Диференціювальний підсилювач (диференціатор)

 

 

 

Виконує операцію диференціювання вхідного сигналу. При цьому

і_вх = С∙du_вх /dt; і_зз = u_вих /R,

Звідки u_вих = - (RС) du_вх /dt.

Часові діаграми приведені для вхідного сигналу який змінюється лінійно.

На інтервалі (0 - t₁) вхідна напруга зростає за законом u_вх = (U₁ / t₁)t, відповідно u_вих = -RС(U₁ / t₁). На наступному інтервалі (t₁ - t₂) вхідна напруга зменшується і відповідно отримуємо u_вих = -RС(U₁ - U₂)/(t₂ - t₁). У подальшому u_вх = U₂ - незмінна за значенням і напруга u_вих = 0.

Компаратори (схеми порівняння)

Компаратори - це електронні пристрої, призначені для порівняння двох аналогових сигналів, який має два стабільних (стійких) стани в залежності від результату поівняння і які використовуються в системах контролю та автоматичного керування й відносяться до елементів імпульсної техніки. Компаратор, виконаний на базі ОП (рис. 4.24,а, порівнює вимірювану напругу u_вх, яка подається на один із входів (переважно на інвертувальний), із опорною напругою (наперед заданою) U_ОП, яка подана на інший вхід. Опорна напруга є незміною в часі, додатної чи від′ємної полярності. Коли u_вх = U_ОП вихідна напруга ОП змінює свій знак на протилежний (U+ _вих.max на U^- _вих.max чи навпаки).

Тому компаратор маэ ще назву «нуль – орган», оскільки зміна полярності вихідної напруги (перемикання) відбувається за умови, що u_вх - U_ОП =0,

Де U_ОП – задана напруга.

Якщо на інвертувальний вхід подається синусоїдальний сигнал (u_вх), а на неінвертувальний – постійна напруга (U_ОП) додатної полярності (рис.14, б), то вхідна напруга ОП u_{вх оп} = u_вх - U_ОП. До моменту часу від 0 до t₁, u _оп < u_вх, тому u_вих = U+ _вих.max В проміжку часу від t₁ до t₂ u _оп > u_вх, тому u_вих = U- _вих.max

 

 

Диференційний підсилювач на ОП (Віднімаючий підсилювач)

Віднімання сигналів можна перетворити на складання з інверсією сигналу, що віднімається.

Віднімання сигналів можна виконати на одному ОП з використанням інвертувального і неінвертувальнго входів. При цьому U_ВИХ = U_ВХ1К₁ - U_ВХ2К_2,

Якщо U_ВХ2 = 0, тоді U_ВИХ = - U_ВХ1 R2/R1 – інвертувальний підсилювач, К_U = -R2/R1.

Якщо U_ВХ2 = 0, тоді U_ВИХ = - U_ВХ1 R2/R1 – інвертувальний підсилювач, К₁ = -R2/R1.

Якщо U_ВХ1 = 0 отримуємо схему неінвертувального підсилювача, напруга

U_ВИХ = U_ВХ2 - U_ВХ1, якщо R1=R2=R3=R4, тобто вихідна напруга пропорційна різниці вхідних сигналів.

 

Логаріфмувач

Схема логарифмування U_ВИХ = - N lg(U_ВХ) N - const

 

Мультивібратор на ОП

Схема мультивібратора на ОП наведена на рис. 5.12,а, часові діа­грами роботи - на рис. 5.13

 

Автоколивальний режим (збудження генератора) забезпечується додатнім зворотним зв'язком, що охоплює ОП з виходу на неінвертуючий вхід дільником R_{1 ,} R₂ . Часові характеристики вихідного сигна­лу визначаються інтегруючим RС-ланцюжком, увімкненим у коло від'ємного зворотнього зв'язку: з виходу ОП на його інвертуючий вхід.

