6.2 Электронные ключи и формирователи импульсных сигналов

В состав многих импульсных устройств входят электронные ключи. Основу любого электронного ключа составляет активный элемент (полупроводниковый диод, транзистор, тиристор, электронная лампа), работающий в ключевом режиме. Ключевой режим ха­рактеризуется двумя состояниями ключа: «Включено» - «Выклю­чено».

На рис. 36 приведены упрощенная схема и времен­ные диаграммы идеального ключа:

- при разомкнутом ключе i= 0, U_вых= Е;

- при замкнутом ключе i=E/R, U_вых= 0.

П ри этом пред­полагается, что сопротивление разомкнутого ключа бесконечно велико, а сопротивление замкну­того ключа равно нулю. В реальном ключе из-за переходных процессов переход из одного состояния в другое происходит не мгновенно, а в течении времени.

Рисунок 36 - Схема (а), временные ди­аграммы тока (б) и выходного на­пряжения (в) идеального ключа

Ключевой режим транзистора

Наиболее широкое применение в качестве электронных ключевых элементов находят транзисторные каскады. Рас­смотрим работу такого каскада (рис. 37) в ключевом, режиме.

В ключевом режиме транзистор может находиться в двух основных состояниях:

1 ) Состояние (режим) отсечки - «ключ разомкнут», реализуется при нулевом или отрицательном потенциале на базе. При этом через транзистор протекает минимальный ток.

2) Состояние (режим) насыщения - «ключ замкнут», реализуется при положительном потенциале на базе. При этом через транзистор протекает максимальный ток, а напряжение на коллекторе минимальное.

Рисунок 37 - Схема электронного ключа на биполярном транзисторе

К формирователям импульсов относятся также линейные RC-цепи, включаемые на выходе электронных ключей.

Дифференцирующая цепь

Схема дифференцирующей цепи приведена на рис. 38, а. На вход схемы подключен источник прямоугольных им­пульсов U_вх. Временные диа­граммы токов и напряжений в схеме приведены на рис. 38, б. В момент t₁ напряжение u_вх меняется скачком на величину 2U_m. Затем начинается заряд кон­денсатора напряжением через резистор R и на­пряжение на С изменяется по экспоненте. По мере заряда конденсатора u_вых экспоненциально спадает к нулю.

З атем начинается разряд конденсатора С до напряжения - U_m через резистор R. Таким образом, на резисторе R формируются разнополярные экспоненциаль­но спадающие импульсы.

Рисунок 38 – Дифференцирующая цепь и

временные диаграммы её работы

Интегрирующая цепь состоит из последовательно включённого резистора и параллельно – резистора. При подаче на вход прямоугольных импульсов, на выходе действуют пилообразные.

Основным источником получения импульсов являются генераторы импульсов различной формы.

Раздел 7 Логические устройства

7.1 Алгебра логики. Логические элементы

Для описания законов функционирования цифровых схем используется алгебра логики или булева алгебра. В основу алгебры логики положено понятие «событие», которое может наступить, либо не наступить. Наступившее событие считается истинным и выражается уровнем логической «1», не наступившее событие считается ложным и выражается уровнем логического «0». Т.о. обычная (позитивная) логика базируется на двух состояниях: низкий уровень напряжения - «0» и высокий уровень - «1».

Символы «0» и «1» в алгебре логики характеризуют состояния переменных и состояния их функций. Т.о. логической функцией является функция f(x₁, x₂,… x_n), принимающая значения «0» либо «1». Переменные x₁, x₂,… x_n также имеют значения «0» либо «1». Любую логическую функцию удобно представить в виде таблицы состояний (таблицы истинности), где записываются возможные комбинации аргументов и соответствующая им функция.

Логические элементы

Устройства, предназначенные для формирования функций алгебры логики, называются логическими устройствами. Логические устройства строятся на логических элементах, которые реализуют определённую функцию. Основные логические операции включают следующие элемен­тарные преобразования двоичных сигналов:

1) Логическое сложение или дизъюнкция (от англ. disjunction - разъединение), обозначаемое символом v и называ­емое также операцией ИЛИ. Эта операция описывается для про­стейшей функции двух переменных х₁ и х₂ в виде логической формулы:

Соотношение означает, что функция y_д равна «1», если хотя бы один из аргументов (х₁ или х₂) равен «1».

Элемент ИЛИ - на выходе этого элемента появится логическая еди­ница тогда, когда хотя бы на одном из входов появится единица. То есть, или на первом, или на втором, или на третьем - на любом из имеющихся входов. Логический ноль на выходе будет только тогда, когда на всех входах будет сигнал логического нуля.

