Учебный стенд триггера Шмитта

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Специальная часть

1.1 Назначение учебного стенда триггера Шмитта

Назначение:

Учебный стенд предназначен для проведения всего комплекса теоретических, практических и лабораторных работ по изучению конструкциии деталей и узлов, принципов и физических процессов, режимов и основных характеристик триггера Шмитта.

Стенд позволяет выполнять студентам и слушателям семинаров повышения квалификации лабораторные работы по следующим направлениям:

- изучение принципа работы путем испытания элементов триггера Шмитта;

- изучение принципа работы триггера Шмитта путем разработки с последующей сборкой схем триггера;

- изучение основ техники проведения испытательных работ и обработки результатов испытаний;

- изучение основ поиска неисправностей и технической диагностики в триггере Шмитта.

Область применения:

Для высшего и среднего профессионального образования, для учебных заведений по подготовке электронщиков, специалистов по проектированию и техническому обслуживанию компьюторов, повышению квалификации работников промышленных предприятий.

Достоинства:

- Соответствие международному научно-техническому уровню и современный дизайн учебного оборудования;

- Реальность, наглядность воспроизведения всех функций и измерение основных параметров триггера Шмитта;

- Возможность имитации и диагностирования неисправностей с анализом их влияния на характеристики триггера Шмитта, получение навыков в техническом обслуживании;

- Возможность самостоятельного изучения системы триггера Шмидта;

- Экологическая, пожарная и электрическая безопасность;

- Учебный лабораторный стенд по триггеру Шмитта позволяет проводить до 26 работ.

Соответствие ГОСТам:

Основные методы исследования характеристик триггера Шмитта элементов согласованы с методиками, приведенными в стандартах: ГОСТ 20245-74 «Основы теории и организации ЭВМ»; ГОСТ 28971-91 «Основы микропроцессорной техники»; ГОСТ 14658-86 «Популярные цифровые микросхемы»; ГОСТ 20719-83 «Применение интегральных микросхем памяти»; ГОСТ 18464-96 «Программирование, типовые решения, методы отладки». Стенд предусматривает постоянное наращивание номенклатуры исследуемых элементов и схем триггера в пределах установочной мощности, не более 1,5 кВт на одно рабочее место при рабочем давлении не более 6,3 МПа. Стенд соответствует требованиям безопасности по ГОСТ 12.2.040 и ГОСТ 12.2.086.

1.2 Придаточные характеристики обычного инвертора и триггера Шмитта с инверсией

В данной схеме понижение порога переключения Uт до 1,5В обеспечивалось за счёт понижения питания входного инвертора (транзисторы VT2, VT3) транзисторами VT1, VT4 с закороченным затвором, выбором соответствующих размеров транзисторов VT2, VT3 и их оптимизацией с учетом воздействия ИИ.

Все ИС серии буферизированы по выходу для обеспечения требований по выходным токам и напряжениям и оптимизированы для работы в условиях воздействия ИИ и расширенного диапазона температур.

Особый класс в серии ИС представляет собой ИС с «тремя состояниями» выхода, допускающих объединение нескольких выходов по схеме «Монтажное “ИЛИ”».

Схема содержит управляющие транзисторы VT4, VT6, которые при включении укорачивают затворы выходных транзисторов VT7, VT8 с шинами +Ucc и OV соответственно, и VT2, VT5, которые включаясь, разъединяют затворы выходных транзисторов VT7, VT8 и переводят их в высокоимпедансное третье состояние. При обратных процессах переключения управляющих транзисторов VT2, VT4, VT5, VT6 схема переходит в конфигурацию обычного КМОП инвертора. Такую схему ЭС с «тремя состояниями» отличает меньшее количество транзисторов и более высокое быстродействие.

Особую проблему для серии быстродействующих КМОП логических ИС вследствие крутых фронтов выходных сигналов составляет проблема “выбросов” на выходных сигналах, генерируемых на паразитных индуктивностях цепей питания ИС.

Задача уменьшения «выбросов» на выходных сигналах решалась оптимизацией RС-цепей выходных каскадов для более плавного формирования фронтов выходных сигналов без существенного снижения быстродействия.

Другое немаловажное требование к КМОП интегральным схемам, которое диктуют современные условия их применения - это устойчивость к воздействию статического электричества.

Основным требованием, которое предъявляют к элементам защиты, является эффективность отвода заряда, характеризующаяся тем, что нарастание потенциала на входе в режиме воздействия статического электричества не должно приводить к необратимому пробою подзатворного диэлектрика или тепловому пробою p-n-переходов элементов схемы защиты.

В связи с тем, что импульсные токи в момент разряда могут иметь большие значения (например, через схему защиты, устойчивую к электрическому разряду на уровне 3 кВ протекает импульсный ток 2А), эффективность схем защиты во многом определяется их конструкцией, площадью и значением сопротивления.

Защита входа ИС состоит из двух ступеней. Первая ступень включает диоды VD1 и VD3 - «вход-питание» и VD2 - «вход-земля».

Для ограничения уровня потенциала на входах ЭС, который обусловлен физической инертностью по времени работы диодных структур последовательно диодам включён ограничивающий диффузионный резистор R=300+-100 Ом. В непосредственной близости от входного ЭС на кристалле ИС расположена вторая ступень защиты, содержащая КМОП транзистор VT1 и n-MОП транзистор VT2 в диодном включении, стоки которых подключены к элементам входного буфера (затворам или стокам входных транзисторов).

1.3 Реакция на искаженный входной сигнал инвертора и триггера с инверсией

В многоканальном режиме коммутатор работает в динамике, переключаясь с одного канала на другой с частотой, равной программно-установленной частоте АЦП. Например, для частоты АЦП 400 кГц время от момента коммутации до срабатывания устройства выборки-хранения АЦП составляет 2,5 мкс.

