3836 УСИЛИТЕЛЬНЫЕ, ИМПУЛЬСНЫЕ И ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА - Страница 7

 

Генератор линейно изменяющегося напряжения.

Элементы теории

 

В отдельных случаях задание на курсовую работу предполагает разработку формирователя линейно изменяющегося напряжения. В этих случаях выходной импульс мультивибратора подается не на вход усилителя, а на вход генератора линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН). Сигнал с выхода последнего поступает на вход усилителя. Генераторы линейно изменяющегося напряжения могут быть выполнены на основе различных принципов, обеспечивающих постоянство тока через конденсатор. Наиболее распространены схемы, основанные на методе токостабилизирующего элемента и компенсационном методе.

Схема ГЛИН с токостабилизирующим элементом приведена на рис. 16. Изменение напряжения Uс на конденсаторе определяется соотношением , где α – коэффициент передачи тока, rк – дифференциальное сопротивление коллекторного перехода,

.

Для длительности импульса tu и коэффициента нелинейности η можно получить формулы

 

где Rнг – сопротивление нагрузки ГЛИН, равное Rвх. ус,

rк||Rнг = .

Вариант схемы ГЛИН компенсационного типа приведен на рис. 17. Зависимость выходного напряжения Uвых от времени для этой схемы дается соотношени-

 

ем: ,

где К – коэффициент усиления операционного усилителя. Коэффициент нелинейности η определяется выражением

 

 

Порядок расчета

Рассмотрим эту процедуру на примере ГЛИН с токостабилизирующим элементом.

В случае питания ГЛИН от одного источника его схема может быть реализована в соответствии с рис. 18. ГЛИН с токостабилизирующим элементом содержит зарядное устройство, состоящее из генератора стабильного тока на транзисторе T2, накопительный конденсатор С и ключевой элемент T1. Стабилизация тока коллектора T2 осуществляется путем фи-ксации потенциала его базы стабилитроном D и включения в эмиттерную цепь резистора обратной связи R2. Рабочим процессом в этом случае является процесс заряда конденсатора, он происходит в паузе между входными импульсами. Во время действия импульсов конденсатор разряжается.

1. По заданным η, tu, Rвхус определяют емкость накопительного конденсатора С:

 

  1. Задаваясь напряжением стабилизации стабилитрона Ест ≈ (0,3 – 0,5) Ем, определяют величину тока заряда Iз накопительного конденсатора

.

  1. Используя Iз и учитывая  IзIк, выбирают транзисторы ГЛИН. При этом, как и в случае мультивибратора, необходимо стремиться выбирать транзисторы однотипные с транзисторами других каскадов или комплементарные им.
  2. Учитывая Ест и максимальный ток базы транзистора  находят минимальное значение тока стабилитрона Iст min ≈ (5 – 10) Iб max и по справочнику выбирают стабилитрон.
  3. Сопротивление резистора R3 определяют из соотношения .
  4. Полагая, что напряжение между базой  и эмиттером открытого транзистора Uбэ = 0,7 В, рассчитывают сопротивление резистора R2:

R2 = (EстUбэ)/Iз..

После расчета элементов ГЛИН необходимо так же, как и в случае мультивибратора, решить вопросы сопряжения каскадов.

 

Блок цифрового управления

 

В устройствах обработки цифровой информации широко применяются логические элементы, действующие на основе алгебры логики, предложенной Дж. Булем. Анализ и синтез логических цепей выполняются на основе математического аппарата алгебры логики, или булевой алгебры. При построении логических устройств, выполняющих обработку логических сигналов, применяется логический базис, или функционально полная система логических элементов, реализующих операции ИЛИ, И, НЕ. Схемная реализация функционально полных систем с минимальным логическим базисом осуществляется универсальными логическими элементами И-НЕ, ИЛИ-НЕ (рис.19).

Рассмотрим основы построения схем на логичес-ких элементах. Комбина-ционные логические цепи – это такие цепи, выходные сигналы которых не зависят от предыстории и однозначно определяются сигналами, присутствующими на их входах в рассматриваемый момент времени. Синтез комбинационных цепей проводится обычно в такой последовательности. Вначале составляется таблица функционирования логической цепи – таблица истинности. Эта таблица показывает, чему равен выходной сигнал цепи при различных сочетаниях входных сигналов. Затем исходя из таблицы истинности записывают логическую функцию. После этого логическая функция минимизируется и преобразуется к виду, удобному для реализации на логических ячейках заданного типа.

Для функций, содержащих не более шести аргументов (n ≤ 6), удобно проводить минимизацию с помощью карт Карно. Этот путь минимизации нагляден и гарантирует при соблюдении небольшого числа формальных правил наиболее простое конечное выражение.

