Импульсная и цифровая техника

Реферат

В современной информационной электронике импульсный принцип построения систем занимает доминирующее положение по сравнению с аналоговым. Импульсный режим широко используется в устройствах как силовой, так и цифровой электроники.

В отличие от аналоговых систем, в которых сигналы изменяются непрерывно во времени, импульсный режим работы электронного устройства характерен резкими изменениями токов и напряжений. При этом в промежутках времени между этими изменениями токи и напряжения меняются сравнительно мало.

Преобладающее применение импульсных систем обусловлено их существенно меньшим потреблением тока (большим КПД), более высокой точностью, меньшей критичностью к изменению температуры, большей помехоустойчивостью. Немаловажную роль играют также относительная простота средств представления информации в импульсной форме и наличие эффективных способов ее обработки (преобразования).

В импульсной технике применяются импульсы различной формы. Распространены импульсы, близкие по форме к прямоугольной, пилообразной и экспоненциальной кривым (рис. 1, ав ), а также импульсы положительной, отрицательной и чередующейся полярности (рис. 1, г ).

Рис. 1. Импульсные сигналы прямоугольной ( а ), пилообразной (б ), экспоненциальной (в ), прямоугольной с чередующейся полярностью (г ) форм

Импульсный сигнал характеризуется рядом параметров. Рассмотрим их на примере реального импульса напряжения с формой кривой, близкой к прямоугольному (рис. 2).

Такой сигнал вначале быстро нарастает до максимального значения. Затем напряжение может сравнительно медленно изменяться в течение некоторого промежутка времени, после чего происходит быстрое спадание импульса. Характерными участками импульса являются фронт (передний фронт), вершина (плоская часть) и срез (задний фронт).

Рис. 2. Реальный импульс напряжения прямоугольной формы

Параметрами импульса являются амплитуда, длительность, длительность фронта, длительность среза и спад вершины.

Амплитуда, Длительность, Длительность

Спад вершины импульса ДU и его относительная величина ДU/U т отражают уменьшение напряжения на плоской части импульса.

Параметрами последовательности импульсов являются период повторения (следования), частота повторения, пауза, коэффициент заполнения и скважность.

4 стр., 1986 слов

Импульсный стабилизатор напряжения

... постоянный ток на выходе. Для питания устройств от сети переменного тока необходимо устанавливать на входе выпрямитель и сглаживающий фильтр. Стоит отметить, что импульсный стабилизатор напряжения ... модулятор (3). Модулятор преобразует импульсы генератора (5) в прямоугольные импульсы, скважность которых зависит от разности между опорным и выходным напряжением. Обычно генератор выдаёт треугольные или ...

Периодом повторения импульсов называют интервал времени между соответствующими точками двух соседних импульсов.

Величину, обратную периоду повторения, называют частотой повторения импульсов : f=1/T .

Паузой t п называют интервал времени между окончанием одного и началом следующего импульсов: t п =Тt и .

Коэффициент

скважностью

время-импульсный

В схемах импульсной техники для обработки и преобразования информации широко применяют цифровые методы. Они базируются на использовании сигнала прямоугольной формы, имеющего два фиксированных уровня напряжения. Это позволяет представить сигнал в цифровой форме: уровню высокого напряжения приписывают символ «1», а уровню низкого напряжения — символ «0».

Цифровая форма представления сигнала упрощает рассмотрение импульсных систем и позволяет использовать при их анализе и разработке соответствующий математический аппарат (алгебру логики).

ИМПУЛЬСНЫЙ РЕЖИМ РАБОТЫ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ. КОМПАРАТОРЫ. ТРИГГЕР ШМИДТА.

Выходное напряжение ОУ в процессе импульсной работы определяется либо напряжением U + вых тах , либо U вых тах . Работу ОУ в импульсном режиме рассмотрим на примере компаратора, осуществляющего сравнение измеряемого входного напряжения (u вх ) с опорным напряжением (U оп ).

Опорное напряжение представляет собой неизменное по величине напряжение положительной или отрицательной полярности, входное напряжение изменяется во времени. При достижении входным напряжением уровня опорного напряжения происходит изменение полярности напряжения на выходе ОУ, например с U + вых тах на U вых тах . При U оп =0 компаратор осуществляет фиксацию момента перехода входного напряжения через нуль. Компаратор часто называют нуль-органом, поскольку его переключение происходит при u вх U оп ?0.

Компараторы нашли широкое применение в системах автоматического управления в измерительной технике, а также для построения различных узлов импульсного и цифрового действия (АЦП, ЦАП).

