Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Лабораторная работа №3

ТЕМА: Схемотехника времязадающих (хронирующих) схем

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: получение практических навыков по реализации вспомогательных элементов и узлов цифровых устройств.

ЗАДАНИЕ НА ЛАБОРАТОРНУЮ РАБОТУ: с помощью лабораторной установки «Схемотехника ЭВМ» практически реализовать и исследовать схемы «укорачивания» импульсов, «задержки» импульсов, одновибраторов, автоколебательных и ждущих генераторов, схему подавления дребезга механических контактов.

Схемы, подлежащие реализации и исследованию представлены на рис. 3.1; 3.2; 3.3; 3.5; 3.7; 3.10; 3.11; 3.13. В качестве входного сигнала использовать сигнал ТИ1.

3.1. Краткие теоретические сведения

При построении цифровых схем наряду с решением задач формального проектирования логических схем различного назначения возникают проблемы реализации функций, не описываемых логическими операциями [3,4]. К ним относятся проблемы построения различных формирователей импульсов (расширение, сужение, задержка), разнообразных генераторов прямоугольных импульсов (управляемых и неуправляемых), одновибраторов (ждущих мультивибраторов), вспомогательных схем (формирователей сигналов от механических контактов, формирователей стартовых сигналов включении питания и т. д.). В настоящее время существуют специальные (функциональные) микросхемы, предназначенные для реализации таких функций. Однако в практике инженера нередко приходится строить их и из логических элементов. Чаще всего схемной основой таких функциональных узлов являются хронирующие (времязадающие) схемы.

Термин «хронирующая схема» здесь означает электрическую схему (цепь), обеспечивающую заданную временную задержку формирования некоторого уровня напряжения относительно порогового уровня.

3.2. Хронирующие схемы

В простейшем случае в качестве хронирующей может выступать интегрирующая или дифференцирующая RC - цепь. Рис. 3.1 иллюстрирует основную идею такой цепи. Здесь при низком потенциале на входе емкость С разряжена, а на выходе инвертора высокий потенциал. Скачкообразное изменение входного потенциала (высокий уровень) вызывает заряд емкости и рост потенциала на входе инвертора. Если пренебречь его входными токами, то при напряжении на конденсаторе, большем порогового напряжения инвертора, произойдет переключение его выходного напряжения. Время задержки связано с постоянной времени . Аналогичные процессы происходят и в интегрирующей цепи (рис. 3.2).

Реальное воплощение этих схем не может быть получено без учета технических характеристик используемых элементов.

При этом должны учитываться:

· зависимость времени задержки и/или значений величин емкостей и сопротивлений используемых элементов от входных/выходных характеристик ЛЭ;

· зависимость времени задержки от технологических разбросов параметров элементов схем и температуры;

· конкретные значения амплитуд и знаков токов и напряжений в схемах с реактивными и пассивными элементами.

Учет первого обстоятельства чаше всего связан с конкретной величиной входного тока логического элемента. Так, использование МДП (КМДП) логики позволяет полностью пренебречь входными токами и выбирать значение RC исходя из допустимого выходного тока каскада источника входного сигнала. Напомним, что величина этого тока в десятки — сотни раз больше величины входных токов.

Применение логических элементов с токовым управлением (например ТТЛ) накладывает более жесткие ограничения на максимально допустимую величину резистора RC цепи, исходя из величины входного тока.

Здесь и реально ограничивается величиной несколько кОм.

Рис. 3.1. Хронирующая схема на основе дифференцирующей RC-цепи, укорачивающая входной импульс

Рис. 3.2. Хронирующая схема на основе интегрирующей

RC-цепи, задерживающая входной импульс

Второе обстоятельство ограничивает точность реализации заданного временного интервала и, естественно, функциональные возможности узла. Напомним, что параметры полупроводниковых приборов (вид вольт - амперной характеристики, коэффициент передачи по току) и пассивных элементов имеют существенный технологический разброс и ощутимую зависимость от температуры. Это означает, что наперед заданная точность реализации временного интервала может быть достигнута только при ограниченной сверху скорости нарастания напряжения на входе ЛЭ и, в свою очередь, ограниченных номинальных значениях параметров пассивных элементов.

