Імпульсна і цифрова техніка

Імпульсний принцип побудови систем автоматики й інформаційно-вимірювальної техніки займає домінуюче положення в порівнянні з аналоговими.

В імпульсній техніці як носія інформації є імпульс чи напруги струму.

Інформативним параметром в імпульсі може бути його амплітуда, полярність, тривалість, частота проходження.

Спеціальні методи обробки інформації в таких системах дозволяють створювати високоточні швидкодіючі системи будь-якої складності.

Основними формами імпульсів є:

- прямокутна

- пилкоподібна

- експоненціальна

Імпульс характеризується рядом параметрів. Розглянемо основні:

1. Амплітуда

2. Тривалість імпульсу

3. Тривалість фронту

4. Тривалість зрізу

5. Спад вершини .

Амплітуда імпульсу визначає найбільше значення напруги імпульсного сигналу.

Тривалість імпульсу характеризує тривалість імпульсу в часі.

Часто користуються поняттям активної тривалості імпульсу виміряного на рівні .

Іноді тривалість імпульсу вимірюють на рівні , при цьому рівень обговорюється. При відносно малих тривалість імпульсу вимірюють по основі.

Тривалість фронтів і характеризують час перебудування і час спаду імпульсів.

Часто користуються поняттям активних тривалостей фронту і зрізу, представляють зазначені тривалості щодо рівнів .

Чим менше тривалості фронтів, тим більше форма імпульсів наближається до прямокутного.

Спад вершини імпульсу і його відносна величина характеризують зменшення напруги на плоскій частині імпульсу.

Параметрами послідовності імпульсів є:

- період повторення (проходження) імпульсів

- частота повторення (проходження)

- пауза

- коефіцієнт заповнення

- шпаруватість імпульсу

Періодом повторення імпульсів називають інтервал часу між відповідними точками двох імпульсів.

Величину, обернену періоду, називають частотою проходження

.

Паузою називають інтервал часу між закінченням одного і початком наступного імпульсу.

Коефіцієнтом заповнення називається відношення тривалості імпульсу до періоду

.

Величина зворотна коефіцієнту заповнення зветься шпаруватістю імпульсу

.

Імпульсний сигнал являє собою послідовність імпульсів і для його обробки застосовують часово-імпульсний і числово-імпульсний методи.

Носієм інформації в першому випадку є тривалість імпульсів, а в другому – число імпульсів у фіксованому інтервалі часу.

Для перетворення й обробки сигналів в імпульсній техніці застосовують цифрові методи.

Вони базуються на використанні імпульсного сигналу прямокутної форми, що має два фіксованих рівні напруги, за умови, що високому потенціалу привласнюється рівень логічної одиниці «1», а низькому – нуля «0».

Основним елементом при побудові імпульсних систем і пристроїв є ключ.

В якості ключів в імпульсній техніці застосовують транзистор у ключовому режимі.

Ключовий каскад являє собою схему, представлену на рис.

Розрахунок ключового каскаду здійснюється графо-аналітіичним методом, основаним на побудові прямої навантаження, що описується рівнянням

.

Побудова прямої навантаження здійснюється так само як і для лінійного режиму. При цьому можна відзначити два режими роботи – режим замкненого стану транзистора (режим відсічки) т. М_З, режим відкритого транзистора (режим насичення).

Перший режим досягається подачею на вхід транзистора напруги рис. а без стрибка. Така полярність приводить до запирання транзистора. При цьому перехід Б-Е цією напругою замкнений, а по колекторному переході протікає тепловий струм .

Величина визначає якість ключа, а її наявність говорить про те, що повного відключення від не відбувається. Виходячи з величини вибирають величину замикаючої напруги .

Режим відкритого стану транзистора досягається подачею на вхід ключа напруги негативної полярності .

По транзисторі буде протікати струм

.

Величина може бути знайдена як

де - це спадання напруги на відкритому транзисторі, у залежності від типу коливання від 0,05...1…1 В.

У силу малого значення струм колектора визначається по формулі

.

З урахуванням останньої напруги знаходять граничне значення струму бази

.

Розглянемо значення напруг і струмів при подачі на вхід імпульсної напруги.

Протягом часу , на вході ключа присутня закриваюча напруга , при этом закритий стан транзистора характеризується величиною струму ,

.

У момент часу з приходом імпульсу , струм бази зміниться за законом , а по експоненті. Протягом часу колекторний струм у часі

де ; ; - ємність колекторного переходу в схемі з ЗЕ. У силу наявності постійної часу змінюється по експоненті. З формули (6) може бути знайдена тривалість фронту наростання імпульсу

.

Якщо прийняти відношення , де S – коефіцієнт насичення транзистора,

.

За допомогою графо-аналитичного методу для проектованого ключа можна визначити .

Характер зміни протягом підкоряється залежності:

.

У момент часу під дією закриваючого імпульсу струм бази приймає значення , а струм протягом деякого часу залишається незмінним.

Це пояснюється тим, що протягом зазначеного часу підтримується надлишковими носіями заряду, що ідуть з бази в колектор – дірками. Только після відходу, розсмоктування цих носіїв, струм колектора починає зменшуватися, і транзистор переходить у лінійний режим. Розсмоктування надлишкових носіїв відбувається і по ланцюгові бази за рахунок протікання . Час, протягом якого відбувається розсмоктування надлишкових носіїв одержав назву . На ділянці часу від до струм колектора змінюється по залежності

де - постійна часу життя основних носіїв у базі, але менше .

Можна вважати, что .

Вираз (10) також є рівнянням експоненти. З (10) можна знайти

.

Час зрізу може бути визначений з виразу для після виходу транзистора з насичення

відкіля

.

