9

Практическое занятие 3 Введение в техническую интерпретацию на электронных компонентах

§1 Параметры импульсов

Для подготовки к технической интерпретации на электронных компонентах требуется ознакомление с их техническими характеристиками. Известно, что на входе и на выходе электронных компонентов, относящихся к импульсным устройствам, присутствуют электрические сигналы в виде импульсов с перепадами напряжений (потенциалов) или тока [1].

На практике используются импульсы разнообразной формы: прямоугольной (Рис.4a.), трапецеидальной (Рис.4b.), пилообразной (Рис.4c.), остроконечной (Рис.4d.) и др.

Рис.4 Формы импульсов.

Форма импульса (Рис.5) характеризуется следующими основными параметрами: амплитудой (максимальным значением) U_m, начальным значением E⁰, длительностью импульса t_и, длительностью фронта t_ф, длительностью среза t_с, длительностью вершины t_вер, снижением вершины U.

Рис.5 Физические параметры идеализированного импульса.

Понятие временных параметров импульса (t_и, t_ф, t_с, t_вер) имеет точный смысл только при идеализированной форме импульса (Рис.5). При определении временных параметров реального импульса (Рис.6) пользуются условными уровнями, отнесенными к амплитуде импульса aU_m.

Рис.6 Физические параметры реального импульса.

Обычно принят уровень отсчета a=0,1; это означает, что длительность фронта измеряется в интервале изменения напряжения 10—90% от амплитуды импульса; однако в некоторых случаях принимается a=0,05 или a=0,01.

Наряду с перечисленными параметрами используются и некоторые другие количественные характеристики импульсов, в частности крутизна фронта (т.е. скорость изменения напряжения при формировании фронта или среза).

Часто приходится иметь дело с последовательностью периодически повторяющихся импульсов. Такая последовательность характеризуется скважностью , коэффициентом заполнения и частотой повторения f:

=/t_и, =1/=t_и/, f=1/=1/t_и,

где, — период повторения импульсов.

Основными параметрами перепада напряжения (тока) (Рис.7) является его амплитуда U_m и длительность фронта (или среза) t_ф; при использовании в качестве потенциального сигнала перепада напряжения он характеризуется двумя стационарными уровнями — низким E⁰ и высоким E¹.

Рис.7 Амплитудные и временные параметры импульса.

Наряду с сигналами (импульсами, уровнями напряжения), параметры которых являются аналоговыми (от гр. , соответственный, соразмерный — непрерывный, неделимый на отдельные части); величинами (т.е. обладающие способностью принимать бесконечное множество значений), здесь рассматриваютсяцифровые дискретные (лат. discretus — прерывистый, состоящий из отдельных частей) сигналы, параметры которых могут принимать лишь фиксированные значения, принадлежащие некоторому конечному множеству. Отдельные элементы этого множества могут быть закодированы цифрами (отсюда и название этих сигналов); в большинстве случаев таких элементов только два.

Уровни напряжения (потенциалы) и импульсы могут быть закодированы в двоичной системе счисления цифрами 0 и 1: низкий потенциал или отсутствие импульса кодируется нулем, высокий потенциал или наличие импульса кодируется единицей. Такое кодирование сигналов обычно называют положительным. Естественно, что допускается (и реально используется) также обратное кодирование — отрицательное.

Важно подчеркнуть, что 0 и 1 являются лишь информационными значениями сигналов и не характеризуют их реальных значений. Если обозначить информационное значение сигнала u через x, то можно записать, что x=0 при u=E⁰ и x=1 при u=E¹.

С помощью цифровых сигналов можно кодировать аналоговые сигналы, например, непрерывно изменяющееся напряжение или временные интервалы. Идея цифрового кодирования аналоговой функции f(t) иллюстрируется на Рис.8.

Рис.8 Иллюстрация возможности кодирования аналоговой функции.

Непрерывная функция f(t) заменяется совокупностью ее значений — выборками — f(t_i), взятыми в дискретные моменты времени t_i, i=0, 1, 2,... (как известно, если частотный спектр функции f(t) ограничен величиной , то согласно теореме Котельникова [2] функция f(t) может быть восстановлена по выборкам f(t_i), взятым через интервал дискретизации — t_д=1/2).

Каждая выборка f(t_i) квантуется по уровню, и чем меньше шаг квантования h, тем точнее можно представить значения выборок. В простейшем случае бинарного квантования число уровней равно двум, и они кодируются символами 0, 1. Вообще же число уровней квантования бывает много больше, например, 8—12, и тогда можно достаточно точно кодировать цифровыми сигналами аналоговые сигналы, изменяющиеся в широком диапазоне уровней.

Во многих устройствах и, прежде всего в цифровых, в которых формируются и преобразуются дискретные сигналы, их значения могут изменяться только в результате изменения некоторых управляющих сигналов. Это значит, что изменения токов и напряжений в устройстве могут начинаться в дискретные моменты времени t₁, t₂, ..., t_n, t_n+1, ..., определяемые моментами изменения того или иного управляющего сигнала (Рис.9).

Рис.9 Дискретные параметры импульса.

Совокупность моментов времени t_n, которые могут быть равноотстоящими или произвольными, составляют дискретное время.

В связи с этим, условимся символом обозначать информационное значение сигнала x в i-той точке устройства на n-м интервале, т.е. в интервале t_nt<t_n+1, где t — текущее время.

Для построения импульсных и цифровых устройств используется элементная база, включающая как линейные элементы (линейные электрические цепи с сосредоточенными и распределенными параметрами, операционные усилители и т.д.), так и нелинейные элементы, — прежде всего логические, или ключевые. И те, и другие элементы могут быть реализованы как на интегральных схемах (ИС) различного типа, так и на дискретных компонентах. В современных импульсных устройствах широко применяются одновременно и ИС, и дискретные компоненты. Далее рассмотрим основные принципы функционирования и схемотехнику электронных компонентов ЭВМ.