Виды и параметры импульсных сигналов

Виды и параметры импульсных сигналов

Электрическим импульсом называется кратковременное отклонение напряжения (тока) от некоторого начального уровня.

В зависимости от формы различают прямоугольные, трапецеидальные, треугольные и пилообразные импульсы (рис. 1). Различают также импульсы положительной и отрицательной полярности (рис. 2).

Рис. 1. Классификация импульсных сигналов по форме

Рис.2. Классификация импульсных сигналов по полярности

Одиночный импульс можно описать с помощью следующих параметров (рис. 3):

1) амплитуда импульса U_m – это максимальное значение импульсного отклонения напряжения (тока) от начального уровня;

2) длительность импульса t_и – это интервал времени от момента появления импульса до момента его окончания. Такой интервал измеряется на уровне 0,1 U_m или 0,5 U_m. В последнем случае длительность импульса называют активной;

3) длительность фронта t_ф – это промежуток времени, в течение которого напряжение (ток) в импульсе возрастает от 0,1 до 0,9 от амплитудного значения U_m;

4) длительность среза t_ср – это промежуток времени, в течение которого напряжение в импульсе убывает от 0,9 до 0,1 от U_m.

Для описания периодической последовательности импульсов (рис. 4) использую следующие параметры:

1) период следования импульсов Т – это промежуток времени от начала условно выбранного импульса до начала следующего импульса. Период равен сумме длительности импульса t_и и длительности паузы между импульсами t_n, измеряется в единицах времени;

2) частота следования импульсов f – величина, обратная периоду. Показывает число импульсов в секунду, измеряется в герцах (Гц);

3) коэффициент заполнения импульсов К_з – характеризует степень заполнения периода импульсов К_з = t_и/Т;

4) скважность импульсов Q – величина, обратная коэффициенту заполнения Q = Т/t_и. Параметры К_з и Q являются безразмерными.

Рис. 3. Параметры одиночного импульса

Рис.4. Последовательность прямоугольных импульсов

ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Операционными усилителями (ОУ) называют высококачественные усилители постоянного тока (УПТ), предназначенные для выполнения различных операций над аналоговыми сигналами при работе в схеме с отрицательной обратной связью.

Усилители постоянного тока позволяют усиливать медленно изменяющиеся сигналы, так как имеют нулевую нижнюю граничную частоту полосы усиления (f_н=0). Соответственно в таких усилителях отсутствуют реактивные компоненты (конденсаторы, трансформаторы), которые не пропускают постоянную составляющую сигнала.

На рис. 10,а приведено условное обозначение ОУ. Показанный усилитель имеет один выходной вывод (изображен справа) и два входных (показаны с левой стороны). Знак Δ или > характеризует усиление. Вход, напряжение на котором сдвинуто по фазе на 180⁰ относительно выходного напряжения, называется инвертирующим и обозначается знаком инверсии ○, а вход, напряжение на котором совпадает по фазе с выходным, – неинвертирующим. ОУ усиливает дифференциальное (разностное) напряжение между входами. Операционный усилитель содержит также выводы для подачи напряжения питания и может содержать выводы частотной коррекции (FC), выводы балансировки (NC). Для облегчения понимания назначения выводов и повышения информативности в условном обозначении допускается введение одного или двух дополнительных полей с обеих сторон от основного поля, в которых указываются метки, характеризующие функции вывода (рис. 10,б). В настоящее время операционные усилители выпускаются в виде интегральных микросхем. Это позволяет рассматривать их как отдельные компоненты с определенными параметрами.

Параметры и характеристики ОУ можно условно разделить на входные, выходные и характеристики передачи.

Входные параметры.

1. Напряжение смещения нуля U_см – это потенциал на выходе усилителя при нулевом входном сигнале, который поделен на коэффициент усиления усилителя (единицы – десятки мВ). Данный параметр показывает какой источник напряжения необходимо подключить ко входу ОУ для того, чтобы получить нулевое выходное напряжение.

