 |
Импульсные схемы и логические элементы
|
|
|
|
Компаратор.
2. Триггер Шмитта (ТШ) и мультивибратор (МВ).
3. Простейшие логические элементы - основа дискретной техники.
Видеофайлы: Компаратор, ТШ и логические элементы на них.
1.1. Компаратор и триггер Шмитта (ТШ) – это два т.н. пороговых импульсных устройства, которые переключают уровни напряжений с «+» на «минус» (или наоборот) при Uвх больше (или меньше) опорного (порогового) напряжения.
1.2.Определение. Компаратор (рис.1) – это импульсное устройство сравнения двух напряжений - Uвх и Uопор , в котором Uвых либо «max» (лог. 1) при Uвх > Uопор., либо «min»(лог. 0) при Uвх < Uпор:
Рис. 1. Простейший компаратор и диаграммы его работы
А если Uвх = Uопор,то Uвых = 0, отсюда его название –«нуль-орган».
У простейших компараторов главный недостаток – из-за высокой чувствительности они имеют ложные срабатывания (шумы) вблизи уровня Uопор. (рис. 1).
Для устранения этого недостатка в схему вводят т.н. гистерезисное напряжение за счет резисторов R1 и R2, подключаемых к неинвертирующему входу «плюс», вследствие чего при повышении Uвх порог срабатывания один, а при понижении – другой (рис.2)
Рис. 2. Простейший триггер Шмитта (компаратор с гистерезисом)
Такие компараторы называются триггерами Шмитта (ТШ).
2
Триггер Шмитта (ТШ) и мультивибратор (МВ).
Определение: ТШ называется компаратор сравнения двух напряжений с различными уровнями включения и выключения. У этого ТШ нижний порог срабатывания (НПС) –выключающий, а верхний (ВПС) – включающий, определяемые как
НПС → Uвх выкл = (R1 ∙ Uвых мин) / ( R1 + R2);
ВПС → Uвх вкл = (R1 ∙ Uвых макс) / ( R1 + R2),
а гистерезисное напряжение равно:
Uг = Δ Uвх = R1(Uвых макс - Uвых мин)/ ( R1 + R2).
|
|
|
Рис. 2. Амплитудная характеристика ТШ и его диаграмма работы
Видно, что при увеличении Uвх от 1-2 и долее уменьшении до3-4 на выходе надежно устанавливается положительный импульс, а при достижении выключающего НПС уровня 3-4 и вплоть до включающего ВПС 6-1 ТШ «опрокидывается» на надежный отрицательный импульс.
При этом как уменьшение уровня Uвх от 3 до 5, так и его увеличение от 5 до 6, включая различные выбросы и шумы, не могут вывести ТШ из этого состояния!
МУЛЬТИВИБРАТОР (МВ)
Рис. 3. Мультивибратор (МВ)
МВназывается импульсный генератор с двумя стабильными состоя-ниями: импульсом tи и паузой tп и определяемые формулами:
t1 = tи= 0,7 Rб1 ∙ С б1
t2 = tп = 0,7 Rб2 ∙ С б2
Q = Т / tи = (tи + tп) /tи,
где Q - скважность, Т = t1 + t2 = 1/ f – период, а f – частота следования импульсов; γ = 1/ Q – коэффициент заполнения последовательностей импульсов.
Рис. 4. Импульсы мультивибратора при Q = 2 (t1= t2 )- меандр.
Рис. 5. Импульсы МВ при скважности (сверху вниз): Q > 2, т.е. t1 < t2 ; Q = 2 т.е. t1= t2 и Q < 2, т.е. t1 > t2 ;
На рис. 5 представлены графики амплитуды импульсов во временном интервале t с различной скважностью Q и коэффициентами заполнения γ = 1/ Q от 10 до 90%.
Отметим, что скважностью Q называется энергетический параметр, характеризующий плотность заполнения импульсом временного интервала t. За время длительной паузы t2 происходит накопление большой энергии и затем ее генерирование за время кратковременного импульса t1.
