Импульсные устройства. Основные понятия и определения импульсной техники
План лекции
1. Общие сведения.
2. Мультивибраторы.
3. Блокинг-генератор.
3.1. Принцип работы блокинг-генератора.
3.2. Порядок расчета блокинг-генератора.
4. Генераторы пилообразного напряжения.
4.1. Основные параметры генераторов пилообразного напряжения.
4.2. Разновидности схем транзисторных генераторов пилообразного напряжения.
5. Триггер на транзисторах.
Общие сведения.
Импульсная техника – раздел электроники, предметом которого является разработка теоретических основ, практических методов и технических средств генерирования, преобразования и измерения параметров электрических импульсов, а также исследование импульсных процессов в электрических цепях.
Наиболее часто в импульсных электронных устройствах используются импульсы прямоугольной (рис. 1,а), трапецеидальной (рис. 1,б), треугольной (рис. 1,в) и экспоненциальной (рис. 1,г) формы.
Рисунок 1
Импульсы, формы которых приведены на рис. 1,а…г, являются идеализированными. Форма реальных импульсов не является геометрически правильной из-за нелинейности характеристик полупроводниковых приборов и влияния реактивных сопротивлений в схемах. Поэтому реальные прямоугольные импульсы, наиболее часто используемые в практических импульсных схемах, имеют форму, приведенную на рис. 1,д. Участки быстрого нарастания и спада напряжения или тока называются фронтом и срезом импульса , а интервал, на котором напряжение или ток изменяются сравнительно медленно, - вершиной импульса .
Упрощенная форма реального прямоугольного импульса показана на рисунке 1,е. Спрямленные отрезки ab, bc, cd отображают соответственно фронт, вершину и срез импульса, а отрезки de и ef – нарастание и спад обратного импульса. Скорость нарастания напряжения или тока на рисунке 1,е характеризуется крутизной фронта импульса
а убывание напряжения или тока на вершине относительным снижением
Одним из важнейших показателей импульсных сигналов является длительность импульсов . Помимо указанного параметра τ а, определяющего активную длительность вершины на уровне 0,5U m , длительность импульса характеризует время t и, определяемое либо на уровне 0,1U m , либо по основанию импульса (рис. 1,е).
К основным параметрам импульсов относится период повторения импульсов Т – интервал времени между началом двух соседних однополярных импульсов. Величину, обратную периоду повторения, называют частотой следования импульсов f. Часть периода Т занимает пауза t п – отрезок времени между окончанием и началом двух соседних импульсов t п = T – t и.
Отношение длительности импульса к периоду повторения называется коэффициентом заполнения
Величина, обратная коэффициенту заполнения, называется скважностью импульсов
Качество работы импульсных устройств во многом определяется временем восстановления импульса t вос (рис. 1,е). Чем меньше t вос, тем надежнее работает схема, тем выше ее быстродействие.
Мультивибраторы
Одним из наиболее распространенных генераторов импульсов прямоугольной формы является мультивибратор, представляющий собой двухкаскадный резистивный усилитель с глубокой положительной обратной связью. Одна из наиболее простых и типичных схем мультивибратора приведена на рис. 2. Элементы схемы подобраны так, чтобы обеспечить идентичность каждого из усилительных каскадов, собранных на однотипных транзисторах VТ1, VT2. При R1 = R4, R2 = R3, C1 = C2 и одинаковых параметрах транзистора мультивибратор называется симметричным.
Рисунок 2
Т.к. идеальной симметрии схемы практически невозможно, то любая, даже самая незначительная асимметрия мгновенно приведет к тому, что один из транзисторов закроется, а другой будет открыт и доведен до режима насыщения. Допустим, что по тем или иным причинам ток коллектора транзистора VT2 оказался несколько больше коллекторного тока транзистора VT1. Это приведет к увеличению падения напряжения на резисторе R4 и снижению отрицательного потенциала на коллекторе VT2. Через конденсатор С2 изменение потенциала коллектора транзистора VT2 передается на базу транзистора VT1. Это приведет к уменьшению тока коллектора транзистора VT1 и к увеличению отрицательного потенциала на его коллекторе. Через С1 изменение потенциала коллектора транзистора VT1 передается на базу транзистора VT2, что вызывает дополнительное увеличение тока коллектора этого транзистора. Далее процесс повторяется, и в конечном итоге транзистор VT2 полностью откроется и войдет в режим насыщения, а транзистор VT1 закроется. Этот процесс протекает лавинообразно.
В режиме запирания транзистора VT1 конденсатор С1 заряжается по цепи: 0, участок эмиттер – база открытого транзистора VT2, С1, R1, -Eк. В то же время конденсатор С2 разряжается через открытый транзистор VT2 и резистор R3.
Переключение схемы из одного состояния в другое зависит от скорости заряда и разряда конденсаторов. По мере заряда конденсатора С1 положительный потенциал точки А все более нарастает, а по мере разряда конденсатора С2 положительный потенциал точки В все более снижается. В связи с этим потенциал базы транзистора VT2 постепенно повышается, а потенциал базы транзистора VT1 снижается. В определенный момент времени транзистор VT1 отопрется, начнется лавинообразный процесс нарастания тока этого транзистора, а транзистор VT2 запрется. Этот процесс переключения повторяется. Таким образом, транзисторы в мультивибраторе по очереди находятся или в режиме отсечки тока или в режиме насыщения и с каждого коллектора можно снять прямоугольные импульсы с амплитудой, почти равной величине напряжения питания источника. Схема будет генерировать импульсы (режим самовозбуждения ). Такой режим называется автоколебательным .
На рис. 3 приведены временные диаграммы токов, протекающих в транзисторах, и напряжений на коллекторах и базах транзисторов. Исходный момент t 0 соответствует тому случаю, когда транзистор VT1 заперт, а транзистор VT2 открыт. Моменты t 1 , t 2 , t 3 соответствуют переключению схемы.
Приведенная на рис. 2 схема получила название схемы с коллекторно-базовыми емкостными связями.
Рисунок 3
При расчете мультивибратора в автоколебательном режиме должны быть заданы: период следования импульсов Т; длительность импульсов t и; амплитуда импульсов U m ; длительность фронта τ ф; длительность среза τ с; время восстановления t вос; температура окружающей среды t окр (или допустимая температурная нестабильность мультивибратора σ Т в заданном диапазоне изменения температуры).
В результате расчета необходимо выбрать тип транзисторов и определить параметры элементов схемы.
1) Определяем напряжение источника питания
. (5)
Если напряжение источника питания задано и значительно превышает амплитуду импульсов U m , то можно расчет мультивибратора вести на бо́льшую амплитуду, чем задано, а импульсы снимать с помощью делителя напряжения в коллекторной цепи одного из транзисторов, как показано на рис. 4.
Рисунок 4
2) Выбираем тип транзисторов, параметры которых удовлетворяют условиям:
где U КБ max – максимально допустимое постоянное напряжение коллектор – база для выбранного типа транзистора;
f h 21э – предельная частота коэффициента передачи тока биполярного транзистора.
Если мультивибратор работает при повышенных температурах или от него требуется высокая температурная стабильность (σ Т < 5%), то выбирают кремниевые транзисторы; если допустимое значение σ Т > 5% - германиевые транзисторы.
