Электроника. ЭЛЕКТРОНИКА ЖӘНЕ АНАЛОГТЫҚ ҚҰРЫЛҒЫЛАР СХЕМОТЕХНИКАСЫ. Алматы энергетика жне байланыс институты электроника жне компьютерлік технологиялар кафедрасы
 Скачать 89.06 Kb.
|
|
24 Кернеу қайталағышы/инвертор Төменде келтіріліп отырған 24.1 суреттегі схеманың күшейту коэффициенті 1-ге тең және шығыс сигналдың полярлығын ауыстырып қосу мүмкіндігі бар. R1 = R2 = R; R3 = R4 = R/2 24.1 Сурет. Күшейту коэффициенті оң/теріс таңбалы күшейткіш Егер ауыстырып қосқыш SW1 ажыратылған болса, онда бұл күшейткіш , яғни кернеу қайталағышқа айналады. Егер SW1 тұйықталған болса, күшейткіш бірлік күшейту коэффициенті болатын, яғни - қарапайым терістеуші схемаға айналады. Ауыстырып қосқыштың SW1 күйі (яғни, қосылғаны немесе ажыратылғаны) күшейту коэфициентінің «таңбасын» анықтайды. Схеманы оңайлату (қарапайымдату) үшін 24.1 Суретте кәдімгі механикалық ауыстырып қосқыш көрсетілген, ал тәжірибе жүзінде КМОП – ауыстырып-қосқыштармен пайдаланады, мысалы, 4016 – деп белгіленетін төрт екібағытты ауыстырып-қосқышты алып, белгілі Лошкалық деңгейлердегі сигналдар келіп түскенде, өте жоғарғы тез әрекеттілікпен (шапшаң) схеманы ауыстырып қосады. Міне осындай күшейткіш бақылаулы-өлшеуіш аппаратурада кеңінен қолданылып жүр. 25 Ток/кернеу түрлендіру Жиі токтық сигналдарды кернеуге және керісінше түрлендіруді орындауға келеді. Мысалы, стандартты аналогтық өлшеуіш сигналдың ток күші 4-тен 20 мА-ға дейін болуы мүмкін. Міне осы сигналды дисплей бетінде нәтижелерді бейнелеу үшін кернеуге түрлендіру жиі кездеседі. Осы сияқты керісінше, кернеуді токқа түрлендіру, яғни бұл сигналды (токқа түренген), мысалы, сигналдарды жіберу жүйелерінде пайдалану үшін керек болуы мүмкін. Аналогтық информацияны айтарлықтай қашық (алыс) жерлерге жібергенде, токтық сигналдар кернеулік сигналдардан гөрі артығырақ, себебі олар (ток түріндегі сигналдар) бөгеуілдердің және тізбек кедергісінің ықпалына кемірек душар болады (ұшырайды). Аналогтық сигналдар үшін ток түріндегі сигналдарды кернеу түріне және керісінше түрлендірулерді орындайтын схемалар келесі 25.1 Суретте көрсетілген. 25.1-Сурет Түрлендіру: а) кернеуді токқа; б) токты кернеуге. Жоғарыда (25.1 а) суретте кернеу қайталағышының көмегімен кернеуді токқа түрлендіру схемасы көрсетілген. Әдеттегідей бұл схемада , бірақ , ал бұл жердегі I – жүктемеде ағып тұратын ток. Сондықтан I-ток Vin кернеумен беріледі (тапсырылады) де, жүктеме кедергісіне мүлде тәуелсіз (егер күшейткіштің шығысы қанығу күйінде болмағанда). Ток түріндегі сигналды кернеу сигналына түрлендіру үшін (25.1 б)-Суреттегі схема қолданылады. Стандартты ДК (дифференциалды күшейткіш) кірісіне параллель жалғанған жүктеменің кедергісі арқылы ток ағады. Жүктеме кедергісіндегі түсетін кернеудің шамасы IR[B]; ал шығыс кернеуі, жоғарыда сипатталып, айтылып кеткендей, ДК-ның күшейту коэффициентімен анықталады. Егер қарастырып отырған схемаларының екеуі бірге пайдаланылса, (25.1 а) және (25.1 б) Суреттердегі резисторлардың кедергілері тең болады да, ал ДК бірлік күшейту коэффициентін қамтамасыз етеді. Сонымен аяғы бұл схема деректерді жіберу жолының буыны болып табылады да, оны аналогтық шамаларды электр бөгеуілдер деңгейі жоғары учаскілер арқылы жіберіп тұруға пайдалануға болады. 