Дослідження роботи генераторів та формувачів електричних імпульсів

Ціль роботи - вивчення принципів роботи, методів розрахунку і особливостей налагодження генераторів та формувачів прямокутних імпульсів, придбання навиків їх реалізації на інтегральних мікросхемах, уміння налагодження і досліджень реальних схем.

 

Теоретичні відомості

Принципи роботи та методи розрахунку генераторів і формувачів електричних сигналів приведені в книгах (1, 2, 3, 4, 7). В приладах автоматики, телемеханіки та мікропроцесорної техніки широко використовуються сигнали прямокутної форми. Імпульсні сигнали можна отримати двома способами: генерацією та формуванням. При генерації прямокутних імпульсів здійснюється перетворення енергії джерела живлення в енергію послідовності прямокутних імпульсів. При формуванні імпульсу на вхід спеціальних приладів, що називаються формувачами, подається вхідний сигнал у вигляді імпульсів певної форми (синусоїдальні, прямокутні та інших форм), а на їх виході утворюються прямокутні імпульси з заданими параметрами. Можливі і зворотні перетворення форми сигналу, при яких прилади під впливом прямокутних імпульсів формують коливання іншої форми, наприклад синусоїдальної.

В лабораторній роботі досліджується робота автоколивального генератора прямокутних імпульсів - мультивібратора на логічних елементах, що управляються генератором, а також формувачів - схем виділення перепадів з 0 в 1 та з 1 в 0.

Автоколивальні генератори прямокутних імпульсів (мультивібратори) - це прилади, здатні послідовно знаходитися у двох стійких у часі (квазістійких) станах, у кожний з яких вони переходять автоматично за рахунок перехідних процесів, які протікають в схемі. Схеми мультивібраторів на логічних елементах широко застосовуються у цифровій апаратурі різноманітного призначення. Найпростіша схема мультивібратора на логічних елементах та часові діаграми його роботи наведені на рис. 3.1 і 3.2.

 

 

 

Рисунок 3.1 – Мультивібратор

 

 

Рисунок 3.2 – Часові діаграми роботи мультивібратора

 

В схемі мультивібратора виникають незгасаючі коливання, а інвертори Dl.l, D1.2 послідовно знаходяться у відкритому та закритому стані, виконуючи функцію приладів, які переключають конденсатори С1 і С2 із заряду на розряд у певній послідовності. Розгляд роботи мультивібратора почнемо з моменту t₁. Вихідний стан схеми мультивібратора - інвертор D1.1 закритий, на його виході - рівень логічної одиниці. Конденсатор С1 заряджений, на його верхній обкладинці - позитивний потенціал, конденсатор С2 розряджений (потенціали обох його обкладок >>0). Резистори R1 і R2 вибирають так, щоб падіння напруги на них за рахунок вхідних струмів інверторів було нижче рівня переключення елементів (< 1,3 В). Так як конденсатор С1 заряджений, його зарядний струм (що раніше протікав по ланцюгу - вихід елементу D1.1, конденсатор С1, резистор R2, земля) стає дуже малим. Падіння напруги на резисторі R2 має низький рівень (рівень логічного нуля), елемент D1.2 переходить в закритий стан. При цьому потенціал виходу елемента приймає значення рівня логічної одиниці і раніше розряджений конденсатор С2 починає заряджатися по ланцюгу: вихід елемента D1.2, конденсатор С2, резистор R1, земля. В початковий момент зарядний струм максимальний. Напруга, що виникає на резисторі R1 при проходженні через нього струму заряду, приймає значення рівня логічної одиниці і елемент D1.1 переходить із початкового закритого стану у відкритий. Такий стан підтримується напругою на резисторі R1 до тих пір, доки напруга на ньому перевищує рівень логічної одиниці. Як тільки інвертор D1.1 відкривається, конденсатор С1 починає розряджатися по ланцюгу - верхня обкладка конденсатора С1, відкритий інвертор D1.1, земля, діод VD2, нижня обкладка конденсатора. Оскільки опір в ланцюзі розряду малий, розряд конденсатора С1 відбувається дуже швидко і квазістійкий стан, при якому інвертор D1.1 відкритий, а інвертор D1.2 закритий, визначається в основному постійною ланцюга заряду конденсатора С2. По мірі заряду С2 зарядний струм зменшується, при цьому зменшується падіння напруги на резисторі R1 і в момент, коли напруга стає нижче порога переключення (<1.3 В), елемент D1.1 закривається, конденсатор С1 починає заряджатися і процес знову повторюється. Таким чином, на виходах мультивібратора періодично з'являються прямокутні імпульси. Частота переключень залежить від постійної часу заряду конденсаторів С1 і С2. При опорі резисторів R1=R2=1,8 кОм і зміні ємності конденсаторів С1=С2 від 100 пФ до 0,1 мкФ частота коливань мультивібратора змінюється від 2 мГц до 300 кГц.

