Билет №1:

1. RS- и T-триггеры: назначение, условные обозначения, аналитические выражения функционирования и таблицы истинности.

Триггер — электронная схема, имеющая два устойчивых состояния; переходы из одного состояния в другое и обратно совершаются под действием специальных запускающих импульсов. Триггеры широко применяют в цифровых электронных устройствах. Они предназначены для запоминания двоичной информации. Использование триггеров позволяет реализовывать устройства оперативной памяти (то есть памяти, информация в которой хранится только на время вычислений). Однако это не единственная их область применения. Триггеры широко используются для построения цифровых устройств с памятью, таких как счётчики, преобразователи последовательного кода в параллельный, последовательные порты или цифровые линии задержки, применяемые в составе цифровых фильтров.

RS-триггеры

RS-триггер получил название по названию своих входов. Вход S (Set — установить англ.) позволяет устанавливать выход Q в единичное состояние. (Устанавливать означает записывать логическую единицу). Вход R (Reset — сбросить англ.) позволяет сбрасывать выход Q (Quit — выход англ.) в нулевое состояние.

Для реализации RS-триггера воспользуемся логическими элементами "2И-НЕ". Его принципиальная схема, реализованная на логических элементах "2И-НЕ", приведена на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема RS-триггера на логических элементах "2И-НЕ".

Входы R и S инверсные (активный уровень'0')

Рассмотрим работу изображенной на рисунке 2 схемы триггера подробнее. Пусть на входы R и S подаются единичные потенциалы. Если на выходе верхнего логического элемента "2И-НЕ" Q присутствует логический ноль, то на выходе нижнего логического элемента "2И-НЕ" появится логическая единица. Эта единица подтвердит логический ноль на выходе триггера Q. Если на выходе верхнего логического элемента "2И-НЕ" Q первоначально присутствует логическая единица, то на выходе нижнего логического элемента "2И-НЕ" появится логический ноль. Этот ноль подтвердит логическую единицу на выходе Q. То есть, при единичных уровнях на входах R и S, схема RS-триггера работает точно так же, как и схема триггера на инверторах.

Подадим на вход S триггера нулевой потенциал. Согласно таблице истинности логического элемента "2И-НЕ" на выходе Q появится единичный потенциал. Это приведёт к появлению на инверсном выходе триггера нулевого потенциала. Теперь, даже если снять нулевой потенциал с входа S, на выходе триггера останется единичный потенциал. То есть мы записали в триггер логическую единицу.

Точно так же можно записать в триггер и логический ноль. Для этого следует воспользоваться входом R. Так как активный уровень на входах триггера оказался нулевым, то эти входы — инверсные. Составим таблицу истинности RS-триггера. Входы R и S в этой таблице будем использовать прямые, то есть запись нуля, и запись единицы будут осуществляться единичными потенциалами (таблица 1).

Таблица 1. Таблица истинности RS-триггера.

R	S	Q(t)	Q(t+1)	Пояснения
0	0	0	0	Режим хранения информации (триггером) R=S=0
0	0	1	1
0	1	0	1	Режим установки триггера в единичное состояние S=1
0	1	1	1
1	0	0	0	Режим записи нуля в триггер R=1
1	0	1	0
1	1	0	*	R=S=1 запрещенная комбинация
1	1	1	*

Условно-графическое изображение RS-триггера на принципиальных схемах приведено на рисунке 4.

Рисунок 4. Условно-графическое обозначение RS-триггера

Для измерения логических уровней на выходе триггера чаще всего применяются логические пробники, в качестве которых в простейшем случае можно использовать светодиод с токоограничивающим резистором. В качестве источника логического сигнала можно применить механические тумблеры.

Т-триггер

Т-триггер или счетный триггер, срабатывает только по соответствующему фронту на тактовом входе, т. е. Т-триггеры бывают только тактируемые фронтом. Кроме тактового входа, Т-триггер может иметь один управляющий вход - Т-вход. Сигнал на этом входе разрешает (если Т=1) или запрещает (если Т=0) срабатывание триггера от фронтов импульсов, приходящих на тактовый вход. Для такого триггера Q_n= (QT+QT)_n-1. Из этого уравнения следует, что при Т=1 соответствующий фронт сигнала на тактовом входе переводит триггер в противоположное состояние (из нуля в единицу и наоборот). Частота изменения потенциала на выходе Т-триггера в два раза меньше частоты импульсов на его тактовом входе (при Т=1). Это свойство Т-триггеров позволяет строить на их основе двоичные счетчики. Поэтому эти триггеры и называются счетными. Если в Т-триггере отсутствует управляющий вход, то он срабатывает на каждый соответствующий перепад на тактовом входе, т.е. ведет себя как Т-триггер с управляющим входом при Т=1.

2. Операционные усилители. Примеры их использования.

Операционный усилитель (ОУ) — это малогабаритный (в интегральном исполнении отечественных серий К140, К544, К553, КР1040УД, КР1435 и др. и импортных серий AD8041, OP275, LM339 и др.) многокаскадный усилитель постоянного тока с непосредственными связями между каскадами и большим коэффициентом усиления.

Операционные усилители предназначены как для усиления электрических сигналов, так и для осуществления различных операций над сигналами: сложение, вычитание, логарифмирование и др. Такие усилители имеют дифференциальный высокоомный вход, высокий коэффициент усиления, низкоомный (сравнительно мощный) выход и сконструированы таким образом, что к ним могут быть подключены различные корректирующие цепи и цепи обратной связи.

Функциональная схема типового ОУ представлена на рис. 3.15, а, а его условное обозначение — на рис. 3.15, б.

