е и наоборот. 1) а) Схема компаратора б) Статистическая характеристика компаратора а) Схема компаратора б) Временные диаграммы Промышленностью выпускается большое число компараторов: К521СА2, К521СА5, К554СА2 – общего применения; К521СА3, К597СА3 – прецизионные; К521СА1,К521СА4 – специализированные. Серийные интегральные микросхемы ОУ стр. 92 [2] Отечественной промышленностью выпускаются интегральные микросхемы операционных усилителей серий К140, К153, К284, К544, К533, К710, К740. Интегральные микросхемы ОУ позволяют осуществлять до сотни различных схем включения и использовать одну и ту же микросхему для создания высокочастотных и низкочастотных усилителей, усилителей промежуточной частоты (ПУ), преобразователей, генераторов, детекторов, компараторов, активных фильтров и др. 25 Раздел 3 ФОРМИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА Тема3.1 Дифференцирующие устройства и интегрирующие цепи Общие сведения о формирующих устройствах. Дифференцирующие цепи: принцип действия, реакция RC – цепи на воздействие прямоугольного импульса. Интегрирующие цепи: принцип действия, реакция RC – цепи на воздействие одиночного импульса и импульсной последовательности. Интегрирующая и дифференцирующая RC – цепи. Интегрирование и дифференцирование на ОУ: интегратор на ОУ, дифференциатор на ОУ. Формирующие устройства стр.129 [1] Формирующие устройства – это устройства, формирующие напряжение одной формы из напряжения другой. Такую задачу можно решить, используя линейные и нелинейные элементы. Линейным называют элемент, параметры которого: (активное сопротивление, емкость, индуктивность, взаимная индуктивность) не зависят от значений и направлений проходящих токов и приложенных напряжений – сопротивления, конденсаторы, катушки индуктивности. Нелинейным называют элемент, параметры которого зависят от назначений и направлений приложенных напряжений и проходящих токов – диоды, транзисторы, работающие при больших сигналах, когда отчетливо проявляется нелинейный характер их вольтамперных характеристик. С помощью формирователей получают остроконечные и пилообразные импульсы, импульсы треугольной формы, короткие прямоугольные импульсы. 1) Дифференцирующие цепи стр.63 -64 [2] Дифференцирующие цепи – это цепи, на выходе которых напряжение пропорционально производной входного напряжения. Дифференцирующее устройство 26 Дифференцирующая цепь Эпюры напряжений для идеального импульса Эпюры напряжений для реального импульса Связь между напряжениями на входе и выходе можно представить в виде: Uвых (t) = KdUвх (t) / dt, где К – постоянный коэффициент. Принцип действия стр. 130 – 134 [1] Ток через конденсатор iC C dU C dt Чтобы воспользоваться результатами дифференцирования нужно создать напряжение, пропорциональное току iC → снять с резистора R: dUc dUС =τ dt dt где τ=RC – постоянная времени цепи, но входное напряжение Uвх отличается от UС. Оценим погрешность: Uвых = iC R = RС dUc U вых dU C d U вх U вых dU вх dU вых dU вх dt dt dt dt dt dU вых 0 , когда Uвых = U = const. dt Когда на входе цепи действует напряжение постоянное или линейно изменяющая функция, то выходное напряжение – результат безошибочного дифференцирования. 27 Эпюры напряжения – дифференцирование постоянного уровня (конденсатор С мгновенно зарядиться не может, то скачок напряжения выделяется на резисторе R). Эпюры напряжения – дифференцирования линейно – изменяющего уровня Uвх = α·t (передний фронт пилообразного импульса длительностью tи). В начале скорость заряда конденсатора мала, т.к. напряжение на входе еще незначительно; поэтому большая часть Uвх выделяется на выходе. С течением времени скорость заряда конденсатора возрастает и при τ << tи приблизится к значению α задолго до окончания импульса. После этого все изменения Uвх выделяются по существу на конденсаторе, а напряжение на выходе остается практически постоянным. Uвых =τ·α. 28 Реакция цепи на прямоугольный импульс длительностью tи, когда τ <<tи. RC - цепь Воздействие положительного перепада уже описывалось: в момент t1 появления импульса положительный сигнал напряжение Um выделяется на выходе. Затем начинается заряд конденсатора, и напряжение на выходе становится практически равным нулю задолго до окончания входного импульса. С момента окончания входного импульса в цепи действует только напряжение UC, поэтому на выходе цепи появляется напряжение Um отрицательной полярности. Этот перепад быстро спадает до нуля, т.к. конденсатор быстро разряжается. Использование: остроконечные импульсы широко используются для запуска импульсных устройств. Эпюры напряжений на RC - цепи 29 Дифференцирование реальных прямоугольных импульсов Временные диаграммы диф. цепи, на вход которой поступают импульсы, фронты которых имеют определенную tф (длительность фронта), при чем τ > tф Временные диаграммы диф. цепи, на вход которой поступают импульсы, фронты которых имеют определенные tф (длительность фронта), при чем τ < tф Если импульс имеет какую–то длительность фронта tф, то напряжение на выходе, форма импульса на входе зависит от соотношения длительности фронтов tф и постоянной времени τ. Если tф < τ <<tи, то за время действия входного фронта конденсатор не успевает сколько – нибудь значительно зарядиться и напряжение на выходе практически повторяет входное напряжение. По существу, заряд конденсатора начинается после того, как на входе устанавливается напряжение Uвх = Um = const. По мере заряда конденсатора напряжения на выходе Uвых = Uвх – const быстро уменьшается. Аналогичный процесс для среза импульса. Таким образом, при tф < τ <<tи цепь является дифференцирующей для вершины входного импульса. 30 Если tф > τ, то реакция цепи аналогично реакции цепи, когда на ее входе воздействует линейно нарастающее напряжение. Таким образом, при tф > τ цепь оказывается дифференцирующий уже для фронта линейно нарастающего импульса и напряжение на выходе быстро достигает установившегося значения: dUвх dt Uвых уст. = Um вых = τ =τ Um tф =const Аналогичный процесс для среза импульса, только U выхуст. U mввы dU вх U m . dt tф Влияние паразитных параметров схемы на выходной импульс До сих пор не учитывались: 1) внутреннее сопротивление генератора прямоугольных импульсов Ri и 2) емкость нагрузки C0. 1. С учетом внутреннего сопротивления Ri. R Ri + R Um вых = Um кроме того, возрастает постоянная временная цепи τ = C (R+Ri) 2. Влияние емкости Co. C C+Co Um вых = Um Обычно берут С = (23) Co Длительность tи остроконечных импульсов на выходе дифференцирующей цепи Длительность tи остроконечных импульсов на выходе дифференцирующей цепи оценивается на определенном уровне: длительность по основанию оказывается бесконечно большой, так как напряжение спадает экспоненциально. Обычно tи определяют на уровне 0,5 Um. В соответствии с этим запишем: 0,5U m U m e t / → ln 0,5 t и → t и ln 2 0,7 Чем ↓ τ, тем остроконечнее импульсы, но τ можно снижать до определенного предела. и 31 Временные диаграммы, поясняющие определение длительности импульсов выходных при дифференцировании 32 2) Интегрирующие цепи стр. 64 [2] Интегрирующие цепи – это цепи, на выходе которых формируется функция, значение которых соответствует интегралу от функции времени на входе. Рисунок 37. Интегрирующая цепь Временные диаграммы при одиночном импульсе на входе Принцип действия стр.139 - 142 [1] Напряжение на конденсаторе связано с током через него интегральной зависимостью: t 1 U C iC dt , C0 C – емкость конденсатора; t – время интегрирования. Чтобы интегрировать заданное напряжение Uвх, ток iС должен изменяться по тому же закону, что и Uвх. До некоторой степени это обеспечивает это RС – цепь, постоянная времени τ которой много больше времени интегрирования t (τ = RС>>tи). Если tu<<τ , то за время t = tu напряжение UС не успевает существенно измениться. В этом случае ток в цепи i = (Uвх – UС)/ R Uвх/ R, т. е. приблизительно пропорционален Uвх, и t t t 1 1 1 U вых idt U вхdt U вхвх . С0 CR 0 0 33 По мере заряда конденсатора ток в цепи изменяется, если даже Uвх= const. Это является погрешностью интегрирования. Величину ее легко определить для случая, когда на входе действует постоянное напряжение Uвх = Um . Тогда напряжение на входе нарастает по экспонентному закону: Uвых = Um(1 – e-t/τ). Раскладывая e-t/τ в ряд по степеням t/τ, получаем 1 t / 2 1 t / 3 ... 2 6 2 t 1 t 1 t U m 1 ... 2 6 e t / 1 t / U вых U m 1 e t / Если время интегрирования t << τ, то можно ограничиться двумя членами разложения, т. е. считать: U вых t 1t 1 . 2 Первый член пропорционален интегралу входного напряжения: 1 t U t U вх U m U m dt m 0 Второй член составляет ошибку. Она тем меньше, чем сильнее неравенство τ >> t. Однако с уменьшением ошибки пропорционально уменьшается результат интегрирования U mt / . 