Отмеченные особенности реализации простейших хронирующих цепей побудили разработчиков использовать более сложные включения пассивных элементов - чаше всего в цепь обратной связи (ОС) логического элемента (особенно при реализации схем автоколебательных генераторов).

Третье обстоятельство, определяющее специфику реального воплощения хронирующих схем, обычно устраняется введением в схему шунтирующих диодов – диодов, предотвращающих воздействие на активные приборы ЛЭ опасных (нережимных) токов и напряжений (обычно обратной полярности).

3.3. Формирователи импульсов

Под формирователем импульсов обычно понимают достаточно широкий крут различных цифровых или аналоговых устройств, преобразующих входные сигналы с целью получения импульсов (потенциалов) с заданными временными и/иди амплитудными параметрами.

Схемно формирователи можно разделить на две группы: последовательные и регенеративные. Первые формируют требуемый сигнал во время его действия. Вторые — используют специальные схемы (одновибраторы), запускаемые внешним (стартовым) сигналом.

Функционально формирователи импульсов более разнообразны. Различают:

· схемы нормализации (увеличения крутизны) фронта и среза (спада);

· схемы “укорачивания” импульса; схемы задержки импульса;

· схемы "расширения" импульса;

· прочие (формирование последовательности импульсов, изменение формы импульса и т. д.).

3.4. Схемы нормализации импульсов

Задача нормализации импульсов возникает в том случае, когда длительность фронта (или спада) импульса достаточно велика и может привести к существенным нарушениям во временной последовательности сигналов при функционировании логического устройства.

В простейшем случае при не очень пологих фронтах сигналов (для ТТЛ — 50—200 не) можно обойтись двумя - тремя последовательно включенными одновходовыми ЛЭ, помня о том, что логические элементы обладают пороговыми свойствами и достаточно большим коэффициентом усиления по напряжению. При более пологих фронтах используют специальные схемы — триггеры Шмитта, имеющих строго фиксированное пороговое напряжение, большой коэффициент усиления и малую протяженность линейного участка на передаточной характеристике.

3.5. Схемы “укорачивания” импульса

Эти схемы обычно используют хронирующие цепи на основе дифференцирующей цепи. На рис. 3.3 приведен вариант такой схемы. Диод предотвращает воздействие отрицательных напряжений, формирующихся в точке а при перезаряде емкости С, на вход логического элемента. Длительность выходного импульса при использовании схем МДП (КМДП) определяется соотношением

(3.1)

если , то

Рис. 3.3. Простейшая схема укорачивания входного импульса

При использовании ТТЛ величины зарядных/разрядных токов будут определяться не только величинами входных напряжений для хронирующей схемы, но и выходными сопротивлениями предыдущего каскада. Тогда:

(3.2)

где - ограничительное сопротивление в выходном каскаде ТТЛ. В реальных схемах обычно 150-200 Ом, a 500<R<2500 Ом.

На рис.3.4 приведен еще один вариант схемы с дифференцирующей цепочкой. Здесь резистор в цепи ОС логического элемента установлен с тем, чтобы определить входной потенциал ЛЭ в статике. При высоком потенциале на входе ОС обеспечивает формирование низкого потенциала на выходе первого ЛЭ схемы и емкость при этом разряжена (потенциалы на электродах конденсатора одинаковы). Если на входе устанавливается низкий потенциал, то начинается заряд емкости через резистор ОС от выходного каскада ЛЭ. После того как емкость зарядится до напряжения, большего порогового напряжения первого элемента, на его выходе устанавливается низкий потенциал. Второй логический элемент в этой схеме выполняет функции порогового. При использовании схем ТТЛ величина R обычно более 7 кОм, а С более 100 пФ.

Рис. 3.4. Вариант схемы укорачивания входного импульса

3.6. Схемы задержки импульса

Чаше всего такие схемы строятся на основе интегрирующих RC—цепочек. Рис. 3.5 иллюстрирует типичную конфигурацию схемы задержки. Применительно к КМДП логическим элементам время задержки будет определяться выражением

(3.3)

Рис. 3.5. Схема задержки импульса

В этой схеме постоянные времени заряда и разряда примерно одинаковы что, собственно, и определяет временную задержку импульса. Если эти постоянные существенно разные, то можно реализовать схему расширения импульсов. На рис. 3.6 приведен вариант такой схемы.

