1. Электронный генератор гармонических колебаний с оу с положительной обратной связью. Условия самовозбуждения. Пример генератора с параллельным колебательным контуром.

Электронные генераторы.

В электронных генераторах энергия источника постоянного напряжения преобразуется в энергию сигналов заданной формы. Различают электронные генераторы синусоидальных колебаний и импульсные электронные генераторы

Электронный генератор синусоидальных колебаний.

.Общая структурная схема электронного генератора синусоидальных колебаний приведена на рис. 10.17.

 

 Рис.10.17. Структурная схема электронного генератора сигналов.

 Характерной особенностью генератора является отсутствие входа для внешнего сигнала. Генератор преобразует энергию источника И (как правило- источник постоянного напряжения) в электрические колебания с помощью усилителя K, с цепью обратной связи β. Символы с подчеркиванием – обозначения комплексных коэффициентов передачи.

Электрическое состояние генератора синусоидальных колебания на рис. 10.17 описывается простыми соотношениями:

- комплексный коэффициент усиления

K=U_вых/U_вх  =Ke^jφ

- коэффициент ОС

β= U_ос/U_вых = βe^jψ

 Так как U_ос=U_вх., отсюда следует условие возникновения и существования колебаний:

 K β=1.

Из этого комплексного уравнения следуют два уравнения:

- для модулей

Kβ=1 (условие баланса амплитуд) и

- для аргументов

ψ+φ=2πn,

где n=0,1,… (условие баланса фаз).

         Для стабилизации частоты и улучшения формы сигнала в колебательный контур генератора включают кварцевые резонаторы, обладающие высокостабильными свойствами.

         Современные генераторы синусоидальных колебаний строят на операционных усилителях.

         В следующем демонстрации demo10_8 показан пример такого генератора, (рис.10.19)

 

 

Рис.10.19. demo10_8. Генератор синусоидальных колебаний с ОУ.

1. Электронный генератор импульсных колебаний с оу с положительной обратной связью. Пример мультивибратора. Принцип действия. Осциллограммы напряжения.

Электронный генератор импульсных колебаний.

Импульсные колебания обычно получают с помощью RC- генератора. На рис. 10.20 . приведена схема импульсного генератора с положительной и отрицательной обратными связями.

 

Рис.10.20. Схема импульсного генератора (мультивибратора).

Принцип действия генератора основан на том, что вследствие перезаряда конденсатора изменяется входное напряжение операционного усилителя, усилитель переходит из одного насыщенного состояний +U_{вых, макс}  в другое -U_{вых, макс}  (рис. 10.21).

При включении источника питания напряжение на конденсаторе u_C равно нулю и поэтому потенциал инвертирующего входа равен нулю. Напряжение на неинвертирующем входе равно U_{вх,неинв}=βu_вых >0, где β=R₁/(R₁+R_ос) –коэффициент обратной связи. Напряжение на входе ОУ U_вх = (U_{вх,неинв} - U_вх,инв) положительное. Поэтому u_вых =E_пит., т.е. ОУ находится в насыщении. Конденсатор начнет заряжаться к этому напряжению через резистор R₂.  Как только напряжение на конденсаторе достигнет значения U_{вх,неинв}  и немного превысит его значение напряжение на входе ОУ U_вх = (U_{вх,неинв} - U_вх,инв) поменяет знак. Напряжение на выходе ОУ скачком изменит полярность и достигнет значения (-E_пит). Теперь конденсатор начнет перезаряжаться на напряжение другой полярности. Процесс перезаряда и переключения ОУ в другое насыщенное состояние конденсатора будет периодически повторяться и установятся периодические колебания.

 

 

Рис.10.21. Осциллограммы напряжений мультивибратора.

Пример практической реализации мультивибратора приведен на рис. 10.22

Рис.10.22. demo10_9. Мультивибратор на ОУ.

 Осциллограммы на рис.10.22 в начальный интервал времени несколько отличаются от кривых на рис.10.21 из-за того, что после включения питания ОУ не успевает дойти до насыщения.

 Импульсные генераторы широко используются в цифровой технике.

1. Импульсные сигналы и их параметры, особенности преобразования энергии в импульсных устройствах. Ключевой режим транзистора. Представление информации в двоичном коде. Основные логические операции НЕ, И, ИЛИ и соответствующие электронные логические элементы.

        В цифровых устройствах используется представление информации в виде импульсных сигналов.          Импульсная форма сигналов имеет ряд особенностей. Реальный импульсный сигнал описывается следующими параметрами (рис. 11.1).

         Рис.11.1. Параметры импульсного напряжения.

