Тема 7. Генераторы электрических колебаний Цель: сформировать представление о генераторе синусоидальных колебаний, работе автоколебательного и ждущего мультивибратора; рассмотреть работу генератора на логических элементах. План лекции: 1. Генераторы синусоидальных колебаний. 2. Автоколебательный и ждущий мультивибраторы. 3. Генераторы на логических элементах. 4. Генераторы линейно изменяющегося напряжения.
Генераторы синусоидальных колебаний преобразуют электри ческую энергию источников при постоянном токе в электриче скую энергию при синусоидальном токе требуемой частоты. Различают генераторы: • с самовозбуждением (автогенераторы). Автогенераторы можно рассматривать как усилители с положи тельной обратной связью. Наиболее часто применяется обратная связь по напряжению. Различают LC- и RС автогенераторы. Первые содержат в цепях положительной обратной связи катушки индуктивности и кон денсаторы, вторые — резисторы и конденсаторы. Вторые проще для реализации в виде интегральных схем. • не зависимым возбуждением. Они представляют собой усили тели мощности, усиливающие сигналы автогенераторов малой мощности.
Электронные импульсные устройства с временно устойчивыми состояниями Они являются источниками импульсов напряжения, значение, длительность и частота повторения которых могут ре гулироваться в широких пределах. Мультивибратором называется устройство с двумя временно устойчивыми состояниями, представляющее собой генератор им пульсов напряжения прямоугольной формы. Обычно он служит для запуска в работу других импульсных устройств при их совме стной синхронной работе. Наиболее распространены мультивибраторы на основе ОУ. Различают мультивибраторы: симметричные мультивибраторы. Дли тельности прямоугольных импульсов и интервалы времени между ними у симметричных мультивибраторов равны. Несимметричные мультивибраторы. Дли тельности прямоугольных импульсов и интервалы времени между ними у несимметричных мультивибраторов не равны.
Схема симметричного мультивибратора приведена на рис. 1 а, в которой ОУ является компаратором. В несимметричном мультивибраторе интервалы времени заряд ки 2 -t 1 и t разрядки t 3 t 2 конденсатора различны. Это достигается включением в цепь отрицательной обратной связи двух соединен ных параллельно резисторов: один для зарядки, а другой для раз рядки конденсатора. Последовательно с каждым резистором вклю чается диод, прямой ток которого соответствует току зарядки или току разрядки.
Cхема одновибратора дана ниже:
Устойчивому состоянию одновибратора соответствует схема замещения на рис. 3, б (ключ К 1 положении 2).
Устойчивому состоянию одновибратора соответствует схема замещения на рис. 3, б (ключ К 1 положении 2). Генераторы линейно изменяющегося напряжения входят в состав компараторов, устройств управления перемещением электронно го луча по экрану осциллографа и т. д. Простейший генератор линейно изменяющегося напряжения (рис. 4) содержит несимметричный мультивибратор, напря жение которого (рис. , а) используется 5 для управления работой мультивибратора.
Рис. 4 Рис. 5, а и б
Триггеры • • • Триггерами называются электронные импульсные устройства с двумя устойчивыми состояниями, которым соответствуют раз личные значения напряжений на информационных выходах. Их применяют в счетчиках импульсов напряжения, делителях часто ты следования импульсов напряжения и т. д. По способу управления триггеры подразделяют на асинхрон ные и синхронные. В асинхронных триггерах переключение из одного устойчивого состояния в другое осуществляется под действием определенной совокупности импульсов напряжения на управляющих входах. В синхронных триггерах переключение возможно только при со впадении во времени определенной совокупности импульсов на пряжения на управляющих входах и импульса напряжения на вхо де синхронизации. Различают несколько типов триггеров: RS- D-, JK триггеры и др. Триггеры обычно реализуются на основе логических элементов и выпускаются в виде интегральных схем. Поэтому далее ограни чимся рассмотрением функциональных возможностей различных типов триггеров, пользуясь их условными обозначениями. Наи большее применение имеют асинхронные SR и синхронные D- и JK триггеры.
