Лекции радиотехника и электротехника. ЛЕКЦИИ_КОЛОДЕЖ_ЮВ_Электротехника_и_электроника. Москва 2012 Содержание

• Название: Москва 2012 Содержание
• Анкор: Лекции радиотехника и электротехника
• Дата: 26.11.2022
• Размер: 4.47 Mb.
• Имя файла: ЛЕКЦИИ_КОЛОДЕЖ_ЮВ_Электротехника_и_электроника.doc
• Тип: Лекция; #814027
• страница: 13 из 14

Лекция 11

Цифровая электроника

Дискретизация по времени и квантование по уровню лежат в основе преобразования сигнала из аналоговой формы в цифровую. Для того, чтобы понять, как дискретизация по времени и квантование могут преобразовать аналоговый сигнал в последовательность чисел, давайте вначале рассмотрим характеристики этого сигнала.

Аналоговый сигнал — это напряжение, непрерывно изменяющееся во времени. Таким образом, аналоговый сигнал имеет два параметра — время и уровень (величину сигнала) — и для его правильной передачи эти параметры необходимо закодировать.

В цифровом сигнале также должна сохраняться временная и уровневая информация. Но вместо кодирования и записи этих параметров в аналоговой форме (как на грампластинке), в цифровой записи временные и уровневые параметры сохранены в дискретной форме.

Временная информация кодируется в цифровой форме путем периодического измерения мгновенных значений сигнала. Дискретное значение аналогового сигнала называют отсчетом. Уровень кодируется в результате представления значения каждого отсчета при помощи числа. Этот процесс называется квантованием. Таким образом, дискретизация по времени и квантование по уровню являются основой цифрового преобразования

Дискретизацию можно проводить не только по времени, но и по количеству необходимых отсчетов.



Рисунок 62 Сигнал до квантования (а), сигнал после квантования (б), ошибка квантования

На рисунке 62а сигнал, содержащий 256 отсчетов (отдельные отсчеты в этом масштабе не различимы), значения уровня сигнала измеряются в вольтах и изменяются непрерывно, т.е. квантования нет. На рисунке 62б показан тот же сигнал после квантования с числом двоичных разрядов b = 4, т.е. имеющий 16 уровней квантования. Размер шага квантования h = 0,1. Масштаб шкалы по вертикальной оси координат такой же, как на предыдущем рисунке.

На рисунке 62в показаны значения величины ошибки , вносимой в сигнал операцией квантования (переход от непрерывной записи к дискретной). Несмотря на то, что переход к цифровой записи вносит свою ошибку, тем не менее, преимущества цифровой записи очевидны – почти полная помехозащищенность и стабильность.

Электронные ключи

Электронный ключ - элемент, который под воздействием управляющего сигнала производит различные коммутации (источников питания, активных элементов и т.д.). Электронный ключ является основой для построения более сложных цифровых устройств. Ключ имеет два состояния: замкнутое и разомкнутое


Рисунок 63 Функциональная схема ключа и диаграммы выходного напряжения при замыкании и размыкании; при равенстве входного напряжения пороговому (напряжение срабатывания) U_вх = U_пор.

Для реализации ключей используют диоды, биполярные и полевые транзисторы.

Рассмотрим режимы работы транзисторного ключа на биполярном транзисторе.

Выбираем транзистор n-p-n типа, схема включения с общим эмиттером показана на рисунке. 64.

Для ключа на транзисторе p-n-p типа меняются полярности напряжений.


Рисунок 64 Принципиальная схема транзисторного ключа на транзисторе n-p-n типа и входные характеристики с нагрузочной прямой (U_ИП=Е_К)

Выходное напряжение (по закону Ома для активного участка цепи , транзистор).

Транзистор в нашей схеме может находиться в одном из трёх состояний:

1) Закрыт (выключен), находится в режиме отсечки (область 1);

2) Открыт, находится в линейной области в активном режиме (область 2);

3) Открыт (включён), находится в режиме насыщения (область 3).

1) Режим отсечки:

Режим отсечки создаётся путём подачи на базу транзистора запирающего отрицательного напряжения , транзистор закрыт, оба p-n перехода смещены в обратном направлении. Этот режим для электронного ключа не подходит, так как дальнейшее увеличение коллекторного тока переводит транзистор в активный режим.

2) Активный режим:

Активный режим создаётся путём подачи на базу транзистора положительного напряжения . При этом эмиттерный p-n переход будет смещён в прямом направлении, а коллекторный – в обратном направлении, т.к. .

В активной области между входными и выходными токами существует жесткая связь, поэтому для реализации электронного ключа на транзисторе, этот режим также не подходит.

3) Режим насыщения. Такой режим наступает при , при этом транзистор открыт. Оба p-n перехода смещены в прямом направлении.

