Тема: Основы цифровой электроники, цифровые устройства.

Цель: Формирование у студента компетенции ПК-19.

Вопросы для изучения.

1. Основные понятия импульсной техники. Параметры импульсных сигналов. Импульсные цепи.

2. Интегрирующая цепь. Неискажающая цепь. Разделительная цепь. Дифференцирующая цепь.

Основные понятия импульсной техники. Параметры импульсных сигналов. Импульсные цепи.

В общем смысле под импульсной техникой следует понимать совокупность методов расчета и технических средств, позволяющую реализовать устройства логической обработки импульсных сигналов. Источником импульсных сигналов служат формирователи и генераторы, вырабатывающие либо одиночные импульсы с заданными параметрами (формирователи), либо импульсные последовательности (генераторы). В любом случае необходимо знать систему параметров, характеризующую импульсный сигнал, поскольку от этих параметров зависит устойчивость работы импульсного устройства.

В импульсной технике в основном используются так называемые видеоимпульсы, не имеющие высокочастотного заполнения различной формы: прямоугольные, трапецеидальные, треугольные, экспоненциальные и др. Однако наиболее часто используются прямоугольные импульсы.

Прямоугольным импульсным сигналом принято называть скачкообразное изменение токов и напряжений, при котором параметры могут принимать только два значения: высокое и низкое. В так называемой положительной логике высокому уровню соответствует логическая 1, низкому – логический 0, в отрицательной логике наоборот. На рисунке 13.1 приведена временная диаграмма прямоугольного импульса с характеризующими его параметрами.

Длительности фронтов импульса представляют собой время, в течение которого напряжение импульса изменяется с 10 до 90 % максимального значения – передний фронт, или с 90 до 10 % - задний фронт.

Рисунок 13.1 – Временная диаграмма прямоугольного импульса: – амплитуда импульса; – относительный завал вершины импульса; – длительность импульса; – передний фронт импульса; – задний фронт импульса

Последовательность импульсных сигналов представлена на рисунке 13.2 и, кроме параметров одиночного импульса, характеризуется рядом дополнительных характеристик, таких как период (временной интервал между одинаковыми фазами двух соседних импульсов), скважность (отношение периода к длительности импульса), среднее напряжение (постоянная составляющая) импульсной последовательности, пауза (временной интервал между задним и передним фронтами двух соседних импульсов).

Рисунок 13.2 – Импульсная последовательность: – длительность паузы; – длительность импульса; Т период следования импульсов

Скважность можно выразить как

.

При скважности, равной двум , последовательность импульсов носит название «меандр».

Среднее напряжение импульсной последовательности:

.

Для получим .

Импульсные цепи.

Ранее были рассмотрены генераторы импульсных сигналов на базе ОУ и -цепей (релаксационные генераторы), схемы аналогичного назначения могут быть также реализованы на логических элементах и -цепях. В импульсной технике применяются -цепи нескольких разновидностей, далее рассмотрим основные из них. Практически наиболее часто применяются цепи первого порядка, т.е. с одной реактивностью (обычно одним конденсатором) и при воздействии на входе прямоугольного импульса, кроме того, предполагается, что цепь является линейной. Целью анализа таких цепей является определение реакции цепи на ее выходе в переходном процессе. При указанных условиях применим классический метод анализа.

Суть его сводится к анализу решения дифференциального уравнения, описывающего поведение -цепи. Для анализа цепей более высоких порядков применяется операторный метод; для входных воздействий в виде импульсов сложной формы (пилообразных, трапецеидальных и др.) – метод интеграла свертки (Дюамеля); для импульсных сигналов с высокочастотным заполнением (радиоимпульсов) – метод спектрального анализа. Далее рассматривается подробно классический метод как наиболее часто используемый на практике. На рисунке 13.3 приведена схема линейной -цепи, на входе которой действует прямоугольный импульс с параметрами, указанными на рисунке, выходными величинами являются напряжения на резисторе и конденсаторе .

Рисунок 13.3 – Линейная -цепь:

а – временная диаграмма; б – электрическая схема

Переходный процесс в такой цепи описывается дифференциальным неоднородным уравнением 1-го порядка. Так, для напряжения на конденсаторе имеем: ;

;

где граничные условия: – напряжение, до которого зарядился бы конденсатор при ; – напряжение в момент поступления переднего фронта входного импульса; – постоянная времени цепи, .

Для временного интервала, в котором напряжение на конденсаторе изменится с до , из общего решения можно получить

.

Для напряжения на резисторе приведенные соотношения, с учетом замены переменной имеют аналогичную структуру:

;

;

,

где , – напряжения на резисторе в начальный и конечный моменты времени, соответственно.

В зависимости от соотношения длительности входного импульса и постоянной времени -цепи переходные процессы имеют характерные особенности, отражаемые в их названии, далее приведены основные разновидности -цепей по указанному признаку.