Генераторы линейно-изменяющегося напряжения. Компараторы

Генераторы линейно-изменяющихся напряжений (ГЛИН) формируют периодические сигналы, изменяющиеся по линейному закону. ГЛИН широко применяются в электронной технике: в устройствах горизонтальной развертки луча в осциллографах, в аналого-цифровых преобразователях (АЦП) и других преобразовательных устрой­ствах.

Генераторы линейно изменяющихся напряжений формируют напряжения пилообразной формы (рис. 50). Пилообразные импульсы характеризуются длительностью рабочего хода t_р, длительностью обратного хода t_о и амплитудой U_m.

Для создания линейной зависимости напряжения от времени чаще всего используют заряд (или разряд) конденсатора постоянным током. Простейшая схема ГЛИН приведена на рис. 51.

Рисунок 50 – Временная диаграмма импульсов

пилообразной формы

Когда транзистор VT закрыт, конденсатор С заряжается от источника питания Е_к через резистор R2. При этом напряжение на конденсаторе, а значит и на выходе линейно возрастает. При поступлении на базу положительного импульса транзистор открывается, и конденсатор быстро разряжается через его малое сопротивление, чем обеспечивается быстрое спадание выходного напряжения до нуля – обратный ход.

Рисунок 51 – Простейшая схема для формирования линейно изменяющегося напряжения

В электронных устройствах используются различные типы ГЛИН на транзисторах и микросхемах. Среди них широкое распространение получили схе­мы на ОУ.

В качестве примера рассмотрим простой ГЛИН на двух микросхемах ИОУ, схема которого приведена на рис. 52. Генератор состоит из двух функциональных блоков - интегратора и триг­гера Шмитта.

Рисунок 52 – Схема ГЛИН на ОУ

Интегратор - схема, при подаче на вход которой постоянного напряжения U₀ выходное напряжение изменяется по линей­ному закону, пока не достигнет напряжения U_нас. Интегратор собран на микросхеме DA1, ре­зисторе R и конденсаторе С. Напряжение u₁ на выходе интегратора уве­личивается по линейному закону под воздействием U₀.

Триггер Шмитта собран на микро­схеме DA2 и резисторах R₁ и R₂, обеспечивающих ПОС. Здесь использу­ется триггер Шмитта с управлением по току - при равенстве li₁l = lI₂l происходит переключение триггера Шмитта из одного состояния в другое. Для обеспечения периодического перезаряда кон­денсатора установлена цепочка R₃ - VD, по которой протекает ток I₃ пе­резаряда емкости С. На рис. 51 показаны временные диаграммы работы ГЛИН.

Рисунок 53 – Временные диаграммы работы ГЛИН на ОУ

Пусть в момент t = 0 ем­кость С перезаряжена до напряже­ния u₁ = -U_1max. При этом триггер Шмитта переключился в положение, когда u₂ = -U_2нас. Отрицательным напряжением -U_2нас диод VD за­крыт, т. е. не пропускает ток I₃ =0. Емкость С заряжается током I₀. Следовательно, напряжение u₁ увеличивается с постоянной скоростью (по линейному закону). При этом ток i₁ также увеличивается по линейному закону. При достижении равенства li₁l = l-I₂l триггер Шмитта переключается в другое состояние, при котором u₂ = +U_2нас. При этом диод VD открывается и начинает протекать ток I₃ - емкость С начинает перезаряжаться током I_пз = I₃ -I₀, а напряжение u₁ - уменьшаться по линейному закону.

В момент равенства l-i₁l = I₂ триггер Шмитта скачком перехо­дит в положение, когда u₂ = -U_2нас и далее цикл повторяется. Таким об­разом, ГЛИН одновременно формирует напряжение u₁ пилообразной формы и напряжение u₂ прямоугольной формы.

Компараторы

Интегральные операционные усилители находят широкое приме­нение в импульсной технике. Уровни входного сигнала ОУ в импульс­ном режиме работы превышают значения, соответствующие линейной области амплитудной характеристики (см. рис. 15). В связи с этим выходное напряжение ОУ в процессе работы определяется либо на­пряжением U⁺_нас, либо U ^–_нас - ключевой режим работы.

Компаратор (compare – сравнивать) – устройство, сравнивающее два напряжения – входное U_вх с опорным U_оп. Опорное напряжение пред­ставляет собой неизменное по величине напряжение положительной или отрицательной полярности, входное напряжение изменяется во времени. Простейшая схема компаратора на операционном усилителе при­ведена на рис. 54, а.