ОП тут фактично працює як компаратор, порівнюючи величини на­пруг, що подаються на його інвертуючий та неінвертуючий входи.

Величина напруги на неінвертуючому вході є частиною вихідної на­пруги ОП. Для абсолютних величин це

ﺍ U₀ ﺍ = ﺍ U_вих ﺍ R₂ / (R₁ + R₂)

Тому маємо два пороги спрацьовування U⁺₀ і U^-₀. При цьому, якщо напруга на інвертуючому вході буде змінюватися від найбільш можли­вої від'ємної U^-_вих до найбільш додатної U⁺_вих. , спрацьовування відбу­деться при її значенні U⁺₀, а якщо вона почне змінюватись у зворотно­му напрямку - при U^-₀. Такий пристрій (з гістерезисом по вхідному сигналу) називають тригером Шмітта.

Таким чином, при роботі мультивібратора порівнюються фіксована величина напруги, що знімається з дільника, зі змінною напругою на конденсаторі, який намагається зарядитися до вихідної напруги ОП U_вих. Як тільки величини напруг зрівнюються, U_вих змінює знак, а відпо­відно, і U₀ також, а конденсатор починає заряджуватися до нового зна­чення U_вих і так далі. На виході ОП формується прямокутна напруга типу «меандр»-коли тривалості її від'ємного t ^- _i і додатнього t ⁺ _i зна­чень однакові. Період генерованих імпульсів становить

T = 2RC ∙ln(1+2R₂ /R₁).

Змінити співвідношення t ^- _i і t ⁺ _i можна, якщо замість резистора R ввести два паралельних ланцюжки з двох різних за величиною резис­торів R^′ і R^′′ з послідовно в різному напрямку ввімкненими діодами VDІ, VD2, як це показано на рис. 5.12,6.

Счётчики.

Счетчиком называют устройство, сигналы, на выходе которого отображают число импульсов, поступивших на счетный вход. Счетчик, образованный цепочкой из m триггеров, может подсчитать в двоичном коде 2m импульсов. Каждый из триггеров такой цепочки называют разрядом счетчика. Число m определяет количество разрядов двоичного числа, которое может быть записано в счетчик. Число Кcч=2m называют коэффициентом (модулем) счета.

Информация снимается с прямых и (или) инверсных выходов всех триггеров. В паузах между входными импульсами триггеры сохраняют свои состояния, т.е. счетчик запоминает число входных импульсов.

Нулевое состояние всех триггеров принимается за нулевое состояние счетчика в целом. Остальные состояния нумеруются по числу поступивших входных импульсов. Когда число входных импульсов Nвх>Kсч происходит переполнение, после чего счетчик возвращается в нулевое состояние и цикл повторяется. Коэффициент счета, таким образом, характеризует число входных импульсов, необходимое для выполнения одного цикла и возвращения в исходное состояние. Число входных импульсов и состояние счетчика взаимно определены только для первого цикла.

После завершения каждого цикла на выходах последнего триггера возникают перепады напряжения. Это определяет второе назначение счетчиков: деление числа входных импульсов. Если входные сигналы периодичны и следуют с частотой Fвх, то частота выходных сигналов равна Fвых = Fвх / Kсч. В этом случае коэффициент счета называется коэффициентом деления и обозначается как Кдел.

У счетчика в режиме деления используется выходной сигнал только последнего триггера, промежуточные состояния остальных триггеров во внимание не принимаются. Всякий счетчик может быть использован как делитель частоты. Поэтому подобное устройство часто называют счетчиком-делителем. Такие делители имеют целочисленный коэффициент деления. Однако элементная база современной микроэлектроники позволяет создавать делители и с дробными коэффициентами деления.

Основными эксплуатационными показателями счетчика являются емкость и быстродействие. Емкость счетчика, численно равная коэффициенту счета, равна числу импульсов за один цикл.

