Формирователи импульсов. Лекция 18. Комбинаторные логические схемы.

Лекция 18. Комбинаторные логические схемы.

Генераторы. Часть 2.

Формирователи импульсов

Формирователь коротких импульсов с применением линий задержки. Формирователь коротких импульсов формирует импульсы, длительность которых существенно меньше длительности исходных импульсов. Для построения схемы формирователя потребуются один элемент конъюнкции, один инвертор и линия задержки. Длительность выходного импульса формирователя определяется длительностью времени задержки линии задержки D tз и средним временем распространения сигнала через инвертор tз ср Э1. На рис. 1. приведена схема формирователя и временные диаграммы, иллюстрирующие её работу. Из рис. 1 (а) следует, что для формирования импульса от переднего фронта (исходного импульса) необходимо подавать на линию задержки инвертированный импульс.

Рис. 1. Формирователь коротких импульсов с линией задержки и его временные диаграммы.

В случае формирования импульса от заднего фронта нужно инвертировать незадержанный (прямой) сигнал, т.е. сигнал, подаваемый на элемент “И” минуя линию задержки (рис. 1 б).

Рис. 2. Формирователь коротких импульсов с использованием логических элементов.

Использование в формирователях линий задержки не всегда оправдано из конструктивных соображений (нестабильность параметров из-за дрейфа номиналов и температурной зависимости RC цепей). Если не требуется формирование строго определенной длительности коротких импульсов, в формирователях в качестве линии задержки применяются логические элементы (рис. 2). Так как каждый логический элемент обладает свойством задерживать распространение сигнала, поэтому время задержки в такой схеме будет определяться числом используемых элементов логики n

Dtз = tз ср Э1 + tз ср Э2 + . . . .+ tз ср Эn = n tз ср Э,

где tз ср Э - среднее время задержки одного логического элемента. Считается, что инвертор имеет значительно меньшее время задержки сигнала, и в качестве элементов задержки используются логические элементы с малым быстродействием.

Формирователь импульсов на элементах логики с использованием RC цепи. RC цепи широко применяются в импульсной технике для формирования сигналов различной формы. RC -цепь - это цепь состоящая из сопротивления R и конденсатора С. Постоянная времени этой цепи определяется как t = RC. В зависимости от сочетания соединений RС цепь может выполнять функцию как укорачивающей, так и удлиняющей цепей. Формирователь импульса с удлиняющей RC цепью и его временные диаграммы приведены на рис. 3 а и б, соответственно.

Рис. 3. Формирователь импульсов с удлиняющей RC-цепью и его временные диаграммы.

Длительность выработанного формирователем импульса можно вычислить исходя из условия разряда конденсатора С. Действительно, пока конденсатор С разряжается до уровня порогового напряжения Uпор, напряжение U2 воспринимается элементом Э2 как уровень логической “1” и на его выходе поддерживается “0”. С течением времени tи напряжение на конденсаторе С становится равным Uпор и на выходе элемента Э2 появится “1”. Если считать, что напряжение до начала разряда на конденсаторе было равно напряжению уровня “1”, т.е. U1, то изменение напряжения Uс с течением времени можно представить как

,

отсюда имеем

.

Длительность импульса равна времени разряда конденсатора до порогового значения Uпор

.

Для ускоренного восстановления заряда конденсатора в схему может быть включен дополнительный диод D1 (рис. 4.3 а). Из-за большого обратного сопротивления диода его влияние в процесс разряда конденсатора можно не учитывать, т.е. разряд конденсатора будет осуществляться только через сопротивление R.

В тех случаях, когда требуется получить импульсы большой длительности и в схеме используется конденсатор большой емкости, последовательно с диодом включают дополнительное сопротивлени Rдоб, ограничивающее ток заряда конденсатора. Величину сопротивления R выбирают исходя из следующих условий:

во-первых, величина сопротивления R не должна превышать максимально допустимого значения, при котором на этом сопротивлении за счет обратного входного тока элемента логики может создаться напряжение, сравнимое с напряжением Uпор (для элементов ТТЛ структуры максимальное значение Rмак = 2,2 кОм);

во-вторых, минимальное значение сопротивления ограничено допустимой нагрузочной способностью логического элемента Э1 и определяется как

где U1 - напряжение на выходе элемента Э1 в состоянии логической “1”; n - коэффициент разветвления (нагрузочная способность) выхода логического элемента; Iвх - входной ток одного элемента.

Номинал добавочного сопротивления имеет ограничение “снизу”, и определяется из условия

,

где Uпр D1 - прямое падение напряжения на диоде D1; I1доп - допустимый выходной ток элемента Э1 в состоянии логической “1”.

Схема формирователя коротких импульсов с помощью укорачивающей (дифференцирующей) RC цепи показана на рис. 4. Длительность выходного импульса формирователя может быть определена из соотношения

,

где Rвых - выходное сопротивление первого элемента формирователя.

Рис. 4. формирователь импульсов с дифференцирующей RC-цепью.

