Рабочий стол / Alaev_A_N (1) / Алаев А.Н / DIGITAL_Konsp

143

В исходном состоянии на выходе элемента DA2 (рис. 84) имеется уровень логической единицы, а на выходе элемента DA1 - уровень логического нуля, так как на обоих его входах присутствуют логические единицы.

Рис. 84. Временные диаграммы работы расширяющего одновибратора

При поступлении на вход запускающего импульса с нулевым потенциалом на выходе первого элемента появится уровень логической единицы, который через конденсатор С1 поступит на вход второго элемента. Элемент DA2 инвертирует этот сигнал и уровень “0” по цепи обратной связи подается на второй вход элемента DA1. Теперь даже если на входе снова появится уровень логической единицы, на выходе элемента DA1 будет сохраняться высокое напряжение.

На выходе элемента DA2 уровень логического нуля будет присутствовать до тех пор, пока конденсатор C1 не зарядится до уровня Uc = U1 - Uпор, а напряжение на резисторе R1 не достигнет порогового уровня Uпор .

Длительность выходного импульса одновибратора может быть определена с помощью выражения

144

где Rвых - выходное сопротивление первого элемента. Uпор - пороговое напряжение логического элемента. Сопротивление резистора R1 выбирается из условия:

U вх < Uпор ,

R1 < Rвх1 [(Iвх Rвх /U пор )−1].

Основными недостатками рассмотренных схем являются ограничения, накладываемые на длительность входного сигнала. В частности, как следует из описания, длительность входного сигнала не может быть больше расчетной длительности выходного. Поэтому были разработаны и выпускаются промышленностью мультивибраторы у которых на длительность входного сигнала не накладывается ограничений (К555АГ1, К555АГ3). Их принцип действия подобен рассмотренному. Отличие заключается в наличии в составе схемы R-S триггера, обеспечивающего дополнительные возможности.

5.2.3. Триггер Шмитта

Триггеры Шмитта представляют собой специфические логические элементы, специально рассчитанные на работу с входными аналоговыми сигналами. Они предназначены для преобразования входных аналоговых сигналов в выходные цифровые сигналы. Появление таких микросхем связано в первую очередь с необходимостью восстановления формы цифровых сигналов, искаженных в результате прохождения по линиям связи. Фронты таких сигналов оказываются пологими, в результате чего форма сигналов вместо прямоугольной может стать близкой к треугольной или синусоидальной. К тому же сигналы, передаваемые на большие расстояния, сильно искажаются шумами и помехами. Восстановить их форму в исходном виде, устранить влияние помех и шумов как раз и призваны триггеры Шмитта.

предназначен для формирования из входного непрерывно меняющегося сигнала выходного импульсного, имеющего два уровня: уровень лог. «0» и уровень лог. «1».

Передаточная характеристика не инвертирующего триггера Шмитта представлена на рис. 85.

Рис. 85. Передаточная характеристика триггера Шмитта

Как видно из рис. 85, триггер Шмитта имеет петлю гистерезиса, обусловленную наличием положительной обратной связи.. Простейший вариант построения триггера Шмитта на ЛЭ приведен на рис. 86

Рис. 86. Схема триггера Шмитта

Резистор R1 обеспечивает положительную обратную связь. Ширина петли гистерезиса определяется отношением сопротивлений резисторов и разностью напряжений

U1 −U0 .

Поскольку триггеры Шмитта относятся к очень часто используемым элементам, разработано и выпускается ряд микросхем – триггеров Шмитта, например, К555ТЛ1,

147

В момент включения конденсатор С1 разряжен и на выходе мультивибратора установлен высокий уровень. После заряда С1 через резистор R1 и входным током триггера до напряжения Uп1 на выходе мультивибратора устанавливается низкий уровень и конденсатор начинает разряжаться через резистор R1 до достижения напряжением на входе значения Uп0 , после чего на выходе устанавливается высокий уровень и процесс повторяется. Форма сигнала на входе мультивибратора близка к треугольной размахом Uп0 − Uп1 , причем в виду того, что величины пороговых напряжений смещены ближе к напряжению лог. «0», конденсатор разряжается примерно в полтора раза дольше, чем заряжается.

5.2.4. Аналоговый компаратор

Компаратор - это сравнивающее устройство. Аналоговый компаратор предназначен для сравнения непрерывно изменяющихся сигналов. Входные аналоговые сигналы компаратора суть Uвх - анализируемый сигнал и Uоп - опорный сигнал сравнения, а выходной Uвых - дискретный или логический сигнал, содержащий 1 бит информации:

Выходной сигнал компаратора почти всегда действует на входы логических цепей и потому согласуется по уровню и мощности с их входами. Таким образом, компаратор - это элемент перехода от аналоговых к цифровым сигналам, поэтому его иногда называют однобитным аналого-цифровым преобразователем.

