2. Імпульсні схеми на логічних елементах.

2.1. Загальні відомості.

На базі логічних елементів (ЛЕ) різних технологій можна будувати практично всі відомі на сьогодні малої та середньої потужності пристрої імпульсної та цифрової техніки, тобто перетворювачі обох класів.

Серед найбільш використовуваних розглянемо лише такі цифрові пристрої, які за такими властивостями, як простота реалізації, економічність, надійність тощо, найефективніше будувати власне на ЛЕ. При цьому розглядатимемо конкретні практичні схеми, які можна зразу реалізувати для дослідження у лабораторному практикумі або в інженерній та радіоаматорській справі. Мета цього невеличкого підбору схем – не лише показати, як з окремих елементарних “цеглинок” (простого ЛЕ, що тут розглядається як “чорний ящик”) можна будувати складні пристрої, а й для того, щоб дати студентам можливість проявити себе у схемотехнічному проектуванні.

Характерною особливістю принципу побудови ряду пристроїв першого класу є використання так званих регенеративних та релаксаційних (перехідних) процесів, які зумовлені комутацією реактивного елемента – конденсатора (найчастіше) або котушки індуктивності. Реактивний елемент комутується переважно за допомогою діодів чи транзисторів, що працюють у ключовому режимі, а також за допомогою самих ЛЕ. Схеми перемикання служать для під’єднання реактивного елемента, наприклад, RC-або CR-кола, або до джерела енергії (живлення) для накопичення енергії, тобто для заряду конденсатора або для передачі накопиченої енергії у коло навантаження.

Процеси перемикання повинні змінюватися стрибкоподібнo, тобто регенеративнo. Їх тривалість зумовлює формування фронту та зрізу імпульсу. Після завершення регенеративного процесу настає релаксаційний процес, тобто самовільний процес переходу схеми до початкового (або до нового) стану стійкої рівноваги. Отже, стала часу, зокрема RС- або CR-кола, буде визначати часові та амплітудні параметри імпульсних сигналів. Такі кола називаються часозадавальними першого порядку.

Виходячи із загальних принципів утворення релаксаційних процесів, можна визначити тривалість імпульсу, що сформований у часозадаючих колах регенеративними процесами. Якщо імпульс утворений наростаючим релаксаційним процесом, його тривалість можна визначити у точках і цього процесу (рис.2.1, крива ) як різницю, а саме

, (2.1)

де – значення напруги, до якої прямує релаксаційний процес; – значення напруг, які відповідають початку та кінцю відрізка процесу, протягом якого формується імпульс; – стала часу релаксаційного процесу.

Рис. 2.1. Релаксаційні процеси.

При формуванні імпульсу під час загасаючого (експоненціального) релаксаційного процесу його тривалість при буде визначатись як

(2.2)

Зупинимось спочатку на найпростіших цифрових пристроях першого класу, а саме – на перетворювачах фізичних (аналогових) сигналів у сигнали із стандартними (логічними) параметрами. Розглянемо групу формувачів імпульсних сигналів та генератори імпульсів.

2.2. Формувачі імпульсів.

Основне призначення формувачів імпульсних сигналів – перетворення вхідних сигналів довільної форми у нормалізовані (переважно прямокутні) імпульси заданої форми – амплітуди і тривалості для керування такими мікросхемами.

Схеми збігу на ЛЕ належать до найпростіших формувачів імпульсних сигналів. На рис.2.2 показано схеми збігу для двох випадків дозволяючих рівнів та (рис.2.2,а),а також таблицю істинності (рис.2.2,б) і часові діаграми для імпульсних сигналів при однакових тривалостях і (рис.2.2,в).

а) б) в)

Рис. 2.2. Схеми збігу.

Подібні схеми збігу застосовують там, де потрібно за заданим сигналом (командою), тобто дозволом , здійснити передачу (проходження) по прямому каналу (або по каналах якщо схема бегатовходова) потенціальних або імпульсних сигналів. Найчастіше такі схеми можна зустрінути у схемах запуску або зупинки роботи цифрових пристроїв. На базі збігу можна будувати безліч імпульсних та цифрових пристроїв.

