Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Белицкий В.И. Коммутаторы каналов радиотелеметрических систем учебное пособие

.pdf
Скачиваний:
14
Добавлен:
29.10.2023
Размер:
4.98 Mб
Скачать

31

При проектировании полупроводниковых распределителей им­ пульсов обычно задаются следующие исходные данные:

-

число выходов N

;

 

-

частота коммутации

FK ;

-

параметр выходного

сигнала (напряжение ^ вых* мощность

в нагрузке Рн или ток

в нагрузке Рн );

-

температурный диапазон работы распределителя.

Расчет матричного распределителя может быть произведен в следующем порядке:

1.Определение числа триггерных ячеек.

2.Составление функциональной схемы матрицы.

3. Расчет триггера.

4.Расчет матрицы.

§ I . I. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧИСЛА ТРИГГЕРНЫХ ЯЧЕЕК

Число выходов распределителя импульсов в матричной схеме определяется выражением

N =

2 n,

( I .I )

отсюда число триггерных ячеек

п

находится следующим образом:

 

п-ЩгЫ.

( 1 .

При заданном N

величина а

определяется округлением до

ближайшего большего

числа.

 

 

В ряде случаев

число каналов

N может существенно отличать­

ся от любого из чисел 2 я . При этом между соседними тактами

коммутации образуется "мертвая зона" времени', в которое датчи­

ки телеметрической системы на опрашиваются, а коммутатор рабо­

тает. Следовательно, техническая эффективность системы,

снижав

ется.

 

 

 

Устранить этот

недостаток можно введением в цепочку

триг­

герных ячеек обратных связей.

Известно, что обратные связи, введенные в переечетную схе­ му, могут изменить коэффициент пересчета [4] . Например, на рис.1.5 приведена цепочка из трех триггеров, в которой коэффи­ циент пересчета уменьшен с 8 до 5.

Поэтому число

выходов N ,

отличное от чисел 2 Л , целесо­

образно разделить

на множители

таким образом, чтобы каждый из

.0-д

3 2

“•

Г~1 g

множителей можно было реализовать на несколь­ ких триггерных ячейках.

Например, при N = 35

достаточно цепочку из шести триггеров разде­ лить на две группы яче­ ек по три триггера в каждой и обратные свя­ зи ввести таким образом,

чтобы коэффициенты пере­ счета равнялись 5 и 7.

В отсутствие обратных сзязей для опроса 35 дат-

чинов матричный распре-

делитель на шести триг-

герных ячейках имел бы

"мертвую зону" в 29 ка­ нальных интервалов, а

на 5 ячейках смог бы опросить, только 32 дат­ чика из 35.

Если же число N на элементарные множители не делится, следует про­ ектировать распредели­ тель на ближайшее к за -..

данному числу выходов так, чтобы это число можно было разделить

33

на элементарные множители. В этом случае "мертвая зона" времени будет сведена к минимуму.

§ 1 .2 . СОСТАВЛЕНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СШИ МАТРИф

Как было указано выше, при числе выходов N , превышающем 8, матричный распределитель целесообразно проектировать по схеме

с многоступенчатой матрицей.

Структура этой матрицы может быть

определена следующим образом.

 

 

 

Все триггерные ячейки, входящие в цепочку

распределителя,

делятся сначала на две группы

по j

триггеров

в каждой (если

число п нечетное, в одной из

групп

будет на

одну ячейку боль­

ше). Затем каждая из полученных групп таким же образом делится на подгруппы. Процесс деления продолжается до тех пор, пока число триггерных ячеек в подгруппе не станет равным 2 или 3.

Для каждой из элементарных подгрупп с 2 - 3 триггерными ячейками образуются одноступешатые матрицы с 4 - 8 выходами. Образованные таким образом многофазные генераторы импульсов питают импульсным напряжением матрицы второй ступени. Число выходов матрицы второй ступени равно произведению чисел вы­ ходов присоединенных к ней многофазных генераторов импульсов первой ступени, или 2 , где т - суммарное число триггерных ячеек, входящих в многофазные генераторы. Затем выходы мат-

Рис.1.6

рйц второй ступени объединяются в матрицах третьей ступени и т .д . Пример матричного распределителя импульсов параллельного

34

типа с тремя ступенями матриц приведен на рис.1.6. Матрицы на рисунках изображены в виде квадратов, в которее вписаны числа, указывающие на количество выходов матрицы данной ступени.

t

§ 1 .3 . РАСЧЕТ МАТРИЩ

Матрица распределителя импульсов состоит из диодно-реостат­ ных логических схем И, каждая из которых имеет 2-3 входа. Диод­ но-трансформаторные логические схемы И,хотя и имеют больший ко­ эффициент передачи и обладают большим быстродействием, в мат­ ричных распределителях не применяются главным образом из-за больших весов и стоимости, а также сложности расчета, изготов­ ления и наладки.

