Імпульсні сигнали.
Імпульсні сигнали складають основу роботи багатьох електронних установок, вживаних в техніці автоматичного контролю і управління виробничими процесами.
Особливості імпульсних сигналів накладають певні вимоги до імпульсних пристроїв. Переривистий характер дії імпульсів на схеми викликає появу в них перехідних процесів, провідних, як правило, до спотворення форми імпульсів. Якщо сигнали слідують один за одним з проміжком часу (інтервалом), перевищуючим час, необхідний для встановлення перехідних процесів в ланцюгах схеми, то дію цих імпульсів на схему можна звести до розгляду дії одного сигналу.
Імпульс - це короткочасне відхилення напруги (струму) від деякої постійної рівня.
Отже, і дія імпульсів на схему носить короткочасний характер. При цьому тривалість імпульсу (t і) повинна бути достатньою для того, щоб схема встигла спрацювати, тобто змінити свій режим на задане значення.
Прагнення до збільшення швидкодії імпульсних пристроїв вимушує до мінімуму скорочувати час (10 сік)-9 тривалості сигналів. У сучасних пристроях цей час доходить до одиниць нано секунд.
Час тривалості імпульсу на тимчасовій діаграмі визначається від початку виникнення імпульсу до його зникнення ( див. мал.).
U
Umax t
tи tп
Т
Інтервал між імпульсами, або пауза (t п) визначається як час між закінченням одного імпульсу і початком іншого. Час між початком виникнення двох сусідніх імпульсів називається періодом повторення імпульсів Т. Частіше користуються поняттям частоти проходження імпульсів f, яка визначає кількість імпульсів в секунду і вимірюється в герцах Гц:
f= 1 / T.
Амплітуда імпульсу (U max ) визначає найбільше значення напруга (струму) імпульсу. Вимірюється амплітуда у вольтах (В) або амперах (А) або в частках цих основних величин (мВ, мкВ, мА, мкА).
Найчастіше в схемах доводиться мати справу з імпульсами напруги, виникаючих в результаті короткочасних змін падінь напруги на навантаженнях.
Імпульси напруги можуть мати різну форму. На мал. приведені імпульси, що зустрічаються:
U U U
Т
ТРИКУТНІ ТРАПЕЦІЇДАЛЬНІ ДЗВОНООБРАЗНІ
Найчастіше використовуються імпульси прямокутної форми. Одноко строгого прямокутника у формі імпульсу практично досягти не вдається унаслідок впливу , що надається на нього різними перехідними процесами схеми. Тому основні параметри імпульсу розглянемо на реальному прямокутному імпульсі ( рис. а ) :
U tи tи
0,9Umax
0,5Umax Umax 0,5Umax Umax
0,1Umax t t
tф tc tи
а) б)
Параметри сигналу Відмінність реального сигналу від ідеального
Імпульс має дві бічні і сторони і вершину . Ліва бічна сторона називається переднім фронтом, права - заднім фронтом або спадом імпульсу.
Якщо в ідеальному прямокутному імпульсі час наростання переднього фронту, а отже, і час встановлення імпульсу рівні нулю, то в реальному імпульсі передній фронт має час tф. Задній фронт має певний час спаду tc. Крім того, спад імпульсу часто закінчується затухаючим коливальним процесом . Вершина імпульсу теж не залишається ідеальною , а має деяке зниження .
В результаті параметри реального імпульсу визначаються в інтервалі ( 0,1 - 0,9 ) U max.
Істинна тривалість імпульсу, або його активна тривалість, визначається в середній частині ( 0,5 U max).
Тривалість переднього і заднього фронту (t ф і t з ) складає звичайно 5-20 % тривалості імпульсу t і. Обидва фронти визначають прямокутник імпульсу і ніж вони менше ( за часом ), тим більше форма імпульсу наближається до прямокутної.
На рис .б дано наочніше представлення про відмінність реальної форми імпульсу від ідеальної.
Спотворення імпульсів відбувається практично в будь-якій електричній схемі, що містить в тому або іншому вигляді реактивні елементи (індуктивності і місткості ), які впливають на форму імпульсів. Тому імпульси на вході і виході істотно відрізняються один від одного. Важливо, щоб ці спотворення не перевищували допустимих меж.
Представлення двійкових цифр в обчислювальних пристроях
Для представлення розрядів двійкових чисел в обчислювальних пристроях застосовується два способи :
статичний ( потенційний ) і динамічний ( імпульсний ).
При першому способі двійкові цифри зображаються рівнянями напруг, які зберігаються протягом всього часу проходження даної цифри (послідовність нулів або одиниць) . При цьому звичайно для відображення одиниці приймається високий рівень сигналу, а для зображення нуля - низький рівень ( Рис. а ) :
U U
1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0
Uв 1
Uн
0 ---
t t
а) б) в)
статичний спосіб (потенційний ) динамічний ( імпульсний ) уявлення сигналами
“1” і “0” (потенційним і імпульсним)
При другому способі двійкові цифри зображаються імпульсами певної тривалості. Звичайно одиниця зображається наявністю імпульсу, а нуль - його відсутністю ( мал. би .).