При выборе транзисторов по их частотным свойствам, можно, кроме соотношения (7), руководствоваться следующими рекомендациями: если заданная длительность фронта τ ф не меньше (0,2 …),5)мкс, то могут быть использованы низкочастотные транзисторы; если же τ ф < (0,2 … 0,5)мкс – следует выбрать высокочастотные транзисторы.
3) Находим сопротивления резисторов R1 = R4 = Rк. При этом необходимо выполнить условие
, (8)
где I Ки max – максимально допустимый импульсный ток коллектора;
I КБ 0 – обратный ток транзистора.
Как правило, для маломощных транзисторов R к выбирают не менее (0,5 … 1) кОм, а для мощных – не менее (200 … 300) Ом.
4) Находим сопротивление резисторов R2 = R3 = R Б
где h 21э – коэффициент передачи тока;
К нас – коэффициент насыщения транзистора.
Коэффициент насыщения определяется из соотношения
. (10)
При К нас < 1 транзистор работает в ненасыщенном режиме, при К нас = 1 находится на грани насыщения, при К нас > 1 – в режиме насыщения.
Для обеспечения режима открытого транзистора при неглубоком насыщении выбирают К нас = 1…4.
В некоторых схемах симметричных мультивибраторов для регулировки периода автоколебаний в цепь баз транзисторов включают источник регулируемого напряжения (Е Б на рис. 5). Формула для определения периода генерируемых импульсов
, (11)
где R Б = R2 = R3; С = С1 = С2;
U Б m – часть напряжения, которая передается с коллекторов в цепи баз.
Рисунок 5
5) Определяем емкости конденсаторов С1 и С2. Для симметричного мультивибратора
. (12)
Для несимметричного мультивибратора
6) Находим время восстановления схемы
Как видно, для уменьшения t вос, т.е. для улучшения формы генерируемых импульсов, следует уменьшать величины R K и С. Однако с уменьшением емкости С уменьшаются длительность импульса и период колебаний. Для предотвращения этого необходимо увеличивать сопротивление резисторов R Б, но при этом ухудшается термостабильность схемы. Уменьшение R K также нецелесообразно, так как это приводит к увеличению тока насыщения транзистора и уменьшению перепада напряжения на коллекторе, что может нарушить самовозбуждение схемы. Поэтому, если полученное значение I вос оказалось больше заданного, в схему мультивибратора следует внести изменения. На рис. 6,а показана схема симметричного мультивибратора с корректирующими диодами.
Рисунок 6
В схеме ток заряда конденсаторов связи С1 и С2 замыкается не через коллекторные резисторы R1 и R4, а через вспомогательные резисторы R5, R6, что обеспечивается включением диодов VD1, VD2. Диоды не препятствуют развитию лавинообразных процессов нарастания и спадания токов транзисторов, но позволяют уменьшить постоянную времени заряда конденсаторов С1 и С2. Благодаря этому напряжение на коллекторе запертого транзистора после опрокидывания схемы устанавливается близким к –Ек намного быстрее (рис. 6,б), чем в основной схеме мультивибратора.
Блокинг-генератор
МОСКВА «СОВЕТСКОЕ РАДИО»
Книга может служить учебником по курсу «Импульсные и цифровые устройства». В книге излагаются линейные и нелинейные устройства преобразования и формирования импульсных сигналов, электронные ключи, разнообразные импульсные устройства регенеративного типа, устройства формирования пилообразного напряжения и тока, логические схемы, основные элементы цифровых устройств и многокаскадные устройства функционального назначения. При изложении уделяется внимание обеспечению надежного и стабильного режима работы устройств при действии неизбежных в условиях эксплуатации дестабилизирующих факторов и помеховых импульсов.
Ицхоки Я. С, Овчинников Н. И. Импульсные и цифровые устройства. Москва, Издательство «Советское радио». 1972, 592 с
Предисловие
РАЗДЕЛ ПЕРВЫЙ. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИМПУЛЬСНЫХ ПРОЦЕССАХ
Глава 1. Вводные сведения
§1.1. Импульсный режим работы и его особенности
§ 1.2. Роль импульсной техники в радиоэлектронике
§ 1.3. Предмет курса
§ 1.4. Из истории развития импульсной техники
Глава 2. Характеристика формы импульсов
§2.1. Форма и параметры импульсов
§ 2.2. Параметры типовых импульсов
§ 2.3. Аналитическое выражение импульсов
§ 2.4. Приближенная оценка длительности фронта
§ 2.5. Активная ширина спектра импульсов
РАЗДЕЛ ВТОРОЙ. ЛИНЕЙНЫЕ УСТРОЙСТВА ФОРМИРОВАНИЯ И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ИМПУЛЬСОВ
Глава 3. Интегрирующие цепи
§ 3.1. Назначение и принцип работы интегрирующей цепи
§ 3.2. Требования к параметрам интегрирующей цепи
§ 3.3. Варианты схем интегрирующей цепи
Глава 4. Дифференцирующие и укорачивающие цепи
§ 4.1. Дифференцирующие цепи
§ 4.2 Укорачивающие цепи
Глава 5. Импульсные трансформаторы
§ 5.1 Назначение импульсных трансформаторов
§ 5.2. Намагничивание сердечника трансформатора
§ 5.3. Эквивалентная схема трансформаторной цепи
§ 5.4. Искажение формы трансформированного импульса
§ 5.5. Требования к конструкции трансформатора
Глава 6. Линии временной задержки сигналов
§ 6.1 Назначение линии временной задержки
§ 6.2. Свойства немскажающих электрических систем временной задержки
§ 6.3. Электромагнитные линии временной задержки
§ 6.4. Искусственные линии задержки (ИЛЗ)
§ 6.5. Ультразвуковые линии задержки (УЛЗ)
Глава 7. Линейные формирующие цепи
§ 7.1. Общие положения
§ 7.2. Формирующие электромагнитные линии
§ 7.3. Искусственные формирующие линии
§ 7.4. Формирующие реактивные двухполюсники
§ 7.5. Схемы включения формирующих цепей
РАЗДЕЛ ТРЕТИЙ. ЭЛЕКТРОННЫЕ КЛЮЧИ И НЕЛИНЕЙНЫЕ УСТРОЙСТВА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ФОРМЫ СИГНАЛОВ
Глава 8. Электронные ключи
§ 8.1. Общие положения
§ 8.2. Транзисторный ключ (ТК)
§ 8.3. Переходные процессы в транзисторном ключе
§ 8.4. Варианты транзисторных ключевых схем
§ 8.5. Диодный ключ
Глава 9. Нелинейные устройства преобразования сигналов и формирования импульсов
§ 9.1. Амплитудные ограничители
§ 9.2. Формирование импульсов путем ограничения и дифференцирования синусоидального напряжения
§ 9.3. Пик-трансформатор
§ 9.4. Фиксаторы уровня
РАЗДЕЛ ЧЕТВЕРТЫЙ. РЕГЕНЕРАТИВНЫЕ ИМПУЛЬСНЫЕ УСТРОЙСТВА
Глава 10. Общие свойства регенеративных импульсных устройств
§ 10.1. Принципы построения регенеративных устройств
§ 10.2. Режимы работы регенеративных устройств
Глава 11. Мультивибраторы
§ 11.1. Мультивибраторы с анодно-сеточными связями
§ 11.2. Мультивибратор с коллекторно-базовыми связями
§.11.3. Ждущий мультивибратор с эмиттерной связью
§ 11.4. Типовые схемы ждущих мультивибраторов
§ 11.5. Ждущий мультивибратор с транзисторами разного типа проводимости
§ 11.6. Мультивибратор с мостовыми цепями
§ 11.7. Многофазные мультивибраторы
Глава 12. Блокинг-генераторы
§ 12.1. Общая характеристика блокинг-генератора
§ 12.2. Ламповый блокинг-генератор
§ 12.3. Варианты схем ламповых блокинг-генераторов
§ 12.4. Транзисторный блокинг-генератор
Глава 13. Импульсные делители частоты
§ 13.1 Принцип действия делителя частоты
§ 13.2. Стабильность режима деления частоты
§ 13.3. Ступенчатый делитель частоты
Глава 14. Триггеры
§ 14.1. Общие свойства триггеров и требования к ним
§ 14.2. Симметричный транзисторный триггер
§ 14.3. Схемы запуска триггера
§ 14.4. Обеспечение состояний покоя триггера
§ 14.5. Варианты схем триггеров
Глава 15. Импульсные устройства на полупроводниковых приборах с отрицательным сопротивлением
§ 15.1 Устройства на туннельных диодах (УТД)
§ 15.2. Устройства на лавинных транзисторах (УЛТ)
РАЗДЕЛ ПЯТЫЙ. ГЕНЕРАТОРЫ ЛИНЕЙНО ИЗМЕНЯЮЩЕГОСЯ НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКА
Глава 16. Простейшие генераторы линейно изменяющегося напряжения. Методы линеаризации
§ 16.1. Параметры линейно изменяющегося напряжения
§ 16.2. Принцип построения генераторов ЛИН
§ 16.3. Простейшие генераторы ЛИН
§ 16.4. ГЛИН с токостабнлизующим элементом
§ 16.5. ГЛИН с компенсирующей э. д. с, вводимой посредством неинвертирующего усилителя
§ 16.6. ГЛИН с компенсирующей э. д. с, вводимой посредством инвертирующего усилителя
Глава 17. Генераторы ЛИН фантастронного типа
§ 17.1. Общие сведения
§ 17.2. Фантастрон со связью по экранирующей сетке
§ 17.3. Фантастрон с катодной связью
§ 17.4. Транзисторный фантастрон
Глава 18. Генераторы пилообразного тока
§ 18.1. Параметры пилообразного тока
§ 18.2. Принцип формирования пилообразного тока
§ 18.3. Схемы генераторов пилообразного тока
РАЗДЕЛ ШЕСТОЙ. ЭЛЕМЕНТЫ ЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ
Глава 19. Общая характеристика логических схем
§ 19.1. Основные логические операции
§ 19.2. Классификация и характеристики логических схем
Глава 20. Основные логические схемы
§ 20.1. Схема логического отрицания (НЕ)
§ 20.2. Диодные схемы логического умножения (И)
§ 20.3. Диодные схемы логического сложения (ИЛИ)
§ 20.4. Логические схемы на туннельных диодах
Глава 21. Сложные и комбинированные логические схемы
§ 21.1. Диодно-транзнсторные логические схемы (ДТЛС)
§ 21.2. Транзисторные логические схемы (ТЛС)
§ 21.3. Логическая схема запрещения (ЗАПРЕТ)
§ 21.4. Логические схемы равнозначности и неравнозначности
§ 21.5. Многоступенчатые диодные логические схемы
РАЗДЕЛ СЕДЬМОЙ. МНОГОКАСКАДНЫЕ ИМПУЛЬСНЫЕ УСТРОЙСТВА
Глава 22. Устройства кодирования сигналов
§ 22.1. Формирование импульсных кодов с фиксированными интервалами между импульсами
§ 22.2 Формирование импульсных кодов с регулируемыми интервалами между импульсами
§ 22.3. Регистрация двоичного цифрового кода
§ 22.4. Диодные дешифраторы
§ 22.5. Цифровые счетчики импульсов
§ 22.6. Кодирование непрерывно изменяющихся величин
Глава 23. Селекция импульсных сигналов
§ 23.1. Общие сведения
§ 23.2. Амплитудная селекция импульсов
§ 23.3 Селекция импульсов по частоте повторения
§ 23.4 Селекция импульсов по длительности
§ 23.5. Селекция кодированной серии импульсов
ПРЕДИСЛОВИЕ
Книга может служить учебником по курсу «Импульсные и цифровые устройства» для ряда радиотехнических вузов. В соответствии с программой курса в книге излагаются линейные и нелинейные устройства преобразования и формирования импульсных сигналов, электронные ключи, релаксаторы, импульсные делители частоты, триггеры, устройства формирования пилообразного напряжения и тока, устройства для выполнения логических операций и некоторые многокаскадные устройства функционального назначения.
Рассматриваются импульсные устройства, построенные на электронных лампах и, в особенности, на полупроводниковых приборах: транзисторах (в основном), диодах, туннельных диодах и лавинных транзисторах. Наряду с изложением принципа работы устройств, и анализом протекающих в них процессов выводятся основные закономерности процессов и расчетные соотношения. При этом особое внимание уделяется выявлению условий устойчивой и надежной работы устройств и выбору надлежащих режимов их работы с учетом действия неизбежных при эксплуатации устройств дестабилизирующих факторов и помеховых импульсов.
Каждая глава книги имеет свою порядковую нумерацию формул, рисунков и таблиц. При ссылке на формулу, рисунок и таблицу другой главы первая цифра указывает номер главы. В целях использования учебника при программированном обучении каждый параграф подразделяется на пункты, пронумерованные по порядку.
Главы 1-15 написаны Ицхоки Я. С., главы 16-24 написаны Овчинниковым Н. И.; общее редактирование книги выполнено Ицхоки Я. С.
Рукопись книги была внимательно просмотрена и обсуждена коллективами специалистов некоторых вузов; при этом был дан ряд полезных советов и рекомендаций. Авторы выражают признательность всем, принявшим участие в просмотре рукописи и ее обсуждении и, в особенности, официальным рецензентам-С. Я. Шацу и Г. Д. Федотову, а также А. А. Куликовскому, Б. X. Кривицкому, В. В. Григорину-Рябову, В. К. Любченко, В. Г. Позднякову, В. П. Дья-Еонову, Я. Е; Беленькому и Б. С. Мушу.
Скачать книгу Ицхоки Я. С., Овчинников Н. И. Импульсные и цифровые устройства . Москва, Издательство «Советское радио»». 1972
ИМПУЛЬСНЫЕ УСТРОЙСТВА
- устройства, предназначенные для генерирования и преобразования импульсных сигналов, а также сигналов, форма к-рых характеризуется быстрыми изменениями, чередующимися со сравнительно медленными процессами (паузами).
И. у. применяют в разл. радиоэлектронных устройствах и электронных системах, включая ЭВМ. Они входят в состав многих физ. приборов и установок, в частности связанных с физикой элементарных частиц: ускорителей, анализаторов и др. В эксперим. процессы в детекторах
частиц преобразуются в электрич. импульсы, к-рые затем подвергают временному и амплитудному анализу. При временном анализе устанавливают временные характеристики одиночных импульсов и потоков импульсов. Амплитудный анализ состоит в установлении распределения амплитуд импульсов (см. Амплитудный анализатор, Амплитудный дискр иминатор)
.