1t t 100 50 2 (относительная погрешность в % ). Предельное время t интегрирования прямоугольного импульса, при котором ошибка не превосходит допустимого значения : t / 50 . T f/50. Реакция интегрирующей цепи на прямоугольный импульс RC - цепь Конденсатор не может мгновенно разрядиться, поэтому в момент поступления на вход цепи прямоугольного импульса все входное напряжение выделяется на резисторе R, а Uвых = UС = 0. За время действия импульса конденсатор C медленно заряжается по экспоненциальному закону: 34 t и U C U вых U mвх1 e . К моменту окончания импульса (t = tи) t и U mвых U mвх 1 е . После чего конденсатор медленно разряжается через резистор, и Uвых медленно уменьшается. Можно считать, что конденсатор разрядится через время t = 3τ. tи вых = tи + 3τ, т.к. τ >> tи, то tи вых = 3τ. Использование: в вычислительных устройствах, селекторах, ТV – технике. Интегрирование импульсной последовательности Временные диаграммы интегрирования импульсной последовательности К моменту окончания первого импульса напряжение на конденсаторе нарастает до значения U вых1 U mвх 1 е tи << Umвх. К моменту поступления второго импульса на нем остается некоторое напряжение: U ост1 U вых1е tn и т.д. 3) Дифференцирующие и интегрирующие RL – цепи с постоянной τ << tи и τ >>tи стр. 138 -139, 142 [1] 35 τ<tи τ > tи 36 Интеграторы и дифференциаторы на микросхемах ОУ стр. 144 -147 [1] Схема интегратора на микросхеме ОУ (ИМС ОУ) С' = КС Схема интегратора, эквивалентная в расчетном отношении с исходной, и составленная из того, что коэффициент усиления не бесконечен, а равен К. Дифференциатор на микросхемах ОУ R1 R Схема дифференциатора на микросхеме ОУ К Схема дифференциатора, эквивалентная в расчетном отношении с исходной и составленная из того, что коэффициент усиления не бесконечен, а равен К. стр. 67 [2] Необходимость применения электронных интегратора и дифференциатора появилась потому, что RC – цепи правильно работает в течение малого промежутка времени, пока конденсатор далек от насыщения, а затем начинается нелинейные искажения. 37 Тема 3.2 Ограничители амплитуды стр. 149 -165 [1] Ограничители амплитуды – устройства, напряжение на выходе которых (Uвых) пропорционально входному напряжению Uвх до тех пор, пока последнее не достигает некоторого уровня, называемого порогом ограничения, после этого Uвых остается постоянным, несмотря на изменение Uвх. Чтобы пропорциональность между Uвых и Uвх имело место только на некотором участке, характеристика ограничителя Uвых = f (Uвх) обязательно должно быть нелинейной. Временные диаграммы двухстороннего ограничения с уровнями ограничения Uогр 1 и Uогр 2 Временные диаграммы ограничителя: ограничение снизу на нулевом пороге и ограничение сверху с уровнем ограничения Uпор в Часто ограничители используется для получения: 1) последовательности однополярных импульсов из последовательности разнополярных, а так же 2) для формирования трапециидальных импульсов из синусоидального напряжения при двустороннем ограничении. 38 Чем больше амплитуда Um и частота f синусоидального напряжения, тем круче нарастает синусоида – тем меньше длительность фронтов tф выходных импульсов. Она дополнительно уменьшается с уменьшением порога ограничения Uогр. Временная диаграмма формирования трапециидального импульса из синусоидального напряжения Uогр = Um sin 2 f tф. Так как ограничение ведется с целью получения импульсов с крутыми фронтами, то длительность tф мала. Это дает основание заменит синусоидальную функцию sin 2 f tф ее аргументом и записать Uогр = 2 Um f tф, откуда tф = Uогр /2 Um f. Последовательные диодные ограничители 1. Ограничитель с нулевым порогом ограничения 2. Ограничитель с ненулевым порогом ограничения 1) Ограничитель с нулевым порогом ограничения 39 Ограничитель с нулевым порогом ограничения применяется для исключения импульсов определенной полярности из последовательности разнополярных импульсов. 2) Ограничитель с ненулевым порогом ограничения Для получения порога ограничения, отлично от нуля, последовательно с нагрузкой включают источники постоянного напряжения Е. 40 Схемы ограничителей с ненулевым порогом ограничения Временные диаграммы Параллельные диодные ограничители 41 Транзисторный усилитель – ограничитель Схема транзисторного усилителя - ограничителя Наличие областей насыщения и отсечения позволяет выполнить на транзисторе двухсторонний усилитель – ограничитель. В такой схеме транзистор работает в режиме ключа, переходя из насыщенного состояния в запертое и обратно. Ограничители на микросхемах ОУ 42 Тема 3.3 Формирователь импульсов с контуром ударного возбуждения стр. 165 – 168 [1] Генератор с контуром ударного возбуждения Двусторонний ограничитель Дифференцирующая цепь Односторонний ограничитель Структурная схема формирователя импульсов с контуром ударного возбуждения Формирователь импульсов с контуром ударного возбуждения – это устройство для получения серии остроконечных импульсов при поступлении на вход одного прямоугольного импульса. Генератор с контуром ударного возбуждения – формируется синусоидальное напряжение. Двухсторонний ограничитель – формируется последовательность радиополярных прямоугольных импульсов. Дифференцирующая цепь – формируются радиополярные остроконечные импульсы. Односторонний ограничитель – формируются односторонние остроконечные импульсы. Генератор с контуром в цепи коллектора Схема генератора с контуром в цепи коллектора Временные диаграммы генератора в цепи коллектора 43 Такой генератор состоит из колебательного контура и транзисторного ключа. 1. В исходном состоянии транзистор насыщен и через него протекает ток IК. 2. Проходя через колебательный контур ток IК создает свободные колебания. 3. Если параметры контура выбрать с таким расчетом, чтобы период этих колебаний T 2 LC были много меньше длительности tи входного импульса, то за время tи можно получить много периодов колебаний. 4. Активное сопротивление в реальном контуре приводит к потерям энергии, т.е. затуханию колебаний. 5.По окончанию положительного входного импульса транзистор насыщен и его небольшое сопротивление подключается параллельно контуру. При этом из контура быстро отбирается энергия, и колебания в нем быстро затухают. 6. Резистор RK ограничивает ток насыщения транзистора, конденсатор С1 соединяет по переменной составляющей верхнюю точку контура с “землей”; благодаря этому контур шунтируется только малым сопротивлением отпертого транзистора. Определение характеристик синусоидального напряжения U m0 I K L C I K - начальная амплитуда напряжения на контуре (при пренебрежении затухания в первую половину полуволны). L C – волновое сопротивление контура. U mn U m 0 e t / – амплитуда напряжения на контуре в момент времени t. 2L / r – постоянная времени контура. Генератор с контуром в цепи эмиттера Схема генератора с контуром в цепи эмиттера Эта схема отличается полярностью первой полуволны. 44 Получение серии незатухающих колебаний Для получения серии не затухающих колебаний применяется схема с контуром в цепи эмиттера, дополненная эмиттерным повторителем в цепи обратной связи. Колебания, возникающие в контуре, через разделительный конденсатор Cр подаются на эмиттерный повторитель (транзистор UT2), усиливается им по мощности и без изменения фазы частично вводится обратно в контур. Схема с контуром в цепи эмиттера с дополнительной обратной связью R2 – регулируется энергия, передаваемая в контур от эмиттерного повторителя. 45 РАЗДЕЛ 4 ГЕНЕРАТОРЫ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ ИМПУЛЬСОВ стр. 113 [2] Мультивибраторы Автоколеб ательные мультивиб раторы Ждущие мультивиб раторы Блокинггенераторы Автоколебат ельные блокинггенераторы Формиров атели импульсов Генераторы импульсов цифровых последовательностей Ждущие блокинггенераторы Тема 4.1. Мультивибраторы Общие сведения о релаксационных генераторах. Основная схема транзисторного автоколебательного генератора. Ждущий мультивибратор. Мультивибраторы на интегральных схемах ОУ: автоколебательный и ждущий; мультивибраторы на цифровых интегральных схемах (ЦИС): автоколебательный и ждущий; интегральные монолитные мультивибраторы. Стр. 179 [1] Прямоугольные импульсы имеют широкий спектр частот. Этим определяется название мультивибратора, означающий генератор множества колебаний. Прямоугольные импульсы формируются на коллекторе транзистора: плоская вершина – когда транзистор заперт, коллектор имеет высокий потенциал; пауза – когда транзистор насыщен, коллектор имеет малый потенциал; длительность – определяется напряжением на конденсаторах; крутые фронты – определяются лавинообразным переходом из одного состояния в другое за счет положительной обратной связи и усилением → двухкаскадный резистивный усилитель (усилитель работает в режиме ключа) с положительной обратной связью. Автоколебательный мультивибратор на VT стр. 180 [1] Схема мультивибратора автоколебательного Транзистор p-n-p Положительная обратная связь: выход одного ключа соединен с входом другого. 