Межканальное прохождение, а также помехи, вызванные коммутацией, будут малы, если за это время переходный процесс (вызванный явлением инжекции заряда в аналоговом ключе в момент коммутации) во входных цепях АЦП полностью завершится.

Длительность переходного процесса напрямую зависит от импеданса источника сигнала по отношению к входам АЦП, а также от длины линий.

Так, для частоты АЦП 400 кГц на диапазонах 10V...2.5V для получения межканального прохождения сигнала менее -75...-80 дБ (для 14 - битных АЦП в дифференциальном режиме длина проводов до источника сигнала не должна превышать 1.5 метра, а сопротивление источника сигнала в полосе частот до 2 МГц не должно превышать 1 кОм). Для меньших частот АЦП для получения того же межканального прохождения допустимые длины проводов и выходное сопротивление источника сигнала будут больше.

На меньших входных диапазонах (менее 2.5V) межканальное прохождение также будет увеличиваться за счёт увеличения требуемого времени установления переходного процесса в аналоговом тракте при больших коэффициентах усиления.

Существует и ещё один негативный фактор, который может резко влиять на межканальное прохождение и искажение сигнала - это превышение установленного входного диапазона.

Представьте, что на вход канала с установленным диапазоном 2.5V подан входной сигнал 10V.

От такого сигнала усилитель войдет в ограничение (то есть нелинейный режим), а выход из такого состояния требует дополнительного времени. Это может создать дополнительные искажения в следующем (по порядку опроса) канале.

Итак, для получения минимального межканального прохождения сигнала, минимальных помех и минимальных искажений сигнала n:

- Обеспечьте наименьший импеданс (внутреннее сопротивление) источника сигнала, если это возможно.

- установите наименьшую частоту АЦП, которая приемлема для Вашей задачи.

- обеспечьте наименьшую длину проводов до источника сигнала.

- выбирайте больший входной диапазон АЦП по напряжению, если это удовлетворяет Вашей задаче.

- Не допускайте превышение установленного диапазона сигнала.

- Исключите опрос канала, линии которого не подключены.

- Если есть выбор: применить дифференциальное или однофазное подключение, --- всегда выбирайте дифференциальное.

- Примените особый случай подключения входных сигналов “по току”.

Типичные схемы подключения входных аналоговых сигналов приводятся в соответствующих руководствах на АЦП. В этих схемах длины проводов имеют большое значение.

Помимо этого существует особый случай подключения входных цепей “по току”, при котором длина входных проводов не оказывает существенного влияния на межканальное прохождение. Это подключение входных сигналов как источников тока. На рисунке 1.1 приведены два случая такого подключения для 16-ти и 32-канального режима АЦП. В этих примерах резисторы должны иметь сопротивления 75...500 Ом (в идеале, чем ближе к волновому сопротивлению линии, тем лучше).

При этом источник сигнала должен обеспечивать соответствующий выходной ток для раскачки входного напряжения на требуемом входном диапазоне АЦП. Огромное преимущество этого способа в том, что длина проводов L не оказывает существенного влияния на длительность переходного процесса на входе АЦП, поскольку фактически малый импеданс источника сигнала уже обеспечен.

В цифровых устройствах на микросхемах большую роль играют различные формирователи импульсов - от кнопок и переключателей, из сигналов с пологими фронтами, дифференцирующие цепи, а также мультивибраторы. В данном разделе книги рассмотрены некоторые вопросы построения таких формирователей и генераторов на микросхемах серий КМОП.

Рисунок 1.1 - Формирование длинного импульса с помощью триггера Шмитта

а) Формирование импульсов без активных элементов

б) формирование короткого импульса от кнопки

в) формирование короткого импульса от кнопки

Все рассмотренные выше схемы подавления дребезга требовали применения переключающих контактов кнопок. Если выполнение этого требования затруднено, возможно, использование устройств по схемам рисунок 1.1 (б, в).

Цепь на схеме рисунок 1.1 (б) формирует короткий импульс отрицательной полярности (порядка 0,7 мкс на уровне 0,5) в момент первого касания контактов кнопки, в результате чего конденсатор С1 быстро заряжается через резистор R2.

Дальнейший дребезг контактов кнопки не влияет на выходное напряжение, так как разряд конденсатора С1 происходит через резистор R1 значительно большей величины.

Если необходимо получить длительность выходного импульса, равную длительности нажатия на кнопку с одной парой контактов, можно использовать подавление дребезга с помощью интегрирующей цепи и триггера Шмитта (рисунок 1.1, в). Дребезг импульса на резисторе R1 сглаживается цепью R2C1. Триггер Шмитта DD1 формирует крутые фронты выходного сигнала.

Для преобразования напряжения из синусоидального или другой формы с плавными фронтами в прямоугольные импульсы с хорошей формой используются триггеры Шмитта (рисунок 1.1). Для этой схемы эффективное значение входного напряжения синусоидальной формы должно составлять от 0,25 до 0,5 напряжения питания.

Описанные в первом разделе триггеры микросхем К561ТЛ1 и КР1561ТЛ1, а также триггер на основе микросхемы К176ЛП1 имеют неизменяемые пороги переключения. При необходимости использования триггеров Шмитта с другими порогами можно строить их, охватывая обратной связью неинвертирующий логический элемент и подавая входной сигнал через резистор (рисунок 1.1). Пороги включения Uвкл и выключения Uвыкл такого триггера можно найти по формулам:

Uвкл= (1 + R1/R2)Uпор (1.1)

Uвыкл=Uпор-(Uпит-Uпор)R1/R2 (1.2)

где Uпор - пороговое напряжение логического элемента.