На рис . у показано умовне зображення "0" і "1" потенційним і імпульсними сигналами, використовувані в різних пристроях.
Зберігання і передача чисел здійснюється паралельним, послідовним і последовательно - паралельним кодами.
При паралельному коді всі розряди чисел передаються одночасно, причому кожний з них поступає по своєму каналу ( мал. а) :
1 0 1 1
0
Число
СИ
а) б)
Передача чисел Передача чисел послідовним кодом
паралельним кодом
В цьому випадку час передачі числа скорочується . Одноко кількість каналів в цьому випадку зростає.
При послідовному коді двійкове число передається по одному каналу послідовно розряд за розрядом. Розряди числа повинні поступати в строго певні моменти часу. Відмітки часу проходження кожного розряду створюються спеціальними синхронізуючими імпульсами СІ. Гідністю послідовного коду є те, що для передачі чисел потрібен тільки один канал. Проте на таку передачу витрачається порівняно багато часу, визначуваного кількістю розрядів в числі.
Обидва способи передачі чисел при всіх своїх достоїнствах страждають недоліками, які тим сильніше позначаються, тим більше розрядність передаваємих чисел. Тому в окремих пристроях стали застосовувати послідовно-паралельний спосіб передачі чисел, при якому число розбивається на групи і передається окремими групами. В цьому випадку розряди кожної групи передаються паралельно, а самі групи послідовно.
ОБМЕЖУВАЧІ
У багатьох електронних пристроях використовуються імпульси із строго певною амплітудою і визначеними тривалістями, вибраними відповідно до умов роботи даного пристрою.
Збереження встановлених параметрів сигналів в процесі роботи схем є особливо важливим для таких систем, як ЕОМ, де імпульси є певною інформацією, що переробляється машиною .
Оскільки режими електронних схем встановлюються з розрахунку на "стандартні" сигнали, відхилення їх параметрів від номінальних значень в процесі проходження через схеми може привести до неправильної роботи окремих схем і, отже, всього пристрою в цілому.
У зв'язку з цим разом з попереднім формуванням робочих сигналів в схемах передбачаються також заходи по відновленню форми сигналів , що зазнали зміну при проходженні окремих ділянок схем.
Однієї з основних операцій вживаних при формуванні імпульсів , є обмеження імпульсного сигналу по амплітуді. Схема, яка здійснює таке обмеження, називається обмежувачем.
Між вхідною і вихідною напругами обмежувача існує певна залежність, яка називається характеристикою обмежувача (рис. а ):
Uвих Uвих Uвих
Uвх t
Uвх
Uогр
а) б)
t
Вихідна напруга схеми збільшується пропорційно вхідному до певного значення, після чого воно зберігатиме незмінну величину . Напруга U огр, при якому подальше збільшення вихідної напруги припиняється, називається порогом обмеження.
На мал. би) показаний принцип обмеження сигналу по максимуму. Як тільки напруга вхідного сигналу досягає порогу обмеження, вихідний сигнал залишається незмінним, не дивлячись на подальше збільшення вхідного.
Обмеження сигналів може вироблятися не тільки по максимуму, але і по мінімуму. Іноді використовується і двостороннє обмеження (по максимуму і по мінімуму). Принцип двостороннього обмеження приведений на мал. :
Uвих U вих
Uвх Uвх
Рис. Діаграми работи ообмежувача
t
Щоб пропорційність між вихідною і вхідною напругою збереглася тільки на певній ділянці, характеристика обмежувача повинна бути нелінійною. Тому як обмежувачі широко використовуються лампові і напівпровідникові елементи (наприклад, діоди), що володіють такими характеристиками .
Ідеалізовані характеристики лампового (а) і напівпровідникового діодів (б) приведені на мал.:
ia i
Ua Uзв U пр
а) б)
Поріг обмеження підбирається за допомогою підключення до діода джерела постійної напруги ( зсуви) .
На мал. а) приведена схема обмеження по максимуму, виконана на напівпровідниковому діоді.
Необхідно, щоб в схемі виконувалася умова Rн >> Ro і Ro >> ( Rд. пр. + Ri ).
Поки діод замкнутий позитивним зсувом, напруга на виході обмежувача практично повторює вхідна, оскільки падіння напруги на Rн значно перевищує падіння напруги на Ro . Коли напруга вхідного сигналу перевершить величину Е см діод відкривається . Оскільки опір вихідної ділянки ланцюга ( діод включається паралельно з R н ) різко впаде і тоді
Ro Uвх
Есм
Д Rн t
Uвих
+
Вход Ri - Есм Виход
t
a) б)
майже весь приріст вхідної напруги виявиться прикладеним до Ro. З цієї миті вихідна напруга перестане змінюватися вслід за вхідним (б). Діод знову закриється після того, як напруга вхідного сигналу стане менше Е див. Таким чином, схема забезпечує обмежене вхідного сигналу на рівні Есм.
