4. Содержание отчёта

Отчет должен быть выполнен аккуратно с соблюдением ГОСТ ЕСКД на принципиальные схемы.

Отчет должен содержать:

1. Принципиальную схему базового элемента ТТЛ (схема И-НЕ на два входа).

2. Принципиальную схему макета.

3. Все временные диаграммы в соответствии с заданием.

4. Построенные по временным диаграммам характеристики передачи для каждой исследуемой схемы формирователя.

5. Расчёт критического сопротивления для схемы рис.2.1.

6. Таблицы значений по результатам определений порогов ограничения, граничных частот, а также временных параметров выходных импульсов испытуемых схем.

7. Выводы по лабораторной работе, содержащие сравнение исследованных схем по структурам, по характеристикам , по граничным частотам.

5. Контрольные вопросы

1. Каков принцип действия базового элемента ТТЛ И-НЕ 155 серии?

2. Объяснить переходную характеристику базового элемента ТТЛ И-НЕ.

3. Что такое помехоустойчивость логического элемента И-НЕ?

4. Что такое режим симметричного и несимметричного ограничения?

5. Что такое критическое сопротивление?

6. Почему в схемах с положительной обратной связью характеристика «вход-выход» имеет гистерезисный характер?

7. От чего зависит длительность фронтов выходных импульсов в исследуемых схемах ограничителей и формирователей?

8. Как зависит граничная частота выходных импульсов от структуры схемы формирователя?

9. Почему характер гистерезисной зависимости может быть инвертирующего и неинвертирующего типа?

10. Возможно ли получение гистерезисных характеристик инвертирующего и неинвертирующего типов в одной и той же схеме?

Лабораторная работа №2

ИССЛЕДОВАНИЕ ИМПУЛЬСНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ НА ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМАХ

Целью лабораторной работы является изучение принципов построения генераторов прямоугольных импульсов на базе микросхем транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) серии К155 и исследование параметров некоторых конкретных схем генераторов, используемых в автоматических системах управления.

1. Краткие теоретические сведения

1.1. Общие характеристики импульсных генераторов и принципы их построения

Импульсным генератором называется устройство, преобразующее энергию источника питания постоянного напряжения в энергию электрических колебаний резко несинусоидальной формы, называемых релаксационными. В отличие от других импульсных устройств генераторы являются устройствами, не преобразующими электрические импульсы, а вырабатывающими их.

Импульсные генераторы делятся на генераторы прямоугольных, трапецеидальных, треугольных, пилообразных импульсов и импульсов специальной формы.

Генераторы прямоугольных импульсов формируют сигналы, имеющие участки с резко различающейся скоростью изменения напряжения (рис.2.10).

Рис.2.10

Выходное напряжение может принимать два значения: высокий уровень (“1”) и низкий уровень (“0”). На участках с уровнями “1” и “0” скорость изменения выходного напряжения незначительна. Переходы от уровня “1” к уровню “0” и обратно характеризуются очень высокой скоростью изменения напряжения.

Состояния, соответствующие интервалам времени с уровнями “0” и “1”, называются равновесными. Характер равновесного состояния является одним из критериев классификации генераторов прямоугольных импульсов. Равновесные состояния могут быть длительно устойчивыми и квазиустойчивыми (почти устойчивыми).

В длительно устойчивом состоянии устройство может находится сколько угодно долго. Вывести его из этого состояния равновесия и перевести в другое может только внешнее воздействие, например, поданный извне сигнал, называемый запускающим.

Квазиустойчивое состояние может существовать только конечное время, определяемое внутренними параметрами и структурой генератора. По истечении указанного времени устройство самостоятельно, без использования каких-либо внешних сигналов переходит в другое состояние равновесия.

В зависимости от характера состояний равновесия импульсные генераторы могут работать в трёх основных режимах: автоколебательном, ждущем и режиме синхронизации.

Автоколебательные генераторы после включения питания генерируют последовательность импульсов, параметры которых (амплитуда, частота, длительность, скважность)определяются только параметрами элементов схемы генератора. К этому классу импульсных генераторов относятся мультивибраторы.

Ждущие (заторможенные) генераторы вырабатывают импульсы, период повторения которых определяется периодом повторения запускающих импульсов (рис. 2.11), а параметры каждого импульса (амплитуда, длительность , форма) зависят только от параметров схемы генератора.

Рис.2.11

В режиме синхронизации генератор вырабатывает импульсы, частота которых равна или кратна частоте синхронизирующего сигнала. Поэтому такие генераторы часто используются в качестве делителей частоты.

Импульсные генераторы могут вырабатывать несколько последовательностей импульсов, сдвинутых относительно друг друга на некоторую произвольную величину, в общем случае не равную 180. Такие генераторы называются многофазными.

Генераторы с двумя взаимноинверсными выходами, импульсные последовательности на которых сдвинуты на 180относительно друг друга, называются парафазными.

Принцип построения генераторов прямоугольных импульсов основан на использовании усилителей - четырёхполюсников с положительной обратной связью или двухполюсников, вольтамперная характеристика (ВАХ) имеет падающий участок, обусловленный отрицательным дифференциальным сопротивлением. При этом быстро протекающие (лавинообразные, регенеративные) процессы формирования фронта и среза импульсов определяются параметрами активного четырёхполюсника, а сравнительно медленные процессы, связанные с формированием длительности импульсов и пауз между импульсами, определяются в основном параметрами специальных времязадающих (хронирующих) цепей, входящих в схему генератора. В четырёхполюсниках эти цепи являются элементами внешней положительной обратной связи.

В качестве времязадающих могут быть использованы RC-цепи (резистивно-ёмкостные) илиLC-цепи (индуктивно-ёмкостные), а также линии задержки и колебательные контуры. В большинстве генераторов импульсов в качестве времязадающих элементов используютсяRC-цепи, что объясняется их простотой и технологичностью изготовления.

Кроме времязадающих цепей, в состав импульсных генераторов входят следующие элементы: источники постоянного напряжения, пороговые элементы и ключи.

В однофазных генераторах времязадающая цепь используется для формирования как импульсов, так и паузы. В парафазных генераторах применяются две времязадающие цепи, одна из которых формирует импульс на одном выходе и соответственно паузу на втором (инверсном) выходе, а вторая, наоборот, формирует импульс на втором выходе и паузу на первом.

Процессы, протекающие в однофазном генераторе, можно представить в следующем виде. Под действием источника питания происходит запасание энергии (заряд) времязадающей цепи. Когда напряжение времязадающей цепи достигает порогового значения, срабатывает пороговый элемент и ключ переходит из одного состояния в другое, противоположное первоначальному. Начинается перезаряд накопительного элемента (конденсатора для RC-цепи) и когда величина заряда достигнет нового порогового значения, необходимого для изменения состояния ключа, схема возвращается в первоначальное состояние. После этого процесс повторяется.

В парафазных генераторах времязадающие цепи работают поочерёдно. В то время, как в одной из времязадающих цепей происходит изменение заряда, определяющее формирование импульса на первом выходе генератора и соответственно паузы на втором, накопительный элемент (конденсатор) второй времязадающей цепи подготавливается к рабочему циклу в следующем такте работы. Когда заряд на первой времязадающей цепи достигает порогового значения, происходит опрокидывание схемы и начинается изменение заряда во второй времязадающей цепи, а первая в это время восстанавливает своё исходное состояние.

В качестве времязадающих цепей используются классические RC-цепи (интегрирующие или дифференцирующие) или мостовые цепи. Мостовые времязадающие цепи применяются в генераторах повышенной стабильности, частота работы которых практически не зависит от изменения напряжения источника питания.

Генераторы прямоугольных импульсов делятся на автоколебательные мультивибраторы (МВ), ждущие мультивибраторы (ЖМВ) или одновибраторы (ОВ), и блокинг-генераторы (БГ). В мультивибраторах используются положительные обратные связи через RC-цепи. Блокинг-генераторы отличаются тем, что в них обратные связи организуются с помощью импульсных трансформаторов, что обуславливает специфику их работы и область применения.

1.2. Применение интегральных схем для реализации импульсных генераторов

Логические интегральные схемы (ИС) используются для создания генераторов импульсов прямоугольной формы с малой длительностью фронта. Такие генераторы целесообразно применять в тех случаях, когда остальная часть устройства также выполнена на ИС. В этом случае не возникает дополнительной задачи по согласованию уровней сигналов генератора и устройства.

В зависимости от конкретных условий применения к импульсным генераторам предъявляются различные требования: диапазон генерируемых частот, форма импульса, температурная и временная нестабильность, простота схемы, возможность регулирования частоты, экономичность и другие.