RS-триггер (Reset—Set, т. е. сброс — установка) реализуется на основе логических элементов ИЛИ — НЕ на два входа (рис. 6, а), где обозначены прямой Q и инверсный Q информационные вы ходы. Работу S триггера иллюстрируют таблица истинности на рис. 7, R б, где указаны значения сигналов на управляющих вхо дах и S в некоторый момент R времени t и соответствующие им значения на выходе Q в момент времени t+ 1 после окончания переходного процесса, и временная диаграмма (рис. 7, в). Состояние триггера сохраняется (Q = Q') при совокупности сигналов на входах R = 0 к S=0 и не определено при R= 1 и S= 1. Последнее состояние запрещено.
RS триггер с инверсными значениями сигналов на входах R и S реализуется на основе логических элементов И—НЕ. Его схе ма, таблица истинности и временная диаграмма приведены на рис. 8, а—в. Состояние триггера сохраняется при значениях сигналов на его входах и не определено при R = 0 и S = 0. Последнее состояние запрещено. Условные обозначения с прямым и инверсным входами приведены на рис. 9, а и б. Кратковременным замы канием ключа устанавливаются устойчивые состояния триггеров Q= 1 или Q = 0.
D-триггер имеет прямые (рис. 74, а) или инверсные (рис. 75, б) установочные входы R и S, один управляющий вход D и вход синхронизации С. Входы R и S называются установочны ми потому, что служат для предварительной установки D триггера в состояние Q = 1 или Q = 0, аналогично представленному на рис. 74. Сигнал на управляющем входе D = 1 или D = 0 устанавливает триггер в устойчивое состояние с одноименным значением на прямом информационном выходе Q= 1 или только при одновременном действии импульса положительной полярности на входе синхронизации. Обычно переключение триггера происхо дит в течение времени действия переднего фронта импульса син хронизации (рис. 74, ). в
JK-триггер имеет ряд преимуществ по сравнению с RS- и D триггерами. Его условные обозначения с прямыми или инверсными установочными входами R и S приведены на рис. 9, а и б, где обозначено: J и К— управляющие входы, С — вход синхронизации. JK-триггер имеет ряд преимуществ по сравнению с RS- и D триггерами. Его условные обозначения с прямыми или инверсными установочными входами R и S приведены на рис. 9, а и б, где обозначено: J и К— управляющие входы, С — вход синхронизации.
Рассмотрим правила работы JK триггера, положив, что его исходное состояние установлено. 1. Если J=1 и К=0, то в течение времени действия переднего фронта импульса синхронизации положительной полярности триг гер установится в состояние Q= 1 (рис. 10, а). Если J= 0 и К= 1, то в течение времени действия переднего фрон та импульса синхронизации поло жительной полярности триггер ус тановится в состояние - 0 (рис. 10, б). Q Если J=1 и К= 1, то незави симо от своего исходного состоя ния триггер Q будет переключать ся в течение времени действия ереднего фронта п импульса синх ронизации положительной по лярности. При этом частота изме нения напряжения на выходе триггера будет в два раза меньше частоты импульсов синхрониза ции (рис. 0, в). 1
4. Если J=0 и К=0, то исход ное состояние -триггера под Q дей ствием импульса синхронизации не изменится. На практике часто встречаются двухступенчатые JK триггеры (условное обозначение ТТ) с прямыми или инверсными устано вочными входами и S (рис. 11, а и б). R Правила их работы отли чаются от описанных выше тем, что изменение состояния тригге ра происходит не в течение времени действия переднего фронта импульса синхронизации, а в течение времени действия его зад него фронта. На основе логических элементов и импульсных устройств стро ятся цифровые логические автоматы.