46 Если потенциал базы VT1 более отрицательный, то потенциал коллектора VT1 (и базы VT2) более положительный, а потенциал коллектора VT2 (и базы VT1) еще более отрицательный. Так к первоначальному приращению потенциала добавляется приращение того же знака, поступающее в исходную точку по петле обратной связи. Рассмотрим работу мультивибратора более детально. При включении источника питания состояние, когда оба транзисторы открыты, является неустойчивым. Стр. 125 – 127 [2] Алгоритм работы Временные диаграммы автоколебательного мультивибратора I. Формирование фронта импульса – участок аb 1) Допустим, что коллекторный ток одного из них (VT1) несколько увеличился за счет флуктуационных колебаний iк1 ↑. 2) Падение на резисторе Rк1 тоже возрастает ΔUк1 ↑. 3) Это приведет к росту тока заряда конденсатора С2 iС2 ↑ и увеличению падения напряжения на резисторе Rб2 ΔURб2 ↑. 4) В результате этого отрицательный потенциал на базе транзистора VT2 уменьшится URб2 ↓. 5) Увеличение напряжения на коллекторе VT2 вызовет увеличение тока заряда конденсатора С1 iС1 ↑, увеличение падения напряжения на резисторе Rб1 ΔURб1 ↑ и уменьшение напряжения на базе транзистора VT1 URб1 ↓. 6) Это, в свою очередь, приводит к дальнейшему росту его коллекторного тока iк1 ↑. Таким образом, возникает положительная обратная связь с лавинообразным нарастанием тока до полного насыщения в транзисторе VT1 и полное перекрытие тока в транзисторе VT2. После завершения переключения в момент времени t1 мультивибратор переходит во временное устойчивое состояние: транзистор VT1 открыт до полного насыщения, транзистор VT2 полностью закрыт. 7) Происходит заряд конденсатора С1 через базу транзистора VT1 и резистор R к2 UС1 ↑ (напряжение на коллекторе транзистора VT2 приближается к установившемуся значению) – участок bc, напряжение на коллекторе примет значение Uк2 ≈ -Ек. 47 На этом формирование фронта импульса заканчивается. II. Формирование плоской вершины импульса – участок cd. Конденсатор С2 начинает перезаряжаться, напряжение на Rб2 уменьшается Uб2 ↓ и напряжение на базе VT2 уменьшается ↓, когда напряжение на базе транзистора VT2 станет равным напряжению отпирания, в момент времени t2 транзистор VT2 начнет отпираться. Но до момента t2 транзистор VT2 был закрыт, происходило формирование плоской вершины. К моменту t2 формирование плоской вершины закончилось. III. Формирование среза импульса - участок dе. Транзистор VT2 начинает отпираться, и происходит процесс обратного переворачивания, аналогичный прямому. Результатом этого процесса будет переход в новое состояние, когда транзистор VT2 будет открыт, а транзистор VT1 – закрыт. IV. Формирование паузы импульса – участок еа. В новом устойчивом состоянии конденсатор С1 начнет перезаряжаться через транзистор VT2, а конденсатор С2 – заряжаться. Процесс будет продолжаться до тех пор, пока напряжение на базе транзистора VT1 не станет равным напряжению его открывания. После этого мультивибратор переключится в другое состояние, и процесс начнет повторяться. В результате перехода мультивибратора из одного состояния в другое образуется периодическая последовательность импульсов, длительность которых определяется параметрами RС-цепей, определяющих время заряда и разряда конденсаторов С1 и С2. Если параметры RС - цепей у транзисторов не одинаковы, то длительности импульсов и интервалов меду ними будут отличаться. 48 Автоколебательный мультивибратор на ИМС ОУ стр. 131 -132 [2] Мультивибратор на ИМС ОУ Эпюры напряжений Релаксационным элементом мультивибратора на операционном усилителе является резистивно-конденсаторный мост, питающийся от знакопеременного напряжения операционного усилителя +Ек - –Ек (обычно - –15 и + 15 В). 1. 2. 3. 4. 5. Алгоритм работы Допустим, что временное равновесие установилось с напряжением на выходе, равном +Е, и напряжением на прямом входе +εЕ. Конденсатор С заряжается через R1 → напряжение на С возрастает по экспоненциальному закону с постоянной времени R1С и → к уровню Uвых. Когда Uвх = εЕ, транзисторы микросхемы DA1 выходят из насыщения, восстанавливается действие положительной обратной связи и возникает регенеративный процесс → переключение схемы во второе равновесное состояние. После завершения переключения на выходе мультивибратора Uвых = –Е, а Uвх = – εЕ → конденсатор перезаряжается → UС → –Е. Когда UС = – εЕ, произойдет переключение мультивибратора на первое равновесное состояние. Т з R1C ln 1 / 1 R1C ln 1 2R2 / R3 Для регулирования интервалов следования импульсов и длительности импульсов вместо сопротивления R1 необходимо установить регулировочное сопротивление и диод. Стабилизацию частоты следования импульсов мультивибратора можно осуществить синхронизирующими импульсами, подаваемыми на вход (→). 49 Автоколебательный мультивибратор на логических элементах Мультивибратор на двух логических элементах, включенных параллельно (логические элементы И-НЕ, две RCцепи: R1C1 и R2C2 – времязадающие релаксационные элементы, конденсаторы создают петлю по обратной связи) Эпюры напряжений Алгоритм работы 1) Верхний открыт, а нижний элемент закрыт. На выходе DD1.1 лог.1, конденсатор С1 начинает заряжаться через R1. 2) UС1 → лог.1, → iR1↓ → UR1↓ → UR1 = лог.0 → UвыхDD1.1 = лог.1 - момент t1. 3) Через С2 включается DD1.1 → UвыхDD1.1 = 0. 4) Начинает заряжаться С2 через R2, поддерживая DD1.1 во включенном состоянии за счет падения напряжения на R2. Мультивибратор находится в устойчивом состоянии, пока С2 не зарядится → UR1 = 0 и DD1.1 переключается – момент t2. Таким образом, снова наступает момент переключения в первоначальное состояние, процесс повторяется. Время устойчивого состояния определяется временем релаксации (заряда) конденсаторов С1 и С2 через R1 и R2. Через конденсатор С могут подаваться синхронизирующие импульсы, изменяющие период повторения импульсов Т. 50 Основные параметры колебаний стр. 184 – 187 [1] 1) Амплитуда импульсов Um Будем считать, что импульс формируется при запирании транзистора (когда потенциал его коллектора становится более отрицательным), а пауза – при его отпирании. Uкн ≈ 0 Uкзап ≈ –Ек → амплитуда генерируемых импульсов Um=Uкн-Uкзап ≈Ек 2) Длительность импульсов Конденсатор С1 (между коллектором насыщенного транзистора VT1 и базой запертого транзистора VT2) разряжается, имея тенденцию перезарядиться: U C1 U б 2 Е к 2 Е к е t 2 τ2 ≈ С1Rб2 - постоянная времени разрядки конденсатора С1. При t = 0 Uб2 = Ек. С этого момента начинается формирование отрицательного импульса на коллекторе транзистора VT2. При t = t2 потенциал базы VT2 опускается до нуля и схема опрокидывается: VT2 отпирается, а VT1 запирается. Таким образом, длительность tи2 генерируемого импульса определяется продолжительностью разрядки конденсатора С1, обеспечивающее запертое состояние транзистора VT2. Ее значение можно определить: Ек 2 Ек е tи 2 С1Rб 2 0 → t и 2 Rб 2 С1 ln 2 0,7 R, 2 C1 0,7 2 3) Пауза импульсов Проведя аналогичные рассуждения по отношению к закрывающемуся транзистору VT1. находим t и1 Rб1С 2 ln 2 0,7 Rб 2 С 2 0.7 1 , где τ1 – постоянная времени разрядки конденсатора С2. 4) Период колебаний Т t и1 t и 2 0,7Rб1С 2 Rб 2 С1 0,7 1 2 Для симметричного мультивибратора tи1 = tи2 = 0,7СRб2 = 0,7τ 5) Длительность переднего фронта импульса tф Определяется временем зарядки хронирующего конденсатора через коллекторный резистор того же плеча: tф ≈ 3СRк Выбор элементов схемы 1) Uкб доп ≥ 2Ек 2) Максимальная частота колебаний мультивибратора fmax зависит от частоты транзистора fβ, у выбранного транзистора должна быть fβ ≥ 0,7fmax (fβ – частота транзистора). 51 3) Чтобы обеспечить заданную длительность положительного перепада – длительность среза tс, частота транзистора fλ должна соответствовать условию fλ ≥ 1/ tс (fλ – частота, на которой коэффициент α передачи тока эмиттера уменьшается по сравнению с низкочастотным значением в 2 раз ) 4) Напряжении источника питания берут равным Ек = (1,1 - 1,2) Um 5) Сопротивление резистора Rк выбирают с таким расчетом, чтобы ток открытого транзистора не превышал максимально допустимого Iкн ≈ Ек/Rк ≤ Iк доп → Rк ≥ Ек/ Iк доп, с другой стороны, падение напряжения на резисторе Rк от обратного тока коллектора не должно превышать (1,05 – 0,1)Ек. отсюда Rк 0,05 0,1Ек , I к 0 max где Iк0max – обратный ток при максимальной рабочей температуре. 