Агаханян Електронные устройства в медицинских приборах 2010

живать на заданном уровне регулировкой скважности Q, а более точно – длительностью проводящего состояния регулирующего элемента.

Таким образом, в ключевом стабилизаторе управляющее регулирующим элементом устройство должно обеспечить преобразование сигнала рассогласования Uрас= Uн–Uн.ном, определяемого отклонением выходного напряжения от своего номинального значения, в последовательность импульсов, в течение которых отпирается регулирующий элемент, обеспечивая подзарядку элементов фильтра.

По способу преобразования сигнала рассогласования ключевые стабилизаторы делятся на два класса.

Стабилизаторы с модуляцией, в которых регулирующий эле-

мент управляется выходным сигналом широтно-импульсного модулятора (ШИМ) или частотно-импульсного модулятора (ЧИМ). В первом случае выходное напряжение поддерживается на заданном уровне изменением длительности проводящего состояния tпр при сохранении периода переключения Тпер, задаваемого генератором опорной частоты. Во втором случае выходное напряжение поддерживается на заданном уровне изменением периода переключения Тпер, а следовательно, и длительности проводящего состояния tпр.

Стабилизаторы релейного типа, в которых частота переключе-

ния и, соответственно, период Тпер определяются возникающими в устройстве управления автоколебаниями. Релейные стабилизаторы не содержат дополнительного генератора. Обычно их стабилизирующее действие основано на принципе адаптивной (приспосабливающейся) широтно-импульсной модуляции, когда длительность проводящего состояния tпр зависит не только от сигнала рассогла-

сования Uрас = Uн – Uн.ном, но и от скорости изменения выходного напряжения.

Так как ключевые стабилизаторы представляют собой нелинейные элементы, то расчет их параметров (коэффициента стабилизации, выходного сопротивления) затруднителен. Поэтому на практике ограничиваются приближенной оценкой этих параметров, рассчитывая их для каждого этапа работы стабилизатора в отдель-

251

ности (закрытого и открытого состояний регулирующих элементов). Более достоверно эти параметры можно определить экспериментально. При измерении параметров следует иметь в виду, что в ключевых стабилизаторах наличие фона (пульсации) на выходе является неизбежным следствием принципа работы стабилизатора. Поэтому измерение коэффициента стабилизации, выходного сопротивления (в том числе и его импульсной величины) следует производить для медленных изменений тока нагрузки Iн.

Контрольные вопросы

1.Назовите первичные и вторичные источники питания, применяемые в приборах медицинской диагностики.

2.Дайте краткое описание выпрямителей на полупроводниковых диодах. Почему на практике предпочитают использовать мостовые схемы выпрямителей?

3.Составьте схемы сглаживающих фильтров и укажите, в каких источниках питания включение каких фильтров предпочтительнее?

4.Составьте схему параметрического стабилизатора напряжения и укажите, на каком элементе обеспечивается стабилизация напряжения. Каково выходное сопротивление такого стабилизатора?

5.Составьте схему параметрического стабилизатора тока с биполярным транзистором в диодном включении. Каким элементом определяется выходное сопротивление такого стабилизатора?

6.Какие вы знаете компенсационные стабилизаторы напряжения непрерывного регулирования? Какой из них следует использовать для питания устройства, работающего в импульсном режиме?

7.В чем основной недостаток стабилизаторов непрерывного регулирования и в каких стабилизаторах этот недостаток исключен?

______

252

5. ТРИГГЕРЫ И ТРИГГЕРНЫЕ СИСТЕМЫ

5.1. Режим работы триггеров и основные характеристики

Триггером называется устройство, обладающее несколькими, чаще двумя, состояниями устойчивого равновесия. Переброс триггера из одного устойчивого состояния равновесия в другое сопровождается скачкообразным изменением токов и напряжений и происходит под воздействием внешнего спускового сигнала, когда его амплитуда достигает определенного уровня. Этот уровень называется порогом срабатывания.

На практике наиболее часто применяются триггеры, состоящие из двухкаскадных усилителей с регенеративной обратной связью. Такие схемы имеют четыре состояния равновесия. Параметры схемы рассчитывают таким образом, чтобы первые два состояния равновесия (когда оба усилительных элемента одновременно открыты или закрыты) были неустойчивыми, а последние два состояния (когда первый элемент открыт, а второй закрыт или, наоборот, первый закрыт, а второй открыт) – устойчивыми. Это так называемые бистабильные триггеры с двумя выходами и входами. Применяются симметричные триггеры, построенные на двух усилительных каскадах одинаковой структуры, и несимметричные триггеры.

