контр1. teor ЭБТС. Лекция 1 Содержание Общие положение и понятия Основные радиокомпоненты электронных устройств
 Скачать 0.89 Mb.
|
|
5.4. Импульсные устройства Общие сведения Наряду с аналоговыми устройствами, в которых сигналы представляют собой непрерывные функции времени, широко распространены импульсные устройства, у которых сигналы являются дискретными функциями (кратковременное воздействие сигнала чередуется с паузой). Импульсные устройства удобно классифицировать по форме используемых сигналов. В соответствии с рис. 5.12 формы основных типов импульсов имеют вид: прямоугольный, пилообразный, экспоненциальный, колоколообразный, ступенчатый, трапецеидальный, а также последовательность периодических импульсных и высокочастотных колебаний, называемых радиоимпульсами.  Рис. 5.12. Формы импульсов Для усиления сигналов импульсной формы требуются широкополосные усилители (обозначаемые УК), повторители напряжения (УЕ) и специальные импульсные усилители (УИ). Группа импульсных устройств, работающих с одиночными прямоугольными импульсами или с последовательностями прямоугольных импульсов, выделилась (в силу большой значимости в современной электронике) в самостоятельный класс цифровых устройств. Импульсные устройства, как правило, используют ключевой режим работы транзисторов, в отличие от активного режима, используемого в аналоговых устройствах. Импульсный режим работы имеет ряд преимуществ перед активным режимом, что обеспечивает следующие достоинства импульсных устройств: в импульсном режиме достигается большая мощность во время действия импульсов при малом значении средней мощности устройства. Поэтому импульсные устройства обладают меньшими массой и габаритными размерами; при использовании импульсного режима может быть расширен температурный интервал работы полупроводниковых приборов и снижены требования к разбросу их параметров. Первое объясняется уменьшением энергии, выделяемой в полупроводниковых элементах устройства, второе – использованием ключевого режима. Разброс параметров может привести к некоторому искажению формы импульсов, однако это не является существенным, если в данном случае не искажается информация, заключенная в определенном сочетании импульсов. Указанная особенность объясняет повышенную помехоустойчивость импульсной электронной аппаратуры; для реализации импульсных устройств любой сложности требуются однотипные элементы, легко выполняемые методами интегральной технологии. В аналоговых устройствах нередко используется режим малого сигнала, а устройства, в которых применяется такой режим работы, являются линейными. В линейных устройствах амплитуды переменных составляющих напряжений и токов существенно меньше значений постоянного тока и постоянного напряжения, используемых для установки режима транзисторов. При этом параметры усилительных приборов считают неизменными, так как используются линейные участки ВАХ. На практике находят применение и устройства, работающие в режиме больших сигналов. В этих устройствах используется практически вся область ВАХ электронных приборов. При этом параметры приборов не остаются постоянными, а меняются в значительных пределах. Устройства, работающие в режиме больших сигналов, являются нелинейными. Простейшими, уже знакомыми примерами нелинейных устройств являются усилители мощности при больших амплитудах входного напряжения, а также электронные ключи цифровых сигналов. Основными типами нелинейных устройств являются: ограничители, выпрямители, детекторы – устройства для выделения требуемого сигнала из сигнала более сложной формы, умножители частоты, преобразователи частоты, модуляторы. Особую группу составляют устройства, у которых в процессе работы параметры меняются не только в зависимости от электрического режима, но и от времени. Такие устройства получили название нелинейно-параметрических. К нелинейно-параметрическим относят устройства, использующие нелинейно-параметрические резисторы, емкости и индуктивности. Общей отличительной особенностью нелинейных устройств является резкое отличие спектра выходного сигнала от спектра входного сигнала. Эта особенность позволяет решать задачи умножения, преобразования, модуляции и детектирования сигналов. Лекция №6 Элементы цифровых устройств Содержание 6.1. Общие сведения 6.2. Электронные ключи на транзисторах 6.3. Комбинационные устройства 6.4. Триггеры 6.5. Счетчики 6.6. Регистры 