КУРС лекций Электротехника, электронное / Курс лекций. Электротехника и электроника. РАЗДЕЛ 4. Электроника

где RC = τ – постоянная времени интегрирующего усилителя.

Логарифмирующий усилитель на ОУ

В логарифмирующих и экспоненциальных преобразователях на ОУ для получения требуемой функциональной характеристики используются свойства смещенного в прямом направлении p-n перехода диода или бипо- лярного транзистора. Такие преобразователи входят в качестве отдельных узлов в различные устройства, выполняющие математические операции. Логарифмирующие преобразователи применяются также для компрессии сигналов, имеющих большой динамический диапазон, например, звуковых сигналов, причем некоторые из них перекрывают динамический диапазон в 140 дБ или 7 декад.

Схема простейшего логарифмического усилителя показана на рисун-

ке 9.

Рисунок 9 - Логарифмический усилитель на ОУ

Для идеального ОУ имеем:

344

Если Uвх > 0 , то диод закрыт, отрицательная обратная связь разо- рвана, следовательно Uвых = −Uвых. max .

Простейший логарифмирующий преобразователь применяется редко из-за двух серьезных ограничений.

Во-первых, он очень чувствителен к температуре.

Во-вторых, диоды не обеспечивают хорошей точности преобразова- ния, так как зависимость между их прямым напряжением и током не совсем логарифмическая. Поэтому удовлетворительная точность в этой схеме мо- жет быть получена при изменении входного напряжения в пределах двух декад.

Лучшие характеристики имеют логарифмирующие преобразователи на биполярных транзисторах. В них используются один из п-р переходов транзистора.

Контрольные вопросы

1.Дифференциальный усилитель. Схема и основные параметры.

2.Операционный усилитель (ОУ). Амплитудная и частотная харак- теристики ОУ.

3.Основные параметры и классификация ОУ.

4.Идеальный ОУ. Линейные усилители на ОУ (инвертирующий и неинвертирующий усилители).

5.Сумматор, интегратор, логарифмирующий усилитель. Принцип работы схем. Расчет основных параметров.

345

Лекция 4.7 Цифровая электроника. Цифровые коды. Логические элементы. Триггеры. Делитель частоты. Счетчик импульсов

План лекции

1)Цифровые микросхемы. Логические элементы. Цифровые коды.

2)ТТЛ и КМОП микросхемы. Устройство и принцип работы.

3)Триггеры: RS - триггер; D - триггер; Т – триггер.

4)Делитель частоты на триггерах. Счетчик импульсов.

4.7.1Цифровая электроника. Цифровые коды. Логические элементы.

Цифровые микросхемы

До сих пор мы рассматривали электронные устройства, работающие с аналоговыми сигналами.

Электрический сигнал — это электрическая величина (например, на- пряжение, ток, мощность), изменяющаяся со временем.

Аналоговый сигнал — это сигнал, который может принимать любые значения в определенных пределах. Устройства, работающие только с аналого- выми сигналами, называются аналоговыми устройствами.

В природе практически все сигналы аналоговые, поэтому первые элек- тронные устройства были аналоговыми. Они преобразовывали физические ве- личины в пропорциональные им напряжение или ток, выполняли над ними ка- кие-то операции и затем выполняли обратные преобразования в физические величины. Например, голос человека микрофоном преобразуется в электриче- ские колебания, затем эти электрические сигналы усиливаются и с помощью акустической системы снова преобразуются в колебания воздуха, в более силь- ный звук.

Но аналоговая электроника имеет недостатки, связанные с самой приро- дой аналоговых сигналов. Они весьма чувствительны к действию всевозмож- ных паразитных сигналов — шумов, наводок, помех. Все это существенно ухудшает полезный сигнал. Каждое преобразование, каждое промежуточное хранение, каждая передача по кабелю или эфиру ухудшает аналоговый сигнал, иногда вплоть до его полного уничтожения. Кроме того со временем парамет- ры всех аналоговых устройств изменяются из-за старения элементов, поэтому характеристики этих устройств не остаются постоянными.

