Импульсная и цифровая техника

В этом разделе рассматриваются схемы включения и условия применения следующих устройств: импульсного транзисторного каскада, логических элементов на ИС ТТЛ и КМОП, синхронных счетчиков импульсов, делителей частоты, мультиплексора и сумматора.

Задача 2.1.1. Представить схему импульсного каскада на транзисторе КТ630Б для согласования с нагрузкой логического элемента 2И–НЕ на ИС ТТЛ. Определить сопротивление резистора в цепи базы и максимальную частоту входных импульсов, обеспечивающую работу транзистора без перегрева.

Исходные данные:

– напряжение питания ;

– сопротивление нагрузки и скважность импульсов заданы в табл. 2.1.1.

Вариант
	1,25	1,35	1,47	1,6	1,75	2,0	2,5	3,3	4,0	5,0

Таблица 2.1.1

Методические указания

Для решения задачи необходимо использовать справочные параметры транзистора КТ630Б (при токе ):

;

, зависимость – обратная;

;

Сопротивление в цепи базы определяется из условий обеспечения тока базы насыщения

, (2.1.1)

где – уровень логической единицы логического элемента ТТЛ.

Необходимый ток базы зависит от тока коллектора насыщения и выбирается с запасом, который учитывается коэффициентом форсировки насыщения :

. (2.1.2)

Ток коллектора определяется сопротивлением нагрузки в цепи коллектора :

. (2.1.3)

После вычисления тока необходимо проверить условие , то есть этот ток должен находиться в пределах максимально возможного выходного тока логического элемента. В противном случае надо уменьшить при расчетах или увеличить .

Максимальную частоту входных импульсов можно определить, используя выражения для мощности , рассеиваемой на коллекторе транзистора в импульсном режиме. Это выражение содержит три составляющих мощности, соответствующих областям насыщения, отсечки и переключения транзистора:

, (2.1.4)

где - коэффициент заполнения или относительная длительность импульсов.

Составляющие , , определяются из выражений:

; (2.1.5)

, (2.1.6)

где , ;

, (2.1.7)

где – мощность в нагрузке.

Как следует из выражений (2.1.4) и (2.1.7), мощность растет с повышением частоты входных импульсов . При максимальной частоте она не должна превышать максимально допустимую мощность на коллекторе транзистора . Поэтому находим из выражения (2.1.4), подставляя численные значения , , , , а также вместо и заменяя на .

Задача 2.1.2.Для логического элемента (ЛЭ) И–НЕ ТТЛ определить уровень логической единицы на выходе , уровень логического нуля на входе и допустимый уровень помехи на входе при заданных сопротивлениях датчика и нагрузки (табл. 2.1.2). Рассчитать предельные значения сопротивлений датчика и нагрузки , не нарушающие нормальную работу ЛЭ.

Вариант

Таблица 2.1.2

Методические указания

Для определения уровня необходимо рассмотреть схему ЛЭ (рис. 1.1). При подключении нагрузки к выходу ЛЭ образуется цепь для протекания тока от источника питания через резистор , открытый транзистор VT4, диод VD5, нагрузку к общей шине.

Для этого контура можно записать уравнение

. (2.1.8)

Подставив в (2.1.8) выражение для получим

, (2.1.9)

где ; ; .

Предельное сопротивление можно рассчитать, подставив в (2.1.9) нормируемый уровень и заменив на .

Методика расчета напряжения и сопротивления аналогична рассмотренной выше и приводится в литературе.Допустимый уровень помехи определяется как превышение входного напряжения над уровнем , ограниченное пороговым напряжением .

Задача 2.1.3.Разработать схему логического блока на ИС ТТЛ для управления силовым электромагнитом от трех датчиков: фотоэлектрического , индукционного и герконового. Работа схемы должна осуществляться в соответствии с заданной логической функцией (табл. 2.1.3). Синтез схемы управления и выбор типов логических элементов (ЛЭ) произвести из условия минимального числа корпусов ИС. Представить таблицу состояний (истинности) логического блока.

Предусмотреть устройства согласования ЛЭ с источниками сигнала и нагрузкой, выбрать тип согласующих транзисторов и рассчитать сопротивления резисторов при заданных значениях напряжения питания электромагнита и сопротивления (табл. 2.1.3).

Таблица 2.1.3

Вариант	Логическая функция

Методические указания

При синтезе схемы управления целесообразно использовать законы Де Моргана, что позволяет привести несколько ЛЭ к одному виду (базису) и применить для них один корпус.

При согласовании ЛЭ ТТЛ с датчиком для исключения ложных сигналов должно выполняться условие

Если это условие не выполняется, то между датчиками и ЛЭ можно включить эмиттерный повторитель, у которого сопротивление резистора в цепи эмиттера должно удовлетворять условию

а входное сопротивление должно быть на порядок выше сопротивления датчика , то есть . Совместное выполнение этих условий обеспечивается правильным выбором коэффициента передачи транзистора.