Рисунок 54 – Компаратор на ОУ

а – схема, б - передаточная характеристика, в - УГО

Благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ компаратор переключается при очень малой разности входных напряжений U_вх - U_оп.

При достижении входным напряжением уровня опорного напряжения происходит изменение полярности напряжения на вы­ходе ОУ, например с U⁺_нас на U ^-_нас - рис. 54, б. При U_вх < U_оп на выходе U⁺_нас, при U_вх > U_оп на выходе U ^–_нас.

На рис. 55 показаны входные напряжения компарато­ра, причем принято, что U_вх1 - синусоидальное напряже­ние, а U_вх2 – постоянное (опорное). Компаратор переключается в мо­менты равенства U_вх1 = U_вх2, и выходное напряжение имеет форму прямоугольных импульсов. Ширина этих импульсов при заданной амплитуде синусоиды зави­сит от величины U_вх2. Таким образом, простейший компаратор может служить преобразователем синусоидального напряжения в прямоугольное. В этой же схеме осуществляется преобразование напряжения U_вх2 в длительность импульса t_и.

Рисунок 55 - Напряжения на входе и вы­ходе компаратора

Наряду с простейшей схемой компаратора находит широкое применение схема компаратора с ПОС (рис. 56, а), называемая также пороговым эле­ментом или триггером Шмитта. В такой схеме уровни включения и выключения не совпадают. В схеме применена ПОС че­рез цепочку R1R2, а входной сигнал подается на инверти­рующий вход ОУ.

На рис. 56, 6 построена передаточная характеристика этого компаратора. При значительном отрицательном напряжении на инвентирующем входе ОУ U_вых = U_{вых max}.

При увеличении входного напряжения в момент U_вх ≈ U_неинв. (U_ср – срабатывания или порога) компаратор переключается в состояние U_вых = U ^-_{вых max}. Соответственно при уменьшении входного напряжения происходит обратный процесс.

Наличие ПОС ускоря­ет переключения компаратора, так как процесс переключения будет иметь лавинообразный процесс. Такой ускоренный ход переключения какого-либо устройства под действием ПОС носит название регенеративного процесса. Переда­точная характеристика компаратора рис. 56, б имеет гистерезисный характер и переключение компаратора при увеличении и уменьшении U_вх происходит при разных на­пряжениях.

Рисунок 56 - Схема компаратора с поло­жительной обратной связью (а) и его переда­точная характеристика (б)

Триггеры

Триггер (trigger – курок) - электронное устройство, обладающее двумя устойчивыми состояниями и способное скачком переходить из одного состояния в другое под воздействием внешнего импульса.

Каждому состоянию триггера соответствует определённый (высокий или низкий) уровень выходного напряжения. Два устойчивых состояния:

1) триггер установлен в единичное состояние – уровень «1» на выходе

2) триггер сброшен в нуль - уровень «0»

Установившееся состояние сохраняется сколь угодно долго и может быть изменено внешним импульсом или отключением напряжения питания.

Т.о. триггер являются элементарным элементом памяти, способным хранить наименьшею единицу информацию (один бит) «0» или «1».

Триггеры применяются как переключающие элементы самостоятельно или входят в состав более сложных цифровыхустройств, таких как счётчики, делители частоты, регистры, элементы памяти и др.

Триггеры строятся на дискретных элементах, логических элементах, на ИМС или входят в состав ИМС.

Триггеры характеризуются большим разнообрази­ем. Их отличают функциональный признак, определяющий поведение триггера при воздействии сигнала управления, а также используемый способ управления.

- по функциональному признаку различают триггеры типов RS-, D-, Т-, JK-

- по способу уп­равления триггеры подразделяют на асинхронные и тактируе­мые

В асинхронных триггерах переключение из од­ного состояния в другое осуществляется непосредственно с поступле­нием сигнала на информационный вход. В тактируемых триггерах помимо информационных входов имеется вход такто­вых импульсов. Их переключение производится только при наличии разрешающего, тактирующего импульса.

- по числу ступеней триггеры делятся на однотактные и двухтактные

В однотактных триггерах информация на входах появляется практически одновременно с приходом информационного или синхроимпульса. Такие схемы срабатывают по перепаду сигнала 0 - 1 (по фронту синхроимпульса). В двухтактных триггерах переключение элементов происходит в два приёма и сигнал па выходе является с задержкой. Они срабатывают по перепаду сигнала 1 - 0 (по спаду импульса).