Импульсы
. В большинстве случаев в И. у. используют видеоимпульсы - кратковрем. униполярные изменения тока или , разделённые паузами (см. также Импульсный сигнал
).Различают след, элементы видеоимпульса: резкий подъём (фронт), медленно меняющуюся часть (вершину), быстрый спад
(срез), часто завершающийся длинным "хвостом". Иногда после фронта и среза наблюдаются быстро затухающие колебания (двусторонние выбросы). Параметры импульса: размах (амплитуда) А
, длительность t и, отсчитываемая на заранее обусловленном уровне (напр., 0,1A
, 0,5А)
, длительности фронта и среза. Последние обычно отсчитывают между уровнями (0,1-0,9)А
. Для нек-рых задач важным параметром является спад или подъём на вершине DA
. Если детальная конфигурация импульса не имеет существ, значения, форму видеоимпульсов идеализируют и говорят о прямоугольных, треугольных, трапецеидальных, колокольных (гауссовых) экспоненциальных и др. импульсах.
Помимо одиночных н нерегулярно следующих во времени потоков импульсов на практике используют периодпч. последовательности, к-рые дополнительно характеризуют периодом (ср. периодом) Т
пли частотой повторения F=T -1 . Важным параметром периодич. последовательности является скважность потока Q=T/t
и При генерировании мощных видеоимпульсов в промежутках между импульсами (в паузах) производится запасание энергии в накопителях, а её высвобождение - за время t и. При Qд1 в нагрузке реализуются огромные мощности, в Q
раз большие средней.
При передаче сообщений периодич. импульсная последовательность подвергается модуляции по периоду (частоте повторения), временному положению (фазе), амплитуде или длительности импульсов. Соответственно различают частотную, фазовую, амплитудную и временную импульсную модуляцию
. Существует также кодовая , когда исходное сообщение подвергается дискретизации во времени и квантованию по уровню; каждому полученному дискрету ставится в соответствие импульсный код: напр., группа импульсов, различающихся временными положениями отд. импульсов в группе или к--л. другим признаком. Модулиров. последовательности используют также при многоканальной радиосвязи, когда импульсы, принадлежащие отд. каналу, наделяют к--л. временным признаком (при кодовой модуляции такими признаками могут служить сами коды импульсов).
В радиоэлектронных устройствах (радиолокаторах, системах радионавигации, радиосвязи и др.) используют также радио им пульсы - пакеты кратковрем. эл--магн. высокочастотных колебаний, излучаемых антеннами радиопередающих устройств и улавливаемых радиоприёмником. Радиоимпульсы можно рассматривать как результат 100%-ной модуляции высокочастотного генератора радиопередатчика мощными видеоимпульсами.
Виды устройств
. В И. у. используют разл. схемы: дифференцирующие цепи
, импульсные трансформаторы, линии задержки и
формирующие линии, ключевые схемы, блокинг-генераторы
,регенеративные (релаксационные) схемы (мультивибраторы
,ждущие , генераторы пилообразного напряжения), триггеры
, схемы на туннельных диодах п др. При помощи этих основных схем осуществляется генерирование импульсов и последовательностей и разнообразные их преобразования, для чего применяют формирователи импульсов, кодировщики, временные селекторы, компараторы и др. схемы. Иногда к И. у. относят также усилители импульсов (видеоусилители), для к-рых характерны высокое быстродействие (широкополосность), достаточный динамич. диапазон и (в случае усиления слабых импульсных сигналов) малый уровень собств. шумов.
При конструировании и применении И. у. возникают две осн. задачи: обеспечение необходимого быстродействия и требуемой разрешающей способности. Скорость перехода И. у. из одного состояния в другое ограничивается инерционностью электронных элементов (диодов и транзисторов), а также наличием паразитных ёмкостей п индуктивностсй. Разрешающая способность
оценивается мин. временным интервалом между двумя импульсами или процессами, к-рые И. у. может воспринимать как раздельные. Для ИI. у. характерно "мёртвое" время, необходимое для восстановления рабочего состояния после очередного срабатывания устройства.
Осн. элементами И. у. являются микросхемы на полевых и биполярных транзисторах в интегральном исполнении, хотя встречаются схемы, выполненные на дискретных элементах (особенно в тех случаях, когда требуется очень высокое быстродействие). С совершенствованием технологии микросхем, уменьшением размеров отд. элементов и использованием новых материалов и технологии неуклонно возрастает быстродействие и разрешающая способность И. у. Время перехода из одного состояния в другое (время срабатывания) может достигать ~10 -10 с.
И. у. работают с аналоговыми сигналами, т. е. напряжениями и токами, непрерывно изменяющимися во времени. Однако полезные ф-ции нек-рых И. у. связаны с фиксацией лишь конечного числа внутр. состояний и определ. набором уровней на выходе без учёта времени перехода из одного состояния в другое, т. е. с их работой в качестве цифровых устройств (цифровых автоматов). К последним относятся разл. преобразователи, запоминающие устройства, регистры, счётчики импульсов, шифраторы, дешифраторы и др. Идеализация процессов в реальных устройствах, состоящая в пренебрежении временем переходных процессов, плодотворна, поскольку позволяет использовать для анализа цифровых устройств удобный для практики аппарат булевой алгебры. Однако при рассмотрении вопросов быстродействия, разрешающей способности и временного согласования работы отд. элементов в устройствах их приходится анализировать как И. у. с учётом переходных процессов.
Лит.:
Фролкин В. Т., Попов Л. Н., Импульсные устройства, 3 изд., М., 1980; Ицхони Я. С., Овчинников Н. И., Импульсные и цифровые устройства. М., 1973; Гольденберг Л. М., Импульсные устройства
, , М., 1981; Дмитриева Н. Н., Ковтюх А. С., Кривицкий Б. X., Ядерная электроника, М., 1982; Ерофеев Ю. Н., Импульсная техника, М., 1984.
Б. X. Кривицкий
.
Скачать книгу Импульсные и цифровые устройства абсолютно бесплатно.
Для того, чтобы бесплатно скачать книгу с файлообменников нажмите на ссылки сразу за описанием бесплатной книги.
"Импульс - единственная сила, способная преодолеть и инерцию, и силу тяжести".
/Уилл Фергюсон/
Лучший учебник советского времени по курсу "Импульсные и цифровые устройства". Если повезет, сейчас можно найти у букинистов. А вообще-то, каждый радиоинженер должен знать этот курс как молитву, так как импульсы "преследуют" нас повсюду: электромагнитные импульсы, видеоимпульсы, короткие и длинные импульсы, импульсные источники питания, импульсные генераторы, радиолокация, лазеры и многое другое.
В книге представлены линейные и нелинейные устройства преобразования и формирования импульсных сигналов, электронные ключи, разнообразные импульсные устройства регенеративного типа, устройства формирования пилообразного напряжения и тока, логические схемы, основные элементы цифровых устройств и многокаскадные устройства функционального назначения.
При изложении уделяется внимание обеспечению надежного и стабильного режима работы устройств при действии неизбежных в условиях эксплуатации дестабилизирующих факторов и помеховых импульсов.
