Общие сведения об элементах радиоэлектронных цепей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Общие сведения об элементах радиоэлектронных цепей

Радиоэлектронное устройство независимо от конструкции и технологии его изготовления представляет собой некоторое соединение элементов - резисторов, конденсаторов, диодов, источников электрической энергии и др. Совокупность соединенных определенным образом элементов устройства называется радиоэлектронной цепью.

Элементы цепи подразделяются на активные и пассивные. Основной признак активного элемента - это его способность отдавать электрическую энергию. К пассивным элементам относятся потребители и накопители электрической энергии.

В теории цепей рассматриваются идеализированные элементы, обладающие каким-нибудь одним свойством, - это, например, сопротивление, емкость, индуктивность, источники тока и напряжения.

По признаку зависимости параметров элементов цепи от приложенных напряжений и протекающих токов различаются линейные и нелинейные цепи.

Радиоэлектронная цепь считается линейной, если параметры ее элементов не зависят от токов и напряжений. Примером линейной цепи может быть цепь, состоящая из идеализированных элементов ни один из которых не зависит от протекающих токов и напряжений.

Цепь считается нелинейной, если параметры ее элементов зависят от токов и напряжений. Такими являются цепи, содержащие элементы сопротивления с нелинейными вольтамперными характеристиками, а также цепи с диодами, транзисторами и конденсаторами в виде p-n - перехода.

Цепи, параметры элементов которых меняются во времени по заданному закону, считаются параметрическими. Такие цепи чаще всего создаются из нелинейных элементов, параметры которых изменяются с помощью управляющих сигналов.

По признаку наличия или отсутствия источников электрической энергии внутри цепи различают активные или пассивные цепи. Активная - это цепь, содержащая внутренние источники энергии, например усилитель. Пассивная - это цепь, не содержащая внутренних источников энергии, например цепь, состоящая только из пассивных элементов - резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности.

Элементная база цифровых устройств

Вычислительные устройства, в которых кодирование и обработка информации осуществляются в двоичной системе счисления, называются цифровыми устройствами. Они состоят из множества элементов, которые электрическим воздействием легко перевести в одно из двух устойчивых состояний. Элементы цифровых устройств предназначены для запоминания информации, ее арифметической и логической обработки, формирования и усиления сигналов управления, преобразования и отображения входной и выходной информации и т. д.

Основой большинства элементов современных ЭВМ является транзистор - полупроводниковый прибор, способный преобразовывать электрические сигналы. Существует два типа транзисторов: биполярный с двумя взаимодействующими электронно-дырочