UTsA

а следовательно и ток в цепи определяются переходной характеристикой hR(t). Если воздействие отличается от единичного, то форма выходного напряжения сохраняется, а величина масштабируется с коэффициентом E, равным константе. Для определения времени переходного процесса задают уровни выходного напряжения и между ними определяют время, которое принимают за длительность переходного процесса.

Условно задаем 2 уровня, αE и (1-α)E, и считаем, что ∆t = t2-t1 – это время переходного процесса. Обычно α выбирают из трех значений: α = 0,1; α = 0,05; α = 0,01; как правило, α принимают 0,05. Можно однозначно определить время переходного процесса для RC-цепи, используя постоянную времени τ.

	( ) = ∙ (1 − − )
вых
	( ) = ∙ (1 − −	1
					) = ∙
вых	1
	( ) = ∙ (1 − −		2
					) = (1 − ) ∙
вых	2
Получаем: 1 − = − 1
\	= − 2
Прологарифмируем:					ln(1 − ) = −				1
					ln( ) = −		2
					2 − 1	= ∙ [ln(1 − ) − ln( )]
Время переходного процесса:						2 − 1			= ∙ ln 1−

Длительность переходного процесса определяется величинами τ и α. Если α выбрано однозначно, то время переходного процесса определяется только τ. Если α=0,1, то ∆t=2,2τ; если α = 0,05, то ∆t = 3τ;

если α = 0,01, то ∆t = 5τ.

Постоянную времени можно определить из графика:

вых( ) = ∙ (1 − − )

вых( )									−
			=					∙
При t = 0:
вых( )			=
=								=
				( )
	вых

Практическое применение RC-цепи

Дифференцирующая цепочка может быть использована для формирования импульса напряжения из перепада напряжения. Используя то свойство, что при наличии дифференцирующей цепочки время протекания тока в цепи 3τ.

Используя интегрирующее свойство RC-цепи, можно выполнить операцию задержки фронта входного перепада напряжения. Схема, осуществляющая задержку фронта входного перепада, имеет следующий вид:

Характеристика

порогового устройства.

ПУ-пороговое устройство

По форме Uвх и UвыхПУ не отличаются друг от друга. Они сдвинуты во времени друг относительно друга на время ∆t. Оно зависит: 1) от уровня порога (чем больше Uпор, тем больше ∆t); 2) от τ (чем больше τ, тем больше ∆t). В качестве порогового устройства можно применять микросхему.

Прохождение через RC-элементы электрических импульсов

Форма выходного импульса зависит от соотношения длительности импульса и τ.

Интегрирующая цепь.

Дифференцирующая цепь

Прохождение последовательностей прямоугольных импульсов через RC-цепочки.

Интегрирующая цепь

Дифференцирующая цепь

Лекция 4

Формирователи импульсов(триггеры Шмитта)

Схема 1

Схема 2

В качестве формирователей импульсов часто применяют устройства, называющиеся триггеры (2T) Шмитта.

Это устройство имеет один вход и обычно выполняет функцию либо порогового устройства, реагирующего на определенные сигналы, либо формирователя прямоугольных импульсов заданной амплитуды из сигнала синусоидальной, прямоугольной или другой формы.

Передаточная характеристика такого устройства имеет следующий вид и называется Петлей Гистерезиса:

В областях 1 и 3 может быть только одно состояние устройства. При возрастании Uвх в момент Emax происходит переключение из «0» в «1». При уменьшении Uвх до Emin происходит переход из «1» в «0».

Уровни Emax и Emin называются порогами (пороговыми срабатываниями).

Рассмотрим триггеры Шмитта, построенные на 155 серии.

В первой схеме положительная обратная связь (ПОС) осуществляется за счет R1 и R2, включенных в цепь питания. Этот формирователь хорошо работает на частотах до 10 МГц при подаче на вход синусоиды амплитуды 0,3..0,5 В.

На второй схеме положительная обратная связь вводится путем включения резистора между выходом второго инвертора и входом первого. Входное напряжение в этом формирователе подается через дополнительный резистор 470 Ом, сопротивление которого также влияет на глубину ПОС.

Увеличение сопротивления этого резистора увеличивает коэффициент положительной обратной связи и уменьшает чувствительность формирователя входного напряжения.

Формирователи коротких импульсов (одновибраторы)

На входы второй микросхемы поданы взаимно инверсные сигналы со входа и выхода первого инвертора, поэтому в тактическом режиме сигнал на выходе устройства всегда равен «1». Сигнал «0» на выходе второй микросхемы появляется только в том случае, когда сигнал на входе первого инвертора переходит из «0» в «1». При этом пока происходит переключение первого инвертора, на оба входа второй микросхемы будет подан сигнал «1». Длительность выходного импульса формирователя можно увеличивать, увеличивая время переключения первого инвертора присоединением его к выходу RC-цепи.

Когда на входе «0», емкость C заряжается.

Когда на вход подаем «1», емкость C начинает разряжаться через открытый выходной транзистор первого инвертора. Пока емкость не разрядилась, на входе второго инвертора две единицы и на выходе формирователя «0».

Формирователи коротких импульсов(одновибраторы)

В следующей схеме длительность выходного импульса одновибратора можно увеличить, включая несколько инверторов между входом устройства и одним из входов выходной микросхемы.

Необходимо помнить, что число инверторов должно быть нечетным.

Формирователи коротких импульсов(одновибраторы)

В данной схеме перекат из «0» в «1» на входе приводит к появлению короткого импульса на выходе, длительность которого равна утроенной средней задержке распространения сигнала, характерной для примененных микросхем.