Реализация этого метода осуществляется в несколько этапов.

На первом этапе для исходной логической функции составляется карта Карно, представляющая таблицу, заголовки которой в верхней строке и левом столбце указывают возможные сочетания логических переменных, причем в соседних клетках они должны отличаться только на одну переменную. Значения функции в клетках таблицы соответствуют данному сочетанию переменных. Например, если выходной сигнал равен 1 (Y = 1) только для следующих комбинаций входных сигналов:

 

x1 = 0, x2 = 0, x3 = 0, x4 = 0,Y = 1;

x1 = 0, x2 = 0, x3 = 0, x4 = 1,Y = 1;

x1 = 0, x2 = 1, x3 = 1, x4 = 1,Y = 1;

x1 = 0, x2 = 1, x3 = 1, x4 = 0,Y = 1;

x1 = 1, x2 = 1, x3 = 1, x4 = 0,Y = 1;

x1 = 1, x2 = 0, x3 = 0, x4 = 0,Y = 1,

 

то карта Карно будет следующей (табл. 1).


Таблица 1                                                      Таблица 2

 

На втором этапе в заполненной таблице выделяются соседние клетки, содержащие единицы, и осуществляется их объединение. При формировании объединений придерживаются следующих правил:

объединение должно быть прямоугольным (в частности, квадратным) с числом клеток, равным N = 2n, где n = 0, 1, 2, 3…;

внутри объединения должны быть только клетки, заполненные единицами;

одни и те же клетки, заполненные единицами, могут входить в несколько объединений;

при проведении объединений самая нижняя и самая верхняя строки таблицы считаются соседними;

крайне левый и крайне правый полные столбцы также считаются соседними;

четыре клетки в вершинах таблицы образуют квадратное объединение;

число объединений должно быть как можно меньшим, а сами объединения как можно большими. Для выявления избыточных объединений проверяют отсутствие объединений, все элементы которых уже входят в другие объединения.

С учетом этих правил в табл. 2 представлены объединения клеток.

На третьем этапе обеспечивается получение минимизированной дизъюнктивной нормальной формы (МДНФ) логической функции. С этой целью из объединенных клеток составляются логические произведения, в которые входят только переменные, остающиеся неизменными для всех клеток данного объединения. Если какая-либо клетка остается необъединенной, то логическое произведение содержит все переменные. Число слагаемых в МДНФ оказывается равным числу объединений, включая необъединенные клетки.

Для рассматриваемого примера, представленного картой Карно, МДНФ будет выглядеть следующим образом:

 

.

 

При схемной реализации логической функции с использованием универсальных логических элементов И-НЕ или ИЛИ-НЕ минимизированную алгебраическую форму представляют в виде комбинации операций, выполняемых этими элементами. В случае логического устройства на элементах И-НЕ осуществляют двойную инверсию исходной МДНФ и в соответствии с теоремой де Моргана получают алгебраическое выражение, в которое входят только операции И-НЕ.

Полученная выше функция после преобразования будет выглядеть следующим образом:

 

.

Операция отрицания реализуется элементом И-НЕ, на все входы которого подан один и тот же сигнал. Функцию Y  (рис. 20) можно реализовать четырьмя логическими элементами 2И-НЕ и тремя логическими элементами 3И-НЕ, используя, например, микросхемы 155ЛА3 и 155ЛА4.


Полное цифровое устройство должно обеспечивать пуск формирователя импульсов (Uз) при определенном цифровом коде на входе схемы управления (х1…..х4) и подаче импульса запуска (С), что может быть выполнено с помощью схемы рис. 21.

Рассмотрим принципиальную схему запуска на логических элементах 2И-НЕ, параметры которой должны обеспечить формирование логического нуля Uз при логическом нуле импульса запуска С (значение этого импульса может быть в зависимости от задания как логической единицей, так и логическим нулем). Импульсы комбинационно-логической схемы управления (Y) при правильном наборе цифрового кода всегда имеют на выходе логическую единицу. Логический ноль Uз будет формироваться с помощью следующей схемы (рис. 22).

Если мультивибратор должен запускаться  сигналом уровня логической единицы, то к последней схеме необходимо добавить элемент НЕ.

На этом расчет блока цифрового управления и устройства в целом можно считать законченным. В заключение необходимо лишь отметить, что рассмотренные в рамках настоящих методических указаний подходы должны служить лишь основой для расчета. Конкретные решения в тех или иных ситуациях студент должен находить самостоятельно с использованием рекомендованной (и не только) литературы.