Рис. 3. Схема компаратора на ОУ ( а ), его передаточная характеристика (б ), схема компаратора с входными делителями напряжения (в )

Простейшая схема компаратора на ОУ приведена на рис. 3, а . Ее характеризует симметричное подключение измеряемого и опорного напряжений ко входам ОУ. Разность напряжений u вх U оп является входным напряжением и 0 ОУ, что и определяет передаточную характеристику компаратора (рис. 3, б ).

При u вх <U оп напряжение и 0 <0, в связи с чем u вых =U + вых тах . При u вх >U оп напряжение и 0 >0 и u вых =U вых тах .

14 стр., 6687 слов

Анализ и исследование схем преобразователей напряжение-частота

... 304 с. Представлены схемы преобразования и приведено их описание, помогающие представить работу преобразователей напряжение-частота 1. Интегратор 2. Компаратор 3.Неинвертирующий сумматор 4. ... входящих в схему. 2. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СХЕМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ 1 Основные методы преобразования Простейшая схема преобразователя напряжения в частоту (рис. 1.1) содержит управляемый напряжением генератор тока ...

Изменение полярности выходного напряжения происходит при переходе входного измеряемого напряжения через значение U оп . Если источники входного и опорного напряжений в схеме рис. 4, а поменять местами или изменить полярность их подключения, то произойдет инверсия передаточной характеристики компаратора. Условию u вх <U оп будет отвечать равенство u вых =U вых тах , а условию u вх >U оп u вых =U + вых тах .

Схема рис. 3, а применима тогда, когда измеряемое и опорное напряжения не превышают допустимых паспортных значений входных напряжений ОУ. В противном случае они подключаются к ОУ с помощью делителей напряжения (рис. 3, в ).

Широкое применение получил компаратор, в котором ОУ охвачен ПОС, осуществляемой по неинвертирующему входу с помощью резисторов R 1 , R 2 (рис. 4, а ).

Такой компаратор обладает передаточной характеристикой с гистерезисом (рис. 4, б ).

Эта схема называется триггер Шмидта или пороговое устройство.

Рис. 4. Схема компаратора с ПОС ( а ) и его идеализированная передаточная характеристика (б )

Переключение схемы в состояние U вых тах происходит при достижении u вх напряжения (порога) срабатывания U ср , а возвращение в исходное состояние u вых =U + вых тах — при снижении u вх до напряжения (порога) отпускания U отп . Значения пороговых напряжений находят по схеме, положив u 0 =0:

откуда ширина зоны гистерезиса

Лучшим быстродействием обладают специализированные ОУ, предназначенные непосредственно для импульсного режима работы и получившие общее название «компараторы». Схема компаратора с нулевым опорным напряжением и его передаточная характеристика представлены на рис. 5.

Рис. 5. Схема компаратора с ПОС и нулевым опорным напряжением ( а ), его передаточная характеристика (б )

РЕЛАКСАЦИОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

релаксационными

Релаксаторы могут работать в одном из трех режимов: 1) Автоколебательный; 2) Ждущий; 3) Синхронизации.

На практике чаще применяют устройства, основанные на использовании первых двух режимов.

автоколебаний

В ждущем режиме переход релаксатора из одного состояния в другое происходит под воздействием внешнего запускающего импульса, а обратный переход — самопроизвольно по истечении некоторого времени, определяемого параметрами устройства. Таким образом, в ждущем режиме релаксатор генерирует импульс с определенными параметрами при воздействии запускающего импульса. Отсюда название устройства — одновибратор

15 стр., 7224 слов

Виды преобразователи напряжения в электроприводе

... тока (напряжения). Преобразователь напряжения – устройство для преобразования напряжения одного уровня в напряжение другого уровня. Часто применяют импульсные преобразователи напряжения с ... По назначению сварочный для питания микроэлектронной схемы для питания ламповых анодных цепей, для ... классифицируют по следующим признакам: 1) По виду переключателя выпрямляемого тока механические синхронные с ...

синхронизации

МУЛЬТИВИБРАТОРЫ

Мультивибраторы относятся к классу узлов импульсной техники, предназначенных для генерирования периодической последовательности импульсов напряжения прямоугольной формы с требуемыми параметрами (амплитудой, длительностью, частотой следования и др.).

Подобно генераторам синусоидальных колебаний, мультивибраторы работают в режиме самовозбуждения: для формирования импульсного сигнала в мультивибраторах не требуется внешнее воздействие, например подача входных сигналов. Процесс получения импульсного напряжения основывается на преобразовании энергии источника постоянного тока.

функцию задающего генератора

Возможность создания мультивибратора на ОУ основывается на использовании ОУ в качестве порогового узла (компаратора).

Схема симметричного мультивибратора на ОУ приведена на рис. 6, а . Ее основой служит компаратор на ОУ с ПОС (рис. 5).

