Формирователи импульсов по фронту сигнала

Формирователи импульсов, интегрирующие и дифференцирующие цепи, схемы, принцип формирования укороченных и удлиненных импульсов, применение.

Формирователь импульсов - это электронное устройства для генерирования и преобразования электрических импульсов, в основном прямоугольной, трапециевидной, линейно изменяющейся, т.е. треугольной и экспоненциальной формы. Основными элементами формирователей импульсов явл линейные электрические элементы и электронные ключи. Функции линейных элементов выполняют импульсные усилители, RC- или LC-цепочки, импульсные трансформаторы и линии задержки. В качестве ключей используются диоды, транзисторы, электровакуумные и газонаполненные лампы, ферритовые сердечники с прямоугольной петлей гистерезиса, туннельные диоды. Наиболее широко для формирования импульсов применяются импульсные усилители и транзисторы в ключевом режиме.

Формирование импульсов происходит за счёт ограничения уровня сигнала или переключения тока в выходной цепи. Основным типом таких устройств является амплитудный ограничитель. Регенеративные формирующие устройства с положительной обратной связью позволяют получать как отдельные импульсы, так и их последовательности. К числу таких устройств относятся: триггеры, мультивибраторы, блокинг-генераторы и генераторы линейно изменяющегося напряжения. Помехоустойчивость и стабильность в работе обеспечивают схемы формирователей импульсов без использования RC-цепей.

При разработке цифровых устройств нередко требуется формировать импульсы, привязанные к входному сигналу. Если не предъявляются высокие требования к стабильности и длительности формируемого импульса, могут применяться схемы на основе дифференцирующих или интегрирующих RC-цепей

ИНТЕГРИРУЮЩАЯ ЦЕПЬ -электрическая цепь, в которой выходное напряжение Uвых(t) (или ток) пропорционально интегралу по времени от входного напряжения Uвх(t) (или тока):

Интегратор на операционном усилителе. В основе действия И. ц. лежит накопление заряда на конденсаторе с ёмкостью С под действием приложенного тока или накопление магн. потока в катушке с индуктивностью L под действием приложенного напряжения Преимущественно используются И. ц. с конденсатором. С наиб, точностью указанный принцип реализуется в интеграторе на операц. усилителе (ОУ) (рис. 1). Для идеального ОУ разность напряжений между его входами и входные токи равны нулю, поэтому ток, протекающий через сопротивление R, равен току заряда конденсатора С, а напряжение в точке их соединения равно нулю. В результате

Применение: для преобразования импульсов, модулированных по длительности, в импульсы, модулированные по амплитуде, для удлинения импульсов, получения пилообразного напряжения, выделения низкочастотных составляющих сигнала и т. П.На операц. усилителях применяются в устройствах автоматики и аналоговых ЭВМ для реализации операции интегрирования

1- входной прямоугольный импульс; 2 - выходное напряжение интегрирующей цепи

Д ИФФЕРЕНЦИРУЮЩАЯ ЦЕПЬ - устройство, предназначенное для дифференцирования по времени электрич. сигналов. Выходная реакция Д. ц. связана со входным воздействием

Различают пассивные и активные Д. ц.

Пассивные Д. ц. применяют в импульсных и цифровых устройствах для укорачивания импульсов. Aктивные Д. ц. используют как дифференциаторы в аналоговых вычислит. устройствах

Простейшая пассивная Д. ц. показана на рис. 1, а. Ток через ёмкость пропорционален производной приложенного к ней напряжения . вариант пассивной Д. ц. показан на рис. 1, б.

Следовательно, при заданных параметрах Д. ц. дифференцирование тем точнее, чем ниже частоты, на к-рых концентрируется энергия входного сигнала. Однако чем точнее дифференцирование, тем меньше коэфф. передачи цепи и, следовательно, уровень выходного сигнала. Это противоречие устраняется в активных Д. ц., где процесс дифференцирования сочетается с процессом усиления. В активных Д. ц. используют операционные усилители (ОУ), охваченные отрицательной обратной связью.