26.1 - Сурет Шығыс сигналы сызықты өзгеріп тұратын схема: а) схема б) кіріс Vin, және шығыс Vout сигналдың уақыттық диаграммалар 26 Шығыс сигналы сызықты өзгеретін схема 26.1 Суретте бекітілген жылдамдықпен шығыс сигналдың өзгеруін іске асыратын схема көрсетілген. Шығыс кернеуі кіріс кернеуін қайталайды (бірақ терістелген түрде), ал бірақ өзгеру жылдамдығы шектелген болып табылады. Міне осындай схемалар үдеулерді шектеу үшін, мысалы айтайық, электр қозғалтқыштың тозуын кеміту (азайту) мақсатымен пайдаланылып жүр. Жоғарыдағы схеманың1-і күшейткіші (ОК-1) салыстырғыш ретінде жұмыс істейді де, Vout пен Vin кернеулері салыстырылады. Сондықтан егер Vout кернеуі Vin кернеуіне тең болмаса, күшейткіштің (ОК-1) шығысы қанығу күйінде не оң, не теріс полярлығында болады. Екінші ОК – бұл интегратор, ол шығыс сигналды интегралдайды. Егер шығыс сигнал 1-і күшейткіш шығысында оң таңбалы болса, онда Vout - кернеуі сызықты түрде кемиді. Сигналдың сызықты өзгеру жылдамдығы R3 – резистор мен С1 – конденсатордың шамаларымен (мәндерімен) анықталады. Міне, осыған ұқсас: егер ОК-1 күшейткіштің шығыс сигналы теріс таңбалы болса, онда Vout – кернеуі бекітілген жылдамдықпен сызықты түрде өседі. Егер Vin – кернеу өзгеріп тұрса, онда Vout – кернеу келесі Vout = Vin теңдеу орындалғанша бекітілген жылдамдықпен сәйкесті бағытта сызықты түрде өзгеріп тұрады. Схеманың жұмыс істеуі (26.1б) Суретте көрсетілген. Кіріс және шығыс сигналдардың теңдігінде (яғни тең болған жағдайда) ОК-1 – күшейткіштің шығысында «0» болуы тиіс, бірақ тәжірибе жүзінде ОК-1 – күшейткіштің шығыс сигнал мәндерінің кездейсоқ флуктуациялары бақыланады. Бірақ бұл жағдай схеманың шығыс сигналына ешбір ықпал етпейді. 27 Максимал мәндерді бөліп шығару схемасы Шыңдарды бөліп шығару схемасы сигналдың максимал мәнін сүйемелдеп (ұстап) тұрады. 27.1- Сурет Максимал мәндерді бөліп шыығару схемасы: а) схема; б) кіріс және шығыс сигналдардың уақыттық диаграммасы. Егер Vin – кернеу Vout кернеуден асып түсетін болса, салыстырғыш ретінде жұмыс істейтін ОК-1 операциялық күшейткіштің шығыс сигналы оң таңбалы болады да, «С» деп белгіленген конденсатор Vout = Vin шарт орындалғанша зарядталады. Ал егер Vin қайтадан кеми бастаса, конденсаторда кернеудің бұрынғы мәні сақталады да, ОК-1 – күшейткіштің шығыс кернеуі Vin – кернеудің мәні Vout кернеудің мәнінен кем болғанда , теріс таңбалы болып шығады. 