Лекция №30. Импульсные устройства
Цель: получить основные сведения об устройстве и применении трансформаторов.
Образовательные результаты по ФГОС:
Знать:
-магнитное поле, магнитные цепи;
-электромагнитную индукцию, электрические цепи переменного тока.
Уметь:
-контролировать качество выполняемых работ;
-работать с технической документацией.
Задание: составить конспект лекции, выделить главное, ответить на контрольные вопросы.
План.
Тема: 1.Основные сведения об электронных генераторах прямоугольного и пилообразного
напряжения.
2.Простейшие схемы электронных генераторов прямоугольного и пилообразного
напряжения.
3. Мультивибраторы и триггеры.
Основные сведения об электронных генераторах прямоугольного и пилообразного напряжения.
Напряжением пилообразной формы называется такое напряжение, которое в течении некоторого времени изменяется по линейному закону (возрастает или убывает), а затем возвращается к исходному уровню.Различают:
· линейно-возрастающее напряжение;
· линейно-падающее напряжение.
Генератор пилообразных импульсов - устройство, формирующее последовательность пилообразных импульсов.Предназначены для получения напряжения и тока, изменяющегося во времени по линейному закону.
Классификация генераторов пилообразных импульсов:
По элементной базе:
* на транзисторах;
* на лампах;
* на интегральных микросхемах (в частности, на ОУ);
По назначению:
· генераторы пилообразного напряжения (ГПН) (другое название - генераторы линейно изменяющегося напряжения - ГЛИН);
· генераторы пилообразного тока (ГПТ) (другое название - генераторы линейно изменяющегося тока - ГЛИТ);
По способу включения коммутирующего элемента:
· последовательная схема;
· параллельная схема;
По способу повышения линейности формируемого напряжения:
· с токостабилизирующим элементом;
· компенсационного типа.
В основе построения генераторов пилообразных импульсов лежит электронный ключ, коммутирующий конденсатор с заряда на разряд и принцип получения возрастающего или падающего напряжения объясняется процессом заряда и разряда конденсатора (интегрирующего цепь). Но, т.к. поступление импульсов на интегрирующую цепь необходимо коммутировать, используется транзисторный ключ.
Простейшие схемы электронных генераторов прямоугольного и пилообразного
Напряжения.
Схематично генератор пилообразных импульсов представлен на рисунках 1-4.
При размыкании электронного ключа (рисунок 1) конденсатор медленно, через сопротивление R заряжается до величины Е, формируя при этом пилообразный импульс. При замыкании электронного ключа конденсатор быстро разряжается через него.Выходной импульс имеет форму, представленную на рисунке 2.
Рисунок 1-Параллельная схема ключа Рисунок 2-Форма выходного импульса
При смене полярности источника питания Е форма выходного сигнала будет симметрична относительно оси времени.
При замыкании электронного ключа (рисунок 3) конденсатор быстро заряжается до величины источника питания Е, а при размыкании - разряжается через сопротивление R, формируя при этом линейно падающее напряжение пилообразной формы, которое имеет вид на рисунке 4.
Рисунок 3-Последовательная схема ключа Рисунок 4-Форма выходного импульса
При смене полярности источника питания, форма выходного напряжения Uвых(t) изменится на линейно возрастающее напряжение.
Таким образом, видно (можно отметить как один из главных недостатков), что чем больше амплитуда напряжения на конденсаторе, тем больше нелинейность импульса. Т.е. необходимо формировать выходной импульс на начальном участке экспоненциальной кривой заряда или разряда конденсатора.
Простейшие схемы генераторов пилообразного напряжения (ГПН) представлены на рисунках 5-8, которые состоят из транзисторного ключа и конденсатора.
Рассмотрим одновременно последовательную и параллельную схемы генераторов пилообразного напряжения и сравним их работу.
На временных диаграммах:
* tпр.х.и. - время прямого хода импульса;
* tоб.х.и. - время обратного хода импульса.
Т.к. конденсатор заряжается экспоненциально, то кривая напряжения нелинейная. Для линейности процесс должно выполняться условие tпр < tц, где tпр - время переходного процесса, tц - постоянная времени цепи.
Рисунок 5-Последовательная схема ГПН Рисунок 6-Временные диаграммы,
отражающие работу данной схемы
Рисунок 7- Параллельная схема ГПН Рисунок 8-Временные диаграммы,
отражающие работу данной схемы
Работа схем генераторов пилообразного напряженияпроисходит следующим образом:
1) В исходном состоянии на входе схем сигналы не подаются. В результате транзисторы находятся в открытом состоянии. В последовательной схеме конденсатор заряжен, в параллельной схеме конденсатор разряжен.
