Основы цифровой схемотехники (Методички по электротехнике), страница 2

Электронные ключи часто используют в устройствах формирования импульсов. Для примера: на рис.11. приведена диаграмма поясняющая использования двойного диодного ключа рис.9. для преобразования сигналы близкие к прямоугольной форме; на рис.12. приведена диаграмма, поясняющая использование параллельного ключа рис.8. для сглаживания вершины импульса; на рис.13 а и б приведены диаграммы, поясняющие использования ключей для выделения сигналов по амплитуде и полярности. В импульсной технике для формирования импульсов совместно с электронными ключами широко используют дифференцирующие и интегрирующие RC–цепи. Для формирования коротких импульсов служат дифференцирующая цепь – рис.14 а, использование которой преобразует импульс большой длительности в короткие импульсы рис.14 б, позволяющие ускорить запуск работы импульсных устройств.

3. ИМПУЛЬСНЫЙ РЕЖИМ РАБОТЫ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ.

Интегральные операционные усилители (ОУ) находят широкое применение в импульсной технике. Передаточная характеристика ОУ имеет вид рис.15, соответствующий передаточной характеристике двойного ключа рис.9. Уровни входного сигнала ОУ в импульсном режиме работы превышают значения, соответствующие линейной области амплитудной характеристики (см. рис.15). В связи с этим выходное напряжение ОУ в процессе работы определяется либо напряжением U ⁺_{вых max} либо U^- _{вых max}.

Р аботу ОУ в импульсном режиме рассмотрим на примере компаратора, осуществляющего сравнение измеряемого входного напряжения (u_вх) с опорным напряжением (U_оп) рис.16. Опорное напряжение представляет собой неизменное по величине наёпряжение положительной или отрицательной полярности, входное напряжение изменяется во времени. При достижении входным напряжением уровня опорного напряжения происходит изменение полярности напряжения на выходе ОУ, например с U⁺_{вых max} на U^-_{вых max}. При U_оп=0 компаратор осуществляет фиксацию момента перехода входного напряжения через нуль. Компаратор часто называют нуль – органом, поскольку его переключение происходит при U_вх–U_оп≈0.

К омпараторы нашли применение в системах автоматического управления и в измерительной технике, а также для построения различных узлов импульсного и цифрового действия (в частности, аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей).

Широкое применение получил также компаратор, в котором ОУ охвачен положительной обратной связью. Осуществляемой по не инвертирующему входу с помощью резисторов R_{1 ,}R₂ (рис.17,а). Такой компаратор обладает передаточной характеристикой с гистерезисом и имеет два устойчивых состояния равновесия напряжений U⁺ и U^- (рис.17,б). Схема известна под названием триггер Шмитта или порогового устройства.

П ереключение схемы в состояние U^-_{вых max} происходит при достижении U_вх напряжения (порога) срабатывания U_ср, а возвращение в исходное состояние U_вых=U⁺_{вых max}- при снижении U_вх до напряжения (порога) отпускания U_отп. Значения пороговых напряжений находят по схеме, положив U_оn = 0:

откуда ширина зона гистерезиса

Пороговые напряжения и зона гистерезиса (рис.17, б) составляют:

U_ср=χU⁺_{вых max}, U_отп=­-χU^-_{вых max} и U_г=χ(U⁺_{вых мах}+U^-_{вых мах}), где χ=R₁/(R₁+R₂). Схема рис.17, а служит основой при построении генераторов импульсов на ОУ.

Триггер Шмитта лежит в основе работы генераторов прямоугольных импульсов. Для получения прямоугольных импульсов широко используют устройства, называемые Релаксационными генераторами (релаксаторами) (от англ. relax – ослаблять, уменьшать напряжение ) или мультивибраторами. Они могут работать в одном из трех режимов: 1)автоколебаний; 2) ждущем; 3) синхронизации. На практике чаще применяют устройства, основанные на использовании первых двух режимов.

Автоколебательный мультивибратор предназначен для генерирования прямоугольных импульсов напряжения. Он обладает двумя не устойчивыми состояниями, работает в режиме самовозбуждения и не требует внешнего входного сигнала. В мультивибраторе обычно используют ОУ с положительной обратной связью и время задающей RC цепью, подключенной к инвертирующему входу. Работа автоколебательного мультивибратора рис.18, а обеспечивается цепью положительной ОС, приводящей к лавинообразному переходу схема из одного состояния в другое, и цепью отрицательной обратной связи, определяющей период возникающих колебаний. Когда потенциал на входе “-“ мультивибратора достигнет значения -U_выхR1/(R1+R2), устройство переключается и его выходное напряжение скачком изменяет свое значение с –U_вых до +U_вых. При этом потенциал на инвертирующем входе устройства начинает изменяться в противоположную сторону, пока не достигнет значения +U_выхR1/(R1+R2). Автоколебательный мультивибратор переключается в первоначальное состояние (рис.18,б). Частота колебаний выходного напряжения мультивибратора определяется соотношением: ƒ=1/2RC ln(1+2R1/R2). Ждущий мультивибратор (одновибратор) формирует на выходе прямоугольный импульс напряжения определенной длительности при воздействии на вход схемы короткого запускающего импульса. В отличие от автоколебательного мультивибратора ждущий мультивибратор содержит дополнительно цепь, обеспечивающую одно устойчивое состояния равновесия электрического состояния схемы.