Современная электроника все в большей мере становится цифровой. Цифровой сигнал — это сигнал, который может принимать только два

значения. Обычно это 0 и 1, которые в булевской алгебре имеют значения «Ложь» и «Истина» соответственно. Причем разрешены некоторые отклонения от этих значений. Например, напряжение может принимать два значения: от 0 до 0,5 В (уровень нуля) или от 2,5 до 5 В (уровень единицы). Устройства, рабо-

346

тающие исключительно с цифровыми сигналами, называются цифровыми уст- ройствами.

В отличие от аналоговых, цифровые сигналы, имеющие всего два разре- шенных значения, лучше защищены от действия шумов, наводок и помех. Не- большие отклонения от разрешенных значений не искажают цифровой сигнал, так как всегда существуют зоны допустимых отклонений. Поэтому цифровые сигналы допускают гораздо более сложную и многоступенчатую обработку, более длительное хранение без потерь и более качественную передачу, чем аналоговые. Цифровые устройства меньше подвержены старению. Цифровые устройства проще проектировать и отлаживать. Все эти преимущества обеспе- чивают бурное развитие цифровой электроники.

Однако у цифровых сигналов есть и крупный недостаток.

Дело в том, что на каждом из своих разрешенных уровней цифровой сигнал должен оставаться хотя бы в течение какого-то минимального времен- ного интервала, иначе его невозможно будет распознать. А аналоговый сигнал может принимать любое свое значение бесконечно малое время. Поэтому ско- рость обработки и передачи информации аналоговым устройством всегда мо- жет быть сделана выше, чем скорость ее обработки и передачи цифровым уст- ройством. Кроме того, цифровой сигнал передает информацию только двумя уровнями и изменением одного своего уровня на другой, а аналоговый переда- ет информацию еще и каждым текущим значением своего уровня, то есть он более емкий с точки зрения передачи информации. Поэтому для передачи оди- накового объема полезной информации, чаще всего приходится использовать несколько цифровых сигналов (обычно от 4 до 16).

К тому же, поскольку в природе все сигналы аналоговые, для преобразо- вания их в цифровые сигналы и обратно требуется применение специальной аппаратуры (аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей). Так что ничто не дается даром, и плата за преимущества цифровых устройств мо- жет порой оказаться неприемлемо большой.

Цифровые технологии в основном используются в вычислительной тех- нике, прежде всего компьютерах, в различных областях электротехники, робо- тотехнике, автоматизации, измерительных приборах, радио- и телекоммуника- ционных устройствах и т. д.

Все цифровые интегральные микросхемы (ИС) имеют несколько общих основных параметров, которые следует рассмотреть.

1) Быстродействие. Определяется средним временем задержки включе- ния и выключения одного инвертора. По этому параметру все логические ИС

347

2) Потребляемая мощность. Ее принято оценивать средней мощностью потребляемой одним логическим элементом во включенном и выключенном состоянии. Обычно чем выше быстродействие ИС, тем выше и потребляемая мощность. Часто применяют параметр – работа на одно переключение. Для

первых поколений ИС этот показатель лежал в диапазоне (50 100) 10−12 Дж, сейчас – это (0,5 5) 10−12 Дж.

3) Помехоустойчивость. Оценивают наименьшим постоянным напря- жением, которое будучи добавлено к полезному сигналу вызовет ошибку. Эта величина для ИС разных видов колеблется от 0,1- 0,3 В до 2-3 В.

По функциональному назначению все цифровые ИС делятся на следую- щие виды:

-логические элементы;

-триггеры и устройства на их основе: счётчики; регистры;

-шифраторы и дешифраторы;

-цифровые компараторы (устройства сравнения двух цифровых кодов);

-мультиплексоры и демультиплексоры (устройства для распределения и сбора цифровых сигналов);

-сумматоры и полусумматоры;

-ключи (устройства для коммутации цифровых сигналов);

-АЛУ (арифметико-логические устройства);

-микропроцессоры и микроконтроллеры;

-модули памяти;

-ПЛИС (программируемые логические интегральные схемы).