27.1 Суретте келтірілген схема ішіне D – деп белгіленген кері ығысқан диод енгізілген, міне осының себебінен конденсатор «С» разрядталуын ОК-2 – күшейткіштің кірісі арқылы ғана орындай алатын болады. Бұл ОК-2 – күшейткіштің кірісі әдетте өрістік транзисторлардың негізінде орындалады, ал олар күшейткіштің кіріс кедергісін жоғарылатады. Міне сондықтан шығыста Vin – кернеудің ең жоғарғы мәні (шамасы) ұсталынып (сүйемелденіп) тұрады. Ал егер кері ығысқан диодты кері полярлықпен қоссақ, шығыста Vin – кернеудің ең төменгі мәні ұсталынып тұрады. Егер диодты физикалық түйіспесі бар ауыстырып-қосқышпен ауыстырсақ немесе логикалық КМОП-вентиль негізіндегі ауыстырып-қосқышпен ауыстырсақ, таңдама және сақтау схемасын аламыз. Бұл схемадағы Vout – шығыс кернеуінің шамасы ауыстырып-қосқышты соңғы рет ажыратқан мезеттегі болған Vin – кернеу мініне (шамасына) тең мән ұсталынып (сүйемелденіп) тұрады. Таңдама және сақтау схемасы ЦАТ-тарда (цифрлы-аналогтық түрлендіргіш) кіріс сигналын бекіту үшін пайдаланылады. 28 ОК негізіндегі тікбұрышты импульстер генераторы Генератор дегеніміз тұрақты ток қоректену көзінің энергиясын айнымалы сигнал энергиясына түрлендіруші электрондық схема. Негізінен генераторлар үш категорияға бөлінеді: - синусоидалық сигналдар генераторы; - тікбұрышты импульстер генераторы; - формалары басқа сигналдар генераторы. Тербелістерді сүйемелдеп тұру үшін келесі шарттар орындалуы тиіс: - КБ (кері байланыс) тұзағы тұйықталғанда күшейту коэффициенті бірге тең (немесе одан асып түсуі) болуы тиіс; - КБ тұзағындағы сигналдың фазасының ығысуы нөлге тең (немесе 360˚ еселі) болуы тиіс. Синусоидалық сигналдар генераторларында индуктивті-сыйымдылықтық тізбектердің резонанстық қасиеттерін немесе кварц кристалының электрлік қасиеттерін пайдаланады, ал сигналдың жасанды түрде фазасының ығысуын RC – тізбектерінің көмегімен орындайды. Бұл әдістер жиілігі 0,1 Гц шамасынан бастап 400 МГц шамасынан асып түсетін формасы синусоидалы сигналдардың генераторын жасауға мүмкіндік береді. Келесі беттегі 28.1 суретте кернеудің тербелу шегін, яғни амплитудасын үлкен етіп жасауға тура келгенде ыңғайлы болатын генератор көрсетілген. Уақыттық диаграммалардан келесі жағдайды көреміз. Егер t=0 мезетінде күшейткішті қарастырсақ, ол теріс таңбалы қанығу күйінде екенін көреміз де, келесі өрнекті жаза аламыз бұл жердегі 28.1 Сурет - ОК негізіндегі тікбұрышты импульстер генераторы. Конденсатор «С» уақыт тапсырушы резистор R арқылы зарядталады да, бұның нәтижесінде «В» - нүктедегі кернеу қоректендіру кернеуінің теріс таңбалы мәніне ұмтылады. Потенциалдар А мен В нүктелерінде теңескенде «шығыс» оң таңбалы қанығу ауысып-қосылады. Осының нәтижесінде енді келесі өрнекті жаза аламыз: , олай болса В-нүктедегі кернеу оң таңбалы қоректендіру кернеуіне қарай ұмтылады. Содан кейін «В» және «А» нүктелердегі кернеу қайтадан бірдей болған жағдайда, «шығыс» қайтадан