Рис. 3.6. Вариант схемы задержки импульса

3.7. Одновибраторы

Под одновибратором (ждущим мультивибратором) подразумевается электронный узел, способный находится в заторможенном состоянии сколь угодно долгое время и формирующий импульсный сигнал заданной длительности при воздействии на вход стартового импульса (перепада напряжений).

Одновибраторы могут быть реализованны на основе компараторов, как частный случай мультивибратора (автоколебательного генератора). Логический элемент также можно рассматривать как компаратор (с точки зрения аналоговой электроники весьма плохой) входного и порогового напряжений. А это означает, что вполне возможна реализация одновибратора и на ЛЭ. Но логический элемент, в отличие от компаратора, обладает пороговым напряжением и фиксированным перепадом логических уровней, что позволяет упростить схему. Фактически одновибратор в этом случае представляет собой формирователь импульса с дифференцирующей RС цепью, охваченный положительной ОС (рис. 3.7,3.8).

В исходном состоянии на входах схемы "И - НЕ" существуют два высоких потенциала (выходной инвертор DD2 в статике имеет на входе низкий потенциал, если величина резистора R выбрана в соответствии со сформулированными выше требованиями). Конденсатор разряжен. При поступлении на вход низкого потенциала DD1 переключается, начинается заряд емкости, ток заряда емкости обеспечивает на резисторе R паление напряжения, достаточное для удержания на выходе DD2 низкого потенциала даже после окончания входного сигнала.

Рис.3.7. Схема одновибратора на логических элементах

После того, как ток заряда емкости прекратится, DD2 сформирует на выходе высокий потенциал и схема перейдет в состояние ожидания нового входного импульса.

Рис. 3.8. Вариант одновибратора на элементах ТТЛ

3.8. Автоколебательные генераторы прямоугольных импульсов

Автоколебательные генераторы прямоугольных импульсов в цифровой электронике используются практически в каждом сколь - нибудь серьезном устройстве. Их схемном основой, в простейшем случае, является кольцевая схема с хронирующими RC цепями (мультивибратор).

Рис. 3.9. Простевший (кольцевой) генератор

прямоугольных импульсов

Последовательное (кольцевое) включение двух RC-цепей (рис. 3.9), при котором реализуется положительная ОС, сопровождается последовательной инициацией задержек в цепях и, следовательно, генерацией последовательности прямоугольных импульсов. Период колебании и длительность импульса определяется постоянными времени RC—цепей. Простейший мультивибратор изображен на рис. 3.9. В практике такие схемы не используются из - за низкой стабильности частоты генерируемых колебании.

Широкое применение нашли мультивибраторы с одной хронирующей емкостью в цепи ОС. Простейший из генераторов такого типа приведен на рис. 3.10.

Рис. 3.10. Простейший генератор с одной хронирующей цепью

В одновибраторе резистор R фиксирует низкий потенциал входа DD1 чем обеспечивается его заторможенное состояние. При включении питания потенциалы на входе DD1 и выходе DD2 одинаковы и низкие (конденсатор разряжен). Потенциал в точке а высокий, что обусловливает начало процесса заряда конденсатора С. В этом случае RC представляет собой хронируюшую цепь, питаемую сигналом с выхода DD1 и формирующую управляющий сигнал на вход DD1. Когда напряжение на входе DD1 превысит пороговое напряжение, DD1 переключится и сформирует на своем выходе низкий потенциал, определяющий, в свою очередь, высокий потенциал на выходе DD2. Сформированы условия для разряда хронирующего конденсатора. Знак потенциала на выходе DD1 будет отрицательным. Длительности времен заряда и разряда хронирующего конденсатора при использовании КМДП:

Для схем ТТЛ необходимо учесть величину выходного сопротивления ЛЭ. Конкретные значения R и С обычно находятся в следующих интервалах.

для МДП (КМДП) - 20 кОм < R < 3-5 мОм.

100 пФ < С < 0,5 мФ.