6) Сопротивление резистора Rб следует выбирать с таким расчетом, чтобы обеспечить неглубокое насыщение транзистора (S ≈ 2); S – коэффициент насыщения Ек Е к S → Rб = β Rк/S. Rк Rб 7) Емкость конденсатора С выбирается в соответствии с заданной длительностью импульсов: С1 = tи2/0,7Rб2; С2 = tи1/0,7Rб1. 52 Ждущий мультивибратор → Схема мультивибратора в ждущем режиме Временные диаграммы ждущего мультивибратора Для автоколебательного режима мультивибратора характерно отсутствие устойчивого состояния, вследствие чего схема генерирует импульсы непрерывно. В ряде случаев необходимо получать одиночные импульсы в определенные моменты времени. Для этого мультивибратору надо обеспечить устойчивое состояние: обычно это достигается путем запирания усилительного элемента одного из плеч мультивибратора, тогда схема самостоятельно не может выбраться из этого состояния. В этом случае для генерации нужен внешний запускающий импульс. Такой импульс рассматривается как ждущим импульсом, а генератор «ждущим» (при каждом запускающем импульсе вырабатывается только один импульс). I. Это одно назначение ждущего мультивибратора. II. Ждущие мультивибраторы могут использоваться как элементы задержки. Если импульсы выходные продифференцировать, а затем срезать, то полученная последовательность окажется задержанной по отношению к входной. tзад = времени пребывания мультивибратора в неустойчивом состоянии. Существует несколько разновидностей схем мультивибратора, одна из них, когда на вход одного из транзисторов автоколебательного мультивибратора подается напряжение смещения Еб. Алгоритм работы 1) Исходное состояние схемы: VT1 – заперт источником смещения Еб, а VT2 – открыт и насыщен. При этом конденсатор С1 имеет возможность заряжаться по цепи: +Ек – «земля» - эмиттерный переход VT2 – С1 – Rк1 – (-Ек). 2) Выводят схему из устойчивого состояния: на базу VT1 через разделительный конденсатор подают запускающий импульс отрицательный √, транзистор VT1 приоткрылся. 53 3) Два отпертых транзистора, это мы уже рассматривали → опрокидывание транзисторов: VT1 – открывается, а VT2 – закрывается. 4) С1 держит VT2 в запертом состоянии, но по мере разрядки (перезарядки) через цепь: +Ек – «земля» - отпертый транзистор VT1 – С1 – Rб2 – (-Ек) потенциал базы уменьшается до нуля и он отпирается. 5) С этого момента начинается новый лавинообразный процесс → VT1 закрывается, а VT2 – открывается. 6) По окончании зарядки конденсатора С1 через резистор Rк1 схема возвращается в исходное состояние. Длительность сформированного импульса на коллекторе VT2 tи = 0,7С1Rб. В данном случае транзистор VT1 удерживается в запертом состоянии не напряжением конденсатора С2, а напряжением источника +Еб. Поэтому связь коллектора VT2 с базой VT1 можно осуществлять через резистор R, т.е. С2 не нужен. Схема ждущего мультивибратора на логических элементах Временные диаграммы Схема ждущего мультивибратора на ИМС ОУ R3 R3 R2 Временные диаграммы Интегральные монолитные мультивибраторы 54 КР119ГГ1 – мультивибратор с самовозбуждением КР119АГ1 – элемент ждущего блокинг – генератора КР127ГФ1А – КР127ГФ1Ж – тактовый генератор 218ГГ1, К218ГГ1 – мультивибратор автоколебательный 218Г1, К218Г1 – мультивибратор ждущий К224ГГ2 - генератор прямоугольных импульсов К224ГГ1 – мультивибратор универсальный 55 Тема 4.2 Блокинг – генераторы Общие сведенья о блокинг – генераторах. Автоколебательный блокинг – генератор на транзисторах. Ждущий режим блокинг – генератора. Синхронизированный блокинг – генератор. Блокинг – генератор на интегральной схеме. Блокинг – генератор (БГ) – однокаскадное регенеративное импульсное устройство с трансформаторной положительной обратной связью, формирующее прямоугольные импульсы малой длительности (мкс и меньше), большой амплитуды и мощности. стр. 141 [2] 1. БГ в отличие от мультивибратора содержат только один усилитель. 2. Трансформатор усложняет конструкцию. 3. Применяя дополнительную нагрузочную обмотку можно развязать нагрузку от источника. 4. Применяя несколько нагрузочных обмоток можно получить несколько импульсов с разными полярностями и амплитудами или просто одинаковые импульсы, но много. 5. Применяется на мощную нагрузку. Фронт импульса – прямой блокинг – процесс (ПБП). Спад импульса – обратный блокинг – процесс (ОБП). Пауза импульса – процессы при разряде конденсатора (как в мультивибраторе). Вершина импульса – процесс при перезаряде конденсатора (особенность блокинг – генератора). Блокинг – генератор Автоколебательный режим Ждущий режим Автоколебательный режим блокинг – генератора стр. 206 -212 [1] Схема автоколебательного блокинг – генератора Резисторы Rк, Rдоп, Rш и диод улучшают форму и стабильность параметров генерируемых колебаний, но не имеют определенного значения. Мы их упоминать не будем. 56 Временные диаграммы блокинг - генератора Алгоритм работы Исходный момент t1: напряжение на разряжающемся конденсаторе спадает до нуля и транзистор VT отпирается. Формирование переднего фронта импульса 1) Появился iк, а в сердечнике трансформатора появился магнитный поток. Iк наводит в базовой обмотке wб ЭДС eб, полярность показана на схеме. Эта ЭДС дополнительно приоткрывает транзистор VT, ток коллектора транзистора VT увеличивается, ЭДС увеличивается и т.д., происходит лавинообразный процесс и транзистор VT оказывается в области насыщения. Транзистор теряет усилительные свойства, и изменение потенциала базы перестает влиять на изменения коллекторного тока. На этом заканчивается формирование фронта. 2) В интервале времени t1 - t2 индуцируется ЭДС и в обмотке wк (полярность показана на схеме), так что потенциал коллектора лавинообразно изменяется Uк = -(Eк-eкmax). 3) ЭДС eб лавинообразно изменяется Uб = -eбmax Формирование плоской вершины импульса 1) За кратковременный интервал t1 - t2 состояния конденсатора не меняется. Только под действием ЭДС eб конденсатор С начинает заряжаться через открытый эмиттерный переход (транзистор находится в режиме насыщения). 2) Напряжение на конденсаторе быстро достигает UСmax, а напряжение на базе (Uб = -eб + UС) и базовый ток уменьшаются iб ↓. Транзистор выходит из режима насыщения. На этом заканчивается формирование плоской вершины. Формирование среза импульса 1) Так как транзистор вышел из режима насыщения, то ik ↓, то скорость нарастания магнитного потока уменьшается, → в базовой обмотке индуктируется меньшая ЭДС eб, что дополнительно снижает отрицательный потенциал базы - коллекторный ток еще меньше становится и т.д. 2) Как только eб по абсолютному значению станет меньше UСmax это приводит к запиранию транзистора. 3) После этого магнитный поток начинает быстро спадать и ЭДС в обмотках меняют полярность. В результате в кривых Uк и Uб имеет место кратковременные выбросы ΔUк и ΔUб . За счет индуктивности коллекторной обмотки ток iк не может мгновенно уменьшиться до нуля и после запирания транзистора замыкается через межвитковые емкости 57 трансформатора – упомянутые выбросы, а затем и колебания, которые затухают, колебательный контур образовался - для устранения этих колебаний введены диоды. Формирование паузы 1) После запирания начинается разрядка конденсатора до напряжения UС = - (Eк + Iк0Rб) от UСmax. (Iк0 – обратный ток коллекторного перехода). 2) Когда UС = 0, транзистор отопрется, после чего начинается формирование нового импульса. Конденсатор С, определяющий длительности импульса и паузы, является времязадающим (хронирующим) конденсатором. 58 Ждущий блокинг – генератор стр. 215 – 217 [1] Когда необходимо, чтобы каждый импульс на выходе генератора появлялся только при подаче на вход запускающего импульса, используется ждущий режим. В исходном состоянии блокинг – генератор заперт. С приходом запирающего импульса он формирует один импульс и снова запирается до прихода на вход очередного. Ждущий режим может быть обеспечен различными способами. Схема ждущего блокинг – генератора, где Езап осуществляется источником Ез. Схема ждущего блокинг – генератора, где Ез осуществляется от общего коллекторного источника. Обмотка 1 – коллекторная Обмотка 2 – базовая Обмотка 3 – нагрузочная. Алгоритм работы Исходное состояние БГ 1) Транзистор VT закрыт за счет Eз, 1к = const → Uоб2 и Uоб3 = 0. 