2. Входные токи I_вх1, I_вх2 (единицы нА – десятки мкА). Данные токи обусловлены необходимостью обеспечить нормальный режим входного дифференциального каскада ОУ. В случае использования полевых транзисторов это токи всевозможных утечек.

3. Разность входных токов .

4. Входное сопротивление для дифференциального сигнала R_{вх диф} (десятки кОм – сотни МОм).

5. Входное сопротивление для синфазного сигнала R_{вх сф}. Данное сопротивление на несколько порядков выше сопротивления для дифференциального сигнала.

6. Температурные дрейфы напряжения смещения и входных токов. Характеризуют изменение соответствующих параметров с температурой.

а) б)

Рис. 10. Условное обозначение операционного усилителя:
а – без дополнительного поля; б – с дополнительным полем; NC – выводы балансировки;
FC – выводы частотной коррекции; U – выводы напряжения питания; 0V – общий вывод

Характеристики передачи.

1. Коэффициент усиления по напряжению К_U (10³ – 10⁶)

,

где U_вх1, U_вх2 – напряжения на входах ОУ.

2. Коэффициент передачи синфазного сигнала К_{U сф}

.

3. Коэффициент ослабления синфазного сигнала К _{ос сф}

.

4. Частота единичного усиления f₁ – это частота, на которой коэффициент усиления по напряжению равен единице (единицы – десятки МГц).

5. Скорость нарастания выходного напряжения V_Uвых – это максимально возможная скорость изменения выходного сигнала.

Выходные параметры.

1. Максимальное выходное напряжение ОУ U_{вых max}. Как правило данное напряжение на 2-3 В ниже напряжения источника питания.

2. Выходное сопротивление R_вых (десятки – сотни Ом).

Основные схемы включения операционного усилителя.

Операционные усилители обычно используют с глубокой отрицательной обратной связью, так как они имеют значительный коэффициент усиления по напряжению. При этом от элементов цепи обратной связи зависят результирующие параметры усилителя.

В зависимости от того, к какому входу ОУ подключается источник входного сигнала, различают две основные схемы включения (рис. 11). При подаче входного напряжения на неинвертирующий вход (рис. 11,а) коэффициент усиления по напряжению определяется выражением

. (1)

Такое включение ОУ используют тогда, когда требуется повышенное входное сопротивление. Если на схеме рис. 11, а убрать сопротивление R₁ и закоротить сопротивление R₂, то получится повторитель напряжения (К_u =1), который используют для согласования высокого сопротивления источника сигнала и низкого сопротивления приемника.

а) б)

Рис. 11. Схемы усилителей на ОУ:
а – неинвертирующий усилитель; б – инвертирующий усилитель

При подаче входного напряжения на инвертирующий вход (рис. 11, б) коэффициент усиления равен

. (2)

Как видно из выражения (2) при таком включении входное напряжение инвертируется.

В рассмотренных схемах к одному из входов подключено сопротивление R_э. Оно не влияет на коэффициент усиления и вводится, когда это необходимо для уменьшения изменений выходного напряжения, вызванных временными или температурными колебаниями входных токов. Сопротивление R_э выбирают таким, чтобы эквивалентные сопротивления, подключенные ко входам ОУ, были одинаковы. Для схем рис. 10 .

Модифицировав схему рис. 11, б, можно получить суммирующее устройство (рис. 12, а), в котором

. (3)

При одновременной подаче напряжения на оба входа ОУ получается вычитающее устройство (рис. 12, б), для которого

. (4)

Данное выражение справедливо при выполнении условия .

а) б)

Рис. 12. Схемы включения ОУ:
а – сумматор напряжений; б – вычитающее устройство

ТРИГГЕРЫ

Триггером называется бистабильное устройство, имеющее два длительно устойчивых состояния равновесия и обладающее способностью скачком переключаться из одного состояния равновесия в другое под действием внешнего импульсного сигнала. Способность формировать на выходе два устойчивых значения сигнала, которые могут поддерживаться без изменения сколь угодно длительный промежуток времени, позволяет использовать триггер в качестве элемента памяти.

Существующие типы триггеров можно классифицировать по различным признакам. Так по моменту реакции на изменение входных сигналов триггеры подразделяют на асинхронные и синхронные.

