Изучение импульсных и генераторных схем

Для формирования кратковременных фронтов из пологих фронтов используются триггеры Шмита. Благодаря наличию гистерезисной передаточной функции они позволяют существенно снизить чувствительность схемы к аддитивным помехам, которые суммируются с полезным сигналом. На рис. 13.1 предложены возможное схемное решение триггера Шмита с использованием логических элементов (а) и передаточная характеристика (б).

а) б)

Рис. 13.1. Триггер Шмита на логических элементах

Предложенное схемное решение имеет два разных по величине пороговых напряжения, одно из которых определяет уровень напряжения U_пор,1, при котором в ответ на нарастающий фронт сигнала схема формирует на выходе единицу, а при спадающем фронте в момент преодоления напряжения U_пор,2< U_пор,1 на выходе формируется логический ноль. Меняя R1 (соотношение резисторов), можно менять разность пороговых напряжений. Если пороговое напряжение инвертора D1 равно U_пор, то справедливо неравенство < < .

Простое схемное решение управляемого генератора импульсов предложено на рис. 13.2.

Рис. 13.2. Схема генератора импульсов на логических элементах

Сопротивление резистора R1 выбирается таким, чтобы выве-сти микросхему D1 в линейный режим работы. Для этого при известном максимальном входном токе D1 I_вх._max и известном пороговом напряжении этого элемента U_порR1 выбирается из неравенства
R1< U_пор/ I_вх._max. При использовании элементов серии 155 (ТТЛ) U_пор= 2,4 В, I_вх._max = 1,6 мА сопротивление R1 < 1,5 кОм. При использовании элементов на МДП-транзисторах сопротивление R1 может составлять величину в десятки тысяч Ом.

Генерация импульсов разрешается при подаче на управляющий вход «упр» уровня логической единицы. Период формируемых импульсов примерно равен: . Стабильность частоты формируемых импульсов невелика. При необходимости достичь высокой стабильности следует вместо конденсатора использовать кварцевый резонатор (кварц).

Простая схема одновибратора на логических элементах предложена на рис. 13.3.

Рис. 13.3. Одновибратор

При единичном уровне сигнала на входе IN резистор R1 формирует логический ноль на входе инвертора D2, что приводит к единице на его выходе. Совпадение двух единиц на входах D1 приводит к нулю на его выходе. Конденсатор окажется в разряженном состоянии, т.е. на нем хранится напряжение, близкое к нулю. Подача кратковременного нулевого уровня на вход схемы вызывает формирование на выходе логического нуля с продолжительностью, примерно равной . На практике применяют для формирования импульсов с требуемой длительностью микросхемы одновибраторов, которые используют более сложные схемные решения.

Для формирования кратковременных импульсов по заданному фронту, для задержки сигнала широко используют сочетания логических элементов с дифференцирующими и интегрирующими цепями. На рис. 13.4 предложено несколько возможных схемных решений, поведение которых необходимо определить при действии на входы импульсов типа «меандр» с периодом более .

а) б)

в) г)

Рис. 13.4. Схемы формирования импульсных сигналов

Изучение особенностей прохождения
сигналов в длинных линиях

Для обмена информацией в сетях ЭВМ находят применение как коаксиальные кабели, так и витые пары, т.е. два изолированных провода, расположенные в непосредственной близости относительно друг друга. Моделью таких линий связи могут служить линии с распределенными параметрами, или длинные линии, анализ поведения которых является одной из решаемых в электротехнике задач.

Длинные линии характеризуют удельной емкостью C и удельной индуктивностью L, которые определяют как емкость и индуктивность участка линии единичной длины. Если считать L = 10 мкГн,
а C = 1000 пФ, то можно смоделировать длинную линию, используя предложенную на рис. 14.1 схему в предположении отсутствия ак-тивных сопротивлений. Волновое сопротивление линии равно Ом. Чтобы передача информации в длинной линии происходила с минимальными искажениями, необходимо на выходе линии использовать активный резистор с сопротивлением R = Z. Если это условие не выполняется, то будут наблюдаться искажения формы сигнала на выходе линии в сравнении с формой сигнала на входе этой линии, т.е. на выходе в нашем случае генератора импульсов GN1. Рассмотрим поведение длинной линии при импульсном сигнале на входе и при разных соотношениях волнового сопротивления и сопротивления нагрузки линии.

Рис. 14.1. Модель длинной линии

При появлении фронта входного сигнала в линии распространяется падающая волна, которая через время задержки T_зд дойдет до выхода линии. В зависимости от сопротивления нагрузки R2 будет наблюдаться преломленная и отраженная волны. Преломленная является в данном случае выходной, а отраженная будет двигаться в обратном направлении, т.е. ко входу линии. Это приведет к изменению сигнала на входе и к возможности появления отраженных от входа волн, к дальнейшему искажению выходного сигнала линии. Чтобы исключить возможность отражения от входа, на выходе генератора используется резистор R1 = Z. Это приведет к уменьшению амплитуды входного сигнала, но не изменит его формы.