Выходной транзистор, согласующий ЛЭ с нагрузкой, выбирается по току коллектора и мощности , соответствующих режиму насыщения транзистора, а также по коэффициенту передачи .Необходимое значение коэффициента определяется из условия

где – коэффициент форсировки насыщения;

– максимальный выходной ток ЛЭ.

Сопротивление резистора в цепи базы транзистора равно

Задача 2.1.4.Составить схему четырехразрядного синхронного счетчика импульсов на типовых триггерах без использования внешних логических элементов. Показать на схеме состояние триггеров после подачи на вход заданного числа импульсов (табл. 2.1.4). Представить диаграммы сигналов в счетчике для пяти последующих входных импульсов от заданного их числа.

Вариант

Таблица 2.1.4

Методические указания

Порядок построения синхронного счетчика изложен в литературе. Для данной задачи необходимо применить JK–триггеры с внутренними логическими элементами «И» на входах и , например, типа К155ТВ1 и использовать все эти входы для связи между триггерами. Сигнал разрешения счета может подаваться не на входы и , а на вход . Необходимо предусмотреть цепь сброса триггеров в 0.

При построении диаграммы сигналов необходимо учитывать, что

работа счетчика, содержащего триггеров, повторяется после каждой серии из импульсов.

Задача 2.1.5.Составить схему делителя частоты с заданным переменным коэффициентом деления (табл. 2.1.5) на основе четырехразрядных счетчиков импульсов, работающих в режиме прямого счета, и дополнительного логического элемента. Определить длительность выходного импульса.В делителе частоты должны использоваться стандартные счетчики и логические элементы на ИС ТТЛ (четный вариант) или ИС КМОП (нечетный вариант). Установку заданного коэффициента предусмотреть с помощью переключателя, состояние которого отразить на схеме для максимального значения .

Вариант
	33–35	36–38	37–39	40–42	41–43	44–46	45–47	48–50	49–51	52–54

Таблица 2.1.5

Методические указания

Принцип построения делителя частоты с использованием логического элемента, «собирающего» единицы с выходов счетчика и сбрасывающего его в ноль, изложен в литературе. При переменном коэффициенте деления часть входов этого логического элемента подключается к переключателю, обеспечивающему подачу на них сигнала «1» с выходов счетчика или от источника питания. Для получения заданного необходимо последовательное включение счетчиков.

Длительность выходного импульса определяется суммой задержек распространения сигналов в счетчике и логическом элементе. Для логического элемента вид задержек или выбирается в зависимости от характера выходного импульса.

Задача 2.1.6.Составить схему делителя частоты с заданным переменным коэффициентом деления (табл. 2.1.6) на основе четырехразрядных двоичных счетчиков импульсов, работающих в режиме обратного счета, с использованием входов предустановки.

Выбрать тип счетчиков из серий ИС ТТЛ (нечетный вариант) или ИС КМОП (четный вариант). Установку заданного коэффициента предусмотреть с помощью переключателя, состояние которого отразить на схеме для максимального значения .

Вариант
	33–35	36–38	37–39	40–42	41–43	44–46	45–47	48–50	49–51	52–54

Таблица 2.1.6

Методические указания

В счетчиках необходимо использовать выход переноса (займа) и предусмотреть в схеме цепи для сигналов предварительной записи и циклической перезаписи двоичного кода, соответствующего заданному коэффициенту деления . Эти сигналы можно подавать на соответствующий вход счетчиков через развязывающие диоды или логические элементы.

Неиспользуемые входы предустановки старших разрядов счетчика, отсутствующих в заданном коде, необходимо соединить с общей шиной,то есть подать на них сигнал 0.

Задача 2.1.7. Составить схему включения мультиплексора для реализации заданного алгоритма управления электромагнитом F (A, B, C), выраженного в виде логической функции (табл. 2.1.7). Входные переменные в этой функции соответствуют сигналам позиционных датчиков A, B, C, управляющих электромагнитом.

Выбрать тип мультиплексора из стандартных серий ИС ТТЛ (четный вариант) или ИС КМОП (нечетный вариант). В схеме предусмотреть элементы световой индикации состояния электромагнита с обозначением «ВКЛЮЧЕНО» и «ВЫКЛЮЧЕНО» . Построить таблицу состояний мультиплексора.

Вариант

Вариант

Таблица 2.1.7

Методические указания

Для реализации заданного алгоритма необходимо составить таблицу состояний электромагнита для всех сочетаний сигналов А, В, С. Эти сигналы подаются от датчиков А, В, С на адресные входы мультиплексора. На его информационные входы надо подать сигналы 0 или 1 в соответствии с требуемым значением входного сигнала F, полученным в таблице состояний. При этом каждое сочетание сигналов А, В, С является кодом адреса для соответствующего информационного входа.