Асинхронный триггер изменяет свое состояние непосредственно в момент изменения сигнала на его информационных (управляющих) входах. Синхронный триггер изменяет свое состояние лишь в строго определенные (тактовые) моменты времени, соответствующие действию активного сигнала на его синхронизирующем входе, и не реагирует на любые изменения информационных сигналов при пассивном значении сигнала на синхровходе.

Наиболее часто триггеры классифицируют по типу используемых информационных входов. Различают следующие типы основных входов триггера:

R – вход сброса триггера;

S – вход установки триггера;

K – вход сброса универсального триггера;

J – вход установки универсального триггера;

T – счетный вход триггера;

D – информационный вход переключения триггера в состояние, соответствующее логическому уровню на этом входе;

C – вход синхронизации.

Некоторые триггеры могут иметь дополнительный управляющий вход V, с помощью которого блокируется работа триггера и он сколь угодно долго может сохранять свое состояние. Как правило, триггеры имеют два выхода: прямой (Q) и инверсный ().

В зависимости от типа используемых входов различают RS-, JK-, D-, T-, DV- и TV- триггеры.

RS-триггер содержит входы R (Reset) и S (Set). Активный уровень на входе R приводит к сбросу триггера (Q = 0), а активный уровень на входе S – к установке триггера (Q = 1). При двух неактивных сигналах триггер сохраняет предыдущее состояние. Комбинация из двух активных входных сигналов для RS- триггера является запрещенной. RS- триггеры могут быть как асинхронными, так и синхронными.

JK-триггер содержит вход сброса K и вход установки S. При неактивных входных сигналах триггер сохраняет предыдущее состояние, при двух активных сигналах – переключается в противоположное состояние. Такие триггеры также могут быть как асинхронными, так и синхронными. JK- триггер является универсальным, так как на его основе можно реализовать любой другой тип триггера.

D-триггер содержит информационный вход D и вход синхронизации C. При пассивном синхросигнале триггер сохраняет свое состояние, при активном синхросигнале – триггер переключается в состояние, соответствующее логическому уровню на входе D.

T-триггер (счетный триггер) содержит один счетный вход T. После каждого входного импульса триггер переключается в противоположное состояние. Таким образом, частота следования импульсов на выходе T- триггера в два раза ниже, чем частота входного сигнала.

Счетчики импульсов

Счетчиком называется последовательностное устройство, предназначенное для подсчета входных импульсов и фиксации их числа в двоичном коде. N -разрядный счетчик строится на основе N однотипных связанных между собой разрядных схем, каждая из которых в общем случае состоит из триггера и некоторой комбинационной схемы, предназначенной для формирования сигналов управления триггером.

В цифровых схемах счетчики могут выполнять следующие операции над кодовыми словами:

1) запись нулевого кода (сброс счетчика);

2) запись входной информации в параллельной форме (установка начального состояния счетчика);

3) хранение информации;

4) выдача хранимой информации в параллельной форме;

5) инкремент – увеличение хранящегося кодового слова на единицу;

6) декремент – уменьшение хранящегося кодового слова на единицу.

Основным параметром счетчика является модуль счета М (емкость счетчика), который характеризует максимальное число входных импульсов, при котором счетчик устанавливается в исходное состояние.

Счетчики могут классифицироваться по различным параметрам. Так по значению модуля счета счетчики подразделяются на:

двоичные, модуль счета которых равен целой степени числа 2 (М = 2 ^N);

двоично-кодированные, в которых модуль счета может принимать любое, не равное целой степени числа 2 значение. К такой категории относятся двоично-десятичные счетчики, емкость которых равна десяти.

По направлению счета счетчики подразделяют на:

суммирующие, выполняющие операцию инкремента над хранящимся кодовым словом;

вычитающие, выполняющие операцию декремента над хранящимся кодовым словом;

реверсивные, выполняющие над хранящимся кодовым словом либо операцию инкремента, либо декремента (в зависимости от значения управляющего сигнала).