Предисловие
РАЗДЕЛ ПЕРВЫЙ. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИМПУЛЬСНЫХ ПРОЦЕССАХ
Глава 1. Вводные сведения
§1.1. Импульсный режим работы и его особенности
§ 1.2. Роль импульсной техники в радиоэлектронике
§ 1.3. Предмет курса
§ 1.4. Из истории развития импульсной техники
Глава 2. Характеристика формы импульсов
§2.1. Форма и параметры импульсов
§ 2.2. Параметры типовых импульсов
§ 2.3. Аналитическое выражение импульсов
§ 2.4. Приближенная оценка длительности фронта
§ 2.5. Активная ширина спектра импульсов
РАЗДЕЛ ВТОРОЙ. ЛИНЕЙНЫЕ УСТРОЙСТВА ФОРМИРОВАНИЯ И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ИМПУЛЬСОВ
Глава 3. Интегрирующие цепи
§ 3.1. Назначение и принцип работы интегрирующей цепи
§ 3.2. Требования к параметрам интегрирующей цепи
§ 3.3. Варианты схем интегрирующей цепи
Глава 4. Дифференцирующие и укорачивающие цепи
§ 4.1. Дифференцирующие цепи
§ 4.2 Укорачивающие цепи
Глава 5. Импульсные трансформаторы
§ 5.1 Назначение импульсных трансформаторов
§ 5.2. Намагничивание сердечника трансформатора
§ 5.3. Эквивалентная схема трансформаторной цепи
§ 5.4. Искажение формы трансформированного импульса
§ 5.5. Требования к конструкции трансформатора
Глава 6. Линии временной задержки сигналов
§ 6.1 Назначение линии временной задержки
§ 6.2. Свойства немскажающих электрических систем временной задержки
§ 6.3. Электромагнитные линии временной задержки
§ 6.4. Искусственные линии задержки (ИЛЗ)
§ 6.5. Ультразвуковые линии задержки (УЛЗ)
Глава 7. Линейные формирующие цепи
§ 7.1. Общие положения
§ 7.2. Формирующие электромагнитные линии
§ 7.3. Искусственные формирующие линии
§ 7.4. Формирующие реактивные двухполюсники
§ 7.5. Схемы включения формирующих цепей
РАЗДЕЛ ТРЕТИЙ. ЭЛЕКТРОННЫЕ КЛЮЧИ И НЕЛИНЕЙНЫЕ УСТРОЙСТВА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ФОРМЫ СИГНАЛОВ
Глава 8. Электронные ключи
§ 8.1. Общие положения
§ 8.2. Транзисторный ключ (ТК)
§ 8.3. Переходные процессы в транзисторном ключе
§ 8.4. Варианты транзисторных ключевых схем
§ 8.5. Диодный ключ
Глава 9. Нелинейные устройства преобразования сигналов и формирования импульсов
§ 9.1. Амплитудные ограничители
§ 9.2. Формирование импульсов путем ограничения и дифференцирования синусоидального напряжения
§ 9.3. Пик-трансформатор
§ 9.4. Фиксаторы уровня
РАЗДЕЛ ЧЕТВЕРТЫЙ. РЕГЕНЕРАТИВНЫЕ ИМПУЛЬСНЫЕ УСТРОЙСТВА
Глава 10. Общие свойства регенеративных импульсных устройств
§ 10.1. Принципы построения регенеративных устройств
§ 10.2. Режимы работы регенеративных устройств
Глава 11. Мультивибраторы
§ 11.1. Мультивибраторы с анодно-сеточными связями
§ 11.2. Мультивибратор с коллекторно-базовыми связями
§.11.3. Ждущий мультивибратор с эмиттерной связью
§ 11.4. Типовые схемы ждущих мультивибраторов
§ 11.5. Ждущий мультивибратор с транзисторами разного типа проводимости
§ 11.6. Мультивибратор с мостовыми цепями
§ 11.7. Многофазные мультивибраторы
Глава 12. Блокинг-генераторы
§ 12.1. Общая характеристика блокинг-генератора
§ 12.2. Ламповый блокинг-генератор
§ 12.3. Варианты схем ламповых блокинг-генераторов
§ 12.4. Транзисторный блокинг-генератор
Глава 13. Импульсные делители частоты
§ 13.1 Принцип действия делителя частоты
§ 13.2. Стабильность режима деления частоты
§ 13.3. Ступенчатый делитель частоты
Глава 14. Триггеры
§ 14.1. Общие свойства триггеров и требования к ним
§ 14.2. Симметричный транзисторный триггер
§ 14.3. Схемы запуска триггера
§ 14.4. Обеспечение состояний покоя триггера
§ 14.5. Варианты схем триггеров
Глава 15. Импульсные устройства на полупроводниковых приборах с отрицательным сопротивлением
§ 15.1 Устройства на туннельных диодах (УТД)
§ 15.2. Устройства на лавинных транзисторах (УЛТ)
РАЗДЕЛ ПЯТЫЙ. ГЕНЕРАТОРЫ ЛИНЕЙНО ИЗМЕНЯЮЩЕГОСЯ НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКА
Глава 16. Простейшие генераторы линейно изменяющегося напряжения. Методы линеаризации
§ 16.1. Параметры линейно изменяющегося напряжения
§ 16.2. Принцип построения генераторов ЛИН
§ 16.3. Простейшие генераторы ЛИН
§ 16.4. ГЛИН с токостабнлизующим элементом
§ 16.5. ГЛИН с компенсирующей э. д. с, вводимой посредством неинвертирующего усилителя
§ 16.6. ГЛИН с компенсирующей э. д. с, вводимой посредством инвертирующего усилителя
Глава 17. Генераторы ЛИН фантастронного типа
§ 17.1. Общие сведения
§ 17.2. Фантастрон со связью по экранирующей сетке
§ 17.3. Фантастрон с катодной связью
§ 17.4. Транзисторный фантастрон
Глава 18. Генераторы пилообразного тока
§ 18.1. Параметры пилообразного тока
§ 18.2. Принцип формирования пилообразного тока
§ 18.3. Схемы генераторов пилообразного тока
РАЗДЕЛ ШЕСТОЙ. ЭЛЕМЕНТЫ ЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ
Глава 19. Общая характеристика логических схем
§ 19.1. Основные логические операции
§ 19.2. Классификация и характеристики логических схем
Глава 20. Основные логические схемы
§ 20.1. Схема логического отрицания (НЕ)
§ 20.2. Диодные схемы логического умножения (И)
§ 20.3. Диодные схемы логического сложения (ИЛИ)
§ 20.4. Логические схемы на туннельных диодах
Глава 21. Сложные и комбинированные логические схемы
§ 21.1. Диодно-транзнсторные логические схемы (ДТЛС)
§ 21.2. Транзисторные логические схемы (ТЛС)
§ 21.3. Логическая схема запрещения (ЗАПРЕТ)
§ 21.4. Логические схемы равнозначности и неравнозначности
§ 21.5. Многоступенчатые диодные логические схемы
РАЗДЕЛ СЕДЬМОЙ. МНОГОКАСКАДНЫЕ ИМПУЛЬСНЫЕ УСТРОЙСТВА
Глава 22. Устройства кодирования сигналов
§ 22.1. Формирование импульсных кодов с фиксированными интервалами между импульсами
§ 22.2 Формирование импульсных кодов с регулируемыми интервалами между импульсами
§ 22.3. Регистрация двоичного цифрового кода
§ 22.4. Диодные дешифраторы
§ 22.5. Цифровые счетчики импульсов
§ 22.6. Кодирование непрерывно изменяющихся величин
Глава 23. Селекция импульсных сигналов
§ 23.1. Общие сведения
§ 23.2. Амплитудная селекция импульсов
§ 23.3 Селекция импульсов по частоте повторения
§ 23.4 Селекция импульсов по длительности
§ 23.5. Селекция кодированной серии импульсов
Название: Импульсные и цифровые устройства
Дорогие читатели если у Вас не получилось
скачать Импульсные и цифровые устройства
напишите об этом в комментарияхи и мы обязательно вам поможем.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛАХ
Кроме напряжения синусоидальной формы в практике электротехники и электроники применяются напряжения других форм. Наиболее широко применяется импульсное напряжение. Импульсным называется прерывистое во времени напряжение (сигнал) любой формы. Под формой сигнала понимается закон изменения во времени напряжения или тока.
Широкое применение импульсных сигналов обусловлено рядом причин. Сочетанием импульсов и пауз легко передавать дискретную информацию. Импульсный сигнал оказался единственно приемлемой формой при создании радиолокации, он необходим для работы систем синхронизации, удобен для управления многими производственными процессами.
Импульсы применяются и для передачи непрерывной информации. В этом случае передаваемая информация может содержаться в значениях амплитуды, длительности или временного положения импульсов. Наличие пауз между импульсами позволяет уменьшить мощность, потребляемую от источника питания. Кроме того, во время паузы можно передавать информацию от других корреспондентов.
Наиболее широко применяются импульсы прямоугольной, пилообразной экспоненциальной и колокольной формы (рис. 25.1, а ). Импульсы характеризуются
– амплитудой U m ,
– длительностью τ и ,
– длительностью паузы τ п ,
– периодом повторения Т = τ и + τ n ,
– частотой повторения F = 1/T ,
– скважностью Q u = T/τ u .
В реальных устройствах прямоугольные импульсы характеризуются также длительностью фронта τ фр и среза τ ср . Фронт и срез определяют в течение нарастания или спада напряжения от 0,1 U m до 0,9U m .
2. ЭЛЕКТРОННЫЕ КЛЮЧИ
Устройства, выполняющие обработку импульсных сигналов, называются импульсными устройствами . Среди различных импульсных устройств видное место занимают электронные ключи. Через идеальный разомкнутый ключ ток не протекает. Напряжение на идеальном замкнутом ключе равно нулю. Смена состояния ключа происходит под действием сигналов, подаваемых на один или нескольких входов.
Наиболее широкое применение в качестве электронных ключей нашел транзисторный каскад по схеме с ОЭ в классе усиления D (т.е. в ключевом режиме). Схема такого каскада приведена на рис. 25.1, б .
Рассмотрим работу схемы . В ключевом режиме транзистор может
находиться в одном из двух состояний – в состоянии отсечки или в состоянии насыщения.
В состоянии отсечки ключ разомкнут. Через транзистор протекает только малый обратный ток Iкэ 0 . Напряжение на участке коллектор-эмиттер . Мощность, теряемая в транзисторе в режиме отсечки определяется произведением Р отс = I кэ0 ·U к и мала, так как пренебрежимо мал ток I кэ0 .
Чтобы транзисторный ключ находился в разомкнутом состоянии, необходимо подать на базу отрицательное напряжение смещения, т.е. . Для этого часто применяют дополнительный источник смещения – Е см и резистор R 2 (эти элементы показаны на рис. пунктиром). При таком включении напряжение смещения создается двумя источниками Е см и источником тока I кэ0 , т.е.
Полагая U б < 0, получаем:
,
Когда транзистор находится в состоянии насыщения, электронный ключ замкнут. Через транзистор протекает ток насыщения, значение которого ограничивается резистором R к . Пренебрегая малым напряжением насыщения, можем записать:
Режим насыщения достигается при токе базы:
. (25.4)
Как и в режиме отсечки, мощность, теряемая в транзисторе в режиме насыщения, мала, потому что мало напряжение насыщения U н .
Ток базы в режиме насыщения создается источниками напряжения U ВХ и Е СМ . При этом участок база - эмиттер транзистора можно считать закороченным. Поэтому
.
Условие насыщения (13.4) принимает вид
. (25.5)
Выражения(25.2), (25.3) и (25.5) позволяют выполнить расчет электронного ключа.
В настоящее время электронные ключи выпускаются в микросхемном исполнении. Например, микросхема К564КТ3 содержит четыре двунаправленных ключа, предназначеных для коммутации аналоговых и цифровых сигналов с током до 10 мА .
3. КОМПАРАТОРЫ
Компаратор – это устройство сравнения двух напряжений
. Такие возможности приобретают ОУ в нелинейном режиме работы. Для анализа процесса сравнения обратимся еще раз к передаточной характеристике ОУ (рис. 25.2, а
). Мы знаем, что ОУ работает в линейном режиме, если разность . Когда разность 
, выходное напряжение ограничено значением ±U m.ВЫХ
. Это означает, что транзисторы выходных каскадов ОУ работают в ключевом режиме. Значение U m . ВЫХ
лишь немного меньше Э.Д.С. источника питания E n
, поэтому на передаточной характеристике выделяют область положительного 
и отрицательного 
насыщения.
Для реальных ОУ значение ∆U гр
не более нескольких мВ. При достаточно больших входных сигналах им можно пренебречь, полагая ∆U гр ≈0
. Тогда при 
выходное напряжение 
. Наоборот, при 
выходное напряжение. Другими словами можно сказать, что выходное напряжение ОУ в нелинейном режиме зависит от того, какое из входных напряжений больше. Значит, ОУ в нелинейном режиме является схемой сравнения (компаратором).
Возможности применения ОУ как компаратора иллюстрируются графиками рис. 25.2, б .
Как следует из графиков, на прямой вход ОУ подано синусоидальное напряжение u вх1 (t) , а на инвертирующий вход – постоянное положительное напряжение U вх2 . Компаратор переключается в момент равенства u .вх1 (t) = U вх2 . Выходное напряжение имеет прямоугольную форму. Значит, компаратор можно применять для преобразования синусоидального напряжения в напряжение прямоугольной формы, т. е. в импульсное напряжение.
По графикам легко увидеть, что длительность прямоугольных импульсов зависит от величины U вх2 . Изменяя величину U вх2 от –U m.вх1 до U m.вх1 , можно изменять длительность импульсов от 0 до Т , где Т – длительность периода u вх1 (t) . Значит, компаратор можно применять в качестве преобразователя амплитуда – длительность.
Широкое практическое применение находит схема компаратора с положительной обратной связью (ПОС). Она приведена на рис. 25.3, а . Другое название схемы – триггер Шмитта . Входной сигнал поступает на инвертирующий вход, а напряжение обратной связи – на прямой.
На рис. 25.3, б приведена передаточная характеристика компаратора. При большом отрицательном напряжении на инвертирующем входе ОУ U вх << 0 , напряжение на выходе максимальное положительное –U вых = U вых. m .
Напряжение на прямом входе ОУ U пр формируется двумя источниками – U 0 и . Определим его методом суперпозиции, учитывая, что для
обоих напряжений цепочка R 1 , R 2 выполняет роль делителя:
. (25.6)
Предположим, что напряжение на входе увеличивается. Компаратор будет находиться в режиме положительного насыщения U вых = U m.вых до тех пор, пока U ВХ < U пр . Значение U пр выполняет роль порога срабатывания, поэтому его называют пороговым и обозначают U П1 .
Когда входное напряжение U ВХ
приближается по величине к напряжению U П1
настолько, что 
, ОУ переходит в линейный режим. Напряжение на выходе уменьшается, т. е. получает отрицательное приращение -∆U вых
. Через делитель R 1
, R 2
приращение поступает на прямой вход ОУ, уменьшая значение U пр
на величину:
. (25.7)
ОУ усилит это приращение, в результате чего напряжение на его выходе уменьшится еще больше, т. е. возникнет отрицательное приращение 
. Последнее, в свою очередь, еще больше уменьшит U пр
. Процесс развивается лавинообразно и завершается переходом ОУ в область отрицательного насыщения, когда 
. Таким образом, ПОС ускоряет процесс переключения компаратора. Такое ускоренное переключение получило название регенеративного процесса.
Так как U ВЫХ после переключения изменило свой знак, то изменилось и значение U пр , т. е. значение порога – U П2 , причем,
. (25.8)
Новое переключение компаратора произойдет только тогда, когда U вх ≈ U П2 . Передаточная характеристика компаратора имеет вид петли гистерезиса. Ширина петли гистерезиса определяется отношением R 2 / R 1 , а ее положение на оси абсцисс (оси U вх ) величиной U 0 .
4. ФОРМИРУЮЩИЕ ЦЕПИ
При генерации импульсных сигналов различной формы необходимо формирование интервалов времени, задающих длительность импульсов и пауз, частоту повторения импульсов и т.п. Эта задача решается с помощью формирующих цепей, содержащих реактивные элементы. Наиболее простыми и надежными являются RC -цепи. Они разделяются на прямые и обращенные . Прямые RС- цепи применяются в качестве передаточных и дифференцирующих , а обращенные – в качестве интегрирующих цепей.
Схема прямой RC -цепи приведена на рис. 25.4, а . Рассмотрим работу цепи по графикам напряжений на ее входе и выходе (рис 25.4, б ). При анализе процесса формирования напряжения на выходе RC -цепи будем полагать, что внутреннее сопротивление источника входного напряжения равно нулю, а сопротивление нагрузки – бесконечно большое.
Пусть в момент t= 0 на вход цепи (зажимы 1 -1 " ) поступает прямоугольный импульс амплитудой U m и длительностью t u . В начальный момент времени конденсатор С разряжен и ток в RC -цепи определяется только амплитудой импульса U m и сопротивлением R . Поэтому на зажимах 2 - 2 " создается напряжение, равное максимальному . По мере заряда конденсатора С ток в цепи, а значит, и напряжение на выходе будут экспоненциально убывать:
, (25.9)
где t ц = R×C [С] – постоянная цепи .
К моменту окончания импульса (когда t = t u ) выходное напряжение уменьшается до U вых (t u) , причем,
. (25.10)
После окончания импульса напряжение на входе цепи U вх = 0. Поэтому конденсатор С начинает разряжаться через источник U вх и резистор R . Ток разряда создает на выходе цепи отрицательный перепад напряжения, причем,
. (25.11)
Передаточная цепь должна передавать импульс от входа к выходу цепи с возможно меньшими искажениями его формы. Искажение формы оценивают максимальным относительным снижением вершины выходного импульса.
.
Из выражения (25.11) следует, что DU тем меньше, чем больше U вых (τ u) , а U вых (t и) тем больше, чем меньше отношение t u / t ц . Если требуется, чтобы максимальное относительное снижение вершины импульса не превышало 1% , то постоянная времени цепи t ц должна превышать длительность импульса t u не менее чем в 100 раз. Таким образом, чтобы цепь, приведенная на рис. 25.4, а стала передаточной, необходимо выполнить условие
Так как емкость С рассматриваемой цепи не пропускает на выход постоянную составляющую источника питания, то за цепью закрепилось еще одно название – разделительная цепь .
Дифференцирующая цепь предназначена для деления импульсов или для выделения их фронта и среза. Эта задача обратная ранее рассмотренной. Она решается тем лучше, чем больше отношение t u / t ц . Реально t u / t ц ≈ (10 ÷ 100). Выходное напряжение представляет два биполярных импульса, совпадающих во времени с фронтом и срезом входного сигнала (рис. 25.4, б ). Амплитуда биполярных импульсов затухает экспоненциально в соответствии с (25.9). Длительность этих импульсов оценивается на уровне 0,05 U m произведением t вых » 3 t ц . Подбором t ц ее можно сделать сколь угодно малой.
Схема обращенной RC - цепи приведена на рис. 25.5, а . Работа этой цепи иллюстрируется графиками напряжений на рис. 25.5, б . При поступлении на вход такой цепи (зажимы 1 - 1 " ) прямоугольного импульса выходной сигнал нарастает по экспоненциальному закону,
. (25.13)
Время, необходимое для нарастания выходного сигнала до уровня 0,9U m , составляет 2,3 t ц , а до уровня 0,99 U m – 4,6 t ц .
По окончании входного сигнала напряжение на выходе обращенной цепи убывает также по экспоненциальному закону:
,
.
На начальном участке выходное напряжение изменяется по закону, близкому к линейному. Этот участок часто используется для линейного накопления напряжения сигнала, поэтому рассматриваемая цепь получила название интегрирующей . Чтобы цепь работала как интегрирующая, отношение t u /t ц должно быть значительно меньше единицы.
6. ТРИГГЕРЫ
Триггер – это устройство, имеющее два устойчивых состояния, спо-
собное под воздействием управляющего сигнала скачком переходить из одного состояния в другое и хранить это состояние сколь угодно долго. Такие свойства позволяют использовать триггеры в качестве элементов памяти, для деления частоты следования управляющего сигнала, для счета импульсов, для формирования прямоугольных импульсов из напряжения произвольной формы, для сравнения напряжений и т. д.
Для построения триггеров могут использоваться туннельные диоды, тиристоры, транзисторы и логические элементы. В лекции рассмотрим триггеры на биполярных транзисторах.
Условные обозначения триггеров на транзисторах приведены на рис. 25.6. Они имеют один или несколько входов и два выхода. Один из выходов называется прямым и обозначается . Другой выход называется инверсным и обозначается . Когда на прямом выходе устанавливается высокий уровень напряжения (близкий к напряжению источника питания), на инверсном выходе устанавливается низкий уровень(близкий к нулю). Условно высокий уровень напряжения обозначают “1 ”, а низкий – “0 ”.
Различаются триггеры способом управления (запуска). Триггер с раздельным запуском (рис.25.6, а ) имеет два входа – S и R . Управляющие сигналы (импульсы тока или напряжения) поступают на эти входы от раздельных источников. При поступлении управляющего сигнала на вход S (set – установка единицы) триггер устанавливается в состояние “1 ”, при котором = 1 , а = 0 . При поступлении управляющего сигнала на вход R триггер устанавливается в состояние “0 ”, при котором = 0 , а = 1 .
Если к моменту поступления управляющего сигнала на вход S , триггер уже находился в состоянии “1 ”, то его состояние не изменится. При раздельном запуске триггер срабатывает от каждого управляющего сигнала только тогда, когда они поступают на входы S и R поочередно. Сокращенное название триггера – RS – триггер.
Триггер с общим запуском (рис. 25.6, б ) имеет один вход – Т . Управляющие сигналы поступают на этот вход, а триггер срабатывает от каждого сигнала, изменяя свое состояние на противоположное. Сокращенное название триггера – Т – триггер.
Триггер с комбинированным запуском (рис. 25.6, в ) имеет три входа S , R и Т . Триггер допускает как раздельный, так и общий запуск. Сокращенное название – RSТ – триггер.
Схема триггера с раздельным запуском на биполярных транзисторах p - n – p типа приведена на рис. 25.7. Схема состоит из двух транзисторных ключей. Выход ключа на транзисторе Т 1 Т 2 . Выход ключа на транзисторе Т 2 соединен со входом ключа на транзисторе Т 1 .Так замыкается петля ПОС.
Рассмотрим работу схемы, используя графики токов и напряжений рис. 25.8.
На временном интервале от 0 до t 1 схема находится в исходном состоянии. Предположим, что в исходном состоянии = 0 , = 1 . При этом транзистор Т 1 открыт и насыщен, напряжение U кэ1 = U кн ≈ 0 . Транзистор Т 2 закрыт и U кэ2 ≈ -Е к . Высокий отрицательный потенциал - U кэ2 через делитель R 1 , R б1 приложен к базе транзистора Т 1 и поддерживает его в открытом состоянии. В цепи базы протекает ток I б1 = I бн . В базе транзистора накоплен большой избыточный заряд носителей.
На базу транзистора Т 2
действует незначительный отрицательный потенциал - U кэ1
и положительный потенциал Е б
. Так как |Е б
| > |U кэ1
|, то транзистор Т 2
поддерживается в закрытом состоянии. Таким образом, состояние транзистора Т 1
поддерживает состояние транзистора Т 2
и наоборот. Схема находится в устойчивом состоянии до воздействия управляющего сигнала.
Пусть в момент t 1 в базу транзистора Т 1 подан управляющий сигнал – импульс тока I вх . Если выполняется условие |I вх | > |I б1 |, то ток базы Т 1 меняет знак, но транзистор остается открытым до момента времени t 2 . На интервале времени t 2 – t 1 происходит рассасывание избыточного заряда базы Т 1 . Если управляющий сигнал достаточно сильный, то интервал рассасывания τ р определяется выражением
где S = β·I б / I кн – коэффициент насыщения транзистора, τ = 1 / 2π·f – время
пролета неосновных носителей заряда через базу.
С момента t 2 начинает убывать коллекторный ток транзистора Т 1 , а |U кэ1 | увеличивается. Транзистор работает в активном режиме. Отрицательное приращение напряжения - ∆U кэ1 через делитель R 2 , R б2 передается на базу транзистора Т 2 . Это приводит к уменьшению напряжения U б2 . В момент времени t 3 напряжение U б2 достигает уровня отпирания транзистора Т 2 – U б0 . Интервал времени t 3 – t 2 называется интервалом подготовки к отпиранию t п . Его длительность определяется выражением
С момента t 3 оба транзистора работают в активном режиме. В схеме возникает лавинообразный (регенеративный) процесс опрокидывания, когда запирается транзистор Т 1 и отпирается Т 2 . Увеличение |- U кэ1 | приводит к росту |- U б2 | и к уменьшению U кэ2 . Это вызывает увеличение напряжения U б1 и более глубокое запирание транзистора Т 1 . Длительность регенеративного процесса t рег имеет порядок τ . Он завершается в момент t 4 , когда Т 1 закрыт, а Т 2 открыт. Управляющий сигнал больше не нужен. Будем полагать, что его срез соответствует моменту времени t 4 . Окончание управляющего сигнала приводит к скачку тока базы I б1 до I к0 .
После завершения лавинообразного процесса начинается установление нового состояния триггера. Длительность этапа установления определяется скоростью перезаряда конденсаторов С 1 и С 2 . До запуска схемы конденсатор С 1 был заряжен до напряжения, близкого к Е к . Теперь он разряжается через резистор R 1 и по цепи R б1 , Е б , эмиттер – коллектор Т 2 . Конденсатор С 2 до запуска схемы был разряжен. На этапе установления он заряжается. Ток заряда протекает от + Е к , через корпус, переход эмиттер – база Т 2 , С 2 , R к1 , к -Е к . Скорость перезаряда определяется значением постоянной цепей перезаряда. Этап установления завершается в момент времени t 5 и обозначается t у .
После окончания этапа t у схема готова к приему следующего управляющего сигнала. Сумма
T мин = τ р + t п + t рег + t у
определяет минимальный временной интервал между управляющими сигналами, при котором обеспечивается надежное срабатывание триггера.
Схема триггера, приведенная на рис. 25.9, отличается от рассмотренной ранее типом транзисторов, связями между их базами и коллекторами и числом входов. Это обусловливает существенные отличия в принципе работы триггера.
При замыкании ключа К положительный потенциал источника питания + Е к через резистор R к1 подается на базу транзистора Т 2 и открывает его. Транзистор Т 1 закрыт. Если напряжение на входе отсутствует U вх = 0, то это состояние (назовем его исходным) может сохраняться как угодно долго.
Триггер изменяет свое состояние под воздействием положительного управляющего сигнала на базу транзистора Т 1 . В новом состоянии транзистор Т 1 открыт и насыщен, а транзистор Т 2 закрыт. Чтобы вернуть триггер в исходное состояние, нужно выключить и вновь включить источник питания. Схема может быть полезной для управления временем начала (момент включения Е к ) и прекращения какого - либо процесса по управляющему сигналу.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ
25.1. Приведите примеры применения импульсных сигналов для решения практических задач.
25.2. Перечислите основные параметры импульсных сигналов, приведите известные соотношения для их оценки.
25.3. Докажите, что мощность, потребляемая электронными ключами, пренебрежимо мала.
25.4. Рассчитайте элементы R 1 , R 2 и R к для схемы рис. 25.1, б , если известно, что Е к = 10 В , Е СМ = 1,5 В , U вх = 2, 5 В , β = 40 – 100 , I кэо = 50 мкА , I кн = 9,5 мА .
25.5. В схеме триггера Шмитта по рис. 25. 3, а определите U 0 , при котором |U п1 | = |U п2 |.
25.6. На вход прямой RC цепи поступает прямоугольный импульс τ и = 10 -3 С . Определите значение С , при котором цепь будет передавать импульс с минимальными искажениями, если R = 10 кОм .
25.7. Определите значение С , при котором прямая RC цепь будет дифференцировать импульс, если R = 10 кОм .
25.8. Приведите условные схемные обозначения триггеров. Определите назначение их входов и выходов.
25.9. Определите требования к амплитуде и длительности управляющего сигнала триггера по схеме рис. 25.7.
25.10. Триггер по схеме рис. 25.9 имеет один вход. Почему его относят к классу RS триггеров?
Загрузка...