В режиме насыщения транзистор перестаёт управляться по цепи базы, поэтому ток коллектора насыщения остаётся неизменным и определяется сопротивлением нагрузочного резистора : (ключ выключен, выходное напряжение около нуля))



Дальнейшее увеличение входного сигнала при приводит к увеличению потока электронов из эмиттера в базу и электроны (неосновные носители) в виде объёмного заряда скапливаются в области базы. Наступает так называемое насыщение транзистора.

С физической точки зрения степень насыщения характеризует собой величину избыточного заряда неосновных носителей (электронов) в базе транзистора.

С ростом тока базы растёт по экспоненциальному закону объёмный заряд неосновных носителей в базе.

Чем больше избыточный заряд , тем сильнее насыщен транзистор, а рассеивание заряда обуславливает инерционность транзистора при его выключении, что в итоге существенно влияет на быстродействие ключевой схемы.

Передаточная характеристика:



Рисунок 65 Передаточная характеристика транзистора

Ключ открыт при значении входного напряжения меньше U_пор (примерно 0,78В). Транзистор в это время закрыт (I_К≈0), и выходное напряжение равно напряжению питания. Если U_пор>0,78В Ключ закрыт, и выходное напряжение около нуля.

Чем уже переходная область, тем быстрее происходит переключение и, следовательно, лучше передаточная характеристика транзисторного ключа. Обратите внимание на то, что быстрота переключения связана с переходными процессами в электронном ключе и, прежде всего, с ёмкостью p-n перехода.

Логические схемы

Из предыдущего становится ясно, что цифровая электроника легко реализуется на ключах. Есть выходной сигнал – логическая единица, нет сигнала – логический ноль. Два устойчивых состояния позволяют использовать двоичную систему отсчета. Математический аппарат, с помощью которого записывают, вычисляют, упрощают и преобразовывают логические высказывания был создан английским математиком Джорджем Булем (19 век), в честь которого она названа булевой алгеброй высказываний.

Логическими элементами, или комбинационными схемами являются электронные схемы И, ИЛИ, НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ и др. (называемые также вентилями). Их выходной сигнал зависит только от сигналов на входах. А также триггер, устройство с двумя устойчивыми состояниями и с памятью. Его выходной сигнал зависит и от того какой был сигнал на входе последний раз. С помощью этих схем можно реализовать любую логическую функцию, описывающую работу устройств. Работу логических комбинационных элементов описывают с помощью таблиц истинности.

Схема И реализует конъюнкцию (логическое умножение) двух или более логических значений

Сигнал проходит на выход или нет (два последовательных ключа)

Таблица истинности

х	y	х и у
0	0	0
0	1	0
1	0	0
1	1	1

Схема ИЛИ реализует дизъюнкцию (логическое сложение) двух или более логических значений.

Два параллельных ключа. Сигнал пройдёт на выход даже при замыкании одного ключа

Таблица истинности

х	y	х или у
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	1

Схема НЕ (инвертор) реализует операцию отрицания

На выходе не залитый (пустой) кружочек обозначает отрицание (инвертирование) входной величины. На входе - положительная, на выходе - отрицательная

В отличие от комбинационных схем значения выходных сигналов последовательностных схем в данный момент времени зависят не только от значений входных сигналов в этот же момент времени, но и от их предыдущих значений. Из этого следует, что последовательностная схема реализует функциональную связь уже не между отдельными значениями входных и выходных сигналов, а между их последовательностями. Поэтому, в отличии от рассмотренных ранее схем, работу последовательностных схем следует рассматривать во времени.

Для того, чтобы значения выходных сигналов зависели от предыдущих значений входных, последовательностные схемы должны обладать памятью, в которой сохраняется информация о предыдущих входных воздействиях. Эта информация используется в виде совокупности сигналов, вырабатываемых памятью.

Особое значение при изучении последовательностных схем имеют элементы памяти – триггеры.

Триггеры – это логические устройства с памятью, которые способны длительно оставаться в одном из двух возможных устойчивых состояний и скачком чередовать их под действием внешних сигналов.

Основу триггеров составляют простейшие запоминающие ячейки, представляющие собой симметричную структуру из двух логических элементов ИЛИ-НЕ либо И-НЕ, охваченных перекрёстной обратной связью:

Рисунок 66 Принципы построения триггерных ячеек и их условные обозначения.

Вход, по которому ячейка устанавливается в состояние 1, обозначается буквой S, а в состоянии 0 – буквой R. Отсюда название таких триггеров – «триггер RS».