В качестве элементов индикации можно использовать светодиоды, которые включаются с ограничительными резисторами.

Задача 2.1.8.Составить схему пятиразрядного полного сумматора на основе типового четырехразрядного сумматора и логических элементов. Показать двоичные сигналы на входах и выходах схемы при заданных значениях слагаемых и (табл. 2.1.8). В схеме использовать стандартные ИС ТТЛ (четный вариант) или ИС КМОП (нечетный вариант), показать их тип.

Таблица 2.1.8

Вариант

Методические указания

Для увеличения разрядности типового сумматора к нему подключается одноразрядный полный сумматор, схема которого и способ подключения приводятся в литературе. В этой схеме за счет использования закона Де Моргана можно получить вместо трех два вида логических элементов: «2И–НЕ» – 3шт. и «Исключающее ИЛИ» – 2 шт., что дает возможность уменьшить число корпусов ИС.

Задача 2.1.9.Составить схему логического устройства на основе дешифратора для сортировки деталей на три группы: «МЕНЬШЕ», «НОРМА», «БОЛЬШЕ» в зависимости от сочетаний четырех признаков X1, X2, X3, X4, выраженных в двоично–десятичном коде (табл.2.1.9). Устройство должно иметь три выхода по наименованию групп деталей. При появлении хотя бы одной детали из какой-либо группы на соответствующем выходе устройства должен формироваться сигнал логической

единицы. В схеме устройства использовать типовой дешифратор и логические элементы ИС ТТЛ (четный) или ИС КМОП (нечетный варианты).

Таблица 2.1.9

Вариант
П Р И З Н А К И Г Р У П П	МЕНЬШЕ
НОРМА
БОЛЬШЕ

Методические указания

В схему логического устройства, помимо дешифратора, необходимо ввести минимум три логических элемента (ЛЭ), объединяющих соответствующие выходы дешифратора. При выборе этих ЛЭ, необходимо учитывать, что большинство типов дешифраторов на ИС ТТЛ имеют инверсные выходы.

КУРСОВАЯ РАБОТА

3.1. Задание к курсовой работе по дисциплине «Электроника»

(очная форма)

Тематика курсовой работы определяется исходными данными, приведенными в табл. 3.1.1.

Таблица 3.1.1

Элементная база	ТТЛ (вариант для четной предпоследней цифры зачетки); КМОП (вариант для нечетной предпоследней цифры зачетки)
Задаваемое количество оборотов метчика	При прямом ходе При обратном ходе
Относительный световой ток фотодиода
Относительная амплитуда помехи
Номинальное напряжение электродвигателя, (В)
Номинальный ток электродвигателя, (А)

n – вариант по последней цифре зачетки.

Разработать цифровой блок управления (ЦБУ) резьбонарезным шпинделем, обеспечивающим автоматически заданное количество оборотов метчика при прямом и обратном ходе, реверсирование и останов шпинделя. Пуск шпинделя осуществляется кнопкой или внешним импульсным сигналом. Приводом шпинделя является реверсивный двигатель постоянного тока с последовательным возбуждением и двухсекционной обмоткой (серии СЛ).

ЦБУ должен содержать фотоэлектрический импульсный датчик (ФИД), формирователь импульсов (ФИ), счетчик импульсов (СИ), командные триггера прямого и обратного хода, импульсный усилитель мощности (ИУМ) для согласования триггеров с электродвигателем, логические элементы, создающие необходимый режим работы счетчика импульсов.

Курсовая работа включает в себя:пояснительную записку (ПЗ) с расчетом всех элементов, а также обоснованием по их выбору; функциональную схему (рисунок по тексту ПЗ); график статической характеристики формирователя импульсов (рисунок по тексту ПЗ); принципиальную схему ЦБУ (формат А3); монтажную схему ЦБУ (печатная плата формат А3); перечень элементов (формат А4).

Методические указания

Датчик представляет собой оптрон, преобразующий поток излучения светодиода в импульсы тока фотодиода за счет периодического прерывания потока излучения вращающимся щелевым диском, установленным на валу шпинделя. Светодиод выбирается с ИК–спектром излучения и подключается к источнику питания через ограничительный резистор, задающий номинальный ток светодиода в пределах . Фотодиод (кремниевый) нагружается на резистор с сопротивлением, обеспечивающим уровень логической единицы последующего формирователя импульсов при заданном световом токе . Ток фотодиода кроме световой и темновой составляющих имеет составляющую помехи , возникающую на частоте вибрации.

Формирователь импульсов выполняется на основе триггера Шмита, который повышает крутизну фронта импульсов датчика, а также устраняет влияние помехи и темнового тока фотодиода на выходной сигнал. Формирователь импульсов должен быть согласован по входному сопротивлению с фотоэлектрическим датчиком. На статической характеристике формирователя необходимо отметить уровни его срабатывания и отпускания , а также уровни светового и темнового напряжений датчика.

