Тема 14. Аналоговые и цифровые элементы и устройства.

Аналоговые и цифровые устройства работают соответственно с аналоговыми и цифровыми сигналами. Природа аналоговых сигналов заключается в том, что многие физические величины могут принимать любые значения и непрерывный сигнал, отображающий эту информацию, может иметь большое число значений. В этом случае непрерывный сигнал, который изменяется аналогично исходной информации, называется аналоговым.

Непрерывные сигналы можно представлять и в дискретной форме. И для этого непрерывного сообщения применяют квантование по уровню и времени. Для квантования сигнала по уровню непрерывный сигнал (ток или напряжение) заменяют набором дискретных значений из представленного интервала. Квантование по времени заключается в замене непрерывного сигнала чередующимися импульсами, которые следуют через определенные интервалы времени.

Это и есть цифровой сигнал.

Механический ключ (аналоговый коммутатор).

Ключевая схема (рис 14-1) предназначена для коммутации тока в нагрузке и содержит источник напряжения питания, нагрузку (R) и ключ (Кл). Полупроводниковый ключ подобен механическому выключателю.

EMBED PBrush

Рис 14-1. Аналоговый коммутатор(механический ключ).

Если ключ идеален, то есть его сопротивление в разомкнутом состоянии бесконечно велико, а в замкнутом равно 0, то ток в цепи при разомкнутом ключе I=0, а при замкнутомI=E/R.

Аналоговый коммутатор на биополярном транзисторе (электронный ключ).

На рисунке 14-2 показана схема коммутатора на биополярном транзисторе.

Рис. 14-2 Схема аналогового коммутатора на биополярном транзисторе.

Для перевода транзистора в режим отсечки следует подать на базу отрицательное напряжение и на выходе U_вых= 0 (выключено). Чтобы открытьVTследует на вход подать напряжение больше, чем напряжение отсечки на величину ΔU=I₁R₁ и переход коллектор-база откроется иVTбудет работать как ключ в инверсном включении.

Диодный коммутатор (аналоговый ключ).

Если на вход подать положительное напряжение (рис 14-3) VDоткрывается и через него протекает ток (включено), а при отрицательном напряжении, подаваемом на вход, через диод идет незначительный ток(отключен). Диодный коммутатор подобен механическому ключу.

Рис 14-3. Схема последовательного диодного ключа.

Цифровой электронный ключ на биполярном транзисторе (рис 14-4).

Рис 14-4. Схема цифрового ключа на биполярном транзисторе(а) входная статистическая характеристика VT(б).

В схеме цифрового ключа (рис 14-4), транзистор, работающий в ключевом режиме, должен находится только в определенном состоянии. Первое состояние соответствует точке 1 на выходных статистических характеристиках транзистора(рис 14-4 б) когда Uвх=0, транзистор закрыт и устанавливается это состояние резисторомR1. При этом ток коллектора также равен 0 иUвых=Ек. Второе состояние транзистора соответствует точке 2, которое обеспечивается подачей на вход высокого положительного напряжения и при этомUвых=0. В этом случае коллекторный ток достигает максимального значения (Ik=Ek/Rk). Так работает цифровой ключ на биполярном транзисторе. Следует заметить, что в настоящее время находят применение цифровые ключи на полевых транзисторах, которые в изготовлении проще, чем на биполярных транзисторах.

РЕГЕНЕРАТИВНЫЕ ИМПУЛЬСНЫЕ УСТРОЙСТВА

Принципы построения и режим работы регенеративных импульсных устройств.

На вход различных импульсных устройств часто требуется подать импульсы напряже­ний прямоугольной формы или крутые перепады напряжений. Крутые перепады напряже­ний (токов) могут создаваться в результате возникновения регенеративных процессов.

Регенеративными называются процессы, протекающие лавинообразно под воздейст­вием положительной обратной связи.

Регенеративными импульсными устройствами называются устройства, в которых в ре­зультате регенеративных процессов возникают крутые перепады напряжений и токов. В этих устройствах используют усилители с положительной обратной связью. По построе­нию и назначению регенеративные импульсные устройства делятся на две группы: муль­тивибраторы и триггеры.

. Мультивибраторы на биполярных транзисторах (рис.14-6)

Мультивибратор это генератор, вырабатывающий импульсы прямоугольной формы.

Рассмотрим мультивибратор на биполярных транзисторах VиV. Схема мультивибратора с коллекторно-базовыми связями представляет собой двухкаскадный усилитель.

Рис.14-6 Схема мультивибратора в режиме автоколебаний.

и- обеспечивают ПОС;

и- резисторы, которые осуществляют подачу напряжения смещения на базыVиV;

Схема симметрична и иVиVодного типа. Каждый транзистор работает в режиме ключа, т.е. переходит от отсечки к насыщению и наоборот.