Генераторы.

Автогенераторами называются устройства для генерации электрических колебаний требуемой формы, частоты и мощности за счет использования энергии источников питания. Они находят широкое применение в радиопередающих, радиоприемных и телевизионных устройствах, в измерительной технике, в системах многоканальной связи и др.

Как видно, автогенераторы реализуются на усили­телях, охваченных цепями положительной обратной связи и отрицательной обратной связи. В качестве цепей, задающих частоту генерации, используют частотно-селектив­ные цепи (LC-контуры, RС-цепи и кварцы). Элементы, за­дающие частоту генерации, включаются в цепь либо ООС, либо ПОС.

В зависимости от формы генерируемых колебаний различают автогенераторы синусоидальных (гармонических) и импульсных сигналов. Ниже рассматриваются основные типы автогенераторов синусоидальных сигналов, реализованные на основе ОУ.

На рисунке 5, а приведена схема LC-автогенератора. По виду она напоминает схему узкополосного LC-фильтра, однако здесь используется более глубокая ПОС. Баланс фаз обеспечивается наличием в устройстве положительной обратной связи, обеспечиваемой подключением резисторов R2, R3 между выходом и неинвертирующим входом ОУ. Баланс амплитуд достигается правильным выбором сопротивлений резисторов R2, R3, чтобы выполнялось условие:

Здесь под Кu подразумевается масштабный коэффициент усиления

Кu = RЭ/R1,

где RЭ — сопротивление контура на частоте резонанса. Частота генерации определяется элементами LC-контура и рас­считывается по известной формуле

.

Для анализа свойств описанного генератора можно воспользо­ваться соотношениями, представив ОУ высококачественным эквивалентом транзистора с коэффициентом усиления Кu и дифференциальной крутизной S ОУ.

Избежать применения индуктивностей, что важно в низко­частотных автогенераторах, позволяет применение селективных RС-цепей. Наибольшее применение в RС-автогенераторах полу­чила так называемая полосовая фазирующая цепь, включенная между выходом и неинвертирующим входом ОУ. На частоте генерации ослабление, вносимое этой цепью A0 » 3,3, а фазовый сдвиг j0 = 0. Поэтому используемый способ подключения фазирующей цепи к ОУ обеспечивает выполнение баланса фаз.

Рис. 5. Генераторы на основе ОУ

Для выполнения условия баланса амплитуд усилитель должен скомпенсировать затухание, вносимое фазирующей цепью на частоте генерации. Это просто достичь выбором элементов цепи ООС (резисторов R1 и R2) при условии R2/(Rl + R2) = KOOC = A0. Нетрудно также обеспечить неравенство Kоос»A0, что означает выполнение условия генерации одновременно для многих частот. В этом случае вместо генерации колебаний синусоидальной формы генерируется колебание сложной формы, близкое к прямоуголь­ной. Для обеспечения высокой точности равенства KООС >> А0 схему генератора усложняют узлом автоматической регулировки усиле­ния ОУ.

Если вместо резисторов R фазирующей RС-цепи использовать управляемые напряжением сопротивления, то реализуется генера­тор с электронной перестройкой частоты. Схема RС-автогенератора с электронной перестройкой частоты приведена на рисунке 5 в. Здесь в качестве управляемых сопротивлений исполь­зуется сдвоенный ПТ, у которого проводимость канала GK является линейной функцией управляющего напряжения:

.

Подставляя это выражение в фор­мулу для расчета частоты генерации, получаем:

.

При изменении постоянного управляющего напряжения про­исходит электронная перестройка частоты. Если в качестве управляющего напряжения использовать низкочастотное колеба­ние, то по закону изменения амплитуды этого колебания будет изменяться частота автогенератора, т. е. будет осуществляться частотная модуляция.

Для получения высокой стабильности частоты автогенераторов к элементам LC-контуров и RС-цепей предъявляются жесткие требования как по точности выбора элементов, так и по их температурной стабильности. Нестабильность частоты, достигаемая в обычных LC-генераторах, составляет от 10-3 до 10-4 °С, RC-генераторов — примерно на порядок ниже.

Гораздо лучшие показатели стабильности частоты обеспечивают кварцевые генераторы. Схема кварцевого генератора приведена на рисунке 2.23, г. Здесь кварц используется в качестве эквивалентной ин­дуктивности. Он образует с емкостью конденсатора С последова­тельный колебательный контур, имеющий на частоте резонанса ми­нимальное сопротивление. Следовательно, на этой частоте ПОС достигает максимума и возникает генерация. Для стабилизации режима усилитель охвачен глубокой ООС по постоянному напряжению. Для облегчения выполнения условия баланса амплитуд ООС на частоте генерации устраняется правильным выбором емкости конденсатора С1. Для этого необходимо выполнение условия Xcl = 1/(2pf0Cl) << R. В термостатированных кварцевых генераторах достигается нестабильность частоты порядка 10-8 °С.