В результате в последовательной схеме конденсатор быстро заряжается через транзистор. Напряжение на конденсаторе примерно равно напряжению источника питания, т.е. Uс =+Ек.
В параллельной схеме транзистор открыт. Следовательно, замкнута цепь разряда конденсатора, т.е. напряжение на конденсаторе равно нулю, Uс=0.
2) При подаче на вход схемы отрицательного импульса его длительность должна быть равна длительности формируемого пилообразного напряжения. Так как импульс отрицательный, транзистор закрывается, следовательно, в последовательной схеме конденсатор С медленно разряжается через резистор R3. На выходе формируется линейно падающее напряжение. В параллельной схеме конденсатор С медленно заряжается от источника +Е. На выходе формируется линейно возрастающее напряжение.
3) Когда заканчивается действие входного импульса, транзисторы открываются и схемы быстро возвращаются к исходному состоянию.
Т.о., простейший генератор формирует линейно-падающее и линейно-возрастающее напряжение.
Достоинство схем - простота.
Недостатком схем является то, что формируется не линейное напряжение, а напряжение, изменяющееся по экспоненте (как заряжается конденсатор С). В экспоненте линейный участок занимает только 10% от Uмах. Поэтому использовать такие ГПН энергетически невыгодно. Так, например, для импульсов с амплитудой 10 В необходим источник 100 В.
Для устранения недостатков таких простейших схем используют ряд способов, благодаря которым и созданы более широко используемые ГПН, которые лишены указанных недостатков.
Мультивибраторы и триггеры.
Мультивибраторы - это электронные генераторы сигналов прямоугольной формы.
Мультивибратор в подавляющем большинстве случаев выполняет функцию задающего генератора, формирующего запускающие входные импульсы для последующих узлов и блоков в системе импульсного или цифрового действия.
На рисунке 9 приведена схема симметричного мультивибратора на ИОУ. Симметричный – время импульса прямоугольного импульса равно времени паузы tимп = tпаузы.
ИОУ охвачен положительной обратной связью – цепь R1, R2, действующей одинаково на всех частотах. Напряжение на неивертирующем входе постоянно и зависит от сопротивления резисторов R1, R2. Входное напряжение мультивибратора формируется при помощи ООС через цепочку RC.
Рисунок 9 – Схема симметричного мультивибратора Рисунок 10 – Временные диаграммы работы
мультивибратора
Изменение постоянной времени RC-цепи приводит к изменению времени заряда и разряда конденсатора, а значит и частоты колебаний мультивибратора. Кроме того, частота зависит от параметров ПОС и определяется по формуле: f = 1/T = 1/2tи = 1/ [2 ln(1+2 R1/R2)]
При необходимости получить несимметричные прямоугольные колебания для tи ≠ tп, используют несимметричные мультивибраторы, в которых перезаряд конденсатора происходит по разным цепочкам с различными постоянными времени.
Одновибраторы (ждущие мультивибраторы) предназначены для формирования прямоугольного импульса напряжения требуемой длительности при воздействии на входе короткого запускающего импульса. Одновибраторы часто называют еще электронными реле выдержки времени.
В технической литературе встречается еще одно название одновибратора – ждущий мультивибратор.
Одновибратор обладает одним длительно устойчивым состоянием равновесия, в котором он находится до подачи запускающего импульса. Второе возможное состояние является временно устойчивым. В это состояние одновибратор переходит под действием запускающего импульса и может находиться в нем конечное время tв, после чего автоматически возвращается в исходное состояние.
Основными требованиями к одновибраторам являются стабильность длительности выходного импульса и устойчивость его исходного состояния.
Триггерами называются электронные импульсные устройства с двумя устойчивыми состояниями, которым соответствуют различные значения напряжений на информационных выходах. Их применяют в счетчиках импульсов напряжения, делителях частоты следования импульсов напряжения и т.д. По способу управления триггеры подразделяют на асинхронные и синхронные. В асинхронных триггерах переключение из одного устойчивого состояния в другое осуществляется под действием определенной совокупности импульсов напряжения на управляющих входах. В синхронных триггерах переключение возможно только при совпадении во времени определенной совокупности импульсов напряжения на управляющих входах и импульса напряжения на входе синхронизации. Различают несколько типов триггеров: RS- D-, JК-триггеры и др. Триггеры обычно реализуются на основе логических элементов и выпускаются в виде интегральных схем. Поэтому далее ограничимся рассмотрением функциональных возможностей различных типов триггеров, пользуясь их условными обозначениями (рисунок 11).
Рисунок 11- Схема, таблица истинности и временная диаграмма RS-триггеров
где а) -схема, б) -таблица истинности, в) -временные диаграммы
Наибольшее применение имеют асинхронные RS- и синхронные D- и JК-триггеры. RS-mpurrep (Reset-Set, е. сброс-установка) реализуется на основе логических элементов ИЛИ-НЕ на два входа (рисунок 11а), где обозначены прямой Q и инверсный Qt информационные выходы.