Быстродействие счетчика определяется двумя параметрами: разрешающей способностью и временем установки кода счетчика t_уст. Под разрешающей способностью подразумевают минимальное время между двумя входными сигналами, в течение которого не возникают сбои в работе. Обратная величина F_max= l/t_pаз,cч, называется максимальной частотой счета. Время установки кода t_уст равно времени между моментом поступления входного сигнала и переходом счетчика в новое устойчивое состояние. Эти параметры зависят от быстродействия триггеров и способа их соединения между собой.

Счетчики различаются числом и типами триггеров, способами связей между ними, кодом, организацией счета и другими показателями. Цифровые счетчики классифицируются по следующим параметрам:

- коэффициент счета — двоичные (бинарные); двоично-десятичные (декадные) или с другим основанием счета; с произвольным постоянным и переменным коэффициентом счета;

- направление счета — суммирующие, вычитающие и реверсивные;

- способ организации внутренних связей — с последовательным, параллельным или с комбинированным переносом, кольцевые.

Классификационные признаки независимы и могут встречаться в разных сочетаниях: например, суммирующие счетчики бывают как с последовательным, так и с параллельным переносом, они могут иметь двоичный, десятичный и иной коэффициенты счета.

Введением дополнительных логических связей — обратных и прямых — двоичные счетчики преобразуются в недвоичные. Наибольшее распространение получили десятичные (декадные) счетчики, работающие с К_раз.сч.=10 в двоично-десятичном коде (двоичный — по коду счета, десятичный — по числу состояний).

Десятичные счетчики организуются из четырехразрядных двоичных счетчиков. Избыточные шесть состояний исключаются введением дополнительных связей. Возможны два варианта построения схем: счет циклически идет от 0000 до 1001 и исходным состоянием служит 0110B=6D; счет происходит до 1111B=15D (В, D — обозначения двоичного и десятичного чисел). Первый вариант на практике применяется чаще.

В суммирующем счетчике каждый входной импульс увеличивает на единицу число, записанное в счетчик, при этом перенос информации из одного разряда в другой, более старший, имеет место, когда происходит смена состояния 1 на 0.

 

Рис.6.4.5. Суммирующий трехразрядный синхронный счётчик с параллельным переносом

Вычитающий счетчик действует обратным образом: двоичное число, хранящееся в счетчике, с каждым поступающим импульсом уменьшается на единицу. Переполнение вычитающего счетчика происходит после достижения им нулевого состояния. Перенос из младшего разряда в старший здесь имеет место при смене состояния младшего разряда с 0 на 1.

 

Рис. Вычитающий трехразрядный синхронный счётчик со сквозным переносом на K555TV1

 

Реверсивный счетчик может работать в качестве суммирующего и вычитающего. Эти счетчики имеют дополнительные входы для задания направления счета. Режим работы определяется управляющими сигналами на этих входах.

 

Рис.6.4.2 Реверсивный трехразрядный асинхронный счётчик с последовательным переносом на K555TV15.

 

Счетчики с последовательным переносом представляют собой цепочку триггеров, в которой импульсы, подлежащие счету, поступают на вход первого триггера, а сигнал переноса передается последовательно от одного разряда к другому. Главное достоинство счетчиков с последовательным переносом — простота схемы. Увеличение разрядности осуществляется подключением дополнительных триггеров к выходу последнего триггера. Основной недостаток счетчиков с последовательным переносом — сравнительно низкое быстродействие, поскольку триггеры срабатывают последовательно, один за другим.

Максимальная частота счета определяется режимом работы. Если считывание состояния счетчика должно происходить после каждого входного импульса, как это имеет место, например, при счете до заданного числа, то максимальная частота равна:

F_max = l / [ (m – l) T_эдп + T_сp ], где

m – число разрядов;

Т_эдп – задержка переключения одного триггера;

t_cр — время срабатывания внешнего элемента или считывающей схемы.

