Тема 7 Импульсные и цифровые устройства

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. 34,а), трапецеидальной (рис. 34,б), треугольной (рисунок 34,в) и экспоненциальной (рис. 34,г) формы. Импульсы, формы которых приведены на рис. 34,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. 34,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.

Активные длительности фронта τ_фа и среза τ_са определяются между уровнями 0,1U_m и 0,9U_m, где U_m – амплитуда импульса. Активная длительность вершины τ_а оценивается на уровне 0,5U_m. Импульс, показанный на рис. 34,д, имеет обратный выброс с амплитудой U_{m обр}. Кроме того, на его вершину наложены затухающие синусоидальные колебания, который, как правило, возникают из-за наличия в схеме паразитных колебательных цепей, образованных распределенными индуктивностями и емкостями.

Рисунок 34

Упрощенная форма реального прямоугольного импульса показана на рис. 34,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 рис. 34,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. 34,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 ν. 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. 34,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. 35. 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.

Базовые логические элементы. Применение двоичной системы счисления в цифровой электронике обеспечивает более высокую скорость выполнения операций и более высокую надежность электронной аппаратуры, т.к. элементной базой для ее построения служат элементы с двумя устойчивыми состояниями. Для описания алгоритмов работы цифровых устройств используется соответствующий математический аппарат, получивший название булевой алгебры или алгебры логики. Каждую конкретную комбинацию значений аргументов называют набором. При n аргументах существует 2ⁿ наборов. Для краткости набор записывается в виде двоичного числа, цифрами которого являются значения переменных, расположенных в определенном порядке. Двоичное число, представляющее набор, называется номером набора и обозначается α..

При n аргументах совокупность всех значений функции на 2ⁿ наборах содержит 2ⁿ нулей и единиц. Каждой функции соответствует своя комбинация этих 2ⁿ значений. Общее количество всех возможных функций n аргументов определяется числом .

Логические функции одной переменной приведены в таблице 1,

Таблица 1

где

f₀ – константа нуля;

f₁ – тождественная функция;

f₂ – логическое отрицание (функция НЕ);

f₃ – константа единицы.

Логические функции двух переменных приведены в таблице 2. В данном случае n = 2, поэтому число наборов переменных 2ⁿ = 4, а число всех возможных переключательных функций = 16.

Таблица 2

Дизъюнкция (логическое сложение) – функция y = f₁₄(x₁, x₀) = x₁ x₀, которая истинна тогда, когда истинны или х₁, или х₀, или обе переменные. Дизъюнкцию также называют функцией ИЛИ. Устройство, предназначенное для реализации логического сложения, называют логическим элементом ИЛИ, условное обозначение которого показано на рис. 37,а.

Конъюнкция (логическое умножение) - функция y = f₈(x₁, x₀) = x₁ x₀, которая истинна только тогда, когда истинны х₁ и х₀. Эта функция называется также функцией И. Устройство, предназначенное для реализации логического умножения, называется логическим элементом И, условное обозначение которого показано на рис. 37,б.

Функция Пирса - функция y = f₁(x₁, x₀) = x₁ x₀ = , которая истинна только тогда, когда х₁ и х₀ ложны. Эта функция также называется функцией ИЛИ-НЕ (отрицанием дизъюнкции). Устройство, предназначенное для реализации функции Пирса, называется логическим элементом ИЛИ-НЕ, условное обозначение которого показано на рис. 37,в.

Штрих Шеффера - функция y = f₇(x₁, x₀) = x₁|x₀ = , которая ложна только тогда, когда х₁ и х₀ истинны. Эта функция называется также функцией И-НЕ (отрицание конъюнкции). Устройство, предназначенное для реализации этой функции, называется логическим элементом И-НЕ, условное обозначение которой показано на рис. 37,г.

Функция равнозначности - функция y = f₉(x₁, x₀) = x₁~x₀, которая истинна, когда значения истинности х₁ и х₀ совпадают, и ложна, когда значения истинности х₁ и х₀ не совпадают.

Функция неравнозначности - функция y = f₆(x₁, x₀) = x₁ x₀, которая истинна, когда значения истинности х₁ и х₀ не совпадают, и ложна, когда значения истинности х₁ и х₀ совпадают. Эту функцию называют также функцией отрицания равнозначности, функцией ИЛИ-ИЛИ или функцией сложения по модулю 2 (mod 2).

Функция импликации - функция y = f₁₁(x₁, x₀) = x₁→x₀, которая ложна в том и только в том случае, когда х₁ истинна, а х₀ ложна.

Функция y = f₁₃(x₁, x₀) = x₀→x₁ также является функцией импликации.

Функция запрета – функция y = f₄(x₁, x₀) = x₁ x₀, которая истинна в том и только в том случае, когда х₁ истинна, а х₀ ложна.

Функция y = f₂(x₁, x₀) = x₀ x₁ также является функцией запрета.

Функции y = f₀(x₁, x₀) = 0 и y = f₁₅(x₁, x₀) = 1 являются константами.

Функции y = f₃(x₁, x₀) =, y = f₅(x₁, x₀) =, y = f₁₀(x₁, x₀) =, y = f₁₂(x₁, x₀) = зависят только от одной переменной и не представляют интереса.

а) б) в) г)

Рисунок 37

Переключательная функция составляется на основании таблицы истинности. при этом она записывается или в совершенной дизъюнктивной нормальной форме (СДНФ), или в совершенной конъюнктивной нормальной форме (СКНФ).

Основная литература: [2, 5, 6];

Дополнительная литература: [7, 8].