 T₁ – начало поcледовательности импульсов, начало переднего фронта,(T₂ -T₁)- длительность переднего фронта,(T₃ -T₂)- длительность плоской вершины, T₃ – начало заднего фронта,T₄ – конец заднего фронта,(T₄ -T₃)- длительность заднего фронта,(T₅ –T₁)- период повторения последовательности,U₁ – максимальное напряжение,U₀ – минимальное напряжение,(U₁ –U₀)- размах импульса.Для описания свойств импульсов часто применяют идеализацию (рис.11.2), в которой форма импульсов приближается к прямоугольной (u₁), трапециидальной (u₂), экспоненциальной (u₃) или треугольной (u₄).

 Рис.11.2. Идеальные импульсные последовательности формы прямоугольной (u₁), трапециидальной (u₂), экспоненциальной (u₃) или треугольной (u₄). Информация представлена в импульсной последовательности в определенном коде, использующем количество импульсов или период повторения. Такой принцип обладает высокой помехоустойчивостью. Современные импульсные устройства позволяют оперировать импульсами с высокой частотой, что обеспечивает  быстродействие при обработке информации. Большое значение имеет возможность малого потребления энергии в импульсных устройствах.   Низкое энергопотребление импульсными устройствами объясняется тем, что мощности транзисторов и операционных усилителей, входящих в состав устройств, отличаются от нуля только в весьма короткие интервалы времени, когда их состояние изменяется из открытого (насыщенного) состояния в закрытое состояние и обратно. Например, мощность потерь в биполярном транзисторе (нагревание коллектора) равна произведению напряжения U_ЭК на ток коллектора I_К  

P= U_ЭК I_К .

Положим, что  ток базы транзистора – импульсная прямоугольная последовательность и  рабочая точка транзистора на плоской вершине достигает точки A и при минимальном значении – точки B (рис.11.3). Ток коллектора будет также импульсной прямоугольной последовательностью.

Двоичное представление информации.

         В импульсном сигнале есть два стационарных состояния – наибольший сигнал, которому можно присвоить значение 1, и наименьший сигнал - 0. Два синхронных импульсных сигнала способны описать информацию в 4 логических уровня сигнала. Восемь сигналов дают 256 сочетаний. Таким образом можно сформировать представление информации параллельным кодом.

         В цифровых устройствах широко используются двоичные числа:

,

здесь a_k = 0 или 1.

k=0,1…. номер бита (двоичного разряда)

В этой системе десятичные числа можно, например, представить набором битов

Число	Первый бит	Нулевой бит
0	0	0
1	0	1
2	1	0
3	1	1

Объем информации оценивается следующим образом:

4 бита- тетрада,8 бит – байт,(16  бит – машинное слово),2¹⁰ байт  = 1024 байт  = 1  килобайт,2¹⁰ килобайт  = 1024 килобайт  = 1  мегабайт = 1048576  байт,2¹⁰ мегабайт  = 1024 мегабайт  = 1  гигабайт = 1048576  килобайт,

 В современных цифровых устройствах используют также шестнадцати-, ричную систему счислений.

В двоичной системе арифметические операции с числами выполняются с помощью устройств с логическими элементами. Набор логически элементов будет полным, если они реализуют все аксиомы алгебры логики:

1.     X=0, если X≠1 и X=1, если X≠0 (“не дано третьего”)

2.      и  (отрицание)

3.     , ,  (дизъюнкция)

4.     , ,  (конъюнкиция)

          Логические элементы.

1. Элемент «НЕ».

Этот элемент для логического отрицания (инверсии). Кружочек на выходном полюсе – признак инверсии.

X	Y
0	1
1	0

В алгебре Буля этой операции соответствует выражение

.

 2. Элемент «И».

Этот элемент логического умножения (конъюнкции) имеет состояние на выходе Y, которое зависит от состояний на входах X₁ и X₂  в соответствие с таблицей 11.3.

X1	X2	Y
0	0	0
1	0	0
0	1	0
1	1	1

Булево выражение :

Пример схемы элемента приведен на рис.11.9.

 3. Элемент «ИЛИ».

X1	X2	Y
0	0	0
1	0	1
0	1	1
1	1	1

Булево выражение:

Пример схемы элемента приведен на рис.11.11.

 4. Элемент «И-НЕ».

X1	X2	Y
0	0	1
1	0	1
0	1	1
1	1	0

Схема, реализующая эту операцию содержит каскадное включение элементов «&» и  «НЕ»

5. Элемент «ИЛИ-НЕ».

X1	X2	Y
0	0	1
1	0	0
0	1	0
1	1	0

 

        Схема, реализующая эту операцию содержит каскадное включение элементов «1» и  «НЕ».

1.  Логическое устройство для реализации заданной функции. Подготовка таблицы аргументов и функции, запись выражений для функции, схемная реализация устройства для логических вычислений.