Величини /////, визначають швидкодію ключа і залежать від частотних властивостей транзистора.

Імпульсний режим роботи ОП. Компаратори. Тригер Шмідта.

ОП знаходять широке застосування в імпульсній техніці.

Роботу ОП розглянемо на прикладі компаратора. Цей пристрій призначений для порівняння по величині двох напруг. Одна з них є опорною , а друга може змінюватися в часі.

Найпростіший компаратор на ОП і його характеристика виглядають так:

А)

Б)

Знак вихідної напруги компаратора змінюється у випадку, коли напруги на його входах близькі до нуля

.

Якщо , то компаратор змінює свій стан при переході через 0, тому компаратор називають нуль-органом.

Приведена схема застосовується тоді, коли вхідні сигнали не перевищують паспортного значення ОП.

У випадку, якщо амплітуди вхідних напруг великі, то на вході компаратора застосовуються дільники

У випадку подачі на вхід негативної напруги, характеристика рис. (б) буде проінвертована. Східчастий характер зміни вхідної напруги відбувається в наслідок великого

.

Широке застосування одержали компаратори з ДЗЗ здійснюваною по вході, що неінвертує, за допомогою резисторів . Цей компаратор одержав назву тригер Шмідта.

Особливість полягає в тім, що він має характеристику з петлею.

Характеристика тригера показує, що зміна знака вихідної напруги відбувається при напрузі , а повернення схеми у вихідний стан відбувається при , причому .

Для приведеної схеми

- коефіцієнт ДЗЗ.

Залежності (1) і (2) дозволяють одержати

Якщо , тоді схема має вигляд

Схеми компараторів є основою для побудови генераторів імпульсів на ОП.

Мультивібратори (МВ)

Вони призначені для генерування імпульсів прямокутної форми з необхідними параметрами (амплітудою, тривалістю, частотою проходження і т.д.).

Так само як і генератори синусоїдальних коливань вони перетворюють енергію джерела живлення в енергію імпульсів.

МВ в імпульсних схемах виконують роль задаючих, ведучих чи синхронізуючих генераторів.

Можливість створення МВ на ОП розглянемо на прикладі малюнка і діаграм.

А)

Припустимо, що до моменту часу , вихідна напруга компаратора рівна значенню , і на неінвертуючому вході ОП встановлюється напруга зі значенням

де - коефіцієнт зворотного зв'язку.

У цей же час наявність на виході компаратора напруги приводить до заряду ємності С через резистор R з полярністю напруги без дужок. Напруга на ємності змінюється по експоненціальному законі й у момент часу стане рівною нулю, компаратор змінить свій стан і на його виході установиться напруга рівна .

У цей момент . Ємність С починає перезаряджатися, напруга на ній буде рости з полярністю в дужках, тобто компаратора рівна .

У момент часу знову відбудеться зміна стану компаратора і цей стан буде зберігатися до моменту часу .

Як видно з діаграми б) тривалості імпульсів різної полярності рівні, тобто .

З цієї причини такий МВ називають симетричним.

Частота проходження імпульсів буде дорівнювати:

Тривалість імпульсу може бути визначена з процесу перезаряду ємності С.

Якщо прийняти:

Тоді вираз (1) набуде вигляду:

Поклавши в (2) , одержимо

Якщо прийняти, що , то (3) можна записати

Тоді частота проходження f імпульсів буде дорівнювати

На ОП будуються і несиметричні мультивібратори:

Так як згідно (4) залежить від , то тривалість імпульсів у несиметричному МВ буде неоднаковою, тому що . Приєднання здійснюється за допомогою діодів D1 і D2.

Розрахунок для несиметричного МВ здійснюється по залежностях (4) і (5) з вархуванням . При розрахунку МВ необхідно враховувати гранично допустимі параметри ОП. Так коефіцієнт задають з урахуванням значення - максимальне значення диференціальної напруги на вході. Варто також враховувати, що при напругах на входах ОП рівних значення в момент переключення рівне:

.

Якщо прийняти, що , то коефіцієнт повинен буде дорівнювати:

Вибір резисторів здійснюється з врахуванням максимально припустимого вихідного струму ОП .

Цей вихідний струм складається з трьох складових:

- струму навантаження

- струму ДЗЗ

- струму НЗЗ

Приведені залежності дозволяють при заданих і величині ємності С знайти значення резисторів .

На приведених діаграмах були приведені вихідні імпульси ідеальної форми, тобто .

У реальних мультивібраторах не може бути менше 0,5 мкс .

Така тривалість фронту не завжди може бути використана в імпульсних схемах.

Диференціюючий RC-ланцюг

З метою одержання імпульсів короткої тривалості з малим часом застосовують диференціюючий ланцюг.

Принцип дії диференціюючого ланцюга заснований на перезаряді ємності С при впливі на вхідні ланцюги імпульсів різної полярності.

На ділянці , на вході ланцюга діє імпульс негативної полярності з амплітудою . У момент часу вхідний імпульс змінює свою полярність. На ділянці ємність С була заряджена до напруги , полярність напруги на ній зазначена без дужок.

У момент часу на вході ланцюга діє напруга з амплітудою , тому що в момент часу на вході зазначена в дужках.

Подвійна амплітуда вихідного імпульсу виходить внаслідок того, що ємність С не може швидко перезарядитися.

На ділянці часу відбувається перезаряд ємності, а в момент часу струм заряду ємності змінить напрямок, змінить полярність вхідний імпульс і на виході ланцюга буде сформований імпульс негативної полярності.

Таким чином на виході диференціюючого RC-ланцюга імпульси різної полярності, форма яких протягом часу змінюється по залежності:

,

де .

Для того, щоб одержати на виході імпульси визначеної полярності встановлюють діод VD.