В инженерной практике импульсы, у которых t1 = t2 и соответст-венно скважность Q = 2, называются меандром!
МВ применяется в генераторах прямоугольных импульсов разнообразной РЭА и делителях частоты.
3.
Простейшие логические элементы - основа дискретной техники
(БУДУТ РАССМОТРЕНЫ В 4 СЕМЕСТРЕ В РАЗДЕЛЕ ЦИФРОВОЙ ТЕХНИКИ)
Определение. Логическим называется элемент, принимающий значения 0 или 1. В цифровой технике логический ноль - это сигнал низ-кого уровня (отсутствие импульса, пауза, либо отрицательный импульс), а логическая единица - сигнал высокого уровня (т.е. положительный им-пульс). Это оказалось удобным при построении элементов цифровой тех-ники – логических элементов, в которых связь между Uвх и Uвых опреде-ляется логической функцией на основе булевой алгебры.
|
|
|
Основные операции, положенные в основу логических элементов: логическое сложение, логическое умножение и отрицание.
Логическое сложения (дизъюнкция)
Реализуется в простой диодной схеме «ИЛИ», которая дает на выходе единицу, если это значение по крайней мере присутствует на одном из входов.
Для схемы рис. 7 это означает, что если напряжение на любом из анодов диода (входы А или В) повысится до соответствующего уровня, то оно появится и на катодах (нагрузке С) – см. правее таблицу соответствия.
Рис. 7. Логическая функция ИЛИ (логическое сложение)
Логическое умножение (конъюнкция)
Реализуется логическим элементом «И» также в простой диодной схеме рис. 8, которая дает на выходе единицу тогда и только тогда, когда на обоих входах совпадает единица (то же самое с нулем!).
Для схемы рис. 8 это означает, что выходное напряжение на общей точке анодов (нагрузке С) возрастет тогда лишь, когда на оба входа (като-да) одновременно подан сигнал высокого уровня - см. правее таблицу со-ответствия.
Рис. 8. Логическая функция И (логическое умножение)
Элемент НЕ (отрицание).
Эту операцию выполняет инвертирующий усилитель. Известно, что инверсией (переворачиванием фазы) обладает транзисторный усилитель в схеме с ОЭ (или ОУ с инвертирующим входом). Тоесть если на входе лог. 1, то на выходе лог. 0 и наоборот.
Как правило, в цифровой технике используют элементы на тран-зисторах в интегральном исполнении (т. н. транзисторно-транзисторная логика - ТТЛ), обладающих совмещенной функцией, т. е. элементы «ИЛИ-НЕ» и элементы «И-НЕ», так как инверсные выходы у таких ТТЛ всегда есть и всегда оказываются необходимыми. А элементы «И-НЕ», кроме того, преимущественно выполняют транзисторы типа ТТЛШ (на ненасыщаемых транзисторах Шоттки).
Представление цифровых сигналов в виде последовательностей нулей и единиц (импульсов) удобно в двоичной системе счисления, в которой приняты только два состояния. Цифровые методы передачи, приема и хранения информации перспективны, поэтому всемерно ис-пользуемые в быту, народном хозяйстве (и т. д.) аналоговые сигналы преобразуются и обрабатываются в соответствующих аналого- цифро-вых (АЦП) и наоборот – цифро-аналоговых (ЦАП) преобразователях.
|
|
|
Преимущества таких методов и их использование в ЭВМ бесспор-ны, так как не имеют ограничений по точности вычислений, как это имеет место в аналоговых системах.
ЛИТЕРАТУРА
Тихонов А. И. Информационно-измерительная техника и и электроника: учеб. пособие по курсу лекций / А. И Тихонов. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 20008 – 312 с.
В заключение уделите пять минут для видеофайлов: Эмиттерный повторитель.Компаратор, ТШ и логические элементы на их основе.
И благодарен за внимание к моей лекции!
|
|
|