для ТТЛ (ТТЛШ) - величина резистора обычно не изменяется и равна 300 – 500 Ом.

Зачастую при построении схем автоколебательных генераторов необходимо обеспечить управление его запуском/остановом. Удобно при этом использовать логические возможности элементов генератора. На рис. 3.11 приведена схема управляемого генератора.

Рис. 3.11. Управляемый (старт – стопный) генератор

прямоугольных импульсов

Для того, чтобы продемонстрировать возможности модификации схем генераторов с целью расширения их функциональных возможностей, приведем еще одну схему, в которой частота генерации определяется величиной внешнего управляющего напряжения (рис. 3.12).

В этой схеме скорость изменения напряжения на входе DD1 определяется не только постоянной времени RC-цепи, но и цепи R_y С_у. При этом увеличение напряжения U_упр приводит к росту частоты генерируемого сигнала, а уменьшение — наоборот. Существуют, конечно, и другие- разновидности подобных схем - здесь приведена простейшая.

Рис. 3.12. Генератор прямоугольных импульсов с

управляемой частотой следования импульсов

Реализация схем генераторов на ТТЛ имеет некоторые особенности. Такие схемы отличаются в основном величинами номинальных значении пассивных элементов из—за достаточно больших и переменных при различных входных напряжениях входных токов. Здесь, как и в других схемах с хронирующими цепями, сопротивления внешних резисторов не должны превышать определенных значении, чтобы падение напряжения на них за счет входного тока не достигало порогового напряжения (с учетом запирающей помехи). Это приводит и к ограничению величины С, а значит, и частоты генерации снизу. Это привело к появлению достаточно большого числа альтернативных схем генераторов на ТТЛ. Примером могут служить схемы генераторов на трех инверторах с двумя ОС (рис. 3.13a) и генератора на двух инверторах с тремя ОС (рис. 3.136).

Рис. 3.13. Варианты генераторов прямоугольных импульсов

а) на трех инверторах; б) с тремя ОС

В в качестве генераторов можно использовать триггерные схемы с емкостными ОС (триггер тоже кольцевая схема). Типичный пример такого генератора приведен на рис. 3.14. Использование триггерных схем позволяет уменьшить количество внешних связей и увеличить стабильность частоты. Частота генерации задается постоянной времени цепи RC.

Рис. 3.14. Генератор прямоугольных импульсов та D триггере

3.9. Автогенераторы с кварцевым резонатором

При реализации цифровых устройств очень важно обеспечить высокую стабильность частоты генератора, т.е. способность сохранять частоту генерации неизменной при изменении температуры, напряжения питания и/или других параметров схемы. Обычные автоколебательные генераторы обладают достаточно низкой стабильностью (f1 – f0)/f0, - где f1 и f0 начальное и конечное значение частоты генерации при изменении, например, температуры. Общеупотребительным способом повышения стабильности частоты является использование кварцевых резонаторов. Кварцевое резонаторы могут включатся как и колебательные LC - контуры, в схемы с использованием параллельного или последовательного резонансов (рис. 3.15 а и б соответственно).

Рис. 3.15. Обобщенные схемы кварцевых генераторов прямоугольных импульсов:

а) схема использующая параллельный резонанс;

б) схема использующая последовательный резонанс

Практические схемы генераторов базируются на одной из приведенных выше схем с учетом конкретных требований входных/выходных цепей. Так на рис. 3.16 приведена схема генератора, который может быть реализовать на МДП/КМДП (параллельный резонанс), а на рис. 3.17 схема с использованием последовательного резонанса и ТТЛ.

Рис. 3.16. Схема кварцевого генератора, обычно

реализуемого на элементах МДП (КМДП)

Рис. 3.17. Схема кварцевого генератора, обычно

реализуемого на элементах ТТЛ

Особенностью кварцевых генераторов является работа усилительных (цифровых) элементов в линейном режиме, что определяется использованием резистивной ОС. Частоты, генерируемые схемами, задаются параметрами кварцевого резонатора и в значительно меньшей степени параметрами остальных элементов схемы.

⇐ Предыдущая 1 234 5 6 7 8 Следующая ⇒