12. Импульсные устройства на имс

12.1. Формирователи импульсов

Импульсные устройства служат для получения импульсов различной формы, преобразования импульсных сигналов, селекции импульсов по тому или иному признаку, а также для выполнения логических операций над ними. К таким устройствам относятся линейные устройства формирования импульсов, преобразования их формы, амплитуды, полярности и временного положения (формирующие линии, дифференцирующие и интегрирующие цепи, импульсные трансформаторы и усилители). К импульсным устройствам относят и нелинейные устройства преобразования импульсов и переключения цепей (ограничители, электронные ключи и др.), регенеративные спусковые схемы и генераторы импульсов (триггеры, счетчики, делители частоты, мультивибраторы, блокинг-генераторы), устройства обработки импульсных сигналов (шифраторы и дешифраторы, регистры, элементы памяти ЭВМ и др.). Многие схемы и устройства, из перечисленных выше, рассматривались в предыдущих главах. В настоящей главе рассматриваются схемы, влияющие на такие параметры импульсных сигналов, как крутизна фронтов, длительность и временное положение, форма вершины.

Это достаточно широкий круг цифровых устройств, преобразующих входные сигналы с целью получения импульсов с заданными временными или амплитудными параметрами. Эти схемы и устройства можно объединить названием формирователи импульсов.

Формирователи можно разделить на две группы: последовательные и регенеративные. Последовательные формируют требуемый сигнал во время его действия. Регенеративные формирователи используют специальные схемы (одновибраторы), запускаемые внешним сигналом.

Различают схемы, выполняющие следующие операции:

• нормализация формы импульсов (увеличения крутизны фронтов и срезов, выравнивание вершин);

• укорачивание импульсов;

• задержка импульсов;

• расширение импульсов.

12.2. Схемы нормализации импульсов

Задача нормализации импульсов возникает, когда длительность фронта (или спада) импульса велика и может привести к существенным нарушениям во временной последовательности сигналов при функционировании устройства. В простейшем случае при не очень пологих фронтах сигналов (50¸200 нс для ТТЛ) для увеличения крутизны можно обойтись 2-3 последовательно включенными одновходовыми логическими элементами, помня о том, что логические элементы обладают пороговыми свойствами и достаточно большим коэффициентом усиления по напряжению. При более пологих фронтах (больше 200 нс) используют специальные схемы нормализации фронтов. Одна из таких схем – триггер Шмитта. Эта схема имеет строго фиксированное пороговое напряжение, большой коэффициент усиления и малую протяженность линейного участка на передаточной характеристике. Одна из схем триггера Шмитта представлена на рис. 12.1.

аб в

Рис. 12.1. Триггер Шмитта: а – функциональная схема; б – преобразование входного

сигнала; в – условное графическое обозначение

Триггер Шмитта представляет собой импульсное устройство с двумя устойчивыми состояниями. Особенность триггера в том, что он реагирует (меняет свое состояние) при определенном значении входного напряжения U_вх. Значения входного сигнала для перехода от высокого напряжения на входе к низкому и от низкого к высокому различны (U_вх1 > U_вх2). Разность между этими напряжениями называют напряжением гистерезиса.

Схема работает следующим образом: когда U_вх < U_вх1 (U_вх1 » 1,31 и определяется напряжением отпирания диода) на обоих входах логического элемента DD2 напряжение низкого уровня, а на выходе – высокого уровня. Поскольку выход элемента DD2 соединен с входами элемента DD1, на выходе постоянно действует U_вых низкого уровня. Это состояние триггера устойчиво.

С ростом U_вх диод VD1 отпирается и, когда U_вх достигает значения U_вх1 (момент времени t₁), элемент DD2 переключится – на его выходе будет напряжение низкого уровня, а на выходе DD1 появится высокий уровень. Через резистор R₂ это напряжение поступает на вход элемента DD2 и диод VD1 оказывается запертым, т. е. входы DD2 теперь разделились. Это устойчивое состояние триггера Шмитта сохраняется, пока U_вх > U_вх2.

Когда напряжение U_вх станет меньше U_вх2, на выходе элемента DD2 снова появится напряжение высокого уровня, а на выходе DD1 – низкого уровня, т. е. триггер Шмитта вернется в исходное состояние. При этом уровень U_вх2 определяется характеристиками (порогом срабатывания) нижнего входа микросхемы DD2.

Оптимальное сопротивление резистора указано на схеме. Изменением величин резисторов R₁ и R₂ можно менять в небольших пределах оба напряжения порога. Величина резистора R₁ влияет только на U_вх2.

Выводы:

• Простейший триггер Шмитта может быть собран с помощью двух логических элементов И-НЕ.

• Триггер Шмитта служит для получения прямоугольных импульсов из сигналов, меняющихся по амплитуде, или для увеличения крутизны пологих фронтов импульсов.

• Триггер Шмитта характеризуется наличием области гистерезиса, обусловленной различием в порогах переключения. Этой областью можно управлять.

Примером триггера Шмитта в микросхемном исполнении может служить К155ТЛ1 [11, 17]. На входе схемы имеется четырехвходовый логический элемент. Наличие дополнительных входов позволяет с помощью внешних сигналов управлять работой триггера.