 

 

Диодно-реостатные логические

 

 

схемы И могут работать на отпира­

 

 

ние и запирание. Схема, работаю-,

 

 

щая на запирание, представлена

 

 

на рис.1.7. Если оба диода или

 

иеых

один из

них открыт,

выходное на­

 

 

пряжение

USblxпри

 

 

 

 

 

( R-l - сопротивление

источника

 

 

сигнала Ugx , Rgnp-

прямое

со­

 

 

противление диода)

близко

к

 

 

нулю. Для того чтобы на выходе

 

 

появился сигнал, необходимо,

 

 

__чтобы оба диода оказались запер­

 

 

тыми, С этой целью на оба входа

 

 

схемы

необходимо

подать поло­

 

 

жительные импульсы, амплитуда ко­

 

 

торых превышает величину напря­

 

 

жения £

. При условии,

что

сопро­

тивление Р много меньше сопротивления нагрузки

Р„

и обратно­

го сопротивления диода

Р, г , на выходе появится

напряжение,

йлш ш е к Е , .

>,Sf

 

 

 

 

 

Следовательно, при проектировании .диодной матрицы необхо­

димо стремиться к удовлетворению неравенств:

 

 

 

 

 

*дпр +

 

 

 

(1.3)

^добр

Вн >

( 1 .4 )

35

 

Usxj ^ Eo >’

(1.5)

 

 

 

 

(1.6)

В распределителях импульсов рассматриваемого типа для мат­

рицы первой ступени внутреннее сопротивление

представляет

собой выходное сопротивление триггерной ячейки,

a Ugx - ампли­

туду ее выходного

напряжения. Очевидно, что при идентичности

триггерных ячеек

Ugx1= U6aZ .

 

Более строгий расчет логических схем И приведен в главе ТУ.

§1.4. РАСЧЕТ ТРИГГЕРНОЙ ЯЧЕЙКИ

Вматричных распределителях импульсов применяются симмет­ ричные триггеры, работающие в режиме счетного запуска. Исход­ ными данными для расчета триггера являются его выходное напря­ жение USblx, максимальная рабочая температура t°max и предельная частота запускающих импульсов F3an пр , определяемая как произ­ ведение числа каналов N на частоту коммутации FK :

Fun- np-NF' . (1.7)

Запускающие импульсы подаются от синхронизатора радиотелеметрической системы на вход первой триггерной ячейки. Последую­ щиетриггеры запускаются импульсами, полученными от дифференци­ рования выходных сигналов предыдущих триггеров. Поэтому часто­ та запускающих импульсов на входе триггера снижается по мере увеличения его порядкового номера. Следовательно, наиболее вы­ сокие требования по быстродействию предъявляются к первой триг­ герной ячейке. Наибольшее распространение в распределителях им­ пульсов находит триггер с внешним смещением (рис.1 .8 ). Инженер­ ный расчет такого триггера может быть произведен до следующей методике.

I . По заданному значению выходного напряжения выбираются напряжения источника питания Ек и базового смещения Eg . Тран­ зисторы в триггере обычно работают вне активной области вольтамперных характеристик (в режиме отсечки и насыщения). Такой режим работы обеспечивает более высокую стабильность схемы и максимальное использование источника питания. При работе триг­ гера в режиме насыщения величины напряжений источников питания должны удовлетворять следующим соотношениям:

36

 

Ек = 0 ,1- 1,2 )11^ ;

( 1. 8)

ES^ (0,1- 0,2)E ^ 26.

( 1. 9)

2.Исходя из заданной максимальной частота запуска тригг

ра Езаппрш определенного по формуле (1 .8) напряжения Ек , вы­ бирается транзистор. Максимально возможная частота переключе­ ний триггера определяется длительностью фронтов импульса на выходе схемы. Фронта выходного импульса триггерной ячейки тем короче, чем больше величины граничной частоты транзистора f , допустимого напряжения на коллекторе Цк доп и коэффициента уси­ ления по току р .