Рисунок 1.2 - Преобразователь синусоидального напряжения в прямоугольные импульсы



Рисунок 1.3 - Триггер Шмитта на неивертирующем логическом элементе

Обычно пороговое напряжение логических элементов близко к половине напряжения питания, поэтому пороги включения и выключения можно вычислить по формулам:

Uвкл = (1 + R1/R2)Uпит/2 (1.3)

Uвыкл=(1-R1/R2)Uпит/2 (1.4)

Ширина петли гистерезиса Uг (разность порогов включения и выключения) не зависит от Uпор и равна:

Uг=UпитR1/R2 (1.5)

Для формирования коротких импульсов из перепадов на выходах микросхем применяют дифференцирующие цепи. На рисунок 1.3 (а) показана дифференцирующая цепь для получения импульса по фронту входного импульса положительной полярности, на рисунок 1.3 (б) - по спаду.

Диоды VD1 и VD2 являются защитными и входят в состав микросхем серий К561, КР1561,564 и серии К176 выпуска последних лет.

Как указывалось в первом разделе, в микросхемах серии К176 старых выпусков установлен только один диод - стабилитрон VD2 с напряжением включения порядка 30 В.

Резистор R2 служит для ограничения входного тока через конденсатор СГи входные диоды VD1 и VD2.

Нагружая микросхему - источник сигнала, этот ток увеличивает длительность фронта на выходе микросхемы - источника, а ток более 20 мА, текущий через защитные диоды, может привести к порче микросхем, подключенных к входу и выходу дифференцирующей цепочки, особенно при питании устройства от источника питания с напряжением более 9 В.

Рисунок 1.4 - Дифференцирующие цепочки

а) по фронту импульсов

б) спаду импульсов

Сопротивление резистора R2 выбирают порядка 3...10 кОм, если напряжение питания менее 9 В и увеличение нагрузки на микросхему - источник сигнала не является принципиальным, этот резистор не ставят.

Рисунок 1.5 - Формирователь импульсов по фронту и спаду входного сигнала

Эффективная длительность импульсов на выходе дифференцирующей цепочки 0,7R1C1, длительность спада - 2R1C1.

В радиолюбительских конструкциях для формирования коротких импульсов из перепадов можно встретить так называемую RCD-цепь, схема одного из вариантов которой приведена на рисунок 1.5, иногда она используется без диода.

Такая цепь по результату своей работы эквивалентна простейшей дифференцирующей цепочке, но сложнее ее, не имеет никаких преимуществ и поэтому не может быть рекомендована к применению.

В этом отношении интересна цепь по схеме рисунок 1.4, формирующая короткие выходные импульсы по фронту и спаду входного. Длительность импульсов на выходе формирователей по схемам рисунок 1.4 и 1.3 такая же, как и для дифференцирующей цепочки, - 0.7R1C1.

Импульсы с фронтами или спадами длительностью более 10 мкс, поступая на входы микросхем КМОП, могут вызывать их генерацию, неустойчивую работу триггеров и счетчиков, поэтому при необходимости получения импульсов с длительностью более 10 мкс после дифференицуюшей цепочки целесообразно установить триггер Шмидта.

Другим решением для формирования длительных импульсов является применение ждущих мультивибраторов.

Установки диапазона регулирования частоты резистором R2, этот диапазон может быть установлен от единиц процентов до нескольких десятков и даже ста раз.

Рисунок 2.6 - Генератор сетки частот

Для того чтобы регулировка частоты при помощи резистора R2 была эффективной, необходимо исключить ограничение перепадов напряжения, передаваемых через конденсатор С1, которое существует в традиционных схемах генераторов, на входных диодах элемента DD1.

Для этого установлен резистор R3, его сопротивление должно быть равно сумме сопротивлений резисторов R1 и R2 или несколько больше, чтобы, по крайней мере, в 2 раза уменьшить величину перепада. При меньшей величине или отсутствии R3 частота практически не изменяется, если сопротивление нижней по схеме части резистора R2 в сумме с R3 меньше сопротивления верхней части R2 в сумме с R1.

Чтобы сохранить строй при регулировке частоты, сопротивление резистора R3 должно быть в несколько десятков раз меньше, чем резисторов R4 - Rп. Для облегчения выполнения этого условия между выходом элемента DD2 и резистором R3 можно установить эмиттерный повторитель на транзисторе р-n-р.

Верхний вывод резистора R1 можно подключить “И” к общему проводу, но нагрузочная способность микросхем КМОП, так, же как ТТЛ, в единичном состоянии ниже, чем в нулевом, поэтому выполнение указанного выше условия в этом случае затруднено. Ориентировочные значения сопротивлений резисторов: R1 в сумме с R2 и R3 не менее 5 кОм, R1 - более 0,01R2, R4 - Rп - в 30 и более раз больше суммы R1 и R2. При наличии эмиттерного повторителя номиналы всех резисторов можно уменьшить в 10 раз.

Данный генератор удобно использовать для модуляции частоты импульсов, если на верхний по схеме вывод резистора R1 подать управляющее переменное напряжение.

На рисунок 1.7 (а) приведена схема генератора, в котором можно отдельно регулировать длительность импульса и паузу между импульсами. В генераторе по схеме рисунок 1.7 (б) можно в широких пределах регулировать скважность импульсов, практически не изменяя их частоту.

Рисунок 1.7 - Генератор импульсов с раздельной регулировкой

а) длительности и паузы между ними и с регулировкой

б) скважности

Запуск любого генератора и его останов можно производить установкой в качестве любого из DD1 - DD3 какого-либо двухвходового логического элемента (“И-НЕ”, “ИЛИ-НЕ”, Исключающее “ИЛИ”) и подачей на его второй вход управляющего сигнала.

На рисунок 1.8 приведена схема генератора, формирующего пачки импульсов с частотой заполнения 1000 Гц, частота повторения пачек - около 1 Гц, длительность - 0,5с. Генерация пачек происходит лишь при подаче лог. 1 на вход Запуск генератора. Первый импульс первой пачки появляется сразу после подачи разрешающего сигнала.