Операционный усилитель имеет два входа: инвертирующий (И) и неинвертирующий (Н). Их название связано с тем, что в первом случае выходное напряжение находится в противофазе с входным, а во втором случае — в фазе с входным напряжением. Для питания ОУ обычно используют два разнополярных источника питания +U_n и –U_n или один биполярный источник, средняя точка трансформатора которого соединена с общей шиной, относительно которой измеряются напряжения +U_n и –U_n равные (±6,3)...(±15) В. Для получения нужных свойств к дополнительным выводам ОУ подключают звенья обратной связи. Подключив звено отрицательной обратной связи (ООС), состоящее из двух резисторов (делителя), например, R_oc = 1МОм и R₁ = 5 кОм, между выходом и инвертирующим входом, и соединив вход Н с общей точкой, получим инвертирующий усилитель (рис. 3.16, а), статическая амплитудная характеристика которого U_вых =f(U_вх) изображена на рис. 3.16, б. Максимальное значение напряжения U_{вых. max} = -K_и(U_вх1 – U_вх2) = (0,8…0,9)U_n , т. е. на 1...3 В меньше напряжения питания U_n

Схема неинвертирующего усилителя и его амплитудная характеристика U_вых (U_вх) изображены на рис. 3.16, в, г. Коэффициент усиления инвертирующего ОУ c ООС К_и.ос приближенно определяется отношением сопротивлений резисторов R_ос и R₁ звена ООС и не зависит от коэффициента усиления самого ОУ (К_и = 10⁵ ...10⁶ ). Без обратных связей ОУ не применяется из-за его практически бесконечного значения коэффициента К_и (для идеального ОУ К_и = ∞, R_вх = ∞,R_вых = 0)

Основные параметры ОУ:

1. коэффициент К_и ;

2. входное сопротивление R_вх = 10⁴ …10⁷ Ом;

3. выходное сопротивление R_вых = 10² Ом;

4. входное напряжение смещения нуля U_см (единицы милливольт);

5. частота единичного усиления f₁ (единицы и десятки мегагерц), т. е. частота, при которой К_и = 1;

6. скорость нарастания выходного напряжения (V = 0,1…100 В/мкс) от U_вых = 0 до U_вых = U_{вых. max} ;

7. время установления выходного напряжения (t_уст = 0,05…2 мкс) от U_вых = 0 до U_вых = U_{вых. max} ;

На основе ОУ строят функциональные узлы для выполнения различных матема􏰀 тических операций (рис. 3.17): повторитель (а), интегратор (б), дифференциатор (в), сумматор (г) и др. Кроме этого, операционные усилители часто используют при конструировании компараторов, генераторов гармонических колебаний и сигналов различной формы, избирательных усилителей, аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей и других устройств.

Билет № 2:

1. LC – генераторы гармонических колебаний: принципиальная схема, условия их самовозбуждения, уравнение частоты колебаний напряжения.

Простейший автогенератор с индуктивной связью (рис. 4.13, а) представляет собой однокаскадный усилитель на транзисторе VT, включенном по схеме с общим эмитте􏰀 ром, с нагрузкой в виде параллельного колебательного контура L_к С_к и цепи обратной связи, созданной обмоткой L_Б индуктивно связанной с индуктивным элементом L_к контура. Усилитель выполнен по схеме с фиксированным напряжением смещения делителем R_Б1 и R_Б2 и термостабилизирующей R_Э C_Э - цепью.

На вход усилителя через конденсатор C_Б , ёмкостное сопротивление которого на частоте генерации незначительно, поступает сигнал обратной связи, представленный ЭДС базовой обмотки L_Б . Коллекторный ток, появившийся в момент включения источника питания –U_n , заряжает конденсатор C_к, который затем разряжаясь на индуктивный элемент L_к , создает в контуре колебания с резонансной частотой

Эти колебания напряжения посредством индуктивной связи передаются на базу транзистора VT, вызывая колебания напряжения u_вх на входе усилителя и пульсации тока коллектора, которые, подпитывая - контур, восполняют активные потери энергии в нем. Чтобы колебания были незатухающими, нужно выполнить указанные выше два условия самовозбуждения.

Анализ электрического состояния усилителя показывает, что баланс фаз удовлетворяется, если амплитуда напряжения на контуре U_т.р равна и противоположна по фазе амплитуде выходного напряжения U_т.вых . Это возможно, если обмотка L_к включена таким образом, что фаза индуктируемой в ней ЭДС находится в противофазе с напряжением контура u_р , а напряжение u_вых в однокаскадном усилителе, как известно, противофазно напряжению u_вх. Очевидно, что фазы u_вх и u_вых сдвинуты на 180° + 180° = 360°.

Второе условие самовозбуждения — баланс амплитуд — сводится к тому, чтобы коэффициент усиления был больше или равен , т. е. .

Процесс возникновения, нарастания и установления колебательного режима удоб􏰀 но пояснить с помощью графика (рис. 4.13, б), где нанесены: — амплитудная характеристика собственно усилителя и — прямая, характеризующая обратную связь.

Условию на графике соответствует расположение кривой над прямой на участке 0а.

Пусть наличие колебания u_вх1 вызвало на выходе (в соответствии с кривой ) колебание u_вых1 , которое через ПОС создает на входе возросшее колебание u_вых2 , что вызовет дальнейшее увеличение выходного напряжения до тех пор, пока не будет достигнута точка a (см. рис. 4.13, б), в которой или . В точке а переходный процесс заканчивается и устанавливается стационарный режим гармонических коле􏰀 баний.