Uвх
Ro
Д1 Д2 Е см 1 t
Rн Eсм
Uвих
t
а) б)
Мал. Принципова схема обмежувача сигналів по максимуму і
мінімуму а) і діаграма його роботи б) .
Якщо в розглянуту схему включити другий діод, як показано на мал. б, то схема буде обмежувачем і по максимуму, і по мінімуму (двостороннє обмеження ).
Якщо на вхід такої схеми подати, наприклад, синусоїдальне імпульси обох полярностей.
Функції обмеження позитивної напив хвилі буде попрежнему виконувати діод Д1, робота якого у принципі нічим не відрізнятиметься від розглянутої, тільки відкриватися він буде не позитивною, а негативною напив хвилею.
Обмежувачі застосовуються і д ля виділення сигналів однієї якої -нибудь полярності . Наприклад, якщо на схему, показану на мал., подати двополярні сигнали з диференціючого ланцюжка, то на вихід пройдуть тільки позитивні сигнали.
Д Uвх
t
Вхід Rн Вихід
Uвих
t
Схеми логічних елементів
Елементи, що реалізовують прості логічні функції, схематично представляються у вигляді прямокутників, на полі яких зображається символ, що позначає функцію, виконувану даним елементом. Наприклад, на мал. показані умовні позначення елементів, що реалізовують логічні функції І, АБО, НІ.
І АБО НІ
Х1 Х1
& У 1 У Х 1 У
Х2 Х2
Вхідні змінні прийнято зображати зліва, а вихідні - справа . Вважається, що передача інформації відбувається зліва направо.
Діодна - резистивна схема збігу на два входи ( кількість входів може бути і більше ) реалізує логічну операцію вигляду Р = А В.
+Еи
Rи
0 Д1
-Uo А Р=АВ 0
0
-Uo В Д2 Со -Uo
У початковому стані діоди Д1 і Д2 проводять , оскільки на входи схеми поступають коди, відповідні 0. Оскільки прямий опір діодів нескінченно мало в порівнянні з R і, в результаті протікаючого по ланцюгу струму майже вся напруга падає на цьому резисторі і на виході схеми встановлюється той же низький рівень сигналу, відповідний коду 0, що і на вході. Прямий опір діодів, використовуваних в подібних схемах, не перевищує 100-200 Ом (їх зворотний опір, тобто в забороненому стані, близько декількох мегом ), величина Rи складає тисячі Ом.
При подачі сигналів коду 1 одночасно на обидва входи діоди закриються на відповідну величину і на виході схеми встановиться рівень напруги, відповідний коду 1. Код 1 на виході зберігатиметься до тих пір, поки вхідні сигнали співпадають за часом . Як тільки на одному з входів сигнал зникне , відповідний діод відкриється і напруга на виході впаде до низького рівня. Інший варіант схеми збігу:
А &
В
С
Р
Дуже часто застосовується схема збігу на два входи, називається іноді вентилем.
R P=A B
А
0 -Uo
0
-Uo B
Вхід В називають управляючим входом. Поки діод Д відкритий
( на вході В немає управляючого сигналу ), схема закрита, оскільки на виході Р - низький рівень. При подачі сигналу на управляючий вхід діод закривається і на виході схеми з'являється сигнал , рівний по тривалості управляючому сигналу. Ця схема використовується для формування сигналу по задньому фронту:
А
Серія
Р
Інтегральні ТТЛ -схеми: +Е
R1 R2 R3
VT1 VT3 A & У
A VT2 У
B B 1
C VD1
1 C 2
2 VT4
R4
Елементи типу АБО
Діодна - резистивна схема АБО реалізує операцію вигляду Р=А+В. На відміну від схем збігу в схемах АБО сигнал, що поступив на будь-який з входів , проходить на вихід. Тому ці схеми одержали назву збірних. Діоди Д1 і Д2 , що стоять у вхідних ланцюгах, розділяють ланцюги джерел вхідних сигналів ( з цієї причини схеми АБО називають також розділовими ).
З метою якнайменшого спотворення вихідних сигналів параметри схеми вибирають з умови:
R або >> Rд.пр. иЅ- Uo Ѕ<Ѕ- E або Ѕ.
UА
t
-Uo
0 Д1 I
-Uo А Р=А+В 0 UB
t
В Д2 Сн -Uo
-Uo
Rи Up
t
-Еи -Uo
У початковому стані обидва діоди проводять, отже, на виході схеми встановлюється той же рівень напруги, що і н а вході. При подачі на вхід, наприклад А, сигналу нульової напруги (код 1) струм в ланцюзі Д1-Rили зростає, створюючи на резисторі R або падіння напруги, практично рівне Еи. На виході схеми встановлюється напруга, відпо