2) Конденсатор C заряжается до Uз через R1, R6 и обмотку 2 («-« на правой обкладке). Запуск 1. Uвx = └┘ проходит через Cp на базу VT → Uб отриц. → VT отпирается → 1к ↑. Прямой блокинг-процесс (формирование фронта импульса) 1) 1к ↑ → возбуждение в обмотке базы → сильная обратная положительная обратная связь → лавинообразное нарастание 1к, С заряжается током базы, VT входит в режим насыщения, прекращается прямой блокинг-процесс, Uк=0, все происходит скачком. Формирование вершины импульса (квазиустойчивое состояние) 59 По мере заряда C напряжение на нем повышается, а тон заряда (базы) понижается следует снижение уровня насыщения VT , но он еще насыщен. Обратный блокинг-процесс (формирование среза импульса) Как только кажущейся ток коллектора станет меньше тока насыщения, VT выйдет из режима насыщения, 1к ↓ → положительное напряжение на обмотке базы → большое запирание VT → сильная обратная положительная связь → лавинообразный процесс, полное запирание транзистора, лавинообразный процесс прекращается, все происходит скачком. Возникающая в базовой обмотке трансформатора ЭДС заряжает емкость С. Установление исходного состояния С разряжается через Rб, источник Eсм и базовую обмотку трансформатора за напряжение Eсм . Разряд происходит медленно . Схема приходит в исходное состояние и ждет запуска. 60 Синхронизированный блокинг-генератор стр. 217[1] В автоколебательном режиме блокинг-генератору свойственна относительно низкая стабильность частоты. В целях ее повышения блокинг-генератор нередко синхронизируют импульсами с большой стабильностью периода. Синхроимпульсы можно подводить к различным электродам транзистора, но с таким расчетом, чтобы на базу действовали импульсы отрицательной полярности. Принципиально работа блокинг – генератора в режиме синхронизации частоты не отличается от работы мультивибратора в том же режиме. Она сводится к тому, что синхроимпульсы с периодом Тсин < Тбл ген открывают запертый транзистор блокинг – генератора несколько раньше того момента, в которой он открылся бы самостоятельно. При этом стабильность частоты блокинг – генератора определяется стабильностью синхронизирующих импульсов. Блокинг – генератор можно использовать и для деления частоты В этом режиме период колебаний блокинг – генератора должен быть в несколько раз больше периода следования синхроимпульсов, а их амплитуда должна быть небольшой, чтобы транзистор блокинг – генератора отпирался не каждым синхроимпульсом, а через определенное число периодов. Временные диаграммы, поясняющие работу блокинг – генератора в режиме деления частоты fвх = 1 МГц fвых = ? Блокинг – генератор на интегральной схеме Схема блокинг – генератора на интегральной микросхеме 61 Т = 1 мкс (автоколебательный) Отечественная промышленность выпускает микросхему 119АГ1, на которой могут быть собраны автоколебательный и ждущий блокинг – генераторы. К микросхеме присоединены навесные элементы: импульсный трансформатор, элементы Rб и С базовой времязадающей цепи, резистор Rдоп, стабилизирующий длительность формирующего импульса, и конденсатор Сф фильтра. Эти элементы аналогичны элементам автоколебательного блокинг – генератора на транзисторах. Ряд незадействованных выводов микросхемы используется при выполнении ждущего блокинг – генератора. 62 РАЗДЕЛ 5 ГЕНЕРАТОРЫ ЛИНЕЙНО ИЗМЕНЯЮЩЕГО НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКА (ГЛИН и ГЛИТ) стр. 220 – 237 [1] Тема 5.1 Генераторы линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН) Генераторы линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН), или генераторы пилообразных напряжений, предназначены для формирования импульсов выходного напряжения, имеющих форму неравностороннего треугольника. Такое изменение напряжения часто называется пилообразным. Форма пилообразного напряжения Симметричная Применение: радиовысотомеры Несимметричная Применение: 1) в развертках осциллографов; 2) электронно лучевых трубках (электростатическое отклонение луча); 3) в телевизорах (в трубках с электромагнитным отклонением); 4)устройства задержки импульсов на калиброванное время; преобразователи аналог – код; 6) для получения линейно изменяющего тока (ЛИТ). Временная диаграмма пилообразного импульса Параметры пилообразного импульса 1) Передний фронт (прямой или рабочий ход) является линейно изменяющимся напряжением или током. 2) Задний фронт (обратный ход) изменяется по экспоненциальному закону. 3) Начальный уровень U0 4) Амплитуда Um 5) Длительность прямого хода tпр 6) Длительность обратного хода tобр 7) Средняя скорость K нарастания прямого фронта; 8) Коэффициент нелинейности γ 63 K max K min K min │Kmax│- модуль скорости в начале фронта, │Kmin│- модуль скорости в конце фронта; 9) Коэффициент использования напряжения источника питания ε U m E U 0 - показывает насколько амплитуда пилообразного импульса меньше предельно возможной. Линейно изменяющуюся функцию можно представить как результат интегрирования во времени постоянной величины: t Kdt Kt 0 Поэтому ЛИН получают с помощью интегратора, к выходу его подключают постоянное напряжение, и, таким образом, он оказывается генератором линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН). ГЛИН (интегратор) содержит конденсатор, на котором формируется линейно изменяющееся напряжение, цепи зарядки и разрядки. Различаются такие генераторы способом стабилизации тока зарядки (разрядки) конденсатора, благодаря которой повышается линейность формируемого напряжения. Невысокие требования к линейности Высокие требования к линейности Интегратор в виде RC – цепи Интегратор на операционном усилителе Так как скорость зарядки (разрядки) конденсатора пропорциональна току через него, то можно записать в виде I Cнна I Скон I , Cкко где ICнач и ICкон – соответственно токи конденсатора в начале и конце формирования ЛИН. 64 65 Генераторы линейно изменяющегося напряжения При невысоких требованиях к линейности напряжения специальных мер для стабилизации тока конденсатора не применяют, имея в виду, что в начале зарядки (разрядки) он мало меняется. 1) Действительно, за время t = 3τ (τ – постоянная времени цепи зарядки) заряжается до напряжения U = 0,95Е (Е – напряжение источника). 2) Если выбрать τ >> tпр, то за время tпр конденсатор успеет зарядиться до напряжения UС (очень незначительная часть напряжения Е), поэтому ток зарядки меняется незначительно Iз = UR/R = (Е – UС)/R Интегрирующая Временные диаграммы цепь Относительно линейный участок экспоненты соответствует переднему фронту формируемого пилообразного импульса. Аналогично мало меняется ток в начале разрядки конденсатора, в ходе которой может быть сформировано линейно спадающее напряжение. Схемы ГЛИН, в которых не предусмотрена стабилизация тока I. Схема ГЛИН Временные диаграммы Схема представляет собой: 1) интегрирующая цепь RC, 2) дополнительная транзисторным каскадом, коммутирующим конденсатор с зарядки на разрядку. Алгоритм работы 1. С поступлением управляющего импульса транзистор VT запирается. Конденсатор начинает заряжаться по цепи (+ Ек) – «земля» - С – Rк – (-Ек) с постоянной времени τз = СRк → происходит нарастание отрицательного напряжения на выходе схемы. 2. После окончания входного (управляющего) импульса транзистор VT отпирается и конденсатор С через него быстро разряжается. Чтобы обеспечить линейность прямого хода, выбирают τз >> tи, 66 за счет этого зарядка конденсатора соответствует начальному относительно линейному участку экспоненты, но здесь есть «но»: чем больше τз превосходит tпр, тем меньше напряжение Um, до которого заряжается конденсатор за время tпр (тем меньше коэффициент использования напряжения источника Ек). Параметры схемы должны удовлетворять условию: τз >> tпр >> τр Пример. Дано: линейность γ = 1%, Е = 100 В Найти: Um Решение: 1) IСнач = Ек/Rк; IСкон = (Ек - Um)/Rк; если Um << Ек, то γ = Um/ Ек 2) UС0 ≈ 0, т.к. транзистор насыщен, то ε ≈ Um/ Ек, 3) Из 1) и 2) → ε = γ, 4) γ = 1%, Е = 100 В → Um = γ·Е = 0,01·100 = 1 В. Стремление повысить коэффициент ε неизбежно ведет к ухудшению линейности. Эту схему используют, когда допустима большая нелинейность. II. Схема ГЛИН, в которой не предусмотрена стабилизация тока Эта схема аналогична первой, отличие: разряд конденсатора происходит через резистор R. Генераторы ЛИН с токостабилизирующим элементом 67 Схема ГЛИН, в котором предусмотрена стабилизация тока Напряжение на конденсаторе изменяется нелинейно из-за уменьшения тока в процессе зарядки (разрядки) iз = UR/R = (E – UC)/R → ток в цепи остается постоянным, если напряжение UR (на том элементе, через который происходит разрядка, сохраняется неизменным). Вместо R надо взять токостабилизирующий элемент – это транзистор, вольт амперные характеристики имеют пологий участок. Стабилизирующее действие ощутимо при использовании транзистора в схеме с общей базой, у которого выходные характеристики iк = f(Uкб) при iэ = const имеют в β раз меньший наклон, чем в схеме с общим эмиттером. В схеме токостабилизирующий элемент включается последовательно с конденсатором вместо резистора, через который в предыдущих схемах проходил зарядный (разрядный) ток. Алгоритм работы По мере зарядки напряжение на конденсаторе увеличивается, на транзисторе VT2 уменьшается. Вольт-амперные характкристики транзистора с ОБ (VT2) Напряжение Uкб меняется, а ток iк мало меняется. 