Расчет переходных процессов при счетном запуске триггера показывает, что в ненасыщенном режиме при оптимальных парамет­ рах схемы и запускающего импульса можно добиться предельной частоты запуска триггера

В реальных условиях всех этих условий выполнить не удает­ ся и практически при счетном запуске

^загипр^ №

.

(1.11)

Следовательно, транзистор триггера должен удовлетворять требованиям:

V ' 5F3anpj>r5NFK (I.I2 )

U я

£

*

(I .I3 )

доп

 

 

Следует заметить, что при использовании транзисторов с £ >10 Мгц быстродействие триггера в сильной степени зави­ сит от величины коллек­ торной емкости Ск и пас­ сивных элементов схемы. Поэтому неравенство

( I . 12) хотя и выполня- . ется, но не может слу­

жить основанием для выбора транзистора. Расчет величины F3an пр применительно к триггерам на транзисторах с ^ ^ 10 Мгц приве­ ден в [iO, 24].

 

 

 

 

37

 

 

 

3.

Определяется величина

сопротивления

Рг . Для того чтобы

один из транзисторов был заперт, его базовый ток, создаваемый

источником смещения

Еs

и равный ^ ,

должен быть больше обрат­

ного коллекторного

тока

1Х0 .

Величина I к0 существенно возраста­

ет с увеличением температуры:

 

 

 

 

 

 

 

 

t -го0

 

 

 

1*0мах = 1*020° ? 01

>

( 1*14)

где 1когоо -

обратный

ток при

=

20°. Его значение берется из

 

справочников;

 

 

 

 

 

СУ -

коэффициент,

равный 9

для германиевых и 16 для крем­

 

ниевых транзисторов.

 

 

 

Исходя из этого, величина сопротивления Рг

должна удовлет­

ворять неравенству:

 

 

 

 

 

 

 

 

р <

Ef

 

 

( I . I 5)

 

 

 

дгОмах

 

 

 

4. Для-того чтобы другой транзистор находился в режиме на­ сыщения, величины сопротивлений и Р1 должны удовлетворять требованиям:

 

Е* «г р

ЕкРг(р 1) т ы

Х_м

л *).

( I . I 6)

 

Кдоп

*

 

Eg

 

Е g

)

 

 

 

 

Р " 7Г «

 

 

(I .I7 )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Е Л

/

 

 

 

Здесь I KSon_ - максимально доцветимый коллекторный ток тран­

зистора (берется из справочных данных).

 

 

 

 

5.

Ускоряющие емкости

С, в общем случае ввиду

сложности

процесса переброса не рассчитываются, а выбираются так, чтобы

выполнялось неравенство

 

 

 

 

 

 

 

 

 

у

»

 

 

 

( I» 18)

 

 

 

Ъап.пр

 

 

 

 

 

где ^ зап -

длительность

запускающего импульса.

 

 

 

При счетном запуске триггера для расчета

емкости

С1

мож­

но пользоваться ориентировочной формулой

 

 

 

 

 

1

f p

 

 

6.

 

'at

 

тр и ггер , состоящая из дио

Рассчитывается цепь запуска

дов Д и дифференцирующей цепи

Р Ci

. Диоды Д должны иметь ма­

лые прямое сопротивление Р3

и паразитную емкость р -п пере­

хода Сд

и большое обратное сопротивление Рдд5р . Обычно в це­

пях запуска используют точечные диоды типа jig, Дд и Дд.

Постоянная времени цепи запуска

Сг

должна быть выбрана

такой, чтобы к концу самого короткого периода запускающих им­ пульсов все переходные процессы в цепи запуска закончились. Нормальным для триггера считается соотношение

Щ С ^ - т г — ,

(1.20)

ап. пр

 

Цепь запуска С~ Rf является нагрузкой триггерной ячейки. Поэтому величина сопротивления должна выбираться таким об­ разом, чтобы триггер нагружался не очень сильно. Для этого не­ обходимо потребовать выполнения неравенства

Р }» 2 Р К.

(I .2 I)

 

На этом расчет триггерной ячейки заканчивается.

По определенным параметрам схемы можно рассчитать следую­ щие основные рабочие характеристики триггера:

I . Амплитуду импульса на выходе:

Z b

( 1. 22)

р +р

 

2. Длительность фронтов импульса, которые важно знать для определения быстродействия электронного коммутатора:

<р ^зап + ^аг ^^

7-

0,2

(1.23)

 

С, К,

 

 

 

‘Cj.p — 2,ЗЯКС1

(1.24)

 

3. Параметры необходимых запускающих сигналов:

 

 

39

 

 

( 1 .2 6 )

где I 5

Е

Е

 

- - Q - - гок базы открытого транзистора;

-коллекторный ток открытого транзистора.