Формувачі коротких імпульсів можна будувати на базі схеми збігу з допомогою самих лише ЛЕ. Один із варіантів такого формувача і часові діаграми його роботи зображені на рис.2.3,а,б. Дана схема формувача реалізує логічний вираз , який в ідеалі завжди дорівнює нулю незалежно від того, що є на вході. У реальних ЛЕ логічні операції завжди виконуються з певним часом затримки , що використовується для формування коротких імпульсів. Оскільки час затримки . одного ЛЕ відомий, ввімкнення до одного з входів схеми збігу, наприклад до ЛЕ 2I, непарного числа інверторів дає змогу сформувати на виході імпульс тривалості .

а) б)

Рис. 2.3. Схема та епюри формувача коротких імпульсів на ЛЕ.

В цьому випадку вихідний імпульс формується при переході від нуля до одиниці. Для формування вихідного сигналу при переході X від одиниці до нуля досить замінити ЛЕ 2I на 2АБО-НЕ. Отже, ланцюг послідовно ввімкнених інверторів являє собою лінію затримки імпульсного сигналу X по відношенню до прямого (дозволяючого) входу схеми збігу.

Якщо потрібно сформувати короткий, затриманий на потрібний час t₃ імпульс відносно вхідного, лінію затримкм треба будувати з парного числа інверторів. Останні при цьому утворюють звичайний повторювач сигналу X. Час затримки t₃ буде дорівнювати сумарному часу затримки вхідного сигналу X при проходженні через всі ЛЕ, тобто (тут – парне число ЛЕ), а тривалість вихідного сигналу стане меншою від тривалості вхідного на величину t₃.

Формування коротких та затриманих імпульсних сигналів відносно вхідного можна реалізувати також з допомогою RC-кіл.

На рис.2.4 показано формувач коротких імпульсів, що побудований на інверторі, RС-колі та схемі збігу. Особливість цього формувача – те, що він може формувати короткі імпульси як по фронту, так і по зрізу вхідного сигналу залежно від форми ( або ) останнього.

а) б)

Рис. 2.4. Схема та епюри формувача коротких імпульсів на ЛЕ та RC-колі.

У даній схемі вихідний імпульс формується за рахунок “завалювання” зрізу або фронту вхідного імпульсу після дії RС-кола. Схема збігу закінчує формувати зріз вихідного імпульсу в момент часу, коли напруга розряду конденсатора досягне порогового рівня перемикання ЛЕ при переході з в (у ТТЛ В). Тривалість отриманого імпульсу залежить від сталої часу RС-кола () і величини , яка визначається як розкидом параметрів ЛЕ, так і рівнем завади. Власне тому високу точність вихідного імпульсу в даному формувачі досягнути досить важко.

Щоб не порушити номінальних параметрів ЛЕ у випадку ТЛЛ, допускаються такі значення елементів RC-ланки: Oм, нФ. Якщо Ом, нФ, то тривалість одержаного імпульсу становить

мкс.

Ще простіше побудувати аналогічні формувачі коротких імпульсів за допомогою СR-кола, діода та інвертора. Залежно від того, що треба виділити із вхідного сигнал (його фронт чи зріз), а також якої форми цей вхідний імпульс ( чи ), до діода прикладають або не прикладають напругу зміщення .

На рис.2.5,а,б зображено відповідно схему формувача та часові діаграми при присутності чи відсутності (пунктирні лінії) напруги . Тривалість отриманого на виході імпульсного сигналу в обох випадках залежить в основному від сталої часу .

а) б)

Рис. 2.5. Схема та епюри формувача коротких імпульсів на ЛЕ, RC-колі та діодах.

При відсутності опір слід вибирати з умови забезпечення нормальної роботи ЛЕ – з урахуванням спаду напруги за рахунок струму, що витікає із вхідного кола ЛЕ. Напруга не повинна перевищувати допустимої напруги , і тому для ТТЛ опір слід вибирати в межах 100...500Ом.

При наявності графік на рис.2.5,б буде зміщений на величину . При цьому опір слід вибирати з урахуванням дії струму, який витікає із вхідного кола ЛЕ при наявності . Тому для випадку ТТЛ опір Ом. Діоди і служать для обмеження небажаних викидів (піків) напруги в результаті диференціювання CR-колом вхідного імпульсу. Діод працює на обмеження від’ємного викиду напруги у випадку відсутності , –додатного викиду напруги при наявності .

Принагідно зауважити, що коло захисту ЛЕ, яке складене з елементів , і (обмежує струм відкритого діода і разом з ним підтримує допустиму напругу на вході ЛЕ), для деяких цифрових мікросхем, що працюють у схемі з великими додатними і (або) від’ємними перепадами напруги, застосовувати необов’язково, оскільки вони вже входять до складу таких мікросхем.