1) В исходном состоянии транзистор VT1 насыщен и за счет малого сопротивления Rк Uвых = UС ≈ Ек. 2) Пришел управляющий импульс, транзистор VT1 запирается и конденсатор С начинает разряжаться через стабилизирующий элемент на транзисторе VT2. Необходимо постоянство эмиттерного тока iэ. (Несмотря на то, что транзистор VT2 собран по схеме с общим ОЭ, но 68 при достаточно большом Rэ и отрицательной обратной связи он ведет себя как по схеме с ОБ, т.е. выходные характеристики пологие. Вывод: ток коллектора изменяется незначительно – разрядка конденсатора С осуществляется почти неизменным током, т.е. линейно). ГЛИН компенсационного типа Ток зарядки конденсатора С окажется неизменным, если в его цепи будет действовать источник (назовем его компенсирующим), напряжение Uк которого «следит» за напряжением UС и в любой момент времени компенсирует его. Генераторы ЛИН, в которых реализуется указанный принцип, называют генератором компенсационного типа. Схема, иллюстрирующая принцип компенсации изменяющегося напряжения на конденсаторе С Схема ГЛИН компенсационного типа с положительной обратной связью Iз = (Е - UС + Uк)/R = E/R = const Напряжение Uк действует согласно с напряжением Е и встречно с напряжением UС. I. Согласное включение Uк и Е достигается наличием в схеме положительной обратной связи - - - - ГЛИН с положительной обратной связью. II. Встречное включение Uк и UС достигается наличием в схеме отрицательной обратной связи - · - · - ГЛИН с отрицательной обратной связью. Схема ГЛИН компенсационного типа с отрицательной обратной связью 69 Роль компенсирующего источника в схеме выполняет операционный усилитель; чем ближе он приближается к идеальному, тем точнее Uвых компенсирует UС. Обратный ход пилообразного импульса формируется в процессе быстрой разрядки конденсатора С после замыкания ключа Кл. Фантастронный генератор (фантастрон) Фантострон генерирует пилообразные импульсы с высокой линейностью переднего фронта. Он может работать в ждущем и автоколебательном режимах. Ранее рассматривались генераторы ЛИН, длительность переднего фронта которых равна длительности управляющего импульса; однако получение такого импульса затруднительно. Особенность фантастронного генератора заключается в том, что длительность переднего фронта выходного импульса определяется только параметрами схемы. Ждущий фантастрон 1. Запускается кратковременным импульсом, который лавинообразоно приводит его в состояние, где возможна разрядка конденсатора. 2. По прошествии некоторого времени (определяемого параметрами схемы) самостоятельно и тоже лавинообразно возвращается в исходное состояние, в котором конденсатор заряжается. Автоколебательный фантастрон 1. Самостоятельно переходит из одного состояние в другое. 2. Длительность каждого импульса определяется параметрами схемы. Общее 1. Стабилизация разрядного тока конденсатора фантастрона осуществляется также, как в ГЛИН с отрицательной обратной связью. 2. Лавинообразное изменение в схеме, обеспечивающее переключение конденсатора с зарядки на разрядку и обратно, связаны в фантастроне с перераспределением тока между отдельными цепями. Схема фантастрона в ждущем режиме Временные диаграммы 70 1. Отрицательная обратная связь осуществляется конденсатором С. Когда VT2 и VT3 открыты, протекает один и тот же ток, управлять которым можно по базе VT2 или VT3. 2. Переключение конденсатора с зарядки на разрядку и обратно происходит при изменении режима транзистора VT2. (Эти изменения происходят в схеме лавинообразно). 3. Транзисторы VT1 и VT2 открыты поочередно, транзистор VT3 отперт постоянно. 4. В фантастронном генераторе ЛИН формируется на коллекторе VT2. 5. Параметры схемы подобраны так, что в исходном состоянии: а) транзистор VT1 насыщен; б) транзистор VT2 заперт; в) транзистор VT3 находится на границе насыщения; г) конденсатор С заряжен до некоторого насыщения (в предыдущей стадии). Длительность tпр рабочей стадии можно регулировать переменным резистором. Временная диаграмма, поясняющая регулировку длительности tпр рабочей стадии Фантастрон в автоколебательном режиме В автоколебательном фантастроне должны происходить процессы, в результате которых базе транзистора VT2 без воздействия запускающих импульсов периодически сообщается отрицательный потенциал. Этого можно добиться, если резистор R1 заменить конденсатором (перезаряд которого обеспечит периодическое изменение потенциалов в схеме), а нижний конец резистора R2 соединить с минусом источника. Схема фантастрона в автоколебательном режиме 71 Тема 5.2 Генераторы линейно изменяющегося тока (ГЛИТ) Генераторы ЛИТ обеспечивают линейное нарастание тока в отклоняющих катушках электронно- лучевых трубок. Определим форму, которую должно иметь напряжение Uк на катушке, чтобы через нее проходил линейно нарастающий ток di - скорость нарастания тока), dt di Uк = UL + Ur = L ir LK 1 K 1 rt dt i = K1t (где К 1 LK1 – постоянная составляющая U0, K1rt – линейно нарастающая составляющая. Рассуждая аналогично, приходим к выводу, что для формирования тока, линейно убывающего со скоростью |К2| > К1 (в интервале времени t1 -_t2), напряжение на катушке должно иметь постоянную составляющую LK2 и линейно спадающую составляющую k2rt. Сложив графически составляющие UL и Ur получим необходимую форму напряжения Uк на катушке. Схема катушек с Временные диаграммы идуктивностью L катушки L r и активным сопротивлением r Схема ГЛИН Схема ГЛИТ состоит из генератора пилообразного напряжения с начальным скачком U0 (на транзисторе VT1) и эмиттерного повторителя (на транзисторе VT2), нагрузкой которого являются отклоняющие катушки. Получить идеальную форму напряжения Uвх на катушке практически невозможно по двум причинам: 1) невозможно получить идеальный скачок напряжения на катушке изза паразитной межвитковой емкости, которая ранее принималась равной нулю, 2) невозможно получить идеального нарастания напряжения. 72 РАЗДЕЛ 6 ТРИГГЕРЫ стр. 237 -264 [1] Общие сведенья о триггерах. Симметричный триггер с внешнем смещением. Симметричный триггер с автоматическим смещением. Не семеричный триггер с эмитерной связью (триггер Шмидта) Разделительный и счетный записи триггеров. Быстродействие транзисторных триггеров. Асинхронный RS - триггер или элемент ИЛИ – НЕ и И – НЕ. Синхронный SCR триггер. Одноступечатный и двухступенчатый. Триггер со счетным запуском (Т – триггер). Триггер задержки (D - триггер), JK – триггер. Устройство, имеющее два устойчивых состояния, называют триггером. В одном из них на выходе триггера присутствует высокий потенциал, а на другом низкий. Аналогично мультивибратору переход триггера из одного состояния в другое происходит лавинообразно, но только с приходом первоначального (запускающего) сигнала. Использование триггеров: 1) Элемент памяти В интервале между первоначальными сигналами состояние триггера не меняется, т.е. триггер «запоминает» поступление сигнала, отражая это величиной потенциала на выходе. 2) Преобразователь последовательного кода в параллельный Если совокупность триггеров установить в одинаковое состояние (исходное) состояние, а затем на каждый триггер подать сигнал, соответствующий элементу цифрового кода, то на выходах триггеров установятся и могут неограниченно долго присутствовать потенциалы, представляющие этот код в параллельной форме. 3) Формирователь прямоугольных импульсов При переключении триггера потенциалы на его выходе меняются лавинно образно, т.е. на выходе формируется прямоугольный импульс с крупными фронтами. Это позволяет использовать триггер для формирования «прямоугольных» импульсов из напряжения другой формы (например, из синусоидального). 4) Делитель напряжения на два При поступлении каждой пары первоначальных импульсов потенциал на выходе триггера меняются от высокого к низкому и обратно, т.е. на выходе формируется один импульс. Тема 6.1 Транзисторные триггеры стр. 237 -264 [1] 73 Триггеры Симметричные Симметричные с внешним смещением Несимметричные Симметричные с автоматическим смещением 1) Симметричные с внешним смещением Схема триггер с внешним смещением Временные диаграммы Анализ схемы на первый взгляд: 1) два резистивных усилительных каскада на транзисторных ключах инверторах; выход каждого из них связан с входом другого резистивным делителем R – Rб, 2) при двух открытых транзисторах имеется положительная обратная связь, которая в сочетании с усилительными свойствами каскадов обеспечивает лавинообразное протекание процессов, 3) наблюдается аналогия триггера с мультивибратором, однако, связь в мультивибраторах емкостная, а здесь резистивная, 4) в мультивибраторе разрядка хронирующего конденсатора приводит к изменению потенциала базы запертого транзистора, к его отпиранию и последующему опрокидыванию схемы, в триггере самопроизвольное опрокидывание триггера быть не может – он переключается под действием внешних импульсов, 5) Еб выбираем таким образом, чтобы один из транзисторов мог находиться в запертом состоянии, 6) условия самовозбуждения выполняются здесь труднее. 