6.1 Общие сведения Цифровыми называются устройства, в которых обрабатываемая информация имеет вид электрических сигналов с ограниченным множеством дискретных значений. В настоящее время в цифровых системах наибольшее распространение получили цифровые устройства, работающие с двоичным кодированием информации. Электрические сигналы в таких системах обычно имеют вид прямоугольных импульсов, характеризуемых двумя значениями уровней, высоким и низким[1,4]. Teopетической основой проектирования цифровых систем является алгебра логики или булева алгебра (по имени ее основоположника Д. Буля). В алгебре логики переменные величины и функции oт них могут принимать только два значения 0 и 1 и называются логическими переменными и логическими функциями. Устройства, реализующие логические функции, называются логическими или цифровыми. Цифровые устройства имеют принципиальные схемотехнические отличия от аналоговых устройств, обусловленные следующими факторами: менее жесткими требованиями к точности, стабильности параметров и характеристик элементов; возможностью синтеза систем любой сложности с помощью ограниченного набора базовых логических элементов и элементов памяти; возможностью сопряжения функциональных узлов без специальных согласующих элементов (благодаря использованию гальванической связи между функциональными узлами); простотой расширения функциональных возможностей путем набора требуемых сочетаний интегральных микросхем. Различают два основных класса цифровых устройств: комбинационные устройства и последовательные автоматы. В комбинационных устройствах определенному сочетанию входных сигналов (набору) соответствует определенный выходной сигал. Они, как правило, не обладают памятью. В последовательных автоматах такая однозначность отсутствует. В них выходной сигнал зависит от совокупности входных сигналов, как в текущий, так и в предыдущие моменты времени. Эти автоматы обладают памятью. В комбинационных устройствах наиболее широкое применение находят такие цифровые устройства, как дешифраторы, преобразователи кодов, сумматоры и др. В последовательных автоматах широко используются цифровые устройства с двумя устойчивыми состояниями — триггеры. На их основе строят регистры, счетчики, схемы памяти. По способу соединений элементов цифровые устройства делятся на два типа: на устройства со статическими (потенциальными) связями между элементами и устройствами с динамическими (импульсными и импульсно-потенциальными) связями между элементами. Учитывая широкое распространение в интегральной схемотехнике элементов с потенциальными связями, в дальнейшем будем ориентироваться только на элементы этого класса. Элементы, используемые для обработки цифровых сигналов, называют логическими элементами. Различают логические элементы, работающие в положительной и отрицательной логиках. К положительной логике относятся логические элементы, работающие с цифровыми сигналами, у которых максимальный потенциальный уровень соответствует логической 1, а минимальный потенциальный уровень логическому 0 (рис. 6.1). К отрицательной логике относят элементы, у которых максимальный потенциальный уровень соответствует логическому 0, а минимальный потенциальный уровень - логической 1. Современные логические элементы и цифровые устройства выполняютcя на основе интегральных микросхем и обычно используют положительную логику. Параметры, соответствующие размерности напряжения: – напряжение питания UП; – напряжение, соответствующее логическому «0»; – напряжение, соответствующее логической «1»; – логический перепад напряжений U = U1 – U0. При позитивной логике низкий уровень напряжение U0 соответствует логическому 0, а высокий уровень U1 – логической 1 в соответствии с рис. 4.2.  