RS-триггеры

Имеет два входа: S (set – устанавливать) – установка и R (reset) – сброс (рис. 57).

В зависимости от способа управления различают асинхронные и синхронные (тактируемые) RS-триггеры.

По информационному входу S производится установка триггера в состояние уровня «1», а по информационному входу R - установ­ка (перевод) триггера в исходное состояние уровня «0».

При наличии входа С триггер является синхронным – переключение триггера (изменение состояния выхода) может происходить только в момент прихода тактирующего (синхронизирующего) импульса на вход С.

Рисунок 57 - Условно-графическое обозначение RS-триггера и схема синхронного RS-триггера

Таблица 2 представляет собой таблицу состояний, которые может принимать триггер в процессе работы. В таблице указаны значения входных сигналов S и Rв неко­торый момент времени tⁿи состояние триггера (по значению его пря­мого выхода) в следующий момент времени tⁿ⁺¹после прихода оче­редных импульсов. На новое состояние триггера влияет также предыдущее состояние Q ⁿ.

Таблица 5 - Таблица состояний синхронного RS-триггера

Схема имеет два выхода: Q - прямой, Q -инверсный.

Асинхронный RS-триггер, как и триггер любого другого типа, характеризуется двумя состояниями: уровнем «1» и уровнем «0». Состоянию логической «1» соответствует Q=1, Q=0, состоянию логического «0» - Q=О, Q=1.

Переключение синхронного триггера (или подтверждение предыдущего состояния) происходит в момент появления на С-входе уровня единицы. Обычно сигнал «1» подается на С-вход на небольшой промежуток времени в виде так называемого тактового С-импульса.

При комбинации S = R = 1 (последняя строка снизу в таблице переходов) состояние на выходе Q = Q = 1. Триггер принимает не­определенное состояние. По указанной причине данная комбинация сигна­лов является запрещенной.

Значениям сигналов на входе S = R = 0 соответствует сохранение триггером предыдущего состояния (третья строка сверху в таблице 5).

Пусть до появления такой комбинации сигналов на вхо­дах в триггере был записан логический «0» (Q = 0, Q = 1). При на­личии S = R = 1 имеем на обоих входах элемента &, по логической «1». Это обусловливает Q = 0. На нижнем входе элемента &, будет логи­ческий «0», что дает Q = 1.

Работу триггера также можно рассматривать с помощью временных диаграмм (рис. 58).

Рисунок 58 – Временные диаграммы работы асинхронного RS-триггера

RS-триггеры являются простей­шими триггерами, однако они получили широкое распространение в импульсной и цифровой технике, в частности, они служат основой триггеров дру­гих типов.

D-триггер

D-триггер (от англ. delay – задержка) имеет один информационный вход и тактируемый (синхронизирующий) вход (рис. 59). D-триггер запоминает и хранит на выходе Q сигнал, который был на информационном входе D в момент прихода тактового импульса С. Т.о. триггер хранит информацию, записанную при С=1.

На рисунке 60 приведены временные диаграммы работ триггера.

Рисунок 59- Условно-графическое обозначение D-триггера

Таблица 6 - Таблица состояний D-триггера

Рис. 60- Временные диаграммы работы D-триггера

T-триггеры

Т-триггеры (tumble – опрокидываться, кувыркаться), называемые также счётными триггерами, имеют один информационный вход Т. Каждый импульс (спад импульса) на Т-входе (счетном входе) переключает триггер в противоположное состояние.

На рисунке 61 показа условно-графическое обозначение (а) Т-триггера и временные диаграммы работы (б).

Рисунок 61- а - УГО, б - времен­ные диаграммы и таблица состояний Т-триггера

JK-триггеры

На рисунке 62 изображён универсальный – JК-триггер (от англ. jump – скачок, kеер – держать). Триггер имеет два информационных входа J и К, и тактируемый вход С.

При соответствующем подключении входов, триггер может выполнять функции RS-, D-, T-триггеров, т.е. является универсальным триггером. Кроме того, триггер не имеет запретных комбинаций.

Если J = К = 1 он изменяет свое состояние на противоположное. При J = К = 0 триггер после С-импульса сохраняет предыдущее состояние, при J = 1, К = 0 переходит в «1», а при J = 0, К = 1 – в «0».

Рисунок 62 – JK-триггер: структура (а), УГО (б),

полная (в) и сокращенная (г) таблицы состояний