Лекция 3. Преобразователи динамических параметров сигнала

К релаксационным схемам обычно относят функциональные узлы, у которых значения выходных сигналов изменяются во времени по закону, определяемому внутренними параметрами узла. Это изменение является следствием периодического или непериодического переходного процесса. В описание функционирования подобных узлов время входит в явном виде. Эти схемы обеспечивают решение таких задач, как затягивание импульсов, контроль периодичности процессов, синтез частот, кратных опорной, синхронизация устройств по внешнему сигналу, генерация опорных сеток импульсов, продвижение информации в ЗУ с последовательным доступом, преобразование напряжение – частота.

Начнем со схем, изменяющих динамические параметры сигналов. Наиболее существенными динамическими параметрами импульсных сигналов являются крутизна их фронтов и срезов, а также временные интервалы между ними.

При изменении крутизны фронтов в устройствах цифровой техники обычно руководствуются задачей получения максимальной крутизны, т.е. прямоугольной формы импульсов. Задача формирования заданной крутизны (в частности, пилообразных и треугольных импульсов) рассмотрена в курсе аналоговой электроники, а фронты в форме экспоненты формируются тривиально с помощью RC-цепочек, а чаще всего спонтанно из-за действия паразитных емкостей и др. параметров соединительных линий. Для увеличения крутизны фронтов используются как логические элементы со стандартной статической характеристикой, так и специальные устройства.

A. Любой стандартный ЛЭ в допустимой для него полосе частот увеличивает на выходе крутизну фронтов входных импульсов примерно в 20 раз, однако при прохождении фронтов в выходных каскадах этих ЛЭ возникают существенные сквозные токи (до 30 мА), т.к. оба плеча находятся в активном режиме, что создает помехи по цепям питания для других микросхем. Поэтому в качестве формирователей желательно использовать элементы с пассивным выходом, организуя его на базе ЛЭ с ОК и резистора, номинал которого выбирается максимально возможным, исходя из параметров последующих логических элементов.

Б. Можно получить элемент с релейной характеристикой, охватив два инвертора жесткой обратной связью, как, например, в /5/, где приведена схема формирования меандра из синусоиды (рис. 9). Однако параметры такого реле нестабильны во времени и изменяются от образца к образцу.

B. Выпускаются специальные ИМС с релейной характеристикой. Они называются триггерами Шмитта. Кодировка этого типа микросхем – ТЛ. На рис. 10 приведены варианты УГО триггера ТЛ1 и его статическая характеристика. Уровень U_L составляет 0,9 В, уровень U_Н – 1,7 В.

Рис. 9

В семействе ТТЛ есть также микросхема TЛ2 (6 инверторов с релейной характеристикой) и ТЛ3, аналогичная ЛA3, но с релейной характеристикой. Наличие гистерезисного участка может быть как недостатком, так и средством повышения помехоустойчивости.

Рис. 10. Варианты УГО ТЛ1 и его характеристика "вход-выход"

Г. Если порог формирования фронта нужно выдержать достаточно точно и без гистерезиса (обычно на уровне 1.4 В), то следует применить компаратор (см. указание Г по преобразованию уровней сигналов), задав этот порог с помощью прецизионного потенциометра. Подобное решение применяется редко, т.к. влечет бóльшие аппаратные затраты, чем схема на ТЛ.

Следующая группа преобразователей предназначена для изменения взаимного расположения (фазы) фронтов и интервалов между фронтом и срезом, т.е. длительности импульсов.

К этой группе задач принадлежат:

(А) формирование импульса начального сброса при включении питания;

(Б) задержка распространения импульса на Δt;

задержка фронта импульса на Δ\t ;

задержка среза импульса на Δt;

(В) формирование импульсов малой длительности при приходе фронта импульса (распространенное наименование соответствующего узла – детектор фронта);

то же в момент среза импульса (детектор среза);

то же в моменты и фронта, и среза (детектор событий);

(Г) селекция импульсов по длительности (селектор событий);

(Д) формирование импульсов заданной длительности по фронту и/или срезу входного импульса (одновибратор), в том числе формирование импульсов по сигналу от механических контактов;

(Е) формирование серий импульсов на время входного импульса (управляемый мультивибратор).

Рассмотрим узлы для решения перечисленных задач.