В ажнейшим показателям операционных усилителей, работающих в импульсном режиме, является их быстродействие, которое оценивается задержкой срабатывания и временем нарастания выходного напряжения. Задержка срабатывания (время задержки выходного импульса) ОУ общего применения составляет единицы микросекунд, а время нарастания выходного напряжения – доли микросекунд.

Лучшим быстродействием обладают специализированные ОУ, предназначенные непосредственно для импульсного режима работы и получившие общее название «компараторы». Задержка срабатывания таких микросхем составляет менее 1 мкс, а время нарастания – сотые доли микросекунды. Более высокое быстродействие достигается, в частности, за счет применения высокочастотных интегральных транзисторов и исключения режима их насыщения в схеме ОУ.

4.ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ. СЕРИИ ЦИФРОВЫХ

ИНТГРАЛЬНЫХ СХЕМ..

К цифровым интегральным микросхемам относятся устройства, с помощью которых преобразуются и обрабатываются сигналы, выраженные в двоичном или другом цифровом коде. Используемые при этом сигналы близки по форме к прямоугольным импульсами имеют два фиксированных уровня напряжения. Если уровню низкого напряжения приписывается символ “0”, а уровню высокого напряжения - “1”, то говорят о положительной логике. В противном случае логика отрицательная.

Основой цифровых микросхем является логический элемент, предназначенный для преобразования входных сигналов в выходные по определенному закону, причем те и другие принимают только значение “0” и “1”. Обозначим входные сигналы “X”, а выходные -“Y”, получим логическую функцию Y=F(X). Логическая функция записывается в виде математических символов или таблиц.

Основными логическими функциями являются: Y= – отрицание, инвер-

сия или “НЕ” (табл.4.1); логическая сумма, дизъюнкция или функция “ИЛИ” (табл.4.2). Y = X₁ + X₂ = X₁  X₂; логическое произведение, конъюнкция или функция “И” (табл.4.3) Y = X₁ * X₂ = X₁ ^ X₂ Используя законы алгебры логики, на основе этих элементарных логических функций можно получить более сложные логические функции.

Табл. 4.2.
X1	X2	Y
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	1

Табл. 4.3.
X1	X2	Y
0	0	0
0	1	0
1	0	0
1	1	1

Табл. 4.1.
X	Y
0	1
1	0

На рис.19. приведены обозначения логических элементов, выполняющие соответствующие логические функции НЕ, ИЛИ, И.

Логические элементы конструируются на основе ключевых схем, которые могут иметь различные конструкторско–технологическое исполнение. Совокупность цифровых микросхем, имеющих единое конструктивно-технологическое исполнение, выполняющих различные логические функции и предназначенные для совместного исполнения, называется серией интегральных схем.

По типу принципиальной электрической схемы базового элемента в серии все логические элементы разделяются на элементы ДТЛ – типа (диодно – транзисторная логика), ТТЛ - типа (транзисторно – транзисторная логика), ЭСЛ – типа (эмиттерно – связанная логика), И²Л –типа (интегральная инжекционная логика), МОП и КМОП – типа (логика на полевых транзисторах). Микросхемы типа ТТЛ, КМОП и ЭСЛ являются в настоящее время самыми массовыми.

К основным параметрам цифровых микросхем относятся быстродействие и потребляемая мощность. Быстродействие оценивают по времени задержки распространения сигнала t_зд, т.е. по интервалу времени от подачи входного импульса до появления выходного; потребляемую мощность P_пот- по среднему значению мощности, потребляемой в состоянии “0” и “1”. Важным параметром также является коэффициент разветвления по выходу (Кр)-параметр, равный числу нагрузок, которые можно одновременно подключить к выходу. Он определяет нагрузочную способность логического элемента.

П римером базового элемента ДТЛ – логики является схема рис.20, выполняющая функцию логического элемента И. Логика положительная, при сигнале “0” на всех входах все диоды открыты, в них и в резисторе R появляются токи, создаваемые источником э.д.с. E₁ и замыкающиеся через источники сигналов, подключенные ко всем входам. Поскольку сопротивление резистора R значительно больше прямого сопротивления диодов, напряжение на нем приблизительно равно E, а напряжение на входе оказывается близким к нулю.

Если напряжение на одном из входов соответствует логической “1” (Е>Е₁), то соответствующий диод закрывается, однако остальные диоды открыты и на выходе по прежнему остается сигнал “0”. Сигнал “1” появится на выходе только тогда, когда на все входы будет воздействовать сигнал “1”, все диоды окажутся закрытыми, ток через резистор будет равен нулю и U_вых=E₁.

Чтобы получить логический элемент И – НЕ, к элементу по схеме рис.20. добавляют инвертор на транзисторе (рис.21). Операция И осуществляется диодной частью схемы (Д₁ – Д₄, R₁), а транзисторный каскад с общем эмиттером служит инвертором, принцип работы которого приведен на рис.10.

На основе схемы рис.21 построена, например, 156, 173 серия микросхем.