теріс таңбалы қанығуға өтеді де, цикл қайталанады. Сонымен, схемада келесі оқиғалардың қайталануы болып тұрады: - схеманың шығысындағы кернеу (шығыс кернеуі) V+SAT пен V-SAT – максимал мәндердің арасында тербеліп тұрады; - «А» нүктедегі кернеу мәндерінің тербелісі КV+SAT пен КV-SAT мәндер арасында жүреді; - «В» нүктедегі кернеу, «А» нүктедегі максимал мәндер арасында Экспонент заңы бойынша түседі де, өседі де. Тербелістер периодының есептелуі айтарлықтай ұзын, сондықтан бұл жерде біз аяғы қандай нәтиже алуға болатынын келтірейік: Сонымен, генератор дегеніміз КБ-сі бар күшейткіш. Кері байланыс (КБ) оң болуы тиіс және күшейткіштің кірісімен фазалы, ал КБ-нің тұзақтық тұзақтық күшейтуі тізбектегі шығындардың есесін қайтаратындай, яғни компенсациялайтындай болуы тиіс. 29 Интегралдық схемалар негізіндегі күшейткіштер Айнымалы ток күшейткіштерін интегралдық схемаларды (ИС-терді) қолданып та жасайды, бірақ бұл схемалардың қалыптастырылуы (жиналуы) тұрақты ток күшейткіштерінен немесе логикалық схемалардан өзгешелеу. Қазіргі кезде қарапайым қуатты дыбыс күшейткіштерін сыртқы (шалғай) құраушыларының саны минимал болатын ИС-терден жиналады (құралады). Дыбыс әуезділігі реттеліне алатын дыбыс күшейткішінің әдеттегі схемасы 29.1 Суретте көрсетілген. 29.1 – Сурет Күрделі емес проигрыватель үшін ИС негізіндегі дыбыс күшейткіші ИС-терде жиналған күшейткіштер TV-лердің көбінде және тұрмыстық музыка орталықтарында пайдаланылады. Жоғары класс аппаратураларында, яғни НІ-ҒІ класында, жиі алдын ала күшейткіштерді қолданады. Бұл күшейткіштер транзисторлардан жиналады. Бұның себебі келесі: ИС негізіндегі алдын ала күшейткіштердің шуыл сипаттамалары транзисторлардікінен жоғары. Ис-тер жоғары және аралық жиіліктерде жұмыс істейтін схемаларда да пайдаланылады. Бірақ бұл жағдайда дыбыстық күшейткіштердегідей құрауыштар санын күрт кеміте алмаймыз, себебі бұл схемаларда баптау органдары болуы тиіс. Ал оларды басқа бірдемелермен алмастыруға болмайды. ИС-тердің көбі белгілі бір нақты салада қолдану үшін жетілдіріледі. Мысалы, қазіргі түрлі - түсті TV-лерде келесі арнайы жетілдірілген ИС-тер пайдаланады: - аралық жиілік блогы үшін, - дыбыс сигналының детекторы үшін, - түстілік сигналының демодуляторы үшін. Қазіргі кезде TRF деп белгіленетін күшейтетін радиоқабылдағыштарда өндіріс шығарып жүр! Радиоқабылдағыштың бұл түрі бір кристалдың бетінде жиналған. Сонымен, айнымалы ток күшейткіштердің әмбебаптығы жыл сайын артып тұрады және келешекте күшейткіштердің бұл түрі де логикалық элементтерді және тұрақты ток күшейткіштерді таңдап алғандай каталогтарды пайдаланатын боламыз. 