Счетчики с параллельным переносом состоят из синхронных триггеров. Счетные импульсы подаются одновременно на все тактовые входы, а каждый из триггеров цепочки служит по отношению к последующим только источником информационных сигналов. Срабатывание триггеров параллельного счетчика происходит синхронно, и задержка переключения всего счетчика равна задержке одного триггера. Счетчики с параллельным переносом применяются в быстродействующих устройствах. Они обладают более высокой помехоустойчивостью, так как в паузах между импульсами триггеры счетчика блокированы. К их недостаткам следует отнести меньшую нагрузочную способность отдельных разрядов из-за дополнительной нагрузки внутренними связями. Каскад, предшествующий счетчику, должен иметь достаточную мощность, чтобы управлять входами нескольких триггеров.

К синхронным счётчикам относят счётчики, в которых переключение триггеров происходит одновременно независимо от его удалённости от счетного входа. Это достигается параллельной подачей на все триггеры синхронизирующих импульсов. Благодаря этому достигается min время установки счетчика, что не превышает время установки одного триггера.

Счетчики с произвольным коэффициентом пересчёта.

Счётчики в зависимости от количества разрядов реализуют Ксч = 2ⁿ и их можно использовать в качестве делителей частоты.

Часто при проектировании цифровых устройств возникает необходимость в делителе частоты с произвольным Ксч.

Методы построение делителей, широко применяемые на практике:

1. метод исключения лишних состояний счетчика.

2. Метод искусственного принудительного насчета импульсов в счетчике.

3. Метод принудительного задания коэффициента пересчета в вычитающем счетчике.

4. Синтез счетчиков с использованием теории цифровых автоматов.

1). Пусть счетчик в процессе счета проходит кодовые комбинации от 0 до N – 1, то, очевидно, что Ксч = n. Можно уменьшить коэффициента пересчёта до значения М < N, исключая часть кодовых комбинаций от M до N – 1. Для этого необходимо сбрасывать счетчик в 0, как только на его выходах будет установлена комбинация N.

Рисунок 1 — Схема исследования делителя на 7

Рисунок 2 — Временные диаграммы работы делителя на 7.

Недостатки: низкая надежность, т.к. один из триггеров DD1 или DD4 может сброситься раньше, чем другой, что приведет к неполному обнулению счетчика. Для устранения этого недостатка используют дополнительный RS-триггер.

2). Пусть состояния счетчика от 0 до N – 1. Ксч можно уменьшить до M < N, если исключить кодовые комбинации от 0 до K = N – M – 1. Для этого необходимо по достижению 0 ^ой комбинации производить установку триггеров счетчика в состояние, соответствующее коду К. Данный метод можно реализовать только в счетчике, который имеет входы предварительной установки.

 

К555ИЕ7 – это 4 ^х – разрядный реверсивный счетчик с параллельным переносом между разрядами.

+1 и –1 – это импульсные тактовые входы для счета на увеличение (+1) и уменьшение (-1). Состояние счетчика изменяется по положительным перепадам тактовых сигналов. Если для счета используется только один из этих входов, то на другом тактовом входе следует зафиксировать напряжение высокого уровня.

При подаче логического нуля на вход LD код, зафиксированный ранее на входах предварительной установки D, загружается в счетчик и появляется на его выходах. Если на вход R подать напряжение логической единицы, то на всех выходах устанавливается нулевой уровень. Сигнал на выходе ³ 15 возникает только во время перехода из состояния 1111 в 0000. В режиме вычитания сигнал возникает на выходе £ 0 при изменении 0000 в 1111. входы предварительной установки могут быть в частности реализованы по схеме:

Недостатки:

1) сложность конструктивной реализации;

2) сложность получения входного кода;

3) отсутствие естественного счета количества импульсов.

3). Пусть состояния вычитающего счетчика изменяются от N – 1 до 0. Ксч можно уменьшить до M<N, если после появления нулевой комбинации на выходе счетчика записывается в него код М.