74 Предположим, что транзистор VT1 заперт. При правильно выбранных сопротивлениях делителя R1 – Rб2 потенциал базы транзистора VT2 может быть достаточно отрицательным для насыщения транзистора VT2. При этом Uк2 ≈ 0 и потенциал базы транзистора VT1 не может быт отрицательным, т.е. VT1 действительно заперт. Т.е. мы доказали, что при одном отпертом транзисторе другой будет заперт - устойчивое состояние. Алгоритм работы Исходное состояние: транзистор VT1 открыт (насыщен), тогда транзистор VT2 закрыт – устойчивое состояние. 1) Подаем положительный запирающий сигнал Uзап2 на базу насыщенного транзистора VT1 - произойдет лавинообразный процесс и транзистор VT1 закроется, а транзистор VT2 откроется – другое устойчивое состояние. 2) Подаем положительный запирающий импульс Uзап1 на базу насыщенного транзистора VT2 - произойдет лавинообразное процесс и транзистор VT2 закроется, а транзистор VT1 откроется – первое устойчивое состояние. Назначение конденсаторов C1 и C2 – один являются ускоряющими, т.е. формируют лавинообразный процесс опрокидывания схемы. Напряжение на них практически не успевает измениться, они представляют собой короткозамкнутые участки цепи – это положительное влияние. Но у них есть отрицательное влияние: после форсирования (опрокидывания) конденсатор заряжается. Это приводит к необходимости увеличить время (интервал) между двумя запускающими импульсами. Симметричный триггер с автоматическим смещением Напряжение, запирающее транзистор, можно получать не от специального источника, а с резистора Rэ в общей эмитерной цепи. Схема триггера с автоматическим смещением Ток отпертого транзистора создает на этом резисторе напряжение, которое через резистор Rб прикладывается между базой и эмиттером другого транзистора, запирая его. Чтобы устранить отрицательную обратную связь во время формирования фронтов импульсов, резистор Rэ шунтируют конденсатором Сэ. Потенциал эмиттера Uэ через насыщенный транзистор передается его коллектору. Вследствие этого 75 потенциал коллектора меняется от Uк ≈ - Ек (транзистор заперт) до Uк ≈ - Uэ (транзистор отрыт). В результате амплитуда формируемого импульса: Um ≈ Ek-Uэ, что меньше амплитуды Um ≈ Ek на выходе схемы. Эти два триггера (с внешним смешением и автоматическим смещением) имеют два выхода: высокий потенциал на одном выходе соответствует низкому потенциалу на другом. Один из выходов называют основным (и обычно обозначают буквами Q или P), другой инверсный (обозначают буквами Q или P). О состоянии триггера следует по состоянию его основного выхода. Если на нем установится потенциал, кодируемый логический единицей, то говорят, что триггер находится в состоянии единицы и часто обозначают это Q = 1, (или P = 1). Вход, по которому запускающийся импульс переключает триггер в состояние Q = 1, называют входом установки триггера в единицу и обозначают буквой S. Другой называют входом установки триггера в нуль и обозначают буквой R. Входы R и S являются информационными: через них в триггер поступает информация, выраженная наличием или отсутствием первоначального сигнала. Эти триггеры называются триггерами с установочными входами или RS – триггерами. УГО RS – триггера Верхний выход - основной Нижний выход - инверсный - означает, что он переключается по фронту положительного запускающего импульса; - означает, что он переключается по отрицательному фронту (если триггер на транзисторах n-p-n типа) Входы триггера, по которым он переключается фронтом импульса, называются динамическими. Если переключение осуществляется установившимся уровнем запускающего сигнала (т.е. требуется большой динамический сигнал), то входы триггера называют статическими и на условном изображении треугольником их не отмечают. Несимметричный триггер с эмиттерной связью (триггер Шмитта) 76 Схема несимметричного Временные диаграммы несимметричного триггера триггера Здесь перепады напряжения с левого плеча на правое передаются, как обычно, через делитель R – Rб2, а с правого на левое - через обычный эмиттер Rэ в цепи обоих транзисторов. Конденсатор C является ускоряющим. Делитель R1 – R2 обеспечивает необходимый режим работы транзистора VT1. Доказательство, что один транзистор открыт, а другой закрыт. Предположим, что VT1 насыщен, тогда потенциал его коллектора равен отрицательному потенциалу эмиттеров (Uк = Uэ). Напряжение Uк1 делится цепью R – U ý' Rб2 и лишь часть его подается на базу транзистора VT2: Uб2= Rб2. Таким R Rá 2 образом, база транзистора VT2 имеет менее отрицательный потенциал, чем эмиттер, так что при отпертом транзисторе VT1 транзистор VT2 заперт. Здесь есть одно но: когда отперт и насыщен транзистор VT2, то VT1 заперт только в том случае, если напряжение на эмиттерах U”э превышает по абсолютному значению напряжение Uб1. Это условие выполняется подбором сопротивлений плеч делителя R1 – R2 и там насыщается VT2. Когда транзистор VT1 отперт - |Uб1|>|U’э| Когда транзистор VT1 запрет - |Uб1|<|U”э|, так как Uб1=const |U”э|>|U’э| ∆U’=|Uб1| - |U’э| и ∆U”= |U”э|-|Uб1|. При ∆U’=∆U” триггер может переключаться разнополярными напряжениями одинакового уровня. При ∆U’≠∆U” переключение осуществляется ранополярными напряжениями разных значений. Использование триггера Шмита 1) Для формирования прямоугольных импульсов из напряжения произвольной формы, в частности синусоидального. Временные диаграммы триггера Шмита как формирователя прямоугольных импульсов 77 Как только под действием Uзап потенциал базы транзистора VT1 станет равным потенциалу эмиттера (Uб1=U”э), транзистор VT1 отпирается. Как только под действием Uзап потенциал базы транзистора VT1 станет равным потенциалу эмиттера (Uб1=U’ э), транзистор VT1 запирается. 2) Триггер Шмитта можно использовать как пороговое устройство: если входной сигнал достигает определенного порога, то триггер переключается. Величину порога можно менять, изменяя потенциал базы транзистора VT1 с помощью резисторов R1, R2. 78 Запуск транзисторных триггеров Запирая насыщенный транзистор Отпирая предварительно запертый Предпочтительнее: 1) входное сопротивление открытого транзистора малое, нужно меньшее время, чтобы воздействовать, меньше нуж – но энергии, потребляемой от генератора; 2) ускоряющие конденсаторы имеют меньшие емкости, что сокращает время установления напряжений в схеме после опрокидывания. Общее: переключающие импульсы должны иметь ограниченную длительность с тем, чтобы не влиять на схему после возникновения лавинообразного процесса → все ранее приведенные схемы имеют упрощенный вариант начертания: нет дифференцирующей (ускоряющей) цепи. Виды запуска 1) Раздельный запуск 1) 2) Счетный запуск Раздельный запуск осуществляется, когда по принципу работы устройства сигналы, переключающие триггер в состояние 1 и 0 поступают с двух точек схемы. Схема триггера с раздельным запуском 79 R1C1 – дифференцирующая цепь – выделяются равномерные импульсы, что создает опасность вторичного переключения триггера от одного входного импульса. Такая опасность устраняется с помощью разделительного диода VD1. 2) Счетный запуск осуществляется импульсом определенной полярности, поступившим на общий вход обоих плеч триггера. Такой триггер называют сокращенно называют счетным (Т – триггером). Задача цепи запуска – направить каждый запускающий сигнал в нужном направлении. Кроме того, она должна устранить опасность повторного переключения от одного запускающего импульса, еще присутствующего на общем входе уже после опрокидывания триггера. Схема счетного запуска триггера Триггер со счетным запуском Принцип действия этой схемы запуска: за счет конденсатора «памяти» запускающий импульс попадает через диод на базу только того транзистора, с которого должно начаться переключение, после него благодаря другому конденсатору «памяти», второй диод не пропускает тот же самый импульс к базе другого транзистора. Быстродействие транзисторных триггеров Быстродействие триггера измеряется в герцах и оценивается наибольшим числом переключений, которое может быть осуществлено в одну секунду. Быстродействие обратно пропорционально разрешающему времени – минимальному временному интервалу времени, за который триггер изменяет свое состояние на противоположное. Если разрешающее время триггера 80 больше паузами между соседними импульсами, то под действием второго из них переключение не произойдет. Разрешающее время равно сумме длительности стадий переключения. 