Рисунок 1.8 - Генератор пачек импульсов

На рисунок 1.8 приведена схема генератора, генерирующего на своем выходе импульсы, задержанные относительно момента подачи разрешающего сигнала.

Все генерируемые на Вых. 1 генератора импульсы имеют одинаковую длительность. Если сигнал разрешения снимается до окончания очередного импульса, импульс генерируется полностью. На Вых. 2 импульсы появляются сразу после подачи разрешающего сигнала, но последний импульс может быть неполной длительности.

Рисунок 1.9 - а) Управляемый генератор импульсов

б) вращения диаграмма его работы

Если необходимо совместить выдачу импульсов сразу после сигнала разрешения с обеспечением полной длительности последнего импульса независимо от момента снятия импульса разрешения, можно использовать генератор по схеме рисунок 1.9 (а).

Особенность этого генератора - его универсальность. Если входной запускающий импульс отрицательной полярности имеет длительность, меньшую периода колебаний генератора, на его выходах сформируется один импульс, то есть генератор действует как ждущий мультивибратор. При подаче входного импульса с длительностью, превышающей период, будет сформировано несколько импульсов полной длительности (рисунок 1.9, б).



Рисунок 1.10 - а) Универсальный управляемый генератор импульсов

б) временная диаграмма его работы

Простой управляемый генератор можно собрать на основе триггера Шмитта микросхемы К561ТЛ1 или КР1561ТЛ1 по схеме рисунок 1.10 (неуправляемый - на триггере рисунок 1.10).

Рисунок 1.11 - Генератор импульса на основе триггера Шмитта

При лог. 0 на входе Запуск на выходе - лог. 1. При подаче на вход Запуск лог. 1 на выходе появляется лог. 0, начинается разряд конденсатора С1.

Когда напряжение на нем доходит до нижнего порога переключения, на выходе появляется лог. 1 и начинается заряд конденсатора до верхнего порога переключения. Особенностью генератора является отсутствие резких бросков тока на начальных участках перезаряда конденсатора, характерных для описанных выше генераторов.

Триггеры Шмитта целесообразно также использовать в цепях установки начального состояния цифровых устройств в тех случаях, когда постоянная времени установления выходного напряжения источника питания велика и необходимо обеспечить большую длительность импульса сброса и его крутой спад (рисунок 1.11).

Рисунок 1.12 - Формирователь импульса начальной установки

При необходимости можно собрать генератор из двух ждущих мультивибраторов одной микросхемы КР1561АГ1, схема такого автогенератора приведена на рисунок 1.12 (без времязадающих цепей). Времязадающая RC-цепь ждущего мультивибратора DD1.1 определяет длительность положительных импульсов на выходе 1, RC-цепь, подключенная к DD1.2, - длительность паузы между ними.

Рисунок 1.13 - Генератор импульсов на микросхеме КР15661АГ1

При необходимости получения колебаний с частотой 100 Гц и менее для уменьшения габаритов применяемых конденсаторов удобно использовать задающий генератор на относительно высокую частоту с последующим делением частоты многоразрядным делителем К176ИЕ5, К176ИЕ12, К176ИЕ18, К561ИЕ16, КР1561ИЕ20. Особенно удобны для такого варианта первые три микросхемы, так как они содержат необходимые для построения задающего генератора элементы. На рисунок 1.13 приведена схема генератора на микросхеме К176ИЕ5. Задающий генератор собран на логических элементах DD1.1 и DD1.2, его схема эквивалентна схеме рисунок 1.13.

Выход задающего генератора внутри микросхемы подключен к делителю частоты на 512 DD1.3. Микросхема имеет еще один делитель частоты на 32 и 64 DD1.4. Вход этого делителя может быть подключен или к выходу задающего генератора F, или к выходу первого делителя, в последнем случае частота на выходе 15 будет в 32768 раз меньше частоты задающего генератора.

1.4 Формирователь импульса начальной установки по включению питания

Формирователь коротких импульсов с применением линий задержки. Формирователь коротких импульсов формирует импульсы, длительность которых существенно меньше длительности исходных импульсов. Для построения схемы формирователя потребуются один элемент конъюнкции, один инвертор и линия задержки. Длительность выходного импульса формирователя определяется длительностью времени задержки линии задержки Dtз и средним временем распространения сигнала через инвертор tз срЭ.

Использование в формирователях линий задержки не всегда оправдано экономически и из конструктивных соображений. Если не требуется формирование строго определенной длительности коротких импульсов, в формирователях в качестве линии задержки применяются логические элементы. Так как каждый логический элемент обладает свойством задерживать распространение сигнала, поэтому время задержки в такой схеме будет определяться числом используемых элементов логики n:

Dtз = tз срЭ1 + tз срЭ2 + . . . .+ tз срЭn = n tз срЭ, (1.6)

где tз срЭ - среднее время задержки одного логического элемента. Считается, что инвертор имеет значительно меньшее время задержки сигнала, и в качестве элементов задержки используются логические элементы с малым быстродействием.

Формирователь импульсов на элементах логики с использованием RC цепи. RC цепи широко применяются в импульсной технике для формирования сигналов различной формы. RC -цепь - это цепь состоящая из сопротивления R и конденсатора С. Постоянная времени этой цепи определяется как t = RC. В зависимости от сочетания соединений RС цепь может выполнять функцию как укорачивающей, так и удлиняющей цепей.

Длительность выработанного формирователем импульса можно вычислить исходя из условия разряда конденсатора С.

Действительно, пока конденсатор С разряжается до уровня порогового напряжения Uпор, напряжение U2 воспринимается элементом Э2 как уровень логической “1” и на его выходе поддерживается “0”. С течением времени tи напряжение на конденсаторе С становится равным Uпор и на выходе элемента Э2 появится “Длительность импульса равна времени разряда конденсатора до порогового значения Uпор”.

Для ускоренного восстановления заряда конденсатора в схему может быть включен дополнительный диод D1.

Из-за большого обратного сопротивления диода его влияние в процесс разряда конденсатора можно не учитывать, т.е. разряд конденсатора будет осуществляться только через сопротивление R.

В тех случаях, когда требуется получить импульсы большой длительности и в схеме используется конденсатор большой емкости, последовательно с диодом включают дополнительное сопротивлени Rдоб, ограничивающее ток заряда конденсатора.

Триггер Шмитта. Триггер Шмитта применяется для формирования входного сигнала произвольной формы в сигналы, принимающие два стандартных уровня ”0” и “1”. Положительная обратная связь между инверторами обеспечивается за счет резистора R1, включенного в общую цепь питания элементов. Для увеличения влияния цепи обратной связи, ток через второй инвертор увеличен путем включения дополнительного резистора R2 между выходом Э2 и источником питания.

Подобный формирователь на интегральных схемах серии К1533 удовлетворительно работает до частоты несколько мегагерц при подаче на вход синусоидального напряжения амплитудой 0,5 - 0,8 В.

В триггерах Шмитта положительную обратную связь можно ввести также путем включения резистора между выходом второго инвертора и входом первого.

Входное напряжение в этом формирователе подается через дополнительный резистор R1, сопротивление которого также влияет на глубину положительной обратной связи. Увеличение сопротивления этого резистора увеличивает коэффициент положительной обратной связи и уменьшает чувствительность формирователя к входному напряжению.

На практике, в качестве формирователей импульсов, часто применяют специальные интегральные схемы формирователей. Обозначение функционального назначения таких интегральных схем содержит две буквы “ТЛ”. Например, в серии К155: это интегральные микросхемы (ИМС) К155ТЛ1, К155ТЛ2, К155ТЛ3.

При проектировании цифровых устройств часто возникает задача четкого формирования импульсов от механических контактов (при срабатывании реле, кнопок, переключателей и т.д.), так как непосредственная подача этих сигналов на входы цифровых устройств недопустима из-за “дребезга” контактов. Дребезг контактов - это явление многократного неконтролируемого замыкания и размыкания контактов в моменты их соприкосновения и расхождения.

Это явление приводит к формированию пачки импульсов (вместо требуемого одиночного импульса или перепада напряжения), могущих вызвать многократное непредсказуемое срабатывание триггеров и счетчиков схемы цифрового устройства.

Существует множество вариантов построения цепей подавления импульсов дребезга контактов с помощью статического триггера, дифференцирующей и интегрирующей цепей, а также узла, обладающего свойствами интегрирующей цепи и триггера Шмитта.

Наиболее надежной и простой в схемном решении является схема подавления дребезга на статическом RC - триггере. Сигнал “0”, подаваемый с помощью переключателя к одному из входов этого триггера опрокидывает его. Причем при каждом срабатывании переключателя (кнопки) триггер реагирует на первое же замыкание соответствующей контактной пары и последующие замыкания уже не изменяют его состояние.

Недостатком такой схемы подавления дребезга является необходимость использования контактов на переключение, что не всегда приемлемо. В тех случаях, когда кнопка (переключатель) имеет всего одну пару контактов только на замыкание, применяются схемы, использующие постоянную времени перезаряда конденсатора.

Формирователь состоит из триггера Шмитта, на входе которого включена интегрирующая цепь (R2, C).

При замыкании контактов кнопки SB напряжение на входе цепи R2 C падает до нуля. Возникающее в процессе переключения кратковременные импульсы, вызванные “дребезгом”, сглаживаются интегрирующей цепью.

Постоянная времени интегрирующей цепи выбирается так, чтобы амплитуда пульсаций сигнала на её выходе была меньше порога чувствительности триггера Шмитта.

Рассматриваемый формирователь может работать и без сопротивления R2 (его включают в качестве токоограничивающего сопротивления через замкнутые контакты кнопки). Благодаря малому сопротивлению замкнутых механических контактов первое же их замыкание приводит к полному разряду конденсатора. Последующие же размыкания контактов, вызванные дребезгом, практически не увеличивают напряжение на конденсаторе вследствие относительно большой постоянной времени его заряда.

Формирователь импульсов на одном инверторе позволяет получить относительно большую постоянную времени перезаряда конденсатора при малой его емкости. При замыкании контактов кнопки конденсатор С быстро разряжается через R2. В отличие от рассмотренных выше формирователей, здесь на выходе вырабатывается импульс, длительность которого определяется постоянной времени RC цепи.

Для формирования импульсов от механических контактов можно использовать также одновибратор, схема которого будет рассмотрена ниже.

1.5 Построение генераторов цифрового сигнала

Микросхемы соединяются между собой печатными проводниками или плоскими кабелями. При распространении цифрового сигнала по этим проводникам он неизбежно искажается. В основном это выражается в затягивании фронтов и поэтому на приёмном конце его приходится восстанавливать.

Кроме того, часто приходится подавать на вход цифрового устройства обычные аналоговые сигналы (например, с выхода приёмника). Примерная форма сигнала на входе цифровой микросхемы приведена на рисунок 1.14.

Рисунок 1.14 - Пример сигнала на входе цифровой микросхемы

Как видно из приведённого рисунка, сигнал на входе микросхемы может принимать любые значения, в том числе и запрещённые для цифровых микросхем. Как уже обсуждалось ранее, это может привести к выходу цифровых микросхем из строя.

Для того, чтобы можно было обрабатывать такие сигналы, применяются специальные схемы, такие как триггеры Шмитта.

Триггер Шмитта представляет собой устройство, охваченное положительной обратной связью. Наличие положительной обратной связи приводит к практически мгновенному изменению напряжения на выходе схемы при превышении входным сигналом порогового напряжения. Схема триггера Шмитта, построенная на двух инверторах приведена на рис. 2.14.