Предположим, что известна амплитуда импульса A на выходе генератора. В момент прихода на вход фронта импульса линия воспринимается как имеющая сопротивление Z. Тогда на входе линии образуется импульс с амплитудой, равной . образуется падающая волна с этой амплитудой. Если выход линии закорочен, т.е. R2 = 0, то на выходе линии напряжение будет равно нулю независимо от входного сигнала. Падающая волна отразится от конца линии и спустя время T_здотраженная волна дойдет до входа линии, что приведет к падению напряжения на входе до нуля. В результате на входе линии в ответ на фронт входного импульса сформируется импульс длительностью 2 T_зд. Это легко объяснить тем, что в случае установившегося процесса, когда переходные процессы в линии закончатся, а входной сигнал будет восприниматься как постоянное напряжение величиной A, сопротивление всех индуктивностей в идеальном случае по постоянному току будет равно нулю. Следовательно, и на входе линии сформируется нулевое напряжение. По окончании переходных процессов в индуктивностях линии установится ток I величиной . Индуктивности линии накопят магнитную энергию. По спадающему фронту входного импульса будет наблюдаться на входе линии кратковременный импульс обратной полярности, что объясняется процессом возврата энергии индуктивностями линии. В идеальном случае на входе линии в предложенной схеме будут наблюдаться предложенные на рис. 14.2,а сигналы.

Если при действии импульса на входе линии в предложенной эквивалентной схеме (см. рис. 14.1) линия не нагружена (сопротивление R2 очень велико), то в идеальной линии будут наблюдаться показанные на рис. 14.2,б сигналы. Следует заметить, что на входе линии наблюдаются искажения сигнала. Это является недостатком, хотя сигнал на выходе линии оказывается не искажен. А недостаток объясняется тем, что при отсутствии равенства R1 = Z отраженная волна, вернувшаяся ко входу линии, отразится от выходной цепи генератора и через время задержки исказит выходной сигнал линии.

а) б) в) г)

Рис. 14.2. Возможные идеализированные сигналы линии

Если линия согласована как по входу, так и по выходу, то искаже-ния сигналов минимальны, как показано на рис. 14.2,в. На рис. 14.2,г предложено поведение линии при условии, что R2 = 2Z.

Можно определить скорость распространения электромагнитного поля в длинной линии: .

При необходимости сделать отвод от линии или подать один и тот же сигнал в нескольких направлениях могут использоваться
соединенные в одной точке резисторы, сопротивления которых
подобраны таким образом, чтобы обеспечить согласование по входам принимающих сигнал линий и по выходу источника сигнала. При передаче сигнала в двух направлениях при условии использования линий с одинаковыми волновыми сопротивлениями Z может быть использована предложенная на рис. 14.3 схема.

Рис. 14.3. Способ подключения двух линий связи
к одному источнику сигнала

Следует заметить, что амплитуда наблюдаемых на выходах сигналов будет меньше входной амплитуды, но искажения формы сигнала будут минимальны.

Список литературы

1. Марченко, А. Л. Основы электроники : учеб. пособие для вузов / А. Л. Марченко. – М. : ДМК Пресс, 2009. – 296 c.

2. Немцов, М. В. Электротехника и электроника : учеб. для вузов / М. В. Немцов. – М. : МЭИ, 2004. – 460 с.

3. Иванов, И. И. Электротехника и основы электроники : учеб. / И. И. Иванов, Г. И. Соловьев, В. Я. Фролов. – 7-е изд., перераб. и доп. – СПб. : Лань, 2012. – 736 с.

4. Нейман, Л. Р. Теоретические основы электротехники /
Л. Р. Нейман, К. С. Демирчан. – М. : Энергия, 1966. - 425 с.

5. Бессонов, Л. А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи : учеб. / Л. А. Бессонов. – М. : Гардарики, 2002. - 525 с.

6. Баскаков, С. И. Радиотехнические цепи и сигналы / С. И. Баскаков. – М. : Высш. шк., 2000. – 456 с.

7. Борисов, Ю. М. Электротехника : учеб. пособие для вузов /
Ю. М. Борисов, Д. Н. Липатов, Ю. Н. Зорин. – 3-е изд., перераб. и доп. – Минск : Высш. шк., 2007. – 543 с.

8. Григораш, О. В. Электротехника и электроника : учеб. для вузов / О. В. Григораш, Г. А. Султанов, Д. А. Нормов. – Ростов н/Д : Феникс, 2008. – 462 с.

9. Катаенко, Ю. К. Электротехника : учеб. пособие / Ю. К. Катаенко. – М. : Дашков и К° ; Ростов н/Д : Академцентр, 2010. – 287 с.

10. Иванов, И. И. Электротехника : Основные положения, примеры и задачи / И. И. Иванов, А. Ф. Лукин, Г. И. Соловьев. – 3-е изд., стер. – СПб. : Лань, 2004. – 191 с.

11. Бабичев, Ю. Е. Электротехника и электроника : учеб. для вузов : в 2 т. / Ю. Е. Бабичев. – М. : Горная книга, 2007. – Т. 1. Электрические, магнитные и электронные цепи. – 615 с.

12. Беневоленский, С. Б. Основы электротехники : учеб. пособие для втузов / С. Б. Беневоленский, А. Л. Марченко. – М. : Физматлит, 2007. – 568 с.

13. Проектирование и применение операционных усилителей / под ред. Дж. Грэма, Дж. Тоби, Л. Хьюлсман. – М. : Мир, 1974. - 510 с.

14. Гусев, В. Г. Электроника / В. Г. Гусев, Ю. М. Гусев. – М. : Высш. шк., 1991. - 622 с.

15. Касаткин, А. С. Электротехника : учеб. для вузов / А. С. Касаткин, М. В. Немцов. – 11-е изд., стер. – М. : Академия, 2007. – 539 с.

Учебное издание

Электротехника, электроника и схемотехника

Часть 2

Составители:

БрякинЛеонид Алексеевич,

БычковАндрей Станиславович

Редактор Т. Н. Судовчихина

Компьютерная верстка Р. Б. Бердниковой