Формирователь длинных импульсов

В исходном состоянии на выходе первой микросхемы сигнал равен «0», так как один его вход через высокоомный резистор присоединен к земле (в схемах ТТЛ это равносильно подаче на вход сигнала «1»), а на второй вход подан сигнал «1»; при подаче на этот второй вход узкого отрицательного импульса на выходе первой микросхемы возникает сигнал «1», а на выходе второй – «0». Перекат из «1» в «0» с выхода второго инвертора передается через конденсатор на вход первого. И теперь первый инвертор будет иметь на выходе сигнал, равный «1», даже если входной импульс формирователя в это время закончится. Это состояние будет длиться до тех пор, пока не зарядится конденсатор в цепи связи между выходом второго и входом первого инверторов.

Мультивибраторы

Генератор – это устройство, которое без внешних воздействий выдает на выходе синусоидальные колебания определенной частоты.

Мультивибратор – это устройство, которое на выходе без внешних воздействий выдает импульсы.

У генераторов и мультивибраторов входа нет!

При построении мультивибраторов на основе логических микросхем используются их усилительные свойства, чтобы обеспечить возникновение и существование устойчивых автоколебаний, следует исходно вывести инвертор мультивибратора по постоянному току на линейных участках передаточной характеристики (3-й линейный участок).

1-ый и 2-ой участки – закрытые состояния микросхемы.

На участке 3 происходит отпирание выходного транзистора микросхемы. Все транзисторы микросхемы на участке 3 работают в активном режиме.

Внормальных условиях эксплуатации схема не может находиться в статическом состоянии, соответствующем участку 3. Он относится к переходной области. В дальнейшем выходной транзистор находится в состоянии насыщения(участок 4). Участок 4 соответствует открытому состоянию схемы. После этого остается ввести в устройство положительные и отрицательные обратные связи, причем ПОС по-своему действию во времени должна быть опережающей по отношению к ООС. Тогда цепь ПОС обеспечивает лавинно-обратный переход мультивибратора из одного состояния в другое. А цепь ООС ограничивает время пребывания устройства в каждом из состояний.

Вмультивибраторах ПОС вводят с помощью конденсаторов (всегда охватывает четное число элементов). ООС вводится через резистор по постоянному току (всегда охватывает нечетное число элементов).

Лекция 5

Кварцевый резонатор

Мультивибраторы с кварцевой стабилизацией частоты выполняются путем включения кварцевого резонатора на место времязадающей емкости мультивибратора. Если их две, то резонатором заменяют одну из них.

Действие кварцевого резонатора основано на пьезоэлектрическом эффекте, сущность которого заключается в возникновении электрических зарядов на поверхности некоторых природных и синтетических кристаллов. Пьезоэлектрический эффект обратим. Приложенное электрическое напряжение вызывает сжатие или растяжение кристалла согласно законам изменения приложенного напряжения. Чаще всего применяется кварц, так как частота кварца не зависит от температуры.

Кварцевый резонатор эквивалентен последовательному колебательному контуру, шунтированному емкостью C0.

У него небольшие потери на рассеянии; большая добротность; узкая полоса пропускания.

Реализация логических функций на микросхеме

Интегральными микросхемами называются микроэлектронные изделия, выполняющие определенную функцию преобразования и обработки сигналов и имеющие высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов, которые с точки зрения требований испытания, приемки, поставки и эксплуатации рассматриваются как единое целое.

Микросхемы делятся на цифровые и аналоговые.

Аналоговые микросхемы предназначены для преобразований и обработки сигналов изменяющихся по закону непрерывной функции.

Цифровая микросхема предназначена для преобразований и обработки сигналов, изменяющихся по закону дискретной функции.

Степень интеграции микросхемы определяется числом содержащихся в ней элементов.

Серия интегральных микросхем – это совокупность микросхем, которые могут выполнять различные функции и имеют единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначены для совместного применения.

Условное обозначение типа интегральной микросхемы состоит из 4-х элементов:

К155ЛА3

–первая цифра указывает конструктивно-технологическое исполнение микросхемы.

–2 цифры, обозначающие порядковый номер серии микросхемы.

–2 буквы, обозначающие функциональное значение микросхемы.

– последняя цифра – порядковый номер микросхемы.

Первые два элемента – номер серии микросхемы.

Буквы К, КР, КМ в начале условного обозначения микросхемы характеризуют условия их приемки на заводе изготовителя.

Микросхемы с малой степенью интеграции.

Микросхемы с малой степенью интеграции выполняют элементарные логические функции «И-НЕ», «ИЛИ-НЕ», «И-ИЛИ-НЕ», триггеры и др.

В них число компонентов от 10 до 60, а число основных логических схем в одном корпусе от 1 до 6.

Второй этап интеграции – более сложные функциональные узлы (счетчики, регистры и др.)

Число компонентов от 50 до 500 (диоды, транзисторы). Число основных логических схем от 8 до 50.

Третий этап интеграции – БИС (большие интегральные схемы).

Содержат от 500 до 5000 компонентов и от 50 до 500 основных логических схем.

Поскольку в интегральном исполнении проще всего сделать транзисторы, то их часто используют и в качестве диодов, и в качестве конденсаторов малой емкости.

Разработаны многоэмиттерные транзисторы, заменяющие диодные сборки и улучшающие переходные характеристики микросхем.

Характеристики интегральных микросхем

Рис.1

Рис.2

В любую серию микросхем входят схемы, выполняющие логические функции «И-НЕ», «ИЛИ-НЕ», называемые основными схемами.

Существуют диодно-транзисторные микросхемы и транзисторно-транзисторные микросхемы. В них операция «НЕ» осуществляется при помощи простого или сложного инвертора, а операция «И»(«ИЛИ») с помощью диода и резистора или многоэмиттерного транзистора и резистора. Эта схема называется ТТЛ(транзисторно-транзисторная логика).