Автоколебательный режим работы создается благодаря подключению к инвертирующему входу ОУ времязадающей цепи из конденсатора С и резистора R . Принцип действия схемы иллюстрируют временные диаграммы, приведенные на рис. 6, б-г .

Предположим, что до момента времени t 1 напряжение между входами ОУ u 0 >0. Это определяет напряжение на выходе и на его неинвертирующем входе (рис. 6, б , в ), где — коэффициент передачи цепи ПОС. Наличие на выходе схемы напряжения обусловливает процесс заряда конденсатора С через резистор R с полярностью, указанной на рис. 6, а без скобок. В момент времени t 1 экспоненциально изменяющееся напряжение на инвертирующем входе ОУ (рис. 6, г ) достигает напряжения на неинвертирующем входе . Напряжение u 0 становится равным нулю, что вызывает изменение полярности напряжения на выходе ОУ: (рис. 7.6, б ).

Напряжение изменяет знак и становится равным (рис. 7.6, в ), что соответствует u 0 <0 и .

С момента времени t 1 начинается перезаряд конденсатора от уровня напряжения . Конденсатор стремится перезарядиться в цепи с резистором R до уровня . Напряжение u 0 становится равным нулю, что вызывает переключение ОУ в противоположное состояние (рис. 6, б-г ).

Далее процессы в схеме протекают аналогично.

Частота следования импульсов симметричного мультивибратора:

Процесс перезаряда конденсатора С описывается уравнением:

где .

Отсюда:

Приняв , находим:

Если принять для ОУ

, то:

ОДНОВИБРАТОРЫ

ждущий мультивибратор

режим ожидания

Выходной импульс формируется в результате следования одного за другим двух тактов переключения схемы.

9 стр., 4196 слов

Рельсовые цепи с изолирующими стыками

... а используется существующий конденсатор С3 приемного конца рельсовой цепи, функцией которого становится ... питающего конца рельсовой цепи должен быть настроен в последовательный резонанс напряжений на ... РЦ. В обобщенной схеме рельсовых цепей, разделенных изолирующими стыками, с подключенной системой энергоснабжения ... индустриальных методов, что увеличивает сроки монтажа устройств при строительстве новых ...

Наибольшее распространение получила схема одновибратора, приведенная на рис. 7, а .

Ее основой служит схема мультивибратора, в которой для создания ждущего режима работы параллельно конденсатору С включен диод Д 1 . При показанном на рис. 7, а направлении включения диода Д 1 схема запускается входным импульсом напряжения положительной полярности. При обратном включении диода Д 1 (а также Д 2 ) требуется запускающий импульс отрицательной полярности, чему соответствует также изменение полярности выходного импульса.

В исходном состоянии напряжение на выходе одновибратора равно , что определяет напряжение на неинвертирующем входе ОУ (рис. 7, б-г ).

Напряжение на инвертирующем входе ОУ , равное падению напряжения на диоде Д 1 от протекания тока по цепи с резистором R , близкое к нулю (рис. 7, д ).

Поступающий входной импульс в момент времени t 1 переводит ОУ в состояние . На неинвертирующий вход ОУ передается напряжение (рис. 7, г ), поддерживающее его изменившееся состояние. Воздействие напряжения положительной полярности на выходе ОУ вызывает процесс заряда конденсатора С в цепи с резистором R , в которой конденсатор стремится зарядиться до напряжения (рис. 7, д ).

Характер процесса заряда находят из уравнения

, где

:

Однако в процессе заряда напряжение на конденсаторе не достигает значения , т.к. в момент времени t 2 при происходит возвращение ОУ в исходное состояние (рис. 7, в , г ).

Приняв , находим длительность импульса, формируемого одновибратором:

После момента времени t 2 в схеме наступает процесс восстановления исходного напряжения на конденсаторе и с =0 (рис. 7, д ), который обусловливается изменившейся полярностью напряжения на выходе ОУ. Тогда:

Режим восстановления заканчивается тем, что напряжение на конденсаторе достигает напряжения отпирания диода Д 1 , которое можно принять равным нулю. Приняв при t=t восст и с =0, находим время восстановления :

При имеем:

Процесс восстановления исходного состояния схемы должен быть завершен к приходу очередного запускающего импульса. В тех случаях, когда длительность t u соизмерима с периодом следования запускающих импульсов, возникает задача сокращения времени t восст . С этой целью параллельно резистору R включают ветвь из диода Д 2 и резистора R’ , уменьшающую постоянную времени этапа восстановления.

ГЕНЕРАТОРЫ ЛИНЕЙНО ИЗМЕНЯЮЩЕГОСЯ НАПРЯЖЕНИЯ

Линейно изменяющимся (пилообразным) напряжением (ЛИН) называют импульсное напряжение, которое в течение некоторого времени изменяется практически по линейному закону, а затем возвращается к исходному уровню (рис. 8).