По способу организации межразрядных связей счетчики делятся на:

счетчики с последовательным переносом, в которых переключение триггеров разрядных схем осуществляется последовательно один за другим;

счетчики с параллельным переносом, в которых переключение триггеров разрядных схем осуществляется одновременно по сигналу синхронизации;

счетчики с комбинированным последовательно-параллельным переносом, в которых используются различные комбинации способов переноса.

Счетчики импульсов выпускаются в виде отдельных интегральных микросхем малой и средней степени интеграции. Рассмотрим микросхему К555ИЕ6 (зарубежный аналог 74192), которая представляет собой реверсивный двоично-десятичный счетчик, выполненный по ТТЛ-Ш технологии (рис. 14). Такой счетчик имеет следующий выводы: D0-D3 – входы параллельной загрузки данных; PE – разрешение параллельной загрузки данных (при наличии логического нуля на этом входе данные со входов D0-D3 записываются в счетчик); R – вход сброса; +1 – вход суммирования (содержимое счетчика увеличивается на единицу по фронту импульса на этом входе); -1 – вход вычитания (по фронту импульса уменьшение содержимого счетчика на единицу); Q0-Q3 – выходы счетчика; ³ 9 – выход «перенос» (после поступления на вход +1 десятого импульса счетчик обнуляется, а на выходе переноса появляется логический ноль); £ 0 – выход «заём» (если при вычитании содержимое счетчика уменьшается до нуля, на данном выходе появляется логический ноль). Выходы «перенос» и «заём» позволяют увеличивать разрядность счетчика путем каскадного включения микросхем.

Рис. 14. Двоично-десятичный счетчик К555ИЕ6

Асинхронные RS-триггеры

 

Асинхронные RS-триггеры имеют два информационных входа: вход S для установки 1, вход R для установки 0 и два выхода: прямой и инверсный.

Состояние триггера характеризуется сигналом на прямом выходе и определяется комбинацией входных сигналов. Например, для установки триггера в состояние 1, т. е. для записи в него 1, необходимо на его входы подать такую комбинацию сигналов, при которой на прямом выходе сигнал будет иметь уровень логической 1.

Асинхронный RS-триггер обычно строится на двух логических элементах И–НЕ либо ИЛИ–НЕ, охваченных перекрестными обратными связями

(рис. 2.1). На временных диаграммах отражена задержка срабатывания триггера, величина которой зависит от быстродействия логических элементов.

Рис. 1.1. Асинхронный RS-триггер: а – на логических элементах ИЛИ-НЕ; б – на логических элементах И–НЕ

Логика элементов И-НЕ, на которых построены триггеры, приведена в табл. 1.1 и имеет простое словесное выражение: любой ноль на входе дает единицу на выходе.

Аргументы Функция

x1 x2 И-НЕ

 

0 0 1

 

0 1 1

 

1 0 1

 

1 1 0

Для асинхронного RS-триггера (рис. 2.2,а) при подаче нуля на вход S и единицы на вход R (S=0, R=1) на прямом выходе будет уровень логической 1. Эта единица по цепи обратной связи поступает на один из входов нижнего по схеме элемента и вместе с единицей на входе R дает логический 0 на инверсном выходе. Это режим установки триггера в единичное состояние. Из этого анализа следует, что управляющими сигналами для этого триггера будут сигналы логического 0.

При входных сигналах S=1 и R=0 триггер будет установлен в нулевое состояние: на прямом выходе уровень логического 0, на инверсном – 1.

При подаче на оба входа нулевых сигналов на обоих выходах триггера появится уровень логической 1. Это запрещенный режим. Нельзя одновременно подавать сигналы на установку триггера в нулевое и единичное состояние.

В случае S=1 и R=1 триггер не изменяет своего состояния. В этом можно убедиться, предполагая последовательно, что триггер находился в нулевом или единичном состоянии. Полная таблица истинности RS-триггера приведена в табл. 1.2.