заряжается по контуру, а- по контуру. На базыVиVотчерезиподается отрицательное смещение, поэтомуибудут работать в активном режиме. При малейшем нарушении симметрии в цепи наступаетсамовозбуждение. Предположим, что в какой-то моментскачком окажется больше, т.е.>. Тогдавозрастает истанет менее отрицательным, следовательно,тоже станет менее отрицательным (т.к. напряжение напо второму закону коммутации скачком измениться не может ) иподзакроется иуменьшится. Уменьшениеприведет к уменьшениюистанет более отрицательным, следовательно,станет более отрицательным,Vеще больше откроется иеще больше возрастет. Это закончится тем, что транзисторVвойдет в режим насыщения, аV- в режим отсечки. Этот процесс называют лавинообразным (регенеративным). Он происходит очень быстро. Во время лавинообразного процесса формируются крутые фронты импульса (аб).рис 14-7)

t

а

б

t

а

б

Рис 14-7 эпюры напряжений на выходе мультивибратора

Лавинообразный процесс прекращается после того, как Vвойдет в режим насыщения, аV- в режим отсечки. Тогда, а.

В схеме наступает состояние квазиустойчивого равновесия, во время которого формируются плоские вершины (см. графики) импульсов.

Режим насыщения Vподдерживается отрицательным смещением на базе отчерез, а режим отсечкиVподдерживается положительным потенциалом.

При этом заряжается по контуру:с постоянной времени зарядки, аперезаряжается по контуру:с постоянной времени перезарядки.

Ждущий мультивибратор с коллекторно-базовыми связями (одновибратор).

Этот мультивибратор используется для получения одиночных импульсов заданной длительности (рис 3-8).

Рис 14-8. Схема ждущего мультивибратора (одновибратор).

Из рис 14-8 видно, батарея запирает транзистори открывает он тогда, когда его подключают к(запускающаяся батарея). Параметры сопротивленийиподбираются так, чтобыбыл закрыт батареей +, абыл бы открыт и насыщен. Зарядка конденсатора идет по цепи 0,,С,, и.

Для генерации импульса на базу подают запускающий импульс (-),иоткрываются, в цепи устанавливается лавинообразный процесс, изменяются токиии схема опрокидывается. После опрокидывания схемаоткрывается и переходит в режим насыщения, ав режим отсечки. В этом случаеиподсоединяются к нулевому зажиму.

Теперь работает по цепи 0,,,,. И по этой цепиразряжается. Когда=0, то потенциал базытоже станет равен нулю. При значении 0открывается и теперьи- открыты, в схеме развивается лавинообразный процесс и схема опрокидывается. При этом- закрыта,-открыт и,перезаряжается по схеме 0,,,,. Схема опять приходит в устойчивое состояние, а на выходе получаются почти прямоугольные импульсы с любой заданной длительностью.

ТРИГГЕРЫ НА ДИСКРЕТНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ

Триггер это устройство, имеющее два состояния устойчивого равновесия, которые скачкообразно переходят одно в другое под воздействием внешнего импульса.

Триггер – цифровой автомат, обладающий памятью и служащий для хранения одного разряда двоичных чисел (одного бита информации).Его называют также автоматом Мура.

Триггеры изготавливаются как на отдельных (дискретных) элементах, так и в интегральном исполнении. В различных устройствах они выполняют функцию счетных, переключающих, пороговых и запоминающих элементов.

Физические процессы удобнее рассмотреть на схеме триггера в дискретном исполнении с коллекторно-базовыми связями на биполярных транзисторах с независимым смещением (рис.14-9).

Рис.14-9 Схема триггера с коллекторно-базовыми связями на биполярных транзисторах.

Схема триггера – двухкаскадный усилитель постоянного тока с ПОС, осуществляемой через цепи и, которые соединяют коллектор одного с базой другого транзистора. Схема симметрична:,VиVодного типа. В отличии от мультивибратора триггер имеет источник смещения>0, (запирающий транзисторы ) иив цепях связи между усилительными каскадами.

Параметры триггера подбираются так, чтобы открытый транзистор работал в режиме насыщения, а закрытый – в режиме отсечки. Открытый транзистор имеет потенциал коллектора, близкий к нулю (можно приписать ему уровень “0”), т.к. . Закрытый транзистор имеет потенциал коллектора близкий к напряжению источника питания, т.е.(можно приписать ему уровень “1”), т.к.. Это состояние триггера устойчивое до тех пор, пока на вход триггера не будет подан запускающий импульс, который переводит триггер из одного устойчивого состояния в другое. Пусть триггер находится в таком устойчивом состоянии, когдаV- открыт, аV- закрыт, т.е.,a. Это состояние протекает сколь угодно долго. На базуVснизу подается напряжение, а сверху, но т.к., то на базу подается отрицательный потенциал, который удерживаетVв состоянии насыщения. На базуVснизу, а сверху (с коллектораV). Следовательно, на базуVподается положительный потенциал, который удерживаетVв состоянии отсечки.