Если к устройству, в котором используется импульсный генератор, не предъявляются требования по обеспечению высокой стабильности и точности выходной частоты, то в этом случае применяют мультивибраторы или генераторы с использованием в качестве времязадающих элементов RC-цепи.

Рассмотрим некоторые конкретные схемы импульсных генераторов на ИС, исследуемые в лабораторной работе.

1.2.1.Кварцевый генератор

При использовании импульсных генераторов для управления цифровыми измерительными приборами (измерители частоты, таймеры, цифровые вольтметры и др.) предъявляются высокие требования по точности и стабильности частоты. В таких устройствах могут быть использованы импульсные генераторы, в которых стабилизация частоты осуществляется кварцевым резонатором.

В простейшем случае кварцевый резонатор представляет собой прямоугольный брусок из кварца, имеющий два вывода (рис.2.11).

Рис. 2.11

Электрическая схема замещения кварцевого резонатора, а также зависимость модуля сопротивления |Z| от частоты приведена на рис. 2.12а и 2.12б.

а	б
Рис. 2.12

Частота соответствует частоте последовательного резонанса между индуктивностьюLи ёмкостьюCи определяется по формуле:

.

При достижении частоты сопротивление резонатора резко уменьшается, достигая сопротивления, и становится активным. Активное сопротивление резонатораотображает наличие потерь при колебаниях пластины резонатора.

Частота соответствует частоте параллельного резонанса между ёмкостьюC₀и эквивалентной индуктивностью, которой можно заменить последовательную цепь(рис. 2.12а):

.

На частоте сопротивление резонатора становится активным и достигает большой величины.

Добротность кварцевого резонатора определяется по формуле и достигает величины (30...50)10³.

Таким образом, кварцевый резонатор с точки зрения воздействия на электрическую цепь представляет собой своеобразный контур с очень высокой добротностью. Очевидно, что такие контуры обладают значительно лучшими качествами в смысле потерь, чем электрические. Кроме того, они очень компактны и значительно стабильнее электрических LC-контуров при изменении температуры и во времени.

В связи с этим импульсные генераторы с применением кварцевых резонаторов не требуют дополнительных мер по стабилизации. Однако имеется ряд факторов, влияющих на изменение частоты кварцевых резонаторов:

1. Изменение питающего напряжения. Влияние питающего напряжения весьма незначительно. При изменении напряжения от 4 до 6 вольт частота изменяется не более чем на 210^-6В^-1. При изменении напряжения в пределах5% максимальное отклонение частоты составляет510^-7­В^-1.

2. Влияние температуры. На выходную частоту генератора влияет как температурная зависимость кварца, так и температурная зависимость остальных элементов генератора, в особенности конденсаторов.

3. Старение элементов. На частоту генератора существенное влияние оказывает старение элементов схемы, что приводит к изменению частоты во времени. Для высокочастотных генераторов рекомендуется проводить искусственное старение всех элементов схемы. В простейшем случае это осуществляется путём трёхкратного нагрева всех элементов схемы до 80С с последующим охлаждением. После такой обработки старение элементов не оказывает существенного влияния на частоту генератора по сравнению с другими дестабилизирующими факторами.

На рис.2.13, 2.14 и 2.15 приведены варианты схем кварцевых генераторов, реализуемых на элементах И-НЕ серии К155 (К155ЛА3).

Рис. 2.13

Рис. 2.14

C1 & DD1-1 & DD1-3 1 9 10 8 ZQ 3 2 1МГц & DD1-2 4 6 5 R2 R1 C2

Рис. 2.15

Для управления запуском генератора можно использовать один из входов элемента И-НЕ (рис.2.14): при подаче на управляющий вход высокого уровня сигнала (“1”) осуществляется запуск генератора, низкий уровень (“0”) останавливает процесс генерации.

1.2.2.Кольцевой генератор

В устройствах, не требующих высокой стабильности частоты, наиболее распространенным вариантом является схема кольцевого генератора (рис.2.16). Этот генератор запускается при включении питания. Кольцевой генератор может быть реализован на любом нечётном числе логических элементов (нечётное число инверсий). Обычно используют три инвертора. Частота генератора определяется суммарным временем задержки микросхем. При средней задержке инвертора 30нс частота генерации при использовании трёх инверторов, замкнутых в кольцо составляет 10 12 МГц.