Генераторы на логических элементах. Логические элементы Своевременное подключение и отключение необходимого обо рудования в целях поддержания режимов технологических про цессов требует принятия тех или иных решений в зависимости от конкретных условий. Если наличие или отсутствие каждого усло вия отождествить с напряжением электрического сигнала различ ного уровня, то принятие решения возможно с помощью элект ронных устройств на основе логических элементов. Такие устрой ства реализуют логическое преобразование совокупности сигна лов об условиях работы в совокупность сигналов управления технологическим процессом. • В зависимости от схемотехнической реализации логических эле ментов сигналы на их входах и выходах имеют либо отличные от нуля напряжения (положительное — «положительная логика» или отрицательное — «отрицательная логика» ), либо близкие к нулю, которые принято условно отождествлять с логической единицей и нулем. При этом работу логического элемента можно описать зависимостью логического значения выходного сигнала F от со вокупности логических значений входных сигналов х. Такую зави симость принято представлять аблицей т истинности. Можно доказать, что для любых логических преобразований достаточно иметь три элементарных логических элемента, выпол няющих операции: логическое отрицание (логическое НЕ), логи ческое сложение (логическое ИЛИ) и огическое умножение л (ло гическое И). •
Логические элементы реализуют логические функции: • элемент НЕ (инвертор) — • элемент ИЛИ (дизъюнктор) на два входа — • элемент И (конъюнктор) на два входа —
Их условные обозначения, примеры схемной реализации, вре менные диаграммы работы и таблицы истинности приведены на рис. 12— 14.
На практике часто используется расширенный набор логиче ских элементов, реализующих логические функции: • ИЛИ—НЕ (стрелка Пирса) (рис. 15, а) — И—НЕ (штрих Шеффера) (рис. 15, б) — • импликация (рис. 15, в) • запрет (рис. 15, г) — • равнозначность (рис. 81, д) —
Логические схемы можно построить таким образом, что логи ческие значения сигналов на одних ее входах будут запрещать или разрешать прохождение на выход цифровых данных по другим вхо дам. Входы, или сигналы, логических элементов, управляющих другими входами, называются апробирующими. Например, для ло гического элемента И (см. рис. 13) вход х2 может служить стробирующим для входа х1 и наоборот. Кроме рассмотренных выше логических элементов с двумя со стояниями применяются «логические элементы с тремя состояни ями» : отличным или близким к нулю напряжением, или большим значением сопротивления. Последнее соответствует разомкнутой выходной цепи элемента. С помощью таких элементов параллельно соединяются выходы нескольких логических схем на одну двуна правленную линию передачи данных для их раздельной работы
По схемотехнической реализации различают серии элементов ДТЛ (диодно транзисторная логика), ТТЛ (транзисторно тран зисторная логика на биполярных транзисторах), МДПТЛ (то же на МДП транзисторах), КМДПТЛ (тоже на взаимодополняющих1, или комплементарных, МДП транзисторах), ТТЛШ (то же с тран зисторами Шоттки), ЭСЛ (эмиттерно связанная логика) и И 2 Л (инжекционная логика). Примеры схемотехнической реакции некоторых логических элементов серии ДТЛ, ТТЛ, МДПТЛ, КМДПТЛ и ЭЛС приведе ны на рис. 6, а—д. 1
Рабочие свойства логических элементов определяет ряд пара метров: • быстродействие — время задержки между сменой состояний входного и выходного сигналов • нагрузочная способность, или коэффициент разветвления, — число входов, которые можно подключить к одному выходу; • помехоустойчивость — максимально допустимый уровень на пряжения помехи, не вызывающий ложного переключения; • степень генерирования помех — интенсивность колебаний тока при переключении элементов; • мощность рассеяния — мощность потерь энергии в элементах ' МДП транзисторы с р- и n каналами, соединенные последовательно, назы ваются взаимодополняющими, если включение одного из них сопровождается выключением другого. Это уменьшает мощность потерь в логических элементах.
Вопросы для самоконтроля: 1. Перечислите типы генераторов. 2. Для чего применяют генераторы? 3. Что представляет собой автоколебательный мультивибратор? 4. Что такое триггер? Для чего он применяется? 5. Перечислите типы триггеров. 6. Что представляет собой генератор на логических элементах? 7. Что такое положительная и отрицательная логика? 8. Какие параметры определяют рабочие свойства логических элементов?
.
Скачать презентацию Тема 7 Генераторы электрических колебаний Цель сформировать представление
tema_8.pptx