Наиболее просто эту операцию можно реализовать с помощью контактной цепи с дву­мя параллельно включенными контактами. Сигнал y_д на выходе такой цепи появится только в том случае, если хотя бы один из контактов замкнут.

Условное обозначение, таблица истинности и другие показа­тели этой логической функции приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Формы отображения основных логических операций

2) Логическое умножение или конъюнкция (от англ. conjunction — соединение), обозначаемое символом ^ и называе­мое операцией И. Условное обозначение & конъюнкции на логи­ческих схемах именуют амперсандом. Для удобства записи сложных логических функций символ конъюнкции можно условно отож­дествлять со знаком обычного умножения. Для функции двух пе­ременных в этом случае имеем:

Соотношение показывает, что у_к = 1 только в том случае, когда оба аргумента (х₁ или х₂) становятся равными «1».

Элемент И - на выходе этого элемента сигнал логической единицы появляется только тогда, когда на всех входах будет присутствовать логическая единица. То есть, и на первом, и на втором, и на третьем (если он есть), и на всех имеющихся входах. Если хотя бы на одном входе будет ноль, то и на выходе тоже будет ноль.

Условное обозначение и другие показатели функции у_к пред­ставлены в третьем столбце (см. табл. 3). Эта операция может быть реализована контактной цепью, состоящей из последовательно включённых контактов.

3) Логическое отрицание или инверсия, обозначае­мое черточкой над переменной и называемое операцией НЕ. Эта операция записывается:

Как видно, операция выполняется над одной переменной x и значение у_и всегда противоположно значению этой переменной. Условное обозначение и другие показатели функции у_и приведе­ны в четвертом столбце (см. табл. 3).

Реализация логической операции НЕ может быть также осу­ществлена контактной цепью, но (в отличие от цепей, рассмот­ренных ранее) с помощью нормально замкнутых контактов элект­ромагнитного реле. Отсутствие напряжения на обмотке реле (x = 0) предполагает замыкание цепи и появление сигнала на ее выходе, соответствующего логической «1» (у_и = 1). При наличии напряже­ния (логической «1») на обмотке реле (х = 1) цепь разомкнута, и сигнал на выходе цепи отсутствует (у_и = 1).

Универсальные логические операции, реализуемые базовыми элементами, включают две следующие разновидности.

4) Функция Шеффера, обозначаемая символически вер­тикальной черточкой | (штрих Шеффера), отображает операцию И-НЕ. Для простейшей функции двух переменных х₁ и х₂ в этом случае полу­чают

Таблица 4 - Формы отображения универсальных логических операций

5) Функция Пирса, обозначаемая символически вертикаль­ной стрелкой (стрелка Пирса), выражает операцию ИЛИ-НЕ. Для функции двух переменных х₁ и х₂ она записывается в виде

Важнейшие показатели универсальных логических операций представлены в табл. 4. Реализацию операций И-НЕ и ИЛИ-НЕ не представляет труда осуществить также в контактной цепи, применяя для этой цели электромагнитные реле с нормально замкнутыми (в отсутствие сигнала на входе управления реле, соответствующее отсутствию напряжения на его обмотке) контактами. Для реализации опера­ции И-НЕ электромагнитные реле включают в цепь параллельно (см. табл. 4), а в случае операции ИЛИ-НЕ — последовательно.

Составляя из этих основных кирпичиков различные схемы, можно получить все разнообразие цифровых и логических элементов, применяемых в цифровой технике, которые в свою очередь имеют свои схемные обозначения и выглядят на схеме как самостоя­тельные элементы.

Правила логической арифметики

Основные логические операции: И (AND), ИЛИ (OR), NOT (НЕ), исключ. ИЛИ (XOR)

1111 0011 1010 0000 1010 1111

AND OR XOR

0011 1111 0000 1111 0000 1111

0011 0011 1010 1111 1010 0000

Пример схемы охранной сигнализации на логических элементов

Рисунок 39 – Схема охранной сигнализации

При замкнутых состояниях охранных ключей S1 – S4 на входах элементов DD1.1 и DD1.2 действует уровень «0» - на втором входе элемента «И» DD1 уровень «0», значит на затворе транзистора VT также «0».

В случае размыкания хотя бы одного из ключа, например S1, на верхний вход элемента DD1.1 через резистор R1 поступит напряжение уровня «1», что приведёт к появлению «1» на втором входе элемента «И» DD1. Это позволит сигналу с генератора G поступать на затвор транзистора, в нагрузке которого стоит динамик.