C3 R3 R4 +5В +5В R5 Uупр.1 & DD2-1 1 & DD2-2 4 & DD2-3 9 & DD2-4 12 2 5 10 13 3 6 8 11

Рис. 2.16

Уменьшение частоты генератора можно осуществить двумя способами:

1) шунтированием одного из инверторов конденсатором или подключением интегрирующей цепочки;

2) подключением управляющего напряжения на шунтирующий конденсатор, второй вывод которого подключен к источнику питания. При изменении управляющего напряжения изменяется время перезаряда конденсатора, от которого зависит частота. Этот способ позволяет изменять частоту в большом диапазоне, причём соблюдается пропорциональность выходной частоты от управляющего напряжения.

Особенностью кольцевых генераторов является сдвиг напряжений по фазе на выходах инверторов, что позволяет применять их в качестве источника многофазных импульсных последовательностей.

Одним из недостатков кольцевого генератора является плохая стабильность частоты при изменении температуры (0.1% на 1С). Температурная нестабильность может быть частично компенсирована использованием конденсатора с положительным температурным коэффициентом.

Для плавного регулирования частоты и обеспечения постоянной скважности в такой тип генераторов вводят дополнительные цепи. Схемы таких генераторов рассмотрены в [1].

При проектировании генераторов с частотой свыше 12 МГц целесообразно использовать серии микросхем К130, К131 и другие.

Парафазный генератор, используемый в лабораторной работе, представлен на рис.2.17. Схема генератора построена на двух RS-триггерах, реализованных на элементах 2И-НЕ с перекрёстными связями. Частота генератора изменяется теми же способами, что и в кольцевом генераторе, то есть изменением ёмкости конденсатора С4 (рис.2.17) или изменением времени перезаряда конденсатора за счёт изменения управляющего напряжения.

Рис. 2.17

На рис.2.18 приведена схема генератора с “мягким” режимом самовозбуждения. В этом режиме рабочая точка инверторов перемещается по линейному участку передаточной характеристики за счёт постоянного смещения, подаваемого на вход. Смещение входного напряжения, обеспечивающее выход рабочей точки на линейный участок ТТЛ-элемента обеспечивается за счет резистора R9, подключенного между входом и выходом. Положительная обратная связь по переменному напряжению, необходимая для выполнения условий самовозбуждения генератора обеспечивается конденсатором С5.

+5В R9 R8 & DD4-1 1 & DD4-2 4 3 6 2 5 C5

Рис. 2.18

Для управления запуском генератора можно использовать один из входов первого элемента 2И-НЕ (рис.2.18), который подключается к управляющей схеме. При подаче на управляющий вход уровня логической “1” осуществляется запуск генератора, при подаче уровня логического “0” – остановка. В лабораторном макете на этот вход постоянно подаётся уровень “1” через резистор R8.

В устройствах, где необходимы высокая стабильность и возможность плавного изменения частоты, генераторы строят на ждущих мультивибраторах с перекрёстными связями. Для этой цели могут быть использованы, например, микросхемы К155АГ1 и К155АГ3. В лабораторном макете реализован генератор с использованием микросхем АГ3, схема которого приведена на рис.2.19.

Uупр.3

Рис. 2.19

Возможна различная организация взаимного запуска одновибраторов:

- по входу Bпервого одновибратора с инверсного выхода второго;

- по входу Aпервого одновибратора с прямого выхода второго;

- комбинированный запуск.

В лабораторном макете реализован второй вариант запуска.

Времязадающие цепи реализованы на резисторах R12,R13 и конденсаторахC6, С7 (рис.2.19).

Если параметры времязадающих цепей каждого одновибратора одинакова, то на выходе генератора последовательность импульсов имеющая скважностью равную 2. Изменение постоянной времени RC-цепочки одного из одновибраторов приводит к изменению не только частоты, но и скважности. Период следования выходных импульсов генератора на одновибраторах К155АГ3 определяется по эмпирической формуле:

,

где R1C1 иR2C2 – параметры времязадающих цепей первого и второго одновибраторов (R– в килоомах,C– в пикофарадах,T– в наносекундах). Например, для получения,можно использовать следующие комбинации параметров времязадающихRC-цепей

R1=R2, кОм	5	10	20	30	50
C1=C2, пФ	300	180	110	68	30

Для удобства изменения частоты генератора один или оба резистора делают переменными. Если оба переменных резистора расположены на одной оси (синхронное изменение), то меняется частота при неизменной скважности. Если один из резисторов постоянный, то при изменении сопротивления другого меняются частота и скважность.