Чтобы вывести схему из устойчивого состояния нужно подать на базу череззапускающий импульс положительной полярности (положительный потенциал).

U_зап φ_б1 φ_б2 φ_б1 φ_б2

t

t

О Н О Н

t

Н О Н

Рис.14-10 Эпюры напряжений на выходах триггера:

,- входные импульсы на базыи;

0 – отсечка;

Н – насыщение;

,примерно равное.

Тогда становится менее отрицательным иVначинает закрываться, а- уменьшается и- уменьшается. При этомстановится более отрицательным, а, следовательно,тоже более отрицательным иVбудет приоткрываться и т.д. Процесс будет развиваться лавинообразно и закончится тем, чтоVзакроется (отсечка), аVоткроется (насыщение). Чтобы вывести схему из этого устойчивого состояния, нужно подать запускающий импульс на базу открытого теперьV.

ишунтируютиускоряют процесс открывания и закрыванияVT. Их обычно называют ускоряющими. ЕслиVоткрыт, аVзакрыт, тои. Как толькоVзакроется,начнет заряжаться и в цепи базыVпотечет зарядный ток, который добавится к току базы открывающегосяV. Это ускорит процесс открыванияV.

Схемы запуска триггера.

Существует два способа запуска триггера: раздельный и счетный (общий).

Раздельный запуск.(без пунктирной линии)

Раздельный запуск осуществляется подачей импульсов одной полярности, попеременно то на один, то на другой входы триггера (на базы транзисторов).

Рассмотрим схему триггера с раздельным запуском с подачей запускающих импульсов на базы через диоды (рис.14-11).

Рис 14-11 Схемы запусков триггера

VиV,и,и- элементы цепи запуска. ПустьVоткрыт (насыщен), аVзакрыт (отсечка). Подадим на. Он продифференцируетсяна два коротких импульса остроконечной формы и противоположенной полярности. Так какоткрыт, то, а, следовательно,, но.Vоткрыт и пропустит положительный импульс на базу. ТогдаVначинает закрываться, аVоткрываться. В результате лавинообразного процессаVзакроется (отсечка), аVоткроется (насыщение). Это состояние будет сохраняться до тех пор, пока не поступитна. КогдаVзакроется, то,VД1 закрывается и отключаетот базыV(поэтому диодыVиVназываютсяотсекающими).До подачи следующегоразряжается через. Такой триггер называютRS- триггером.

Счетный запуск.(с учетом пунктирной линии, С31 переносится на 1 и С32 на 2)

При счетномзапуске импульсы определенной полярности подаются на общий вход и каждый импульс приводит к опрокидыванию триггера. В отличие от RS- триггера здесьисоединены вместе. Эта схема применяется для счета импульсов.

Пусть Vоткрыт (режим насыщения) (,), аVзакрыт (режим отсечки) (,). ТогдаVоткрыт, аV- заперт.заряжен до0, адо. Положительный , продифференцированный, проходит через открытыйна базуV, подзакрывая его. При этомVначинает открыватьсястановится более отрицательным). В результате лавинообразного процессаVзапирается, аVоткрывается, т.е. триггер опрокидывается.VиVпропускают запускающий импульс только на базу открытогоVТ2.

Разрешающие время триггера –время, за которое триггер переходит из одного устойчивого состояния в другое.

- время, в течение которого транзисторы открываются и устанавливается ПОС;

- время, в течение которого длится лавинообразный процесс;

- время, в течение которого заканчивается переходной процесс;

Величина, обратная , называетсябыстродействием триггера.

Основные логические элементы.

В алгебре логики истинность суждения (высказывания) обозначают символом "I", а ложное-"0". Значение параметров электронных элементов необходимо перевести на язык алгебры логики ("0" или "I"). Значение параметров можно задавать уровнем напряжения или полярностью импульсов.

Если сигналы подаются в виде высокого и низкого напряжения, то такой способ подачи сиг­нала называть потенциальным. Логика называется положительной, если высокому потенциалу припи­сывается "I", а низкому "ноль" "0".

Логика называется отрицательной, если высокому потенциалу приписывается «0»,а низкому «1»

Если сигнал подают в форме импульса, то такой способ подачи называют импульсным. Наличие импульса – «1», отсутствие - «0». Это положительная логика. Если наоборот- отрицательная логика. Если наоборот-отрицательная.

Любые логические операции можно выполнить с помощью трёх основных и простых логических эле­ментов(базисных логических функций), выполняющих операции:

"НЕ"- логическое отрицание (инверсия); "И"- логическое умножение (конъюнкция);

"ИЛИ"-логическое сложение (дизъюнкция).

Функционально полную систему могут обеспечить составные (комбинированные) логические элементы, выполняющие логические операции:

"И-НЕ"- отрицание конъюнкции;

"ИЛИ-НЕ"- отрицание дизъюнкции.