Пороги срабатывания и изменения выходного напряжения или тока определяются спусковой характеристикой триггера, представляющей собой зависимость выходного напряжения или тока от амплитуды спускового сигнала, воздействующего на один из входов триггера.

На рис. 5.1 представлена спусковая характеристика транзисторного триггера. Как видно из этой характеристики, переброс триггера из одного устойчивого состояния в другое происходит тогда, когда амплитуда спускового сигнала Uсп = Uвх1 достигает порогов

отпирания Uотп = Uпор2 или запирания Uзап = Uпор1. В первом случае переброс триггера происходит в результате отпирания транзи-

стора, на вход которого поступает спусковой сигнал, а во втором – из-за запирания этого же транзистора.

253

	Во время переброса триггера из
	одного	состояния в другое в схеме
	действует положительная обратная
	связь	регенеративного		характера,
	ускоряющего переброс триггера (на
	рис. 5.1 эти участки представлены
	пунктирными прямыми со стрел-
	ками, указывающими направление
	переброса). В закрытом состоянии
	транзистора		в первой	половине
Рис. 5.1. Спусковая характеристика	триггера на выходе устанавливает-
бистабильного триггера	ся высокий		уровень Uвы1		х1 , соот-

ветствующий 1, а в открытом состоянии транзистора формируется низкий уровень Uвых0 1 , соответствующий 0.

Петлю на спусковой характеристике триггера (по аналогии с магнитными цепями) часто называют гистерезисной, а разность пороговых значений ( Uгис = Uотп – Uзап) шириной петли гистерезиса. Ширина петли гистерезиса зависит от глубины регенеративной обратной связи: с ростом глубины обратной связи петля гистерезиса расширяется. С увеличением глубины обратной связи повышается также стабильность порогов срабатывания.

Триггеры являются одними из основных элементов импульсной техники и применяются для решения разнообразных функциональных задач. Они используются как преобразователи напряжения или тока произвольной формы в импульсы прямоугольной формы, применяются в качестве амплитудного дискриминатора (различителя). Широкое распространение триггеры получили в пересчетных устройствах или так называемых электронных счетчиках, которые применяются для быстрого счета числа импульсов, повторяющихся через малые промежутки времени. Такие устройства используются в приборах экспериментальной физики, в цифровых измерительных приборах и т.д. Счетчики импульсов являются одним из важных узлов компьютеров, в которых триггеры применяется также в качестве запоминающих элементов, простейших сумматоров и т.п.

254

Различают следующие основные режимы работы триггеров:

•режим формирования прямоугольных импульсов;

•режим амплитудного дискриминатора;

•пересчетный режим;

•режим хранения информации (в качестве элемента памяти).

Формирование прямоугольных импульсов. Работа триггера в

режиме формирователя иллюстрируется эпюрами на рис. 5.2. В момент времени t1 спусковой сигнал, поступивший на первый вход триггера, достигает уровня отпирания Uотп = Uпор2 и триггер перебрасывается. Обратный переброс триггера происходит в момент времени t2, когда спусковой сигнал, уменьшаясь, становится равным порогу запирания Uзап = Uпор1. Длительность формируемых импульсов tи определяется амплитудой спускового сигнала и шириной петли гистерезиса Uгис.

Рис. 5.2. Эпюры напряжений на

входе Uвх1 = Uсп и выходе Uвых2 триггера, иллюстрирующие режим

формирования прямоугольного импульса

Симметричные триггеры позволяют формировать импульсы прямоугольной формы с длительностью фронтов, составляющей единицы и десятые доли микросекунды. Для формирования импульсов с более короткими фронтами применяются несимметричные триггеры.

Режим амплитудного дискриминатора. Амплитудный дис-

криминатор представляет собой пороговое устройство, которое выдает выходной импульс только тогда, когда амплитуда входного импульса превосходит некоторое минимальное значение. Наиболее широко амплитудные дискриминаторы применяются в экспериментальной физике для анализа энергетического спектра регистрируемых частиц.

255

+ Uгис – Uуст.

Триггеры представляют собой пороговые устройства, поэтому их легко можно приспособить для работы в качестве дискриминатора амплитуды. На рис. 5.3 приведены эпюры, иллюстрирующие работу триггера-дискриминатора. На вход триггера подключается дополнительный источник, который позволяет сместить уровень спускового сигнала на требуемую величину Uуст, называемую напряжением уставки.