Кроме триггеров RS существуют другие типы: JK – триггеры с обратной связью, D триггер, или триггер задержки, имеющий один информационный вход, Т-триггер – единственный вид триггера, текущее состояние которого определяется не информацией на входах, а состоянием его в предыдущем такте, TV-триггер кроме счётного входа Т имеет второй, управляющий, V-вход для разрешения приёма информации. TV-триггер называют тактируемым или синхронным счётным триггером. Кроме этого триггеры могут синхронизироваться отдельными синхроимпульсами.

На триггерах реализуются счетчики, регистры и другие устройства цифровой электроники.

Счётчики

Счётчиком называется устройство, сигнал на выходе которого в определённом коде отображает число импульсов, поступающих на счётный вход.

Т-триггер, например, может считать до двух. Счётчик, образованный цепочкой из m триггеров, сможет считать в двоичном коде до 2m импульсов.

Каждый из триггеров такой цепочки называют разрядом счётчика. Число m определяет количество разрядов двоичного числа, которое может быть записано в счётчик.

Число Ксч=2m называют коэффициентом (модулем) счёта или ёмкостью счетчика.

Регистры

Назначение регистров – хранение и преобразование многоразрядных двоичных чисел.

Они используются в качестве управляющих и запоминающих устройств, генераторов и преобразователей кодов, счётчиков, делителей частоты, узлов временной задержки.

Регистры строят на синхронных D-триггерах или на RS(JK) – триггерах. Одиночный триггер может запоминать (регистрировать) один разряд (бит) двоичной информации. Поэтому триггер можно считать одноразрядным регистром. Занесение информации в регистр называют операцией ввода или записи. Запись информации в регистр не требует его предварительного обнуления.

Выдача информации к внешним устройствам характеризует операцию вывода или считывания.

В схемы регистров входят комбинационные элементы, роль которых вспомогательная: для выполнения операций “гашение” (Уст.0), “приём”, “вывод”, “преобразование” (из прямого кода в обратный и наоборот).

Регистры в зависимости от функциональных свойств бывают:

накопительные (регистры памяти, хранения);

сдвигающие.

Сдвигающие регистры делятся

по способу вводы и вывода информации на параллельные, последовательные и комбинационные (параллельно-последовательные и последовательно-параллельные);

по направлению передачи (сдвига) информации на однонаправленные и реверсивные.

Делители числа входных импульсов

После каждого цикла счёта на выходах последнего триггера возникают перепады напряжения. Это свойство определяет второе название счётчиков: деление числа входных импульсов.

Если входные сигналы периодичны и следует с частотой f_вх, то частота выходных импульсов, снимаемых с выхода последнего триггера будет

f_вых = f_вх / К_сч.

У счётчика в режиме деления используется выходной сигнал только последнего триггера, промежуточное состояние остальных триггеров не учитываются. Любой счетчик импульсов может быть использован как делитель частоты.

Генераторы и формирователи импульсов

На базе логических элементов цифровых устройств могут быть сконструированы разнообразные генераторы импульсов. Вот несколько конкретных примеров.

Генератор по схеме на рисунке 67 (используются элементы 2И-НЕ с открытым коллектором) вырабатывает импульсы в широком диапазоне частот - от единиц герц до нескольких килогерц. Зависимость частоты f (кГц) от емкости конденсатора С1 (пФ) выражается приближенной формулой f3*105/C1. Скважность импульсного напряжения практически равна 2. При снижении напряжения источника питания на 0,5 В частота генерируемых импульсов уменьшается на 20%.


Рисунок 67 Генератор импульсов

Скважность – это параметр последовательности прямоугольных импульсов, определяется как отношения периода к длительности импульса.

При реализации цифровых устройств различного назначения часто необходимо сформировать короткие импульсы по фронтам входного сигнала. В частности, такие импульсы используют для сброса счетчиков, в качестве импульсов синхронизации при записи информации в регистры и т. д.



Рисунок 68 Формирователь коротких импульсов: а – блок-схема, б – временная диаграмма входной и выходной последовательности импульсов
На рисунке 68 изображены схема и временные диаграммы формирователя коротких отрицательных импульсов по положительному перепаду напряжения на его входе. При изменении напряжения Uвх от низкого уровня до высокого этот перепад без задержки поступает на вход 13 правой схемы &. В то же время на входе 12 того же элемента & напряжение высокого уровня сохраняется, в течение времени распространения сигнала через три элементы & (около 75 нc). В результате в течение этого времени на выходе устройства сохраняется напряжение низкого уровня. Затем и на входе 12 устанавливается напряжение низкого уровня, а на выходе устройства - высокого. Таким образом, формируется короткий отрицательный импульс, фронт которого совпадает с фронтом входного напряжения. Чтобы такое устройство использовать для формирования отрицательного импульса по срезу входного сигнала, его надо дополнить еще одним инвертором.