Неопределенность состояния выхода компаратора при нулевой разности входных сигналов нет необходимости уточнять, так как реальный компаратор всегда имеет либо конечный коэффициент усиления, либо петлю гистерезиса (рис. 89).

148

Рис. 89. Характеристики компараторов

Рис. 90. Процессы переключения компараторов

Чтобы выходной сигнал компаратора изменился на конечную величину |U1вых - U0вых| при бесконечно малом изменении входного сигнала, компаратор должен иметь бесконечно большой коэффициент усиления (диаграмма 1 на рис. 90) при полном отсутствии шумов во входном сигнале. Такую характеристику можно имитировать двумя способами - или просто использовать усилитель с очень большим коэффициентом усиления, или ввести положительную обратную связь. Рассмотрим первый путь. Как бы велико усиление не было, при Uвх близком к нулю характеристика будет иметь вид рис. 89а. Это приведет к двум нежелательным последствиям. Прежде всего, при очень медленном изменении Uвх выходной сигнал также будет изменяться замедленно, что плохо отразится на работе последующих

149

логических схем (диаграмма 2 на рис. 90). Еще хуже то, что при таком медленном изменении Uвх около нуля выход компаратора может многократно с большой частотой менять свое состояние под действием помех (так называемый "джиттер", диаграмма 3). Это приведет к ложным срабатываниям в логических элементах. Для устранения этого явления обычно вводят положительную обратную связь, которая обеспечивает переходной характеристике компаратора гистерезис (рис. 89б), т. е. превращают его в триггер Шмитта. Наличие гистерезиса хотя и вызывает некоторую задержку в переключении компаратора (диаграмма 4 на рис. 90), но существенно уменьшает или даже устраняет джиттер Uвых.

В качестве компаратора может быть использован операционный усилитель (ОУ) так, как это показано на рис. 91. Усилитель включен по схеме инвертирующего сумматора, однако, вместо резистора в цепи обратной связи включены параллельно стабилитрон

VD1 и диод VD2.

Рис. 91. Схема компаратора на ОУ

Пусть R1 = R2. Если Uвх - Uоп > 0, то диод VD2 открыт и выходное напряжение схемы небольшое отрицательное, равное падению напряжения на открытом диоде. При Uвх - Uоп < 0 на стабилитроне установится напряжение, равное его напряжению стабилизации Uст. Это напряжение должно соответствовать единичному логическому уровню цифровых интегральных микросхем (ИМС), входы которых подключены к выходу компаратора. Таким образом, выход ОУ принимает два состояния, причем в обоих усилитель работает в линейном режиме. Многие типы ОУ не допускают сколько-нибудь существенное входное дифференциальное напряжение. Включение по схеме на рис. 91 обеспечивает работу ОУ в режиме компаратора практически с нулевыми дифференциальными и синфазными входными напряжениями. Недостатком данной схемы является относительно низкое быстродействие, обусловленное

со 100%-ной обратной связью. Используя для построения компаратора обычные ОУ, трудно получить время переключения менее 1 мкс, поэтому чаще используют специализированные микросхемы.

Перечислим некоторые особенности компараторов по сравнению с ОУ. Несмотря на то, что компараторы очень похожи на операционные усилители, в них

почти никогда не используют отрицательную обратную связь, так как в этом случае весьма вероятно (а при наличии внутреннего гистерезиса - гарантировано) самовозбуждение компараторов.

В связи с тем, что в схеме нет отрицательной обратной связи, напряжения на входах компаратора неодинаковы.

Из-за отсутствия отрицательной обратной связи входное сопротивление компаратора относительно низко и может меняться при изменении входных сигналов. Параметры, характеризующие качество компараторов, можно разделить на три группы: точностные, динамические и эксплуатационные.

Компаратор характеризуется теми же точностными параметрами, что и ОУ. Основным динамическим параметром компаратора является время переключения tп. Это промежуток времени от начала сравнения до момента, когда выходное напряжение компаратора достигает противоположного логического уровня. Время переключения замеряется при постоянном опорном напряжении, подаваемом на один из входов компаратора и скачке входного напряжения Uвх, подаваемого на другой вход. Это время зависит от величины превышения Uвх над опорным напряжением. Время переключения компаратора tп можно разбить на две составляющие: время задержки tз и время нарастания до порога срабатывания логической схемы tн. В справочниках обычно приводится время переключения для значения дифференциального напряжения, равного 5 мВ после скачка.

6.Преобразователи сигналов

6.1.Цифроаналоговые преобразователи

Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) служит для преобразования цифровой информации в аналоговую форму, т.е. выходной сигнал ЦАП в общепринятых единицах измерения тока или напряжения (мВ, В, мА) соответствует численному значению входной кодовой комбинации.