S R Q _i Q_i-1 Q _t+1

 

0 0 0 1 1

 

0 1 0 1 0

 

1 0 0 0 1

 

1 1 0 0 1

 

0 0 1 1 1

 

0 1 1 1 0

 

1 0 1 0 1

 

1 1 1 1 0

Для триггера на элементах И–НЕ управляющим действием обладают нулевые уровни информационных сигналов, а не единичные. Если для триггера на элементах ИЛИ–НЕ единичные сигналы на обоих информационных входах запрещены, то для триггера на элементах И–НЕ они разрешены и образуют нейтральную комбинацию. Нулевые сигналы на обоих входах триггера на элементах ИЛИ–НЕ составляют нейтральную комбинацию, а для триггера на элементах И–НЕ они запрещены.

Синхронный одноступенчатый RS-триггер отличается от асинхронного наличием С-входа для синхронизирующих (тактовых) импульсов. Синхронный триггер состоит из асинхронного RS-триггера и двух логических элементов на его входе. Рассмотрим работу триггера, построенного на элементах И–НЕ (рис. 2.2, a).

При С = 0 входные логические элементы 1 и 2 блокированы: их состояния не зависят от сигналов на S- и R-входах и соответствуют логической 1, т. е. q1 = q2 = 1. Для асинхронного RS-триггера на элементах И–НЕ такая комбинация входных сигналов является нейтральной, поэтому триггер находится в режиме хранения записанной информации.

При С = 1 входные логические элементы открыты для восприятия информационных сигналов и передачи их на входы асинхронного RS-триггера. Таким образом, синхронный триггер при наличии разрешающего сигнала на S-входе работает по правилам для асинхронного триггера.

Временные процессы в триггере при его переключении из нулевого состояния в единичное иллюстрируются диаграммами на рис. 4.13, в, на которых обозначено: t1, t2, t3, t4 – задержки переключения соответствующих логических элементов; t' с, t" с – длительности тактовых импульсов и пауз между ними.

Из диаграмм следует, что минимальный пер иод повторения тактовых импульсов равен 4tзд.р,ср, а наибольшая частота F = 1/4t_{зд.р,ср.}Синхронные RS-триггеры строятся и на логических элементах ИЛИ–НЕ (рис. 2.2), И–ИЛИ–НЕ и их сочетаниях.

 

Виды и параметры импульсных сигналов

Электрическим импульсом называется кратковременное отклонение напряжения (тока) от некоторого начального уровня.

В зависимости от формы различают прямоугольные, трапецеидальные, треугольные и пилообразные импульсы (рис. 1). Различают также импульсы положительной и отрицательной полярности (рис. 2).

Рис. 1. Классификация импульсных сигналов по форме

Рис.2. Классификация импульсных сигналов по полярности

Одиночный импульс можно описать с помощью следующих параметров (рис. 3):

1) амплитуда импульса U_m – это максимальное значение импульсного отклонения напряжения (тока) от начального уровня;

2) длительность импульса t_и – это интервал времени от момента появления импульса до момента его окончания. Такой интервал измеряется на уровне 0,1 U_m или 0,5 U_m. В последнем случае длительность импульса называют активной;

3) длительность фронта t_ф – это промежуток времени, в течение которого напряжение (ток) в импульсе возрастает от 0,1 до 0,9 от амплитудного значения U_m;

4) длительность среза t_ср – это промежуток времени, в течение которого напряжение в импульсе убывает от 0,9 до 0,1 от U_m.

Для описания периодической последовательности импульсов (рис. 4) использую следующие параметры:

1) период следования импульсов Т – это промежуток времени от начала условно выбранного импульса до начала следующего импульса. Период равен сумме длительности импульса t_и и длительности паузы между импульсами t_n, измеряется в единицах времени;

2) частота следования импульсов f – величина, обратная периоду. Показывает число импульсов в секунду, измеряется в герцах (Гц);

3) коэффициент заполнения импульсов К_з – характеризует степень заполнения периода импульсов К_з = t_и/Т;

4) скважность импульсов Q – величина, обратная коэффициенту заполнения Q = Т/t_и. Параметры К_з и Q являются безразмерными.

Рис. 3. Параметры одиночного импульса

Рис.4. Последовательность прямоугольных импульсов