Контрольные вопросы и задания

1. Возьмите три JK-триггера, синхронизируемые уровнем, фронтом, срезом. На входыJиKподайте «1», на входC– прямоугольный импульс, длительностью много большей времени переключения триггера. Нарисуйте графики выходных импульсов.

2. Возьмите триггер (см. рис. 5.19, а), подайте на вход (C) последовательность прямоугольных импульсов. Нарисуйте график выходного сигнала.

3. Возьмите RSC-триггер, синхронизируемый срезом. Соедините выходсR, а выходсS. НаCподайте последовательность прямоугольный импульсов. Нарисуйте графики сигналов на выходахи .

4. Используя счетчик (см. рис. 5.17, а), постройте счетчик по модулю 5. Нарисуйте временные диаграммы на выходахQ₀,Q₁,Q₂,Q₃.

5. Используя T-триггеры, переключаемые срезом импульса, постройте суммирующий трехразрядный счетчик. Нарисуйте временные диаграммы на выходахQ₀,Q₁,Q₂.

6. Укажите различие асинхронного и синхронного счетчиков.

7. Какие типы регистров вы знаете?

8. Какие преобразования цифрового сигнала можно осуществлять с помощью регистров?

6. Генераторы импульСныхСигналов

Программное управление цифровыми устройствами предполагает определенную временную последовательность выполнения операций над цифровыми сигналами. Эти временные интервалы задаются генераторами прямоугольных импульсов. Эти же генераторы могут использоваться при использовании цифровых элементов и устройств в качестве источника тестовых импульсных последовательностей.

В

Рис. 6.1. Преобразователь постоянного напряжения U_x во временной интервал t_x или число импульсов n_x

цифровой измерительной технике широко применяются генераторы линейно-изменяющихся сигналов , с помощью которых можно преобразовать уровень аналогового сигнала во временной интервал , заполнив который импульсами стабильной частоты , можно далее проводить обработку информации с помощью высокоточных цифровых устройств (рис. 6.1).

Автогенератором называется независимый преобразователь напряжения источника питания в периодическую последовательность импульсов прямоугольной или какой-то другой формы. Автогенератор может работать в ждущем (заторможенном) режиме, когда в ответ на специальный запускающий импульс он вырабатывает один или несколько импульсов, после чего снова переходит в режим ожидания.

6.1. Автогенераторы прямоугольных импульсов (мультивибраторы)

Принцип построения мультивибраторов во многом схож с автогенераторами гармонических колебаний – наличие положительной обратной связи с усилением по петле больше единицы. Существенное отличие в том, что основную часть периода генерируемых импульсов усилительные элементы генератора находятся в ключевом режиме, а положительная обратная связь действует в короткие моменты перехода усилительного элемента из одного состояния (заперт) в другое (открыт), когда формируются фронты импульсов. Эта особенность определяет тот факт, что частота генерации определяется не балансом фаз, а длительностью перезаряда хронирующих (времязадающих) конденсаторов. Импульсный режим работы позволяет использовать элементы с гистерезисом, когда автоколебательный режим возможен при одном реактивном элементе. Так как амплитуда импульсов ограничивается в ключевом режиме напряжением источника питания в мультивибраторах, нет необходимости использовать системы автоматической регулировки усиления (АРУ).

Рассмотрим процессы, происходящие в схеме мультивибратора с одной хронирующей емкостью (рис. 6.2).

П

Рис. 6.2. Схема мультивибратора

оложительная обратная связь замыкается через конденсаторС и два последовательно соединенных инвертора. Действует эта связь только тогда, когда оба инвертора находятся в активном (усилительном) режиме. Развивающийся в это время регенеративный процесс приводит к тому, что на выходе одного инвертора устанавливается высокий уровень, а на выходе другого – низкий. Инверторы теряют усилительные свойства, регенеративный процесс прекращается, и состояние выходов инверторов остается неизменным на время, которое и определяет длительность импульсов. Для упрощения анализа будем полагать значение нижнего логического уровня равным нулю, а верхнего – значению напряжения питания инверторов Е; длительность регенеративного процесса, когда состояние выводов инверторов меняется на противоположные; напряжение на открытом диоде VD, защищающем вход инвертора от отрицательного напряжения, равно нулю. Начнем с рассмотрения некоторого условного начального состояния, когда напряжение на конденсаторе равно нулю, а состояние инверторов соответствует рис. 6.3.

С этого момента происходит заряд конденсатора по цепи: +ЕR С, С  общий провод. В точке 1 напряжение, являющееся входным для первого инвертора, равно напряжению на конденсаторе и нарастает одновременно с последним. В момент времени t₁, когда напряжение U₁ достигает уровня, достаточного для переключения первого инвертора в низкое состояние, происходит быстрое переключение инверторов (см. рис. 6.4), после которого напряжение U₁, равное теперь сумме напряжений на конденсаторе и высокого уровня на выходе второго инвертора, скачком возрастает на величину Е.

Рис. 6.3. Этап заряда хронирующего конденсатора

Рис. 6.4. Этап перезаряда хронирующего конденсатора

В новом состоянии инверторов происходит процесс перезаряда конденсатора по цепи: +Е  С  R  общий провод. В результате U_c сначала снижается до нуля, а затем меняет свой знак на противоположный. Как только выполнится условие

,

где – напряжение, при котором входной инвертор переходит в состояние логической единицы (моментt₂ на диаграмме – рис. 6.5), –произойдет очередное переключение инверторов. Схема снова приходит в состояние, соответствующее рис. 6.3.

В

Рис. 6.5. Диаграмма напряжений в схеме мультивибратора

момент этого переключения диод открывается отрицательным напряжением на конденсаторе, конденсатор разряжается до нуля, и схема возвращается в состояние, с которого мы начали ее рассматривать. Это говорит о периодическом характере процесса, переключающего инверторы, в результате которого и генерируются импульсы (рис. 6.5), которые можно снимать с выходов как первого, так и второго инверторов.

Длительность интервалов ,определяется по соотношению, известному из электротехники, для экспоненциальных процессов заряда и перезаряда конденсатора с постоянной времени(выходные сопротивления инверторов пренебрежимо малы):

,

где – напряжение, которое установилось бы на конденсаторе в процессе заряда (разряда) при;,– соответственно начальное и конечное напряжения на конденсаторе. Для диаграмм по рис. 6.5 для этапаимеем,,,

.

Для перезарядки имеем

, ,,.

Период и частота следования импульсов соответственно равны

, .

Из приведенных соотношений следует, что нестабильность частоты определяется нестабильностью параметров R и C пороговых уровней микросхем U’, U” и источника питания Е. Достижение высокой стабильности частоты мультивибратора обеспечивается введением в генератор гармонических колебаний кварца вместо хронирующего конденсатора.