30 Негізгі логикалық элементтер Негізгі логикалық элементтердің (ЛЭ) көбін реле пайдаланушы схемалармен салыстыру ыңғайлы. ЖӘНЕ-ЛЭ Төмендегі 3.69а және 3.69б Суреттерде ЖӘНЕ ЛЭ- нің символдық белгіленуі және оған балама реле-схемасы көрсетілген. А В С 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 а) б) в) 30 – Сурет. ЛЭ ЖӘНЕ: а) – символдық белгіленуі; б) – балама схема; в) – ақиқат кестесі; "С"-шығыста ЖОҒАРҒЫ деңгей тек "А" және "В" кірістердің екеуінде де ЖОҒАРҒЫ деңгейлер орныққанда ғана, және тек осы жағдайда ғана орнығады. Басқа барлық жағдайларда шығыста ТӨМЕНГІ деңгей бола береді. 30. в) Суретте ақиқат кестесі деп аталатын кесте келтірілген. Бұл кестеде кірістерде болуы мүмкін күйлер комбинацияларының бәрі және олараға сәйкесті шығыстағы күйлер көрсетілген. НЕМЕСЕ ЛЭ: А В С 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 а) б) в) 31 – Сурет ЛЭ НЕМЕСЕ: а) – символдық белгіленуі; б) – балама схема; в) – ақиқат кестесі; "С"-шығыста ЖОҒАРҒЫ деңгей элемент кірістерінің ең болмағанда біреуінде ЖОҒАРҒЫ деңгей орныққанда орнығады. Бұл операция 3.70 б Суретте көрсетілген реле – схемасының орындайтын операциясына ұқсайды. Жоғарыдағы 30 бен 31-Суреттерде ЛЭ екі кірісті. Кірістер саны ЛЭ одан да көп болуы мүмкін. Мысалы, егер ЖӘНЕ-ЛЭ 8-кірісті болса, ЖОҒАРҒЫ деңгей бұл элементтің шығысында, тек барлық 8-кірістерде ЖОҒАРҒЫ деңгей орналасса. ЕМЕС – ЛЭ (Терістеуіш) А В 0 0 1 0 а) б) в) 32 -Сурет Терістеуіш: а) – символдық белгіленуі; б) – балама схема; в) – ақиқат кестесі; да бір келесі пайдалы қатынасты берейік: (51) 31 Логикалық элементтер және логикалық функциялар Логикалық элемент – бұл осы не басқа логикалық функцияны орындай алатын құрылғы. Y=f(X1,X2,X3,...,Xn) - логикалық функция, ол ақиқат кестесі деп аталатын кестемен беріледі. Лог. функция Кестедегі жолдар саны – аргуметтің мүмкін мәндерінің саны. Ол 2n-ге тең, мұндағы n – айнымалылар саны . n айнымалысының әр түрлі функция саны тең 22n. Бір айнымалының логикалық функциясы Бір айнымалы функцияның ақиқат кестесі Y=f(X) тұрады 2 жол, ал функцияның бір айнымалымен саны 4-ке тең. 1. Константа функциясы 0, Y=0. Бұл функцияның техникалық шығуы - Y шығысын ортақ шинамен нөльдік потенциалмен қосу. Константа функциясы 0, ақиқат кестесі: Конст. 0 2. Y=f(X)=X –қайталау функциясы. Бұл функцияның техникалық шығуы – Y және Х шығыстарын қосу. Қайталау функциясының ақиқат кестесі: Повторение 3. Y=f(X)=NOT(X) - терістеу ЕМЕС немесе инверсия (NOT(X) - бұл НЕ X). Бұл функцияның техникалық шығуы – транзистордағы не логикалық элементте инвертор не транзисторлы кілт. Терістеу функциясының ақиқат кестесі: Отрицание Логикалық элемент ЕМЕС схемаларда келесідей: (үстінен X cызықша болып жазылады) Лог. НЕ 4. Константа функциясы 1, Y=1. Бұл функцияның техникалық шығуы – Y шығысын қорек көзімен қосу. Константа функциясының ақиқат кестесі: Конст. 1 Бір айнымалының маңызды функциясы ЕМЕС терістеуі жатады. Екі айнымалының логикалық функциясы Екі айнымалы функцияның ақиқат кестесі Y=f(X1,Х2) тұрады 4 жол, ал функцияның екі айнымалымен саны 16-га тең. Екі айнымалының бірнеше функциялары қарастырайық. 