Министерство образования Российской Федерации

Новосибирский государственный технический университет

Е.А. ПОДЪЯКОВ, В.В. ОРЛИК

Электронные цепи и микросхемотехника

Часть 4

Импульсные и цифровые устройства

Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия

Новосибирск2005

УДК 621.3.049.7(075.8)

         П 452

Рецензенты: Брованов С.В. канд. техн. таук, доц.

Гуськов Л.Н. канд физ.-мат. наук, доц.

Работа подготовлена на кафедре промышленной электроники

Подъяков Е.А., Орлик В.В.

П 452     Электронные цепи и микросхемотехника. Ч. 4. Импульсные и цифровые устройства: Учеб. пособие. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2005. – 116.

Рассматриваются принципы построения и свойства ряда базовых схем импульсного действия на транзисторах и интегральных элементах: мультивибраторов, генераторов линейно изменяющегося напряжения, блокинг-генератора.

Излагаются основы построения и анализа устройств комбинационной и последовательностной логики: дешифраторов, мультиплексоров, сумматоров, триггеров, регистров, счетчиков.

Приведен широкий перечень контрольных вопросов и задач, направленных на закрепление теоретического материала и приобретение практических навыков анализа и расчета импульсных и цифровых схем.

Пособие предназначено для студентов третьего курса РЭФ, обучающихся по специальности «Промышленная электроника».

УДК 621.3.049.7(075.8)

Новосибирский государственный технический университет, 2005   

Предисловие

Предлагаемое читателю пособие является естественным продолжением предыдущей части 3, в которой излагались вопросы построения и анализа базовых цепей и элементов устройств импульсной техники.

Пособие состоит из двух основных разделов. В первом рассматриваются и изучаются устройства генерирования импульсных сигналов, в числе которых мультивибраторные схемы, генераторы импульсов пилообразной формы, блокинг-генераторы. Именно эти устройства являются важной составной частью систем управления объектами преобразовательной техники (выпрямители, преобразователи частоты и др.).

Второй раздел посвящен рассмотрению основополагающих методов анализа и синтеза базовых схем и устройств цифровой техники, повсеместно внедряемых в современные средства информационной и вычислительной техники, в средства управления самыми разнообразными системами и объектами.

Пособие сопровождается широким перечнем контрольных вопросов и задач, закрепляющих учебный материал и способствующий проведению самостоятельной работы студентов.

1. ИМПУЛЬСНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

1.1 Общие сведения об импульсных генераторах

Что такое генератор? Это устройство, позволяющее преобразовать энергию первичного источника питания в энергию электрических колебаний определенной формы, амплитуды и частоты. Импульсные сигналы по сравнению с гармоническими имеют ряд особенностей. Для них характерны наличие участков с быстрым и медленным изменением и резким переходом между ними, широкий гармонический состав. Эти колебания находят широкое применение в решении измерительных, синхронизирующих, управленческих и других задач.

Задача разработки схемы импульсного генератора включает в себя в общем случае два основных этапа: этап синтеза схемы и этап анализа электромагнитных процессов в ней.

Решение первого носит в основном интуитивный характер, базирующийся на знании общих принципов организации генераторных схем. Применительно к электронным генераторам это отражается наличием в структуре генератора усилителя с собственной комплексной передаточной функцией , замкнутого в цепь положительной обратной связи с коэффициентом передачи(рис. 1.1).

Рис. 1.1

Одной из задач анализа процессов в генераторах является определение условий возникновения автоколебаний и условий, при которых обеспечивается их устойчивость. В генераторах гармонических колебаний решение этой задачи достаточно точно достигается анализом комплексной передаточной функции усилителя, охваченного положительной обратной связью:

. (1.1)

Нетрудно заметить, что при равенстве =1 коэффициент усиления усилителя делается равным бесконечности, что физически означает переход усилителя в режим генерирования электрических колебаний. Поскольку входящие в (1.1) коэффициенты являются комплексными числами, характеризуемыми модулем и фазой, приведенное выше равенство распадается на два:

= 1, (1.2)

+= 0, (1.3)

где ,– амплитудно-частотные характеристики,, – фазо-частотные характеристики усилителя и блока обратной связи.

Условия (1.2), (1.3) являются необходимыми и достаточными для возбуждения колебаний в усилителе, охваченном положительной обратной связью, и носят соответственно условия баланса амплитуд и баланса фаз. В генераторах гармонических колебаний эти соотношения выполняются только на одной частоте, что и позволяет иметь на выходе этих устройств близкий по форме к синусоидальному выходной сигнал.

Условие возбуждения колебаний в генераторах импульсных сигналов полезно рассмотреть также на основе анализа переходной характеристики усилителя с обратной связью, операторное изображение которой имеет вид

,

(1.4)

где A(p), B(p) – полиномы комплексной переменной, p₁, p₂…p_n –корни характеристического уравнения знаменателя B(p) (полюсы полинома B(p)), имеющие в общем случае вещественную и мнимую составляющие. Для того чтобы переходная характеристика имела тенденцию к неограниченному нарастанию (а это и есть условие возбуждения колебаний в генераторе), необходимо, чтобы хотя бы один из полюсов передаточной функции имел положительную вещественную часть.

Решающую роль в установлении амплитуды генерируемых колебаний играет нелинейный характер вольт-амперных зависимостей, свойственных любому активному элементу, и зависящий от выбранного режима его работы. В рассматриваемых ниже схемах импульсных генераторов широко используется ключевой режим соответствующих активных элементов, позволяющий оптимизировать качественные и энергетические показатели импуль­с­ного устройства и облегчить процесс его анализа и расчета.