Цифровые коды

Одиночный цифровой сигнал не слишком информативен, ведь он может принимать только два значения: нуль и единица. Поэтому в цифровой электро- нике применяется, главным образом, двоичный код для представления инфор- мации. При этом, обычно применяют несколько параллельных цифровых сиг- налов, называемых – параллельным кодом. В этом случае все эти сигналы должны рассматриваться только одновременно, каждый из них по отдельности не имеет смысла. В таких случаях говорят о двоичных кодах, то есть о кодах, образованных цифровыми (логическими, двоичными) сигналами. Каждый из логических сигналов, входящих в код, называется разрядом.

Чем больше разрядов входит в код, тем больше значений может прини- мать данный код. В отличие от привычного для нас десятичного кодирования чисел, то есть кода с основанием десять, при двоичном кодировании в основа- нии кода лежит число два (рисунок 1).

То есть каждая цифра кода (каждый разряд) двоичного кода может при- нимать не десять значений (как в десятичном коде: 0, 1,2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9), а всего лишь два значения — 0 и 1. А система позиционной записи остается та- кой же, то есть справа пишется самый младший разряд, а слева — самый стар-

348

ший. Но если в десятичной системе вес каждого следующего разряда в десять раз больше веса предыдущего разряда, то в двоичной системе (при двоичном кодировании) — в два раза. Каждый разряд двоичного кода называется битом (от английского Binary Digit — двоичное число).

Рисунок 1 – Десятичное и двоичное кодирование

В таблице 1, для примера, приведено соответствие чисел десятичной и двоичной системы в диапазоне от 1 до 19.

Таблица 1 – Соответствие чисел в двоичной и десятичной системах

Для работы с сигналами двоичного кода применяются цифровые эле- менты, реализующие действия алгебры логики. Эта часть математики названа булевой алгеброй по фамилии английского математика Д. Буля (рисунок 2).

Наиболее простые элементы цифровой электроники называют логиче- скими элементами. Именно в этой простоте и состоит их отличие от других микросхем. Как правило, в одном корпусе микросхемы может располагаться от одного до шести одинаковых логических элементов. Обычно каждый логиче- ский элемент имеет несколько входов (от одного до двенадцати) и один выход. При этом связь между выходным сигналом и входными сигналами (таблица истинности) предельно проста.

Логические элементы

Инверторы

Самый простой логический элемент — это инвертор (логический эле- мент НЕ, англ. - inverter). Инвертор выполняет простейшую логическую функ- цию — инвертирование, то есть изменение уровня входного сигнала на проти- воположный. Инвертор имеет всего один вход и один выход. На рисунке 3 по- казаны условные обозначения инвертора, принятые у нас и за рубежом, и пред- ставлена таблица истинности инвертора.

а б в Рисунок 3 – Инвертор: а – отечественное обозначение по ГОСТ 2.743-91;

б – зарубежное обозначение; в – таблица истинности инвертора

В одном корпусе микросхемы обычно бывает шесть инверторов. Отече- ственное обозначение микросхем инверторов — «ЛН». Примеры: КР1533ЛН1

— шесть инверторов с выходом. Существуют также инверторы с повышенным выходным током (ЛН4) и с повышенным выходным напряжением (ЛНЗ, ЛН5).

Две основные области применения инверторов — это изменение поляр- ности сигнала и изменение полярности фронта сигнала. То есть из положи-

350

тельного входного сигнала инвертор делает отрицательный выходной сигнал и наоборот, а из положительного фронта входного сигнала — отрицательный фронт выходного сигнала и наоборот. Еще одно важное применение инвертора

— буферизация сигнала (с инверсией), то есть увеличение нагрузочной спо- собности сигнала. Это бывает нужно в том случае, когда какой-то сигнал надо подать на много входов, а выходной ток источника сигнала недостаточен.