Рис. 6.1. К определению параметров, имеющих размерность напряжения 6.2. Электронные ключи на транзисторах Транзисторы широко используются в электронных устройствах в качестве ключа, функцией которого является замыкание и размыкание электрической цепи. Имея малое сопротивление во включенном состоянии и большое – в выключенном, транзистор достаточно полно удовлетворяет требованиям, предъявляемым к ключевым элементам. Электронный ключ можно рассматривать как устройство, в котором реализуется два состояния логической переменной (0 и 1). Транзисторные ключи служат для коммутации цепей нагрузки под воздействием внешних сигналов. Состояние «включено (замкнуто)» должно характеризоваться минимально возможным падением напряжения на ключе, а состояние «выключено (разомкнуто)» – минимально возможным током через ключ в непроводящем состоянии. Электронный ключ на биполярном транзисторе Схема ключа на биполярном транзисторе показана на рис. 6.2. Во входной цепи действуют источник смещения UСМ, создающий обратное напряжение на эмиттерном переходе, источник управляющих импульсов прямого напряжения UВХ и ограничительный резистор RБ. Резистор в цепи базы RБ служит для выбора необходимого тока базы. Обычно RБ h11Э. В коллекторную цепь включены сопротивление нагрузки RК и источник питания UП.  Рис. 6.2. Электронный ключ на биполярном транзисторе. Резистор RК является внутренней нагрузкой ключа, резистор RНявляется внешней нагрузкой ключа. Величина внешней нагрузки в реальных условиях может меняться в широких пределах. При RH= ∞ ключ работает в режиме холостого хода. Показанные на схеме пунктиром конденсаторы СВХи СВЫХхявляются паразитными и определяются в основном барьерными емкостями эмиттерного и коллекторного переходов транзистора, а также монтажными емкостями и емкостной составляющей нагрузки. Данная схема отличается малой мощностью, затрачиваемой на yправление состояниями ключа, и малым падением напряжения на ключе во включенном состоянии. Электронные ключи на полевых транзисторах Схема простейшего ключа с резистивной нагрузкой на основе ПТ приведена на рис. 6.3.  Рис. 6.3. Электронный ключ на полевом транзисторе В качестве ключевого элемента используется МДП ПТ с индуцированным каналом n-типа. Такой ключ имеет очевидные преимущества перед рассмотренным выше ключом на БТ: – нет необходимости в источнике запирающего напряжения на входе транзистора; – ключ потребляет крайне малую мощность от источника управляющего сигнала, так как транзистор обладает большим входным сопротивлением; – полярность управляющего напряжения такая же, как и полярность коммутируемого напряжения, что позволяет осуществлять гальваническое соединение нескольких однотипных ключей между собой. В зависимости от типа применяемых элементов и особенностей схемотехники различают следующие базовые логические элементы семейства ЦИМС: ТЛНС – транзисторная логика с непосредственной (гальванической) связью; РТЛ – резисторно-транзисторная логика; РЕТЛ – резисторно-емкостная логика; ДТЛ – диодно-транзисторная логика; ТТЛ – транзисторно-транзисторная логика; И2Л – интегральная инжекционная логика; ЭСЛ – эмиттерно-связанная логика; МДП – логические схемы на основе МДП транзисторов; КМДП – логические схемы на основе комплементарных МДП транзисторов. Чтобы правильно выбрать тип ЦИМС, необходимо представлять внутреннюю структуру базовых логических элементов, знать функциональные возможности и основные параметры логических элементов разных семейств. 6.3. Комбинационные устройства Микросхемы, выпускаемые промышленностью, содержат не только микросхемы, выполняющие простейшие логические операции И-НЕ, ИЛИ-НЕ и др., но и микросхемы, выполняющие более сложные логические операции: дешифраторы, демультиплексоры и мультиплексоры, сумматоры и т.д. Дешифраторы Полным дешифратором называется комбинационная схема (КС), имеющая n входов и 2n выходов. В полном дешифраторе каждой комбинации значений входных сигналов соответствует сигнал, равный 1, только на одном из выходов. Структурная схема дешифратора, имеющего два входа Х0 и Х1 и четыре выхода У0 –У3 (дешифратор 2x4) имеет вид в соответствии с рисунком 6.4, а.  а) б) Рис. 6.4. Структурные схемы дешифратора и демультиплексора: а) дешифратор; б) демультиплексор Таблица истинности приведена ниже. Комбинации значений входных сигналов Х1 и Х0 соответствует сигнал, равный 1 только на выходе, номер которого, указанный в четырех правых столбцах, совпадает с двоичным числом на входе. Таблица 6.1- Таблица истинности дешифратора