Рисунок 1.15 - Схема триггера Шмитта

В этой схеме положительная обратная связь образуется двумя резисторами. Глубина обратной связи определяется соотношением между этими резисторами.

То, что часть сигнала с выхода схемы триггера Шмитта подаётся на её вход, приводит к тому, что вместо одного порога у неё имеется два порога. Один порог называется порогом срабатывания схемы (когда на выходе триггера Шмидта формируется единичный уровень).

Второй порог называется порогом отпускания (когда на выходе триггера Шмидта формируется нулевой уровень). Из-за наличия двух порогов триггер Шмитта имеет ещё одно название - схема с гистерезисом.

Наличие двух порогов отчётливо видно на рисунке 1.15, где на вход триггера Шмитта подано синусоидальное напряжение. Входной и выходной сигналы исследуемой схемы на этом рисунке совмещены. В результате пороги срабатывания триггера Шмитта можно определить по точкам пересечения синусоиды и выходного сигнала.

Рисунок 1.16 - Преобразование синусоидального сигнала в логический при помощи триггера Шмитта

Благодаря двум порогам схема нечувствительна к шумам на её входе. Ведь если триггер Шмитта перешёл в другое состояние, то для того, чтобы вернуть его в прежнее состояние нужно приложить напряжение, превышающее разность его порогов.

Такое полезное свойство триггера Шмитта привело к его широкому использованию в схемах, подверженных влиянию шумов, таких как, например, шумоподавители ЧМ приёмников.

В качестве примера можно привести сигнал на выходе компаратора при воздействии точно такого же синусоидального сигнала, как и на рисунке 1.16. Эти сигналы приведены на рисунок 1.16. Как видно из этого рисунок 1.16, в момент пересечения синусоидальным сигналом порогового уровня компаратора, на его выходе появляются усиленные шумы входного сигнала. Это приводит к формированию лишних импульсов на выходе схемы, что не всегда приемлемо для правильной работы цифрового устройства в целом.



Рисунок 1.17 - Преобразование синусоидального сигнала в логический при помощи компаратора

Следует отметить, что наличие двух порогов не приводит к изменению логики работы цифровых устройств. Посмотрите внимательно на сигналы, приведённые на рисунке 1.17. Если сдвинуть выходной сигнал относительно входного, то точки их пересечения совместятся на одном уровне.

То есть выходной сигнал триггера Шмитта можно рассматривать просто как задержанный относительно входа усиленный и ограниченный сигнал.

Ещё одно применение триггеры Шмитта нашли в качестве входных каскадов в системных шинах микропроцессоров. Мы помним, что входы цифровых микросхем нельзя бросать в воздухе, однако при работе на шину обязательным условием является возможность отключения источников цифровых сигналов от шины.

Для того чтобы при этом входы цифровых микросхем не оставались в воздухе, все проводники в шине подключают к источнику питания или к корпусу при помощи внешних резисторов.

Использование в качестве входных каскадов, подключённых к системной шине, триггеров Шмитта, позволяет избавиться от этих внешних резисторов.

Перечисленные выше причины привели к широкому распространению триггеров Шмитта. Условно-графическое изображение триггера Шмитта приведено на рисунок 1.17. Символ, изображённый, на рабочем поле этого логического элемента говорит о наличии гистерезиса (разности порогов срабатывания).

Рисунок 1.18 - Условно-графическое обозначение триггера Шмитта

В настоящее время производится, много готовых микросхем, в которых содержится сразу несколько триггеров Шмитта. Пороги в этих схемах установлены заранее. Например, в микросхеме 555ТЛ2 содержится сразу шесть триггеров Шмитта с разносом порогов 800мВ.

В КМОП микросхемах пороги срабатывания и отпускания устанавливаются на трети напряжения питания. Примером подобной микросхемы может служить КМОП микросхема К1561ТЛ1, в которой содержится четыре логических элемента “2И”, каждый вход которого обладает гистерезисом.

В настоящее время за рубежом широко распространены микросхемы малой логики, где в одном очень маленьком корпусе, обычно с пятью выводами, размещается одиночный логический элемент. В качестве примера одиночного триггера Шмитта можно назвать микросхемы SN74AHC1G14 или SN74LVC1G17.

Пример триггера, автоматически присваивающего уникальное значение ключевому полю таблицы.

Создадим генератор для уникальной идентификации клиентов:

CREATE GENERATOR NEWCLIENT;

создадим триггер для таблицы CLIENTS:

CREATE TRIGGER TBI_CLIENTS FOR CLIENTS

ACTIVE BEFORE INSERT POSITION 0

AS

BEGIN

NEW.CLIENT_ID = GEN_ID(NEWCLIENT, 1);

END.

В результате при создании новой записи полю CLIENT_ID будет автоматически присваиваться новое значение.

Однако при использовании генератора в триггере возникает проблема на клиентской стороне (например, в BDE, используемом в Delphi, C++Builder ...), когда клиентское приложение пытается перечитать только - что вставленную запись.

Поскольку триггер меняет значение первичного ключа вставляемой записи, BDE "теряет" такую запись и чаще всего выдает сообщение "Record/Key deleted".

Поскольку SQL-сервер не может сообщить клиентскому приложению о новом значении ключевого поля, необходимо сначала запросить уникальное значение с сервера, и только затем использовать его во вставляемой записи. Сделать это можно при помощи хранимой процедуры:

CREATE PROCEDURE GETNEWCLIENT

RETURNS(NID INTEGER)

AS

BEGIN

NID = GEN_ID(NEWCLIENT, 1);

END.

В Delphi, вы можете поместить компонент TStoredProc на форму, подсоединить его к данной процедуре, и например, в методе таблицы BeforePost написать следующее:

begin

if DataSource.State = dsInsert then

begin

StoredProc1.ExecProc;

ClientTable.FieldByName('CLIENT_ID').asInteger:=

StoredProc1.Params[0].asInteger;

end;

end.