А. Для предопределённого функционирования после подачи питания все последовательностные схемы имеют вход начальной установки (сброса) в заданное состояние (подачей лог.0 или лог.1 в течение короткого промежутка времени). На рис. 11,а приведена цепочка установки, выдающая и лог.0, и лог.1. Здесь элемент X может быть триггером Шмитта или л огическим элементом с пассивным выходом (ОК+R_K). На рис. 11,б такая же цепочка организована на транзисторе (применялась в старых устройствах ЧПУ). Цепочка на рис. 11, в

Рис. 11

позволяет как формировать сигнал начальной установки автономно, так и передавать его от внешнего, общесистемного источника.

Б. Используя конечность времени переключения логического элемента (задержки распространения), можно организовать задержку на t_зр, поставив ЛЭ в виде цепочки. Но получаемые времена весьма малы, так для K155ЛH1 (6 инверторов) получим около 60 нс, для К531ЛН1 – около 20-25 нс. Бóльшие времена задержки дает применение RC-цепочек (рис. 11, г). Здесь резистор R1 приближает время заряда емкости к времени ее разряда.

Изобразите в тетради выходной каскад стандартной ТТЛ (см. рис. 6 в /4/) на месте элемента Х, подключите к нему изображенную на рис. 11, г цепочку, на ее выходе изобразите входной каскад ТТЛ. Проанализируйте цепи заряда и разряда емкости, учитывая, что сопротивление R1 в базе входного каскада ТТЛ значительно больше R1 и R2 RC-цепочки.

Если требуется, наоборот, сделать эти времена разными – для сдвига только фронта или только среза, то R1 ставить не нужно, а последовательно или параллельно с R2 следует включить диод в соответствующем направлении (проанализируйте результаты по вашей схеме). Ещё один вариант – применение специальных линий задержки на пьезоэлементах.

В. Для формирования импульсов или пауз малой длительности при появлении фронта или среза входного сигнала применяют узлы, функциональная схема которых может быть сведена к рис. 12, а. Часто их называют разностными преобразователями. В зависимости от логической (функции элемента X (И, ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ) можно получить тот или иной сигнал, а в качестве элемента задержки использовать как цепочку логических элементов, так и RC-цепи или пьезоэлементы. Подробно такие узлы рассмотрены в /5/.

Интересная схема получается, если в качестве X использовать функцию М2 (неравнозначность), как, например, на рис.12, б. Нетрудно показать, что данная схема будет являться детектором событий (и фронтов, и срезов), равно как и приведенные на рис.13, а и б. Эти схемы можно использовать в счетчиках событий и в качестве удвоителя частоты сигнала.

Анализ результатов использования в качестве F элементов И, ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ – самостоятельно

Рис. 12

Рис. 13

Г. Задача селекции импульсов по длительности решается, например, для отсекания кратковременной, но высокоамплитудной помехи. Вариант такого селектора приведен на рис. 14 при х'=1. Видно, что схема представляет собой сочетание RS-триггера и формирователя коротких импульсов.

Рис. 14

Для решения задач Д и Е (см. с. 31) используются специализированные микросхемы, рассматриваемые ниже. Все они имеют дискретный по уровню выход, т.е. параметром выходного сигнала является только время (длительность импульса или паузы, сдвиг между импульсами по фазе, частота генерации и т.п.).

К ним примыкают функционально близкие узлы на цифровых пересчетных схемах. Эти узлы могут иметь как дискретный, так и аналоговый выход (цифровые генераторы сигналов специальной формы).

Как известно студентам из пройденных курсов электронных устройств, особенностью аналого-импульсных узлов являются простота их структуры и малый расход комплектующих. Эти свойства можно отнести к их преимуществам. Однако, студентам известны и недостатки таких узлов: необходимость введения дополнительных цепей для стабилизации параметров узла, сложность расчета выходных (временных) величин, неточность отработки расчетных значений в результате разброса параметров комплектующих и др. В то же время узлам на цифровых элементах при большей сложности схемных решений свойственны регулярность структуры, однозначность результатов проектирования, стабильность выходных параметров (частоты, формы сигнала, вида импульсной последовательности), гибкость в управлении этими параметрами.

Все сказанное обуславливает необходимость многофакторного анализа при выборе конкретных технических решений.