10.22. Классификация электронных импульсных и цифровых устройств

Электронные импульсные и цифровые устройства объединяют технические средства информационной электроники с импульсным режимом работы, применяемые в системах управления технологическими процессами.

Типовая структура таких систем управления содержит три функциональных блока:

средства измерения совокупности текущих аналоговых значений параметров технологического процесса (давление, температура, влажность и т.д.), преобразованных в пропорциональные значения электрических величин (напряжение, ток) и далее — в пропорциональные значения цифровых кодов, обычно двоичной системы счисления;

средства обработки совокупности цифровых кодов измеренных параметров (сравнения с значениями параметров эталонов или заданных оператором) и вычисление функции управления технологическим процессом в цифровых кодах, обычно двоичной системы счисления;

средства преобразования значений цифровых кодов функции управления в пропорциональные значения параметров аналоговых электрических величин (напряжение, ток) воздействия на управляемый технологический процесс.

Соответственно различают электронные устройства преобразования информации (аналог — цифра, цифра — аналог) и ее цифровой обработки (вычисление функции управления).

Главным преимуществом цифровой обработки информации является малая зависимость значений цифровых кодов от дестабилизирующих факторов (дрейфа нуля усилителей) и, следовательно, высокая точность.

При этом широко используются нелинейный режим работы для операционных усилителей и ключевой — для транзисторов.

10.23. Нелинейный режим работы операционного усилителя. Компаратор

Работу ОУ в нелинейном режиме объясним на примере цепи (рис. 10.79), в которой напряжение на неинвертирующем входе ОУ определяет источник постоянной ЭДС Е₀, а напряжение на инвертирующем входе — изменяется от времени линейно и_вх.и=k t (рис. 10.80, а).

П олагая ОУ идеальным из уравнения по второму закону Кирхгофа для контура 1

следует, что в момент времени t₀=U₀/k отрицательные значения напряжения и_{вх ОУ} изменяются на положительные (рис. 10.80, б). Одновременно по передаточной характеристике идеального ОУ (см. рис. 10.63, б — ломаная линия 1) напряжение на его выходе скачком изменится от положительного до отрицательного значения ЭДС Е источника питания (рис. 10.80, в).

Устройство, в котором нелинейный режим работы ОУ используется для сравнения значения напряжения на инвертирующем входе с заданным напряжением на неинвертирующем входе, называемым опорным напряжением, (или наоборот), называется компараторами.

Компаратор с положительной последовательной обратной связью по напряжению называется пороговым элементом или триггером Шмитта (рис. 10.81, а). Построим его передаточную характеристику и_вых(и_вх.и) воспользовавшись уравнением по второму закону Кирхгофа для контура 1

где .

Пусть напряжение на инвертирующем входе и_вх.и>0 и ОУ находится в состоянии насыщения при напряжениях на его выходе и_вых=-Е и входе и_{вх ОУ}=и_вх.и+γЕ>0, что соответствует точке 1 на передаточной характеристике (рис. 10.81, б).

При уменьшении напряжения и_вх.и рабочая точка перемещается по передаточной характеристике в направлении штрихпунктирной стрелки, достигая точки 2 при значениях напряжений

Дальнейшее незначительное уменьшение напряжения и_вх.и вызывает приращение напряжения на выходе Δи_вых>0. Это приращение по цепи положительной обратной связи вызывает приращение напряжения на входе Δи_{вх ОУ}<0, которое вновь увеличивает напряжение на выходе ОУ. Процесс развивается лавинообразно и завершается переключением ОУ в состояние насыщения при напряжении и_вых=Е (точка 3).

При этом также скачком изменяется и напряжение и_{вх ОУ}=-2γЕ. Такое переключение под воздействием положительной обратной связи называется регенеративным процессом, а устройство в котором он используется — регенеративным. Дальнейшее уменьшение напряжения и_вх.и не изменяет значения напряжения и_вых (точка 4).

Если после уменьшения начать увеличивать напряжение и_вх.и, то рабочая точка будет перемещаться по передаточной характеристике в направлении пунктирной стрелки до точки 5, в которой значения напряжений

Дальнейшее незначительное увеличение напряжения и_вх.и приводит к регенеративному переключению ОУ в состояние насыщения при напряжении и_вых=-Е (точка 6). Одновременно скачком изменяется напряжение и_{вх ОУ}=2γЕ.

Передаточная характеристика триггера Шмитта имеет гистерезис при значениях порогового напряжения переключения и_вх.и=±γЕ и изображается на его условном обозначении (рис. 10.80, в).

Положительная обратная связь, ускоряя процесс переключения импульсных устройств, одновременно уменьшает их помехоустойчивость при работе вблизи порога переключения. Последнее необходимо учитывать при разработке и эксплуатации таких устройств.