После этого вышеприведенный триггер TBI_CLIENTS можно либо удалить, либо переписать так, чтобы генератор использовался только когда поле первичного ключа случайно приобрело значение NULL (например когда к таблице CLIENTS доступ осуществляется не через ваше приложение):

ALTER TRIGGER TBI_CLIENTS

AS

BEGIN

IF (NEW.CLIENT_ID IS NULL) THEN

NEW.CLIENT_ID = GEN_ID(NEWCLIENT, 1);

END.

Однако использование хранимой процедуры не всегда удобно - BDE может решить, что процедура, вероятно, изменяет какие-то данные на сервере, и в режиме autocommit завершит текущую транзакцию, что вызовет перечитывание данных Table и TQuery.

Более простым способом является получение значения генератора при помощи запроса:

SELECT GEN_ID(NEWCLIENT, 1) FROM RDB$DATABASE

При этом, если запрос помещен например в Query2, текст в BeforePost будет следующим:

begin

if DataSource.State = dsInsert then

begin

Query2.Open;

ClientTable.FieldByName('CLIENT_ID').asInteger:=

Query2.Fields[0].asInteger;

Query2.Close;

end;

end.

Такой способ более предпочтителен, чем использование хранимой процедуры для получения значения генератора, особенно при большом количестве генераторов.

1.6 Управляемый генератор на триггере

Краткие характеристики:

Генератор AnCom TDA-5-G предназначен для формирования измерительных сигналов при измерениях каналов ТЧ. Он ориентирован на использование в системах автоматизированного контроля совместно с анализатором AnCom TDA-5.

Генератор подключается к измеряемому каналу в качестве оконечного устройства или в разрыв между каналом и оконечным оборудованием (факс, модем, телефонный аппарат, и т.д.). При работе на коммутируемой линии обеспечивается удержание шлейфа по постоянному току.

Работа в режиме "Автономный генератор":

С помощью переключателей выбирается одна из 16-ти встроенных программ или один из двух вариантов замыкания шлейфа.

Генератор начинает выполнение программ по включении питания (на выделенных двух - или четырехпроводных линиях) или при поступлении второго звонка (на коммутируемых линиях).

Работа в режиме "Управляемый генератор":

Исходно прибор подключает линию к оконечному оборудованию и на фоне других сигналов осуществляет выделение ключевой последовательности. При ее обнаружении оконечное оборудование отключается от линии, прибор переходит в режим выполнения команд, поступающих от анализатора AnCom TDA-5.

Генератор возвращается в исходное состояние и подключает к линии оконечное оборудование после получения соответствующей команды или при отсутствии команд более 16 минут в режиме работы на коммутируемой линии.

1.7 Триггер Шмитта на обычных логических элементах

Любые цифровые микросхемы строятся на основе простейших логических элементов "НЕ", "ИЛИ", "И". В настоящее время используется несколько технологий построения логических элементов:

- транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ, TTL)

- логика на основе комплементарных МОП транзисторов (КМОП, CMOS)

- логика на основе сочетания комплементарных МОП и биполярных транзисторов (BiCMOS)

Простейшим логическим элементом является инвертор, который работает в соответствии со следующей таблицей:

Таблица 1.1 - Истинности логического инвертора

In	Out
0	1
1	0

Рисунок 1.19 - Изображение логического инвертора на принципиальных схемах

Чаще всего существуют не отдельные схемы логического "И", а более сложные схемы, выполняющие одновременно логическую функцию "И" и логическую функцию "НЕ" Таблица.

Истинности и изображение схемы, выполняющей логическую функцию "И-НЕ" изображены на рисунок 1.19 и таблица 1.1 соответственно:

Таблица 1.2 - Истинности схемы, выполняющей логическую функцию "И-НЕ"

X	Y	Out
0	0	1
0	1	1
1	0	1
1	1	0

Рисунок 1.20 - Изображение схемы, выполняющей логическую функцию "И - НЕ"

Точно также как не существует отдельных схем логического "И", выполненных по технологии ТТЛ, не существует отдельных схем логического "ИЛИ". Таблица истинности и изображение схемы, выполняющей логическую функцию "ИЛИ-НЕ" изображены на рисунок 1.20 и таблица 1.3 соответственно:

Таблица 2.3 - Истинности схемы, выполняющей логическую функцию "ИЛИ-НЕ"

X	Y	Out
0	0	1
0	1	1
1	0	1
1	1	0

Рисунок 1.21 - Изображение схемы, выполняющей логическую функцию "ИЛИ-НЕ".

Построение произвольной таблицы истинности:

Любая логическая схема без памяти полностью описывается таблицей истинности.

При построении сложных логических схем с произвольной таблицей истинности используется сочетание простейших схем "И", "ИЛИ", "НЕ".

При построении схемы, реализующей произвольную таблицу истинности, каждый выход анализируется (и строится схема) отдельно. Для реализации таблицы истинности при помощи логических элементов "И" достаточно рассмотреть только те строки таблицы истинности, которые содержат логические "1" в выходном сигнале. Строки, содержащие в выходном сигнале логический “0” в построении схемы не участвуют. Каждая строка, содержащая в выходном сигнале логическую "1", реализуется схемой логического "И" с количеством входов, совпадающим с количеством входных сигналов в таблице истинности.

Входные сигналы, описанные в таблице истинности логической "1" подаются на вход этой схемы непосредственно, а входные сигналы, описанные в таблице истинности логическим "0" подаются на вход через инверторы. Объединение сигналов с выходов схем, реализующих отдельные строки таблицы истинности, производится при помощи схемы логического “ИЛИ”. Количество входов в этой схеме определяется количеством строк в таблице истинности, в которых в выходном сигнале присутствует логическая "1".