Вывод: При прохождении через Д. ц. импульсных сигналов происходит уменьшение их длительности, отсюда понятие о Д. ц. как об укорачивающих. Предполагается, что, источник входного напряжения характеризуется нулевым внутр. сопротивлением, а Д. ц.- отсутствием паразитных ёмкостей. Наличие внутр. сопротивления приводит к уменьшению амплитуды напряжения на входных клеммах и, следовательно, к уменьшению амплитуд выходных импульсов; наличие паразитных ёмкостей - к затягиванию процессов нарастания и спада выходных импульсов. Аналогичным укорачивающим действием обладают также активные Д. ц.

Применение: применяют в импульсных и цифровых устройствах для укорачивания импульсов., используют как дифференциаторы в аналоговых вычислит. устройствах

60.Формирователь коротких импульсов с применением линий задержки. Формирователь коротких импульсов формирует импульсы, длительность которых существенно меньше длительности исходных импульсов. Для построения схемы формирователя потребуются один элемент конъюнкции, один инвертор и линия задержки. Длительность выходного импульса формирователя определяется длительностью времени задержки линии задержки Dt_з и средним временем распространения сигнала через инвертор t_{з срЭ1}. На рис. 4.1. приведена схема формирователя, а на рис.4.2 (а) и (б) - временные диаграммы, иллюстрирующие её работу. Из рис 4.2 (а) следует, что для формирования импульса от переднего фронта (исходного импульса) необходимо подавать на линию задержки инвертированный импульс. В случае формирования импульса от заднего фронта нужно инвертировать незадержанный (прямой) сигнал, т.е. сигнал, подаваемый на элемент “И” минуя линию задержки (рис. 4.2, б).

Использование в формирователях линий задержки не всегда оправдано экономически и из конструктивных соображений. Если не требуется формирование строго определенной длительности коротких импульсов, в формирователях в качестве линии задержки применяются логические элементы (рис. 4.3). Так как каждый логический элемент обладает свойством задерживать распространение сигнала, поэтому время задержки в такой схеме будет определяться числом используемых элементов логики n

Dt_з = t_{з срЭ1} + t_{з срЭ2} +....+ t_{з срЭn} = n t_{з срЭ},

где t_{з срЭ} - среднее время задержки одного логического элемента. Считается, что инвертор имеет значительно меньшее время задержки сигнала, и в качестве элементов задержки используются логические элементы с малым быстродействием.

Формирователь импульсов на элементах логики с использованием RC цепи. RC цепи широко применяются в импульсной технике для формирования сигналов различной формы. RC -цепь - это цепь состоящая из сопротивления R и конденсатора С. Постоянная времени этой цепи определяется как t = RC. В зависимости от сочетания соединений RС цепь может выполнять функцию как укорачивающей, так и удлиняющей цепей. Формирователь импульса с удлиняющей RC цепью и его временные диаграммы приведены на рис. 4.4, а и б, соответственно.

Длительность выработанного формирователем импульса можно вычислить исходя из условия разряда конденсатора С. Действительно, пока конденсатор С разряжается до уровня порогового напряжения U_пор, напряжение U₂воспринимается элементом Э₂ как уровень логической “1” и на его выходе поддерживается “0”. С течением времени t_инапряжение на конденсаторе С становится равным U_пор и на выходе элемента Э₂ появится “1”. Если считать, что напряжение до начала разряда на конденсаторе было равно напряжению уровня “1”, т.е. U¹, то изменение напряжения U_сс течением времени можно представить как

,

отсюда имеем

.

Длительность импульса равна времени разряда конденсатора до порогового значения U_пор

.

Для ускоренного восстановления заряда конденсатора в схему может быть включен дополнительный диод D1 (рис. 4.4, а). Из-за большого обратного сопротивления диода его влияние в процесс разряда конденсатора можно не учитывать, т.е. разряд конденсатора будет осуществляться только через сопротивление R.

В тех случаях, когда требуется получить импульсы большой длительности и в схеме используется конденсатор большой емкости, последовательно с диодом включают дополнительное сопротивлени R_доб, ограничивающее ток заряда конденсатора. Величину сопротивления R выбирают исходя из следующих условий:

во-первых, величина сопротивления R не должна превышать максимально допустимого значения, при котором на этом сопротивлении за счет обратного входного тока элемента логики может создаться напряжение, сравнимое с напряжением U_пор (для элементов ТТЛ структуры максимальное значение R_мак = 2,2 кОм);

во-вторых, минимальное значение сопротивления ограничено допустимой нагрузочной способностью логического элемента Э₁ и определяется как

где U¹ - напряжение на выходе элемента Э₁ в состоянии логической “1”; n - коэффициент разветвления (нагрузочная способность) выхода логического элемента; I_вх - входной ток одного элемента.

Номинал добавочного сопротивления имеет ограничение “снизу”, и определяется из условия

,

где U_{пр D1} - прямое падение напряжения на диоде D1; I¹_доп - допустимый выходной ток элемента Э₁ в состоянии логической “1”.

Схема формирователя коротких импульсов с помощью укорачивающей (дифференцирующей) RC цепи показана на рис. 4.5. Длительность выходного импульса формирователя может быть определена из соотношения

,

где R_вых - выходное сопротивление первого элемента формирователя.

Триггер Шмитта. Триггер Шмитта применяется для формирования входного сигнала произвольной формы в сигналы, принимающие два стандартных уровня ”0” и “1”. Варианты схем таких формирователей показаны на рис. 4.6.

В триггерах Шмитта положительную обратную связь можно ввести также путем включения резистора между выходом второго инвертора и входом первого (рис. 4.6, б). Входное напряжение в этом формирователе подается через дополнительный резистор R1, сопротивление которого также влияет на глубину положительной обратной связи. Увеличение сопротивления этого резистора увеличивает коэффициент положительной обратной связи и уменьшает чувствительность формирователя к входному напряжению.

Формирователь импульсов от механических контактов. При проектировании цифровых устройств часто возникает задача четкого формирования импульсов от механических контактов (при срабатывании реле, кнопок, переключателей и т.д.), так как непосредственная подача этих сигналов на входы цифровых устройств недопустима из-за “дребезга” контактов. Дребезг контактов - это явление многократного неконтролируемого замыкания и размыкания контактов в моменты их соприкосновения и расхождения. Это явление приводит к формированию пачки импульсов (вместо требуемого одиночного импульса или перепада напряжения), могущих вызвать многократное непредсказуемое срабатывание триггеров и счетчиков схемы цифрового устройства.

Наиболее надежной и простой в схемном решении является схема подавления дребезга на статическом RC - триггере (рис. 4.7, а). Сигнал “0”, подаваемый с помощью переключателя к одному из входов этого триггера опрокидывает его. Причем при каждом срабатывании переключателя (кнопки) триггер реагирует на первое же замыкание соответствующей контактной пары и последующие замыкания уже не изменяют его состояние.

Недостатком такой схемы подавления дребезга является необходимость использования контактов на переключение, что не всегда приемлемо. В тех случаях, когда кнопка (переключатель) имеет всего одну пару контактов только на замыкание, применяются схемы, использующие постоянную времени перезаряда конденсатора.

Рассматриваемый формирователь может работать и без сопротивления R2 (его включают в качестве токоограничивающего сопротивления через замкнутые контакты кнопки). Благодаря малому сопротивлению замкнутых механических контактов первое же их замыкание приводит к полному разряду конденсатора. Последующие же размыкания контактов, вызванные дребезгом, практически не увеличивают напряжение на конденсаторе вследствие относительно большой постоянной времени его заряда.

Дата добавления: 2015-05-06