Підбираючи резистори, слід мати на увазі, що за відсутності коливань вони повинні забезпечити рівень логічної одиниці на виході елементів D1.1 і D1.2. Для цього рівень напруги на резисторах R1 і R2 повинен бути меншим напруги 1,3 В для схем ТТЛ. Якщо при увімкненні живлення на обох виходах мікросхем D1.1 і D1.2 з'явиться рівень логічної одиниці, генерація не виникне. Для виключення такого стану і утворення режиму м'якого самозбудження до схеми мультивібратора додаються ще два елементи - D1.3 і D1.4 (рис. 3.3).

При появі на обох виходах мікросхем D1.1 і D1.2 рівнів логічної одиниці спрацьовують мікросхеми D1.3 і D1.4. На вхід елементу D1.2 надходить високий рівень напруги, що викликає переключення елементу D1.2 в стан логічного нуля на виході і призводить до виникнення режиму автоколивань. Діоди VD1 і VD2 служать для швидкого розряду конденсаторів і запобігання викидам від'ємної напруги на входах мікросхем.

 

 

 

Рисунок 3.3 – Мультивібратор в режимі м’якого самозбудження

 

Розрахунки мультивібратора приведені в [1, 2].

На практиці часто використовуються схеми генераторів, що управляються. Якщо в схемі мультивібратора один із входів мікросхеми D1.1 (або D1.2) не з'єднувати з іншим: наприклад, зняти перемичку, що з'єднує входи елементу D1.1 на рис. 3.3, то мультивібратор буде працювати в автоколивальному режимі тільки тоді, коли на вільний вхід елементу D1.1 подати рівень логічної одиниці. Якщо ж на цей вхід подати рівень логічного 0, то на виході елементу D1.1 установиться постійний рівень логічної одиниці, на виході D1.2 - постійний рівень логічного нуля. Мультивібратор переходить в очікувальний режим. Додаткові входи елементів, на які подаються сигнали, дозволяючі автоколивальний режим, називаються входами управління, а самі мультивібратори - такі, що управляються.

На рис. 3.4 зображена ще одна схема генератора, що управляється. На відміну від схеми, зображеної на рис. 3.3, сигнал управління впливає не безпосередньо на генератор, працюючий безупинно в автоколивальному режимі, а на елемент D2.

 

 

Рисунок 3.4 – Генератор, що управляється

 

В цій схемі послідовність імпульсів генератора проходить через елемент D2 на зовнішні прилади після натиску кнопки "ПУСК". При цьому тригер D1 переходить із вихідного стану "0" у стан "1". Заборона проходження імпульсів через елемент D2 розпочинається після натиску кнопки "СТОП". Однак перший і останній імпульси послідовності можуть стати вкороченими, бо сигнали управління ("ПУСК" і "СТОП") надходять незалежно від фази імпульсів генератору (рис. 3.5).

 

 

Рисунок 3.5 – Часові діаграми роботи генератора

 

В деяких випадках важливо, щоб після подачі на вхід генератору, що управляється, відповідного сигналу, всі вихідні імпульси мали тільки повні періоди. Для цієї мети використовується генератор, що управляється, який називається синхронізатором. Його схема і часові діаграми приведені на рис. 3.6 і 3.7.