Повторители и буферы

Повторители и буферы отличаются от инверторов, прежде всего тем, что они не инвертируют сигнал, рисунок 4,а и 4,б. Зачем же тогда они нужны?

Во-первых, они выполняют функцию увеличения нагрузочной способ- ности сигнала, то есть позволяют подавать один сигнал на много входов. Для этого имеются буферы с повышенным выходным током, например ЛП16 (шесть буферных повторителей).

Рисунок 4 – Повторители и буферы: а – отечественное обозначение по ГОСТ 2.743-91 (слева обычный повторитель, справа – с Z –состоянием выхода); б – зарубежное обозначение; в – включение светодиодов; г – таблица

истинности повторителя

Типичное применение буферов, связанное с их большими выходными токами - это светодиодная индикация. Светодиоды могут подключаться к вы- ходу буферов двумя основными способами (рисунок 4, в). При первом из них (слева) светодиод горит, когда на выходе сигнал логической единицы, а при втором (справа) - когда на выходе ОК сигнал логического нуля. Сопротивление резистора R выбирается исходя из характеристик светодиода, но обычно со- ставляет порядка 1 кОм.

Во-вторых, большинство буферов имеют выход с тремя состояниями: «0», «1» и отключенное состояние. Это — пассивное состояние, в котором вы- ход можно считать отключенным от последующей схемы. Оно называется

351

также Z-состоянием. Для перевода выхода в третье Z-состояние используется специальный управляющий вход, обозначаемый ОЕ (Output Enable — разре- шение выхода) или EZ (Enable Z - state — разрешение Z - состояния).

Такой выход буферов позволяет использовать их для получения двуна- правленных линий или для мультиплексирования сигналов. В этих линиях можно к одному проводнику подключать несколько входов или выходом ИС, что позволяет упрощать соединения на печатной плате.

Логические элементы И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ

Следующая группа микросхем - это элементы, выполняющие простей- шие логические функции. Объединяет все эти элементы то, что у них есть не- сколько равноправных входов (от 2 до 12) и один выход, сигнал на котором оп- ределяется комбинацией входных сигналов.

Самые распространенные логические функции, выполняемые такими элементами, — это И (в отечественной системе обозначений микросхем — ЛИ), И-НЕ (обозначается ЛА), ИЛИ (обозначается ЛЛ) и ИЛИ-HE (обозначает- ся ЛЛ). Присутствие слова НЕ в названии элемента обозначает только одно - встроенную инверсию сигнала. В международной системе обозначений ис- пользуются следующие сокращения: AND — функция И, NAND — функция И-НЕ, OR — функция ИЛИ, NOR — функция ИЛИ-НЕ.

Название самих функций И и ИЛИ говорит о том, при каком условии на входах появляется сигнал на выходе. При этом важно помнить, что речь в дан- ном случае идет о положительной логике, о положительных, единичных сигна- лах на входах и на выходе.

Таблица 2 - Таблица истинности двухвходовых элементов И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ

Элемент И формирует на выходе единицу тогда и только тогда, когда на всех его входах (и на первом, и на втором, и на третьем и т. д.) присутствуют единицы. Если речь идет об элементе И-НЕ, то на выходе формируется нуль, когда на всех входах единицы. Цифра перед названием функции говорит о ко- личестве входов элемента. Например, 8И-НЕ — это восьмивходовой элемент И с инверсией на выходе.

Элемент ИЛИ формирует на выходе нуль тогда и только тогда, когда хо- тя бы на одном из входов присутствует единица (или на первом, или на втором, или на третьем и т. д.). Элемент ИЛИ-НЕ дает на выходе нуль при наличии хо- тя бы на одном из входов единицы. Пример обозначения: 4ИЛИ-НЕ — четы-