Дешифраторы могут быть неполными, реализующими N < 2n выходов. Такие дешифраторы используются, например, для преобразования двоично-десятичного кода в код, предназначенный для управления десятичным индикатором (дешифраторы 4x10). Дешифраторы являются преобразователями кодов, выполняющих преобразование двоичного и двоично-десятичного кодов в унитарный код. Унитарный код двоичного n-разрядного числа представляется 2nразрядами, только один из разрядов которого равен 1. Шифраторы выполняют функцию, обратную дешифраторам, т. е. преобразуют унитарный код в двоичный или двоично-десятичный. На основе полных дешифраторов строятся дешифраторы-мультиплексоры, т. е. используется дополнительный вход G, сигнал с которого подается на все ЛЭ И полного дешифратора в соответствии с рисунком 6.39, б. Этот сигнал G появляется на том из выходов, код которого установлен на адресных входах Х. Мультиплексоры Мультиплексором называется КС, имеющая n информационных входов D и один выход У, где m - число адресных входов Х. Принципиальная схема четырехканального мультиплексора, имеющего два адресных входа Х0 и Х1 и четыре информационных входа D0 –D3, имеет вид в соответствии с рис. 6.5.  Рис. 6.5. Структурная схема мультиплексора Каждому адресу Х c номером i соответствует свой информационный вход Di, сигнал с которого при данном адресе проходит на выход. Основным назначением мультиплексора является коммутация входных сигналов на один выход У. В настоящее время промышленностью выпускаются серии микросхем, в состав которых входят мультиплексоры, имеющие число адресных входов m = 2, 3 и 4. Причем при числе адресных входов m = 2 выпускаются сдвоенные четырехканальные мультиплексоры, число входных информационных сигналов которых равно 4 + 4 = 8. Исключающие ИЛИ В сумматорах, в схемах сравнения, определения четности и нечетности и т.д. используется схема исключающее ИЛИ либо она же «сумматор по модулю два». Приведем ее определение и основные свойства. Эта операция обозначается символом . У=Х1Х2=  Таблица истинности, один из способов реализации этой функции на элементах И-НЕ, а также УГО приведены на рисунке 6.6.  а) б) в) Рис. 6.6. К работе элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ: а) таблица истинности; б) структурная схема; в) УГО Сумматоры Способы выполнения арифметических операций сложения и вычитания с помощью КС будем рассматривать только для целых двоичных чисел, что значительно облегчает изложение методики их синтеза. Целые положительные n-разрядные двоичные числа будем обозначать через Xn и Yn , вход переноса Рn. Операция сложения положительных двоичных чисел определяется правилами двоичной арифметики. Принцип работы одноразрядного двоичного сумматора приведен в таблице 6.2. Таблица 6.2- Принцип работы одноразрядного двоичного сумматора
Значение суммы S равно 1, если нечетное число величин Xn, Ynи Pn равно 1. Значение выхода переноса Pn+1 в (n+1)-й разряд равно 1, если две или три величины из Xn , Yn и Pn равны 1. Понятно, что значение переноса в первый разряд всегда равно 0. В общем случае необходимо производить сложение и вычитание как положительных, так и отрицательных чисел. Это основывается на правилах двоичной арифметики. Цифровые компараторы Это устройство выдает результат сравнения n-разрядных двоичных или двоично-десятичных чисел. Цифровой компаратор можно построить на основе сумматора, подавая на один суммирующий вход прямой код числа А, на другой – инверсный код числа В (рисунок 6.7, б). На численном примере легко убедиться, что при А=В в четырех младших разрядах сумматора формируются логические единицы, а при А>В единица формируется на выходе переноса [4]. Компаратор, определяющий равнозначность кодов А и В, можно выполнить по схеме, приведенной на рисунке 6.7. При совпадении кодов во всех разрядах формируются логические нули на выходах элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и логический элемент ИЛИ-НЕ формирует на выходе логическую 1. Другой вариант использует логический элемент И.  а) б) Рис. 6.7. Схемы равнозначности кодов: а) с использованием схемы ИЛИ-НЕ; б) с использованием схемы И Схемы определения четности и нечетности Контроль четности и нечетности используется для обнаружения однократных ошибок при приеме информации по каналам связи. На передающей стороне к n-разрядному слову добавляется разряд с таким значением, чтобы сумма единиц была бы четной. На приемной стороне производится контроль на четность. Если число единиц в принятом слове нечетно, фиксируется ошибка в принятом сообщении.  Рис. 6.8. Схема определения четности восьмиразрядного кода Для контроля восьмиразрядного слова используется схема, приведенная на рисунке 6.8. Если в принятом слове число единиц четно, то на выходе последней логической схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ формируется логический 0. В противном случае формируется 1 и запрещается прием сообщения. |