Враде случаев в распределителе импульсов может использо­ ваться триггер с автосмещением (см .рис.1 .3 ).Расчет такого триг­ гера не отличается от приведенного выше. В этом случае напря­

жение источника питания Е'к д о л ж н о быть:

(1.27)

Сопротивление автосмещения R3 рассчитывается по формуле

U .28)

ь к~^5

Для того чтобы напряжение, создаваемое на сопротивлении Р эмиттерными токами открытых транзисторов, за время переключе­ ния схемы не менялось, а также для улучшения чувствительности триггера к запуску сопротивление R3 шунтируется емкостью Сд , которая, исходя из сказанного, должна удовлетворять неравенству

с ,* * v

f

"

 

1зап.пр

 

..Следует отметить, что

большинство расчетных формул, приве­

денных выше, представляют

собой неравенства. Степень удовлетво­

рения этих неравенств существенно влияет на рабочие характери­ стики триггера (быстродействие, нагрузочную способность, чувст­ вительность к запуску и д р .). Для каждой из них существует свое оптимальное соотношение параметров триггера. Одновременное удов­ летворение всем поставленным требованиям невозможно. Поэтому при проектировании триггерных схем следует в первую очередь стремиться получить оптимальное соотношение параметров для тех характеристик триггера, которые для данного случая являются наиболее важными. При этом целесообразно пользоваться табл.1.1, содержащей рекомендации но выбору параметров триггера.

Если в таблице стоит "Меньше", значит целесообразно выби­ рать -наименьшее значение параметра; если "Больше" - наибольшее. Знак "?" означает двойственность ответа.

При расчете необходимо также учитывать зависимость ноэффи-

 

 

 

 

40

 

 

 

 

циента усиления транзистора

р

от величины коллекторного тока

. На практике

обычно выбирают в качестве расчетного парамет­

ра величину р ,

равную 0,5

-

0,7 от величины р мин, приводимой

в справочных данных*

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Т а б л и ц а

I . T

Характери-

 

 

 

Параметры триггера

 

Параметры

 

 

 

 

 

 

стики триг­

 

 

Параметры

схемы

 

 

гера

транзисто­

 

 

 

 

 

ров

 

 

 

 

 

 

 

 

4

Р

 

в.

 

 

Ef (R,)

 

Быстродействие

Боль­

Боль­

 

Мень­

 

Боль­

Мень­

Боль­

 

 

ше

ше

 

ше

 

ше

ше

ше

Нагрузочная

Боль­

Боль­

 

Мень­ Мень­ Боль­

Мень­

Боль­

способность

ше

ше

 

ше

ше

ше

ше

ше

Чувствитель­

Боль­

Мень­

 

Мень­ Боль­ Мень­

Боль­

Мень­

ность .........

ше

ше

 

ше

ше

ше

ше

ше

Стабильность

Боль­

Боль­

 

Боль­ Мень­ Боль­

Мень­

Боль­

 

 

ше

ше

 

ше

ше

ше

ше

ше

§

1 .5 . ПРИМЕР РАСЧЕТА МАТРИЧНОГО РАСПРЕДЕЛИТЕЛЯ ИМПУЛЬСОВ

 

Пусть требуется рассчитать матричный распределитель импуль­

сов

на 39 выходов, имеющий максимальную частоту

коммутации

FK= 20 кгц, выходной импульс амплитудой 4в и предназначенный

для работа в диапазоне температур до'60°С.

 

 

 

 

Расчет распределителя проводится следующим образом.

 

 

1. Определяется число триггерных ячеек п .

Так как

N= 39,

а это число не разлагается на элементарные множители, реали­ зуемые на триггерных ячейках,целесообразно проектировать рас­ пределитель на А/ = 40 = 23*5. Такой распределитель импульсов может быть реализован на 6 триггерных ячейках, три из которых имеют коэффициент пересчета, равный 8, а в остальные три вво­ дится обратная связь таким образом, чтобы коэффициент пересче­ та равнялся 5 (например так, как показано на рис.1 .5 ).

2. Составляется функциональная схема матрицы. Очевидно, в данном случае целесообразно использовать двухступенчатую мат­ рицу, в которой две матрицы первой ступени имеют 8 и 5 выхо­ дов соответственно (рис.1 .9 ).

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