81 Тема 6.2 Интегральные триггеры Интегральный триггер может быть выполнен монолитным (триггер интегрального исполнения) или реализован на логических микросхемах. Оба вида интегральных триггеров имеют обычно одинаковую функциональную структуру. Асинхронный RS – триггер 1) На элементах ИЛИ - НЕ 2) На элементах И - НЕ Асинхронный RS – триггер на элементах ИЛИ – НЕ Схема триггера на элементах ИЛИ-НЕ Временные диаграммы P.S. Интегральные триггеры бывают асинхронными (не тактируемые) и синхронными (тактируемыми). Интегральный асинхронный триггер имеет лишь информационные входы, сигналы на которых с момента их появления определяют состояние триггера. Интегральный синхронный триггер кроме информационных входов имеют синхронизирующий (тактирующий, тактовый) вход; сигналы на 82 информационных входах воздействуют на такой триггер при сигнале на синхронизирующем входе. Для переключения триггера в состояние с состояние Q = 1 на его входы следует подать комбинацию S = 1, R = 0, а для переключения в состояние Q = 0 – комбинацию S = 0, R = 1. Состояние S = 1, R = 1 является запрещенным – выход не предсказуем. Состояние S = 0, R = 0 не изменяет выход. Асинхронный RS – триггер на элементах И –НЕ Схема УГО триггера на элементах И - НЕ Временные диаграммы Триггер на элементах И – НЕ переключается логическим 0. Команды: S = 0, R = 0 – является запрещенной, S = 1, R= 1 – не меняет его предыдущего состояния, S = 0, R =1 – Q = 1, Q = 0, S = 1, R = 0 – Q = 0, Q = 1. Синхронный RS - триггер На входы логического элемента или устройства сигналы не всегда поступают одновременно, так как перед этим могут проходить через разное число узлов, не обладающих к тому же одинаковой задержкой. Это явление называется состязаниями или гонками. В результате его в течение некоторого времени на входах создается неопределенная ситуация. Последствия гонок можно устранить временным стробированием, когда на элемент кроме информационных сигналов подаются тактирующие (синхронизирующие) импульсы, к моменту прихода которых информационные сигналы заведомо успевают установиться на входах. 83 Схема синхронного RS - триггера УГО Временные диаграммы Одноступенчатый синхронный RS –триггер (RSC – триггер) Содержит: асинхронный RS – триггер Т1 с прямыми входами (на элементах ИЛИ – НЕ и два конъюнктора. Двухступенчатый синхронный RS – триггер Тактирование триггера фронтом импульса или перепадом потенциала можно обеспечить, выполняя его двухступенчатым: каждая ступень такого триггера представляет собой синхронный RS – триггер. При наличие на шине С логической 1 триггер Т1 воспринимает информацию, поступившую по шинам S и R и определяющую его состояние. В это время на С- входе триггера Т2 за счет инвертора – логический 0, и информация с входов Т1 не воздействует на Т2. В момент окончания действия логической 1 на шине С (С = 0) на выходе инвертора появляется логическая 1, разрешающая перезапись в Т2 информации из Т1. 84 Таким образом, в первую ступень информация с шин S и R записывается с приходом тактового импульса, т.е. по его переднему фронту; состояние первой ступени передается второй с окончанием тактового импульса, т.е. по его срезу. Двухступенчатый RS-триггер УГО двухступенчатого RS-триггера Синхронный триггер имеет дополнительные синхронные входы, по которым он – вне зависимости от сигнала на тактовом входе – переключается в состояние 1 (вход S) или 0 (вход R). Такие входы называют тактируемые. Так, RS – триггер с асинхронными входами обозначаются как RSRS. УГО двухступенчатого триггера с асинхронными входами Триггер со счетным запуском Триггер со счетным запуском должен переключаться каждым импульсом на счетном входе Т (счетным импульсом). Т – триггер можно выполнить на базе RSC – триггера, если перед приходом каждого тактового импульса иметь на информационных входах потенциалы, которые после переключения должны быть на входах Q – Q, так как в результате переключения выходы любого триггера, по существу обмениваются потенциалами. Поэтому переключение каждым счетным импульсом будет обеспечено, если выход Q соединить с S – входом, а выход Q с R – входом. 85 Схема Т-триггера УГО Т-триггера В Т – триггере, так же как в двухступенчатом тактируемом RSC – триггере, первая ступень переключается по переднему фронту импульса, а вторая по срезу. Т – триггер – это триггер, переключающийся перепадом 1/0. Триггер задержки (D – триггер) D – триггер имеет один информационный вход и тактовый С –вход. Он состоит из синхронного RSC – триггера, дополненного инвертором. Схема D-триггера Временные диаграммы D-триггера 86 УГО D-триггера При С = 1 D – триггер является повторителем: на выходе Q повторяется потенциал входа D. Однако это повторение ото повторение начинается только с поступлением тактового импульса на вход С, т.е. с задержкой относительно сменившегося потенциала на входе D – входе. Двухступенчатый D – триггер (самостоятельно) УГО двухступенчатого D-триггера JK – триггер УГО JK - триггера Триггер такого типа обычно выполняют тактируемыми, они похожи на RS –триггеры и имеют два информационных входа (J и K), которые по своему влиянию аналогичны входам S и R тактируемого RSC – триггера. Алгоритм работы JK – триггера 1) При J = 1, K = 0 триггер по тактовому импульсу на входе C устанавливается в состояние Q = 1. 2) При J = 0, K = 1 – переключается в состояние Q = 0. 87 3) При J = 0, K = 0 – хранит ранее принятую информацию. 4) Отличие от триггера RSC – одновременное присутствие напряжений лог. 1 на информационных входах R и S не является для JK – триггера запрещенной комбинацией. 5) При J = 1, K = 1 триггер работает в счетном режиме, т.е. переключается каждым тактовым импульсом на входе С. 6) Схема JK – триггера отличается от схемы Т – триггера элементами входной логики первой ступени. Это два трехвходовых конъюнктора (логических элемента И) на информационных входах J и K. Они включаются только при наличии напряжения лог. 1 одновременно на всех трех входах. Как работает схема в счетном режиме описать не буду. 7) В JK – триггере имеется два дополнительных инверсных входа S и R, используемых для его принудительной установки в состояние 1 и 0. При этом состояние J, K и С могут быть совершенно произвольными. Если надо исключить влияние принудительной установки, то на них подают лог. 1, например питание. Таблица истинности JK-триггера 88 СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. Браммер Ю.Д., Пащук И.Н. Импульсная техника. – М.: Высшая школа, 1985 г. 2. Алексенко А.Г., Шагурин И.И. Микросхемотехника. – М.: Радио и связь, 1989 г. 3. Гольденберг Л.М. Импульсные устройства, - М.: Радио и связь, 1981 г. 4. Горошков Б.И. Элементы радиоэлектронных устройств: Справочник, - М.: Радио и связь, 1988 г. 5. Гольденберг Л.М., Малышев И.А., Мальпо Г.Б. Цифровые устройства и микропроцессорные устройства. Задачи и упражнения. – М.:, - Радио и связь, 1992 г. 6. Гершунский Б.С. Прогнозирования содержания обучения в техникумах. – М.: Высшая школа, 1989 г. 7. Дьяконов В.П. Расчет нелинейных и импульсных устройств на программируемых микрокалькуляторах. – М.: Радио и связь, 1991 г. 8. Ерофеев Ю.Н. Импульсные устройства. – М.: Высшая школа, 1989 г. 9. Калабеков Б.А., Мамзелев И.А. Основы автоматики и вычислительной техники. – М.: Радио и связь, 1890 г. 10.Калабеков Б.А., Мамзелев И.А. Цифровые устройства и микропроцессорные устройства на микропроцессорах.: Радио и связь, 1987 г. 11. Зельдин Е.А. Импульсные устройства на микросхемах. М.: Радио и связь, 1997 г. 12.Нарышкин А.К. Импульсные цифровые устройства. – М.: Энергоиздат, 1991 г. 13. Тарабрин Б.В., Якубовский С.В., Барканов Н.А. и др. под редакцией Тарабрина Б.В. Справочник по интегральным микросхемам. – М.: Энергия, 1980 г. 14.Яковлев В.Н., Воскресенский В.В., Мирошниченко С.И. и др. под редакцией Яковлева В.Н. Справочник по микроэлектронной импульсной технике. – К.: Техника, 1983 г. 15. Транзисторы малой мощности. Справочник. – М.: Радио и связь, 1987 г. 16. Транзисторы средней и большой мощности. Справочник. – М.: Радио и связь, 1996 г. 17.Фролкин В.Т., Попов Л.Н. Импульсные и цифровые устройства. М,: Радио и связь, 1992 г. 18.Чекулаев М.А. Сборник задач и упражнений по импульсной технике. Учебное пособие для учащихся радиотехникумов, специальных техникумов. – М.: Высшая школа, 1986 г. 19. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы. Справочник. – М.: Радио и связь, 1987 г. 20.Государственные стандарты РФ. Указатель. 21. Берикашвили В.Ш. Импульсная техника: Учебник для сред. проф. образования/ Валерий Шавлович Берикашвили. – М.: Издательский центр «Академия», 2004. – 240 с. 89