Работу RS-триггера иллюстрируют таблица истинности на рисунке 11б, где указаны значения сигналов на управляющих входах R и S в некоторый момент времени t и соответствующие м значения на выходе Q в момент времени t + 1 после окончания переходного процесса и временная диаграмма (рисунок 11в). Состояние триггера сохраняется (Q = Qt) при совокупности сигналов на входах R =О и S =О и не определено при R = 1 и S = 1. Последнее состояние запрещено. RS-триггер с инверсными значениями сигналов на входах R и S реализуется на основе логических элементов
И - НЕ. Его схема, таблица истинности и временная диаграмма приведены на рисунке 11 а-в. Состояние триггера сохраняется при значениях сигналов на его входах R = 1 и S = 1 и не определено при R = О и S =1. Последнее состояние запрещено. Условные обозначения RS триггеров с прямым и инверсным входами приведены на рисyнке 12а и б. Кратковременным замыканием ключа К 1 или К 2 устанавливаются устойчивые состояния триггеров Q = 1 или Q =О.
Рисунок 12- Условные обозначения RS триггеров с прямым и инверсным входами
D-mpurrep имеет прямые (рисунок 13а) или инверсные (рисунок 13б) установочные входы R и S, один управляющий вход D и вход синхронизации С. Входы R и S называются установочными потому, что служат для предварительной установки D-триггера в состояние Q = 1 или Q =О, аналогично представленному на рисунке 12. Сигнал на управляющем входе D = 1 или D = О устанавливает триггер в устойчивое состояние с одноим нным начением на прямом информационном выходе Q = 1 или Q =О только при одновременном действии импульса положительной полярности на входе синхронизации. Обычно переключение триггера происходит в течение времени действия переднего фронта импульса синхронизации (рисунок 13в).
Рисунок 13- Схема и временная диаграмма D-триггеров
JК-триггер имеет ряд преимуществ по сравнению с RS- и D-триггерами. Его условные обозначения с прямыми или инверсными установочными входами R и S приведены на рисунке 14а и б, где обозначено: J и К - управющие входы, С - вход синхронизации. Рассмотрим правила работы JКтриггера, положив, что его исходное· состояние установлено.
Рисунок 14- Схема Jк-триггера Рисунок 15-Временные диаграммы Jк-триггера
1. Если J = 1 и К = О, то в течение времени действия передне· го фронта импульса синхронизации положительной полярности триггер установится в состояние Q = 1 (рисунок 15а).
2. Если J = О и К = 1, то в течение времени действия переднего фронта импульса синхронизации положительной полярности триггер установится в состояние Q =О (рисунок 156). 3. Если J = 1 и К = 1, то независимо от своего исходного состояния Q триггер будет переключаться в течение времени действия переднего фронта импульса синхронизации положительной полярности. При этом частота изменения напряжения на выходе триггера будет в два раза меньше частоты импульсов синхронизации (рисунок 15в).
4. Если J = О и К = О, то исходное состояние Q триггера под действием импульса синхронизации не изменится.
На практике часто встречаются двухступенчатые JK -триггеры (условное обозначение ТТ) с прямыми или инверсными установочными входами R и S (рисунок 16 а и б). Правила их работы отличаются от описанных выше тем, что изменение состояния триггера происходит не в течение времени действия переднего фронта пульса синхронизации, а в течение времени действия его заднего фронта.
Рисунок 16- Двухступенчатые JK –триггеры
На основе логических элементов и импульсных устройств строятся цифровые логические автоматы.
Контрольные вопросы.
1.Изобразите временную диаграмму напряжения на выходе симметричного и несимметричного мультивибратора.
2. В чем различие между асинхронными и синхронными триггерами?
Источник:1. https://electricalschool.info/electronica/1142-jelektronnye-generatory.html
2.https://studopedia.ru/5_76204_generatori-piloobraznogo-napryazheniya.html
3. Немцов М.В. Н507 Электротехника и электроника: учебник для студ. образоват. учреждений сред. проф. образования/ М. В. Немцов, М.Л. Немцова. - 6-е изд., стер. - М.: Издательский центр «Академия», 2013. - 480 с. ISBN 978-5-4468-0432-0.
Видео: 1. https://www.youtube.com/watch?v=bY7rhjTu-ys
2. https://www.youtube.com/watch?v=GHfK_I02PL8
3. https://www.youtube.com/watch?v=Xn_AmyGyRqs
4. https://www.youtube.com/watch?v=RKgfCaxeQwU
5. https://www.youtube.com/watch?v=raWjVYSIg50