 

 

Рисунок 3.6 – Синхронізатор

 

 

Рисунок 3.7 – Часові діаграми роботи синхронізатора

 

Як формувачі прямокутних імпульсів найбільш часто використовуються одновібратори. Одновібраторами називаються прилади, здатні послідовно знаходитися в одному тривало стійкому або короткочасно стійкому (квазістійкому) стані. Для переводу із тривало стійкого стану у короткочасно стійкий на вхід схеми подається зовнішній запускаючий імпульс, після якого вона формує одне переключення, і самостійно вертається в початковий стан.

Одновібратори широко використовуються в приладах автоматики і систем управління в найрізноманітніших модифікаціях. Нижче приведені схеми одновібраторів, що виконують функції схем виділення перепаду із 0 в 1 (рис. 3.8) та із 1 в 0 (рис. 3.10). Інколи ці схеми називаються схемами виділення "переднього" та "заднього" фронтів. Прослідкувати їх роботу можна за часовими діаграмами (рис. 3.9 - для схеми виділення перепаду із 0 в 1 і 3.11 для схеми виділення перепаду із 1 в 0). Схема виділення перепаду із 0 в 1 формує імпульс малої тривалості - початок позитивного імпульсного процесу, а схема виділення перепаду із 1 в 0 - кінець позитивного імпульсного процесу.

 

 

Рисунок 3.8 – Схема виділення перепаду із 0 в 1

 

 

Рисунок 3.9 – Часові діаграми роботи схеми

 

 

Рисунок 3.10 – Схема перепаду із 1 в 0

 

 

Рисунок 3.11 – Часові діаграми роботи схеми

 

Як схему, що виконує функцію затримки вихідного сигналу по відношенню до вхідного, можна застосувати схему, зображену на рис. 3.12. Часові діаграми схеми зображені на рис. 3.13.

 

 

Рисунок 3.12 – Схема затримки

 

 

Рисунок 3.13 – Часові діаграми роботи схеми

 

Затримка t_зат визначається по формулі: t_зат [мкс] = 1,5С [нФ]

Для затримки вихідного сигналу в схемах 3.8 і 3.10 можна використовувати також логічні елементи. При подачі прямокутного імпульсу на вхід логічного елементу сигнал на виході цього елементу запізнюється по відношенню до початку сигналу на час t, що називається часом переключення. Так для мікросхем ТТЛ структури середня затримка в переключенні елементу складає 18-20 нс, для мікросхем КМОН структури - 100 нс. Більш сучасні схеми мають більшу швидкодію - 1-2 нс.

Для правильного функціонування схем виділення перепаду при використанні в схемі затримки логічних елементів І-НЕ їх кількість повинна бути непарна.

 

Завдання і порядок виконання роботи

 

1. Вивчити принципи роботи та методику розрахунку генераторів і формувачів імпульсів (мультивібратора, генераторів, що управляються, схем виділення перепадів із 0 в 1 та із 1 в 0). Розробити схеми різноманітних генераторів і формувачів імпульсів та часові діаграми їх роботи.

2. Зібрати схему мультивібратора на логічних елементах. Зняти осцилограми в основних точках досліджуваної схеми. Визначити експериментально тривалості вихідних імпульсів і період їх слідування для різних часозадавальних конденсаторів С2, С5 і С3, С4.

Пояснити зміни в роботі схем.

3. Зібрати схеми генераторів, що управляються. Переконатись в працездатності їх роботи, подаючи відповідні сигнали управління. Зняти осцилограми, відобразити часові діаграми роботи схем.

4. Зібрати послідовно схеми виділення перепаду із 0 в 1, із 1 в 0, використовуючи різноманітні елементи затримки. Визначити тривалість вихідного сигналу. Відобразити часові діаграми роботи зібраних схем.

Зміст звіту

 

В звіті повинні бути подані схеми, що досліджуються, виміряні параметри, часові діаграми, що ілюструють їх роботу, результати досліджень, висновки.

 

 

Лабораторна робота №4