Рассмотрим конкретный пример. Пусть необходимо реализовать таблицу истинности, приведенную в таблице 1.4:

Таблица 1.4 - Произвольная таблица истинности

Входы	Выходы
In0	In1	In2	In3	Out0	Out1
0	0	0	0	0	0
0	0	0	1	1	0
0	0	1	0	0	0
0	0	1	1	0	0
0	1	0	0	0	0
0	1	0	1	0	1
0	1	1	0	1	0
0	1	1	1	0	0
1	0	0	0	0	0
1	0	0	1	0	1
1	0	1	0	0	0
1	0	1	1	0	0
1	1	0	0	1	0
1	1	0	1	0	0
1	1	1	0	0	0
1	1	1	1	0	1

Для построения схемы, реализующей сигнал Out1, достаточно рассмотреть строки, выделенные красным цветом. Эти строки реализуются микросхемой D2 на рисунке 1.21. Каждая строка реализуется своей схемой "И", затем выходы этих схем объединяются. Для построения схемы, реализующей сигнал Out2, достаточно рассмотреть строки, выделенные зеленым цветом. Эти строки реализуются микросхемой D3.

1.8 Триггер Шмитта в подавлении дребезга контактов

При замыкании и размыкании переключателей в цепи возникают импульсные помехи (которые называются "шум" или "звон"), вызванные дребезгом контактов.



Рисунок 1.12 - Принципиальная схема, реализующая таблицу истинности, приведенную на таблице 1.4

Это явление часто возникает в системах на базе микроконтроллеров, где для ввода данных используется клавиатура, и дребезг может восприниматься как многократное нажатие клавиши. Звон возникает при установке и разрыве контакта путем нажатия на клавишу.

Помехи, вызванные дребезгом контактов, могут интерпретироваться как несколько размываний и замыканий ключа.

Если клавиша используется для управления устройством, то это устройство воспримет возникающие помехи как многократное нажатие клавиши, что вызовет значительные затруднения при его использовании.

Чтобы устранить данный эффект, используются специальные схемы или программные методы для подавления дребезга.

Один из простых схемотехнических способов устранения звона состоит в подключении RC-цепи.

В этой схеме время, требуемое для заряда/разряда конденсатора до порогового напряжения, маскирует "дребезг" контактов при переключении.

Можно также установить триггер Шмитта между схемой ключа и микроконтроллером, чтобы усилить эффект подавления звона. Недостатками этого метода являются дополнительные затраты на компоненты, которые должны быть установлены на плате, и дополнительное время, требуемое для заряда/разряда RC-цепи.

Значительно лучший способ избавиться от звона - сделать это программно. Если уровень напряжения на выходе ключа не изменяется в течение 20мс, то можно считать что дребезг окончился, и больше изменений состояния не ожидается.

1.9 Постановка лабораторного стенда триггера Шмитта

триггер шмитт инверсия сигнал инвертор

В результате проведенного анализа недостатков и достоинств лабораторного стенда ЛС2, а также с учетом технических и методических требований можно сформулировать основную задачу дипломного проекта:

1) Стенду необходимо иметь по возможности минимальные размеры. Это необходимо для того, чтобы на поверхности рабочего стола можно было бы разместить все необходимые приборы; ориентировочными размерами являются 260х440х80 мм.

2) Стенд должен быть устойчив к механическим вибрациям, которые могут возникнуть при эксплуатации прибора.

3) В целях повышения безопасности работы со стендом, его питание должно осуществляться от источника постоянного напряжения величиной 5В.

4) Стенд должен обеспечивать максимальную наглядность изучаемой схемы, для чего предлагается применить многоцветную лицевую панель.

5) Стенд должен иметь минимальное количество внешних соединительных проводников для коммутации, так как соединительные проводники контактных разъемов не обеспечивают надежного соединения.

6) Стенд должен давать учащимся практические навыки в сборке различных устройств, так как при этом теоретические сведения можно будет применить на практике. Поэтому минимальное количество внешних соединительных проводников определяется количеством и сложностью собираемых схем.

7) Стенд необходимо выполнить таким образом, чтобы в процессе проведения лабораторной работы можно было бы использовать минимальное количество приборов.

8) Стенд по своим функциональным возможностям должен обеспечивать проведение 10-13 лабораторных работ, для чего предусмотреть переключатель рода работ.

9) Элементной базой стенда должны быть интегральные микросхемы широко распространенных серий, и имеющих малое потребление, например серии К155, К551. Что касается индикаторных элементов, то они также должны быть доступными, например светодиоды АЛ307Б.

Все эти требования должны быть положены в основу разработки принципиальной электрической схемы, внешнего вида и конструкции стенда данного дипломного проекта.

1.10 Расчет надежности

Эксплуатационные показатели - это характеристики, определяющие качество выполнения изделием заданных функций. Общими из них для всех изделий длительного действия являются показатели надежности (долговечности), динамичности качества, эргономические показатели и экономичность эксплуатации.

Надежность - это свойство объекта (например, изделия) выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в допустимых пределах, соответствующих принятым режимам, условиям использования, технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортирования. Надежность включает свойства безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости.

Показателями надежности являются вероятность безотказной работы, средняя наработка на отказ, интенсивность отказов и др.

Вероятность безотказной работы P(t) - вероятность того, что в заданный момент времени t или в пределах заданной наработки, отказа в работе изделия не произойдет (отказ - событие, заключающееся в том, что изделие становится неспособным выполнять заданные функции с установленными показателями):

P(t) = N(t) / N₀ , (8.1)

где N₀ - число изделий, работающих в начале испытаний, N(t) - число изделий, работоспособных в конце промежутка времени t.

Интенсивность отказов (t) является функцией времени.

Типичный характер изменения интенсивности отказов (t) изделий от начала эксплуатации до списания представлен следующим графиком

Размещено на Allbest.ru