16 стр., 7619 слов

Устройство конденсатора

... положительным электричеством, то на В возбуждается отрицательное электричество; если затем разобщить соединение В с землей, II соединить А и В проводником, то К. разряжается. Емкость конденсатора ... разряде эта энергия освобождается и может совершить такую же работу. Заряжение К. сопровождается рядом явлений, происходящих внутри К. ... Обратно, чтобы повысить напряжение (потенциал) различных тел на одну ...

Генераторы линейно изменяющегося напряжения служат для создания развертки электронного луча по экрану электронно-лучевых приборов, получения временных задержек импульсных сигналов, модуляции импульсов по длительности и т.д. Находят применение напряжения, изменяющиеся по линейному закону как при одной (положительной или отрицательной) полярности, так и при обеих полярностях.

максимальным значением

где — скорости изменения напряжения во времени соответственно в начале и в конце рабочего участка.

пилообразного

Простейшая схема генератора, в котором для получения линейно изменяющегося напряжения используют начальный участок экспоненциального заряда конденсатора, приведена на рис. 9, а . Функцию элемента, создающего цепь для быстрого разряда конденсатора, выполняет транзистор.

Разряд конденсатора и поддержание на нем напряжения, близкого к нулю, происходит в интервалах паузы t п входного сигнала (рис. 9, б , в ), когда транзистор находится в режиме насыщения.

На транзисторе Т собран ключ, управляемый прямоугольными импульсами и вх отрицательной полярности (рис. 9, б ).

В исходном состоянии транзистор насыщен (ключ замкнут), что обеспечивается выбором соотношений сопротивлений резисторов R б и R к . При воздействии входного импульса длительностью Т р транзистор закрывается (ключ разомкнут) и конденсатор С заряжается от источника

[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/referat/impulsnaya-tehnika/

к через резистор R к .

Характер изменения напряжения на конденсаторе при закрытом транзисторе подчиняется закону:

где — постоянная времени зарядной цепи, выбираемая много больше времени t p .

По окончании входного импульса транзистор переходит в режим насыщения (ключ замкнут) и конденсатор быстро разряжается через промежуток коллектор-эмиттер. Используя начальный участок экспоненты, линейность которого достаточно высока, можно получить импульсы с малым коэффициентом нелинейности. Однако при этом отношение мало, в чем состоит основной недостаток данной схемы.

Высококачественные ГЛИН создают на основе ОУ, схема которого изображена на рис. 10, а . Выходное напряжение генератора представляет собой усиленное ОУ напряжение на конденсаторе, ОУ охвачен отрицательной (резистор R 2 , а также резистор R 1 и источник питания Е

[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/referat/impulsnaya-tehnika/

0 ) и положительной (резистор R 4 ) обратными связями.

Управление работой генератора производится транзистором Т , осуществляющим разряд конденсатора до нуля и обеспечивающим малое время обратного хода t о формируемого напряжения. Длительность открытого состояния транзистора Т определяется длительностью t п входного импульса напряжения положительной полярности (рис. 10, б ).

8 стр., 3799 слов

Устройство и эксплуатация судовых синхронных генераторов

... виде напряжения ?U=U2-U3 определенной полярности поступает на вход блока БРНГ распределения нагрузок генераторов. В зависимости от полярности напряжения на ... блокииг-генератора обеспечивается отрицательным смещением на базе транзистора VT3 через резистор R33. В этом режиме формируются ... берега для защиты судовых приемников от обрыва фазы и сигнализации о снижении напряжения применяется устройство ...

Вид кривых напряжений на конденсаторе и на выходе схемы показан на рис. 10, в , г .

На интервале t p ОУ работает в линейном режиме. Если принять для ОУ и 0 =0, то напряжение и для цепи ОС по инвертирующему входу можно записать следующее уравнение для токов:

Откуда

Токи цепи ОС по неинвертирующему входу ОУ связаны соотношением:

В результате преобразований выражений, а также учитывая, что , находим

импульс усилитель генератор напряжение

Характер изменения во времени напряжения на конденсаторе зависит от соотношений сопротивлений резисторов.

При Е 0 =0 формируется выходное напряжение, как и напряжение и с (рис. 10, в ), имеющее вид «пилы» положительной полярности.

Если нужно получить выходное напряжение, изменяющееся по линейному закону при обеих полярностях (рис. 10, г ), то Е 0 выбирают по требуемому значению начального напряжения на выходе генератора и (0), соответствующему и с =0. Так, для получения максимального значения U m пилообразного напряжения начальной величине и вых будет отвечать напряжение ОУ (рис. 10, г ).

Тогда .