Преимущества: простота конструктивной реализации в части задания Ксч.

4). Этот метод основан на теории цифровых автоматов и предполагает выполнение следующих операций:

1) составление структурных схем счетчика:

2) составление расширенной таблицы истинности;

3) получение булевых функций для выходных и входных сигналов триггеров;

4) реализация полученных сигналов с помощью известных цифровых элементов.

 

 

Реализация п. 2 – 4:

 

Номер импуль-са	Текущее состояние	Следующее состояние	Управляющие сигналы
Q3	Q2	Q1	Q3	Q2	Q1	J3	K3	J2	K2
								X		X
								X		X
								X	X
								X	X
							X			X
							X			X

 

 

Q3\Q2Q1							Q3\Q2Q1
								X	X	X	X
	X	X	X	X						X	X

J3=Q2Q1 K3=Q1

 

Q3\Q2Q1							Q3\Q2Q1
			X	X				X	X
			X	X				X	X	X	X

J2=~Q3Q1 K2=Q1

Рисунок 3 — Схема проверки делителя на 6

 

Рисунок 4 — Временные диаграммы работы делителя на 6

 

Регістри.

Регістром називається послідовний пристрій, призначений для прийому, зберігання, простих перетворень і передачі двійкових чисел. Під простими перетвореннями розуміють зсув чисел на задану кількість розрядів, а також перетворення послідовного коду в паралельний, і назад.

Базовими елементами є тригери, що доповнюються комбінаційними елементами для реалізації різних зв'язків між ними, управління прийомом і передачею інформації.

Основне призначення регістрів – ОЗУ для зберігання багаторозрядних двійкових чисел. Технічні характеристики визначаються параметрами тригерів і розрядністю регістра.

Регістри в основному класифікуються за способом прийому і передачі двійковій інформації:

· паралельні

· послідовні

· послідовно – паралельні

· паралельно – послідовні

· універсальні

У || - регістрах введення і виведення всіх розрядів числа проводяться одночасно за один такт.

У послідовних регістрах введення і вивід здійснюється через один інформаційний вхід і порозрядного вихіда із зсувом числа. Ці регістри також називаються зсувними. Зазвичай за один такт інформації зсувається на один розряд вліво або управо. Зсувні регістри, реалізовані по команді зсуву управо або вліво, називаються реверсивними.

Послідовно - || регістри мають один інформаційний вхід для послідовного введення числа і вихідні вентилі для видачі n – розрядного числа в паралельному коді.

|| - послідовні регістри забезпечують введення інформації паралельним кодом за один такт через тактовані вхідні вентилі, а виводиться по одному розряду в кожному тактовому інтервалі.

Універсальний регістри поєднують в собі можливості всіх типів регістрів, і, крім того, забезпечують відключення входів і виходів регістра від інформаційної шини, також перекомутацію місцями входів і виходів.

|| - регистр.

Асинхронный регистр:

синхронный регистр:

Сдвиг числа осуществляется перезаписью состояний между соседними триггерами по направлению сдвига, таким образом, каждый разряд регистра одновременно принимает информацию из предыдущего разряда и передаёт последующему. Во избежание появления гонок эти процессы должны быть разделены во времени, что достигается:

· включением элементов линии задержки между разрядами

· использованием двухтактных триггеров

· применением триггеров, соответствующих соотношениям между их временными параметрами.

Последовательные регистры на D – триггерах:

Последовательные регистры на JK – триггерах:

|| - последовательные регистры:

Последовательно – параллельные регистр:

Особенности схемы:

· В последовательный регистр подаем информации; она сдвигается, потом считывается и сигнал считывается.

Реверсивный сдвигающийся регистр:

Реверсивный сдвигающийся регистр с синхронным триггером:

	М0	М1
Сдвиг влево
Сдвиг вправо
|| - запись
Блокировка

Универсальный синхронный реверсивный сдвигающий регистр К555ИР11