Как видно из рис. 5.3, импульсы, амплитуды которых меньше некоторой величины, не способны опрокинуть триггер, поэтому эти сигналы не регистрируются схемой (например, второй импульс).

Триггер перебрасывается только импульсами, амплитуда которых превышает порог дискриминации, т.е.

Uт ≥ Uдис = Uпор2 – Uуст = Uпор1

Порог дискриминации Uдис можно регулировать изменением напряжения уставки Uуст. Но такую регулировку можно осуществить только в определенных пределах, так как если уровень уставки оказывается внутри петли гистерезиса, т.е. Uуст > Uпор1, то триггер перебрасывается всего один раз и больше не возвращается в свое исходное состояние. Поэтому все последующие импульсы, независимо от их амплитуды, не опрокидывают триггер и не регистрируется.

Порог дискриминации зависит и от ширины петли гистерезиса Uгис. С уменьшением ширины петли уменьшается порог дискриминации, но одновременно происходит уменьшение стабильности порогов срабатывания триггера. Стабильность порогов является одним из основных требований, предъявляемых к триггеру-дискри- минатору, что необходимо иметь в виду при выборе ширины петли гистерезиса. Симметричные триггеры обладают меньшей стабильностью порогов, чем несимметричные триггеры, поэтому в качестве дискриминаторов наиболее часто используются последние.

Пересчетный режим. Основным элементом большинства пересчетных устройств является симметричный триггер, причем в настоящее время почти всегда транзисторный триггер. На каждые два импульса, поступающие на вход, триггер выдает на выходе один импульс. Пересчетное устройство состоит из нескольких триггеров.

256

Выходное напряжение каждого триггера поступает на вход последующего триггера.

Таким образом, если пересчетное устройство содержит N триггеров, то каждой группе 2N входных импульсов соответствует один импульс на выходе всего устройства в целом. По известной величине коэффициента пересчета Kпер= 2N и числу импульсов на выходе пересчетного устройства N можно определить число входных импульсов, кратное Kпер. Счет полного числа импульсов производится с помощью сигнальных элементов, указывающих состояние всех триггеров.

Режим хранения информации. Работа триггера в режиме хранения информации, т.е. в качестве запоминающего устройства, основана на особенности триггера принимать два существенно различных состояния равновесия, которые можно кодировать цифровыми символами 0 и 1. Принимая в качестве 1, например, высокий уровень выходного потенциала Uвых1 , а 0 – низкий уровень Uвых0 и

записав соответствующую информацию в триггер, можно выполнять различные математические операции. Запись и стирание информации, а также соответствующие математические операции производятся подачей команд в виде спусковых сигналов.

Вкачестве запоминающего элемента триггеры (как правило, симметричные) используются в различных узлах компьютера: регистрах, дешифраторах, сумматорах и т.д.

Взависимости от режима работы триггера, особенностей источника спусковых сигналов применяются два вида запуска триггера: запуск по раздельным входам и запуск по объединенному (общему) входу. В первом случае в качестве входов триггера используются соответствующий электрод каждого из усилительных элементов раздельно. Во втором случае оба входа триггера соединяются вместе, и спусковой сигнал поступает на объединенный вход.

При раздельном запуске спусковой сигнал действует только на один из усилительных элементов. При этом если спусковые импульсы чередующейся полярности, то они подаются на вход только одного усилительного элемента. Если же сигналы однополярные, то они поочередно поступают на вход каждого из усилительных элементов, и каждый импульс приводит к перебросу схемы. Такой

257

режим запуска называют спусковым. Спусковой режим запуска однополярными импульсами обычно производится вспомогательными элементами, при помощи которых спусковой сигнал направляется на вход только одного усилительного элемента, причем на вход того элемента, который под воздействием сигнала данной полярности способен вызвать переброс схемы. Для направления спускового сигнала на соответствующий вход схемой управления производится «опрос» триггера, позволяющий определить его состояние в момент поступления сигнала.

При запуске по объединенному входу без вспомогательных элементов спусковой сигнал одновременно действует на оба усилительных элемента. При поступлении каждого спускового импульса происходит переброс схемы. Таким образом, число перебросов оказывается равным числу импульсов, т.е. триггер считает число пар поступающих импульсов, поэтому такой режим называется счетным, или пересчетным.

В несимметричных триггерах, используемых в качестве формирователя или дискриминатора, как правило, применяется раздельный запуск. Для этого источник спусковых сигналов подключается к одному из входов(обычно базовому или затворному) и соответствующим подбором напряжения уставки и ширины петли гистерезиса обеспечивается переброс триггера из одного состояния равновесия в другое. При снятии спускового сигнала триггер возвращается в свое исходное состояние. Запуск по объединенному входу для переброса несимметричных триггеров, как правило, не применяется.

Простейший триггер может быть построен из двух логических элементов со взаимными перекрестными обратными связями, как правило, регенеративного характера, что способствует повышению быстродействия и надежности работы триггера.

Для построения собственно триггера наиболее часто используются логические элементы, выполняющие операции И-НЕ и ИЛИНЕ. Эти элементы позволяют построить два варианта триггера: на двух элементах И-НЕ (рис. 5.4,а) и на двух элементах ИЛИ-НЕ (рис. 5.4,б). Как видно из представленных схем, собственно триггер представляет собой пару перекрестно соединенных инверторов, в

258

которой при логической 1 на выходе одного инвертора на выходе другого поддерживается логический 0.

Бистабильный триггер имеет два выхода, сигналы на которых являются взаимно дополняющими, т.е. если на одном из выходов устанавливается высокий потенциал Uвых1 , то на другом – низкий

Uвых0 . Поэтому информация на одном их выходов Q представляет собой инверсию информации на другом Q (см. рис. 5.4).

Рис. 5.4. Структурные схемы бистабильного триггера на двух логических элементах: И-НЕ (а) и ИЛИ-НЕ (б)

Для установки 1 на выходе Q сигнал подается на вход триггера S (от слова set – установка), а для установки 0 на выходе Q сигнал

подается на вход R (от слова reset – сброс). При этом для установки соответствующей информации на указанные входы подается высокий потенциал. Такой способ записи и сброса применяют в триггерах на логических элементах ИЛИ-НЕ (см. на рис. 5.4, б). Если триггер построен на элементах И-НЕ (см. рис. 5.4, а), то для установки 1 или 0 на входы подают инвертированный сигнал, т.е. для

установки 1 на вход S подают 0, а установка 0 на выходе триггера

производится подачей 0 на вход R .

В зависимости от принципа кодирования информации триггеры разделяются на два обширных класса: статические и динамические.

Каждое из устойчивых состояний статического триггера характеризуется различными значениями токов и уровней потенциалов. Триггеры с двумя устойчивыми состояниями (бистабильные триггеры) работают при двух уровнях потенциалов и токов как на входе, так и на выходе, соответствующих логическим уровням 0 и 1.

259

Состояния динамического триггера характеризуются наличием выходных импульсов стандартной амплитуды и длительности и паузой между импульсами. Каждое из этих состояний соответствует логическим 1 и 0.

На практике применяются два типа статических триггеров. В первом из них в равновесном состоянии оба транзистора либо одновременно открыты, либо закрыты, а во втором — один из транзисторов открыт, а другой закрыт. Первый тип триггера характерен тем, что при переходе из одного устойчивого состояния равновесия в другое оба транзистора, находящиеся в одинаковых состояниях, одновременно изменяют эти состояния. Такую схему называют кольцевым триггером, подчеркивая тем самым ту особенность, что отпирание и запирание каждого транзистора происходит в одном и том же направлении. Характерной особенностью второго типа триггера является то, что при переходе триггера из одного устойчивого состояния равновесия в другое оба транзистора, находящиеся в различных состояниях, одновременно меняют эти состояния так, что сохраняется симметрия их режима работы. Эту схему называют симметричным триггером, подчеркивая тем самым симметрию режима работы активных элементов.

Симметричные триггеры нашли широкое применение в радиоэлектронной аппаратуре, особенно в цифровой. Они обладают достаточно высоким быстродействием при сравнительно малом потреблении энергии. При построении электронных устройств, предназначенных для логической обработки информации, предпочтение отдают симметричным триггерам, так как они (в отличие от кольцевых) позволяют одновременно получать сигналы в прямом и инверсном кодах, снимаемые с взаимодополняющих выходов триггера.

Динамический триггер тоже имеет два устойчивых состояния равновесия, характеризуемых определенными значениями импульсных сигналов на выходе. Обычно за 1 принимается уровень сигналов, соответствующий наличию импульса, а за 0 — уровень при паузе между импульсами. Для построения динамического триггера наряду с логическими элементами используется элемент задержки, охваченный замкнутой цепью обратной связи для циркуляции импульсов с выхода на вход.

260