1. Логикалық НЕМЕСЕ (логикалық қосу, дизъюнкция): Y= X1 + X2 = X1VX2 Бұл функцияның техникалық шығуы екі параллельді қосылған кілт: OR Rialise Логикалық НЕМЕСЕ ақиқат кестесі Лог. ИЛИИЛИ Логикалық НЕМЕСЕ элементі схемада келесідей белгіленеді: 2. Логикалық ЖӘНЕ (логикалық қосу, конъюнкция, сәйкес сүлбесі): Y = X1X2 = X1&X2. Бұл функцияның техникалық шығуы екі тізбектей қосылған кілт: & Realise Логикалық ЖӘНЕ ақиқат кестесі: Лог. ИИ Логикалық ЖӘНЕ элементі схемада келесідей белгіленеді: 3. Пирс сызығының функциясы (НЕМЕСЕ-ЕМЕС): Y = NOT(X1+X2) НЕМЕСЕ-ЕМЕС функциясының ақиқат кестесі: Стрелка ПирсаСтр. Пирса Логикалық НЕМЕСЕ-ЕМЕС схемада келесідей белгіленеді: 4. Шеффер штрих функциясы (ЖӘНЕ-ЕМЕС): Y = X1|X2 = NOT(X1X2) ЖӘНЕ-ЕМЕС функциясының ақиқат кестесі: Штрих ШеффераИ-НЕ Логикалық ЖӘНЕ-ЕМЕС сүлбеде келесідей белгіленеді: 32 Аналогты-цифрлық функционалды құрылғылар Аналогты-цифрлық түрлендіргіштер (АЦТ) кіріс аналогты сигналды қабылдап, оларға сәйкес цифрлық сигналдарды өндіреді, бұл сигналдар микропроцессорлармен және басқа да құрылғылармен бірге өңдеуге арналған. Үзіліссіз сигналдардың аналогты-цифрлық түрлендіргіш процедурасы, АЦТ көмегімен іске қосылып, үзіліссіз уақыт U(t) функциясын береді, бұл функция бастапқы сигналды кейбір белгіленген уақыт моменттеріне сандар тізбегін U'(tj)}, j=0,1,2,:, жатқызады. Бұл процедураны екі жеке-жеке операцияларға бөлуге болады. Біріншісі, дискретизация деп аталады. Ол U(t) үзіліссіз уақыт функциясын {U(tj)} үзіліссіз.з тізбекке түрлендіреді. Екіншісі кванттау деп аталады да, үзіліссіз тізбекті {U'(tj)}дискреттіге айналдырады. Жалпы жағдайда дискретизацияның жиілігі fj(t) функциясынан және қателіктердің мүмкін деңгейіне тәуелді болады. Осының бәрін дискретизация жиілігін таңдаған кезде АЦТ керекті жылдамдығын анықтау қажет. Жиі бұл параметрді АЦТ өңдеушісіне береді.Синусоидалды сигналдың дискретизациясы үшін 100 кГц жиілікті 1% қателікпен АЦТ түрлендіру уақыты 25 нс болуы тиіс. Сол уақытта тез жылдамдықты АЦТ көмегімен спектр ені 20 МГц болатын сигналдарды дискреттеуге болады. АЦТ көмегімен дискреттеу АЦТ жылдамдығы мен дискреттеу периоды айырмашылығына әкеледі. Бұл айырмашылық 2...3 ретке жетеді де дискреттеу процесін қиындатады. Қазіргі уақытта кернеу-кодтардың түрлендіруінің көп әдістері бар. Бұл әдістер бір-бірінен потенциалды нақтылықпен, түрлендіру жылдамдығымен және аппаратты реализация қиындығымен ерекшеленеді. АЦТ классификациясына уақыт бойынша аналогты шаманың цифрлыққа түрленуі жатады. Сигналдың таңдалынған мәндерінің цифрлық эквивалентке түрленуіне кванттау және кодтау операциялары жатады. Олар цифрлық элементтің түрлендіруші шамаға тізбекті, параллельді немесе тізбекті-параллельді процедуралары арқылы істейді. Параллельді АЦТ |