Счетчик импульсов может выполняться на одной или двух интегральных микросхемах. Если используется один суммирующий счетчик, то он должен совмещаться с двумя логическими элементами (ЛЭ), один из которых включает триггер прямого хода (ТПХ) и, триггер обратного хода (ТОХ) по окончании прямого хода метчика. Другой выключает ТОХ после суммарного количества оборотов метчика. При использовании одного вычитающего четырехразрядного счетчика со входами предустановки необходим один ЛЭ для выключения ТПХ, или два таких счетчика, раздельно переключающих ТПХ и ТОХ без ЛЭ. Возможно применение одного четырехразрядного реверсивного счетчика с переключением режима его работы и перезаписью кода со входов предустановки.

Командные триггеры ТПХ и ТОХ выполняются по схеме асинхронных RS–триггеров на ЛЭ «ИЛИ–НЕ» или «И–НЕ». ТПХ должен иметь два входа «ПУСК» для кнопки ручного управления (РУ) и внешнего управления (ВУ). В схеме ЦБУ необходимо предусмотреть цепи «обнуления» командных триггеров и счетчика импульсов при включении напряжения питания.

Усилители мощности выполняются на силовых транзисторах, работающих в ключевом режиме. Тип каждого транзистора выбирается по заданным значениям напряжения и тока электродвигателя, а также необходимого значения коэффициента β, определяемого по максимально возможному выходному току триггеров: (для ТТЛ) и (для КМОП).

Логические элементы как вспомогательные устройства выбираются с минимальным количеством корпусов ИС и должны совмещаться по выполняемым функциям с триггером Шмитта.

3.2. Задание к курсовой работе по дисциплине «Электроника»

(заочная форма)

Объект разработки

Разработать цифровой блок управления (ЦБУ) электроприводом для позиционирования транспортера в соответствии с заданным количеством кодовых импульсов датчика угла поворота электропривода.

ЦБУ должен содержать фотоэлектрический импульсный датчик (ФИД), формирователь импульсов (ФИ), счетчик импульсов (СИ) с предустановкой, командный триггер (КТ) и импульсный усилитель мощности (ИУМ).

Исходные данные

а) элементная база:

ТТЛ (вариант для четной предпоследней цифры зачетки),

КМОП (вариант для нечетной предпоследней цифры зачетки);

б) диапазон изменения угла поворота: 150 + 5 n± 5 кодовых импульсов;

в) относительный световой ток фотодиода ;

г) Номинальное напряжение электродвигателя, (В): ;

д) Пусковой ток электродвигателя, (А): ,

n – вариант по последней цифре зачетки

Содержание работы

3.2.3.1. Принципиальная схема ЦБУ (А3)

3.2.3.2. Перечень элементов (А4)

3.2.3.3. Чертеж печатной платы (А3).

3.2.3.4. Пояснительная записка (ПЗ) с расчетом параметров элементов и обоснованием их выбора.

3.2.3.5. Функциональная схема (рисунок по тексту ПЗ)

3.2.3.6. График статической характеристики ФИ с отмеченными уровнями всех сигналов (рисунок по тексту ПЗ).

Методические указания

Датчикпредставляет собой оптрон, преобразующий поток излучения светодиода в импульсы тока фотодиода за счет периодического прерывания потока излучения вращающимся щелевым диском, установленным на валу привода. Ток фотодиода кроме световой составляющей , имеет темновую составляющую и составляющую помехи , возникающую на частоте вибрации.

Счетчикобеспечивает подсчет числа импульсов датчика, сформированных ФИ, и выдает на командный триггер сигнал после получения заданного кода на выходе. Для изменения этого кода, соответствующего заданному углу поворота, необходимо предусмотреть специальный переключатель–задатчик.

Командный триггер формирует сигнал управления электроприводом по командам «ПУСК» и «СТОП», которые могут подаваться как вручную от соответствующих кнопок, так и от внешних устройств.

Импульсный усилитель мощностисодержит силовой транзистор, обеспечивающий необходимый ток в якорной цепи электродвигателя при включении от командного триггера.

ПРИЛОЖЕНИЕ А СМЕННЫЕ КАРТЫ ИССЛЕДУЕМЫХ СХЕМ

Продолжение приложения А

Окончание приложения А

Рекомендуемая литература

Лачин, В. И., Электроника: учебник для вузов / В. И. Лачин, Н. С. Савелов. – Ростов-на-Дону: Феникс, 2005. – 704 с.

У ч е б н о е и з д а н и е

Роберт Николаевич Кулагин

Наталья Валерьевна Федорова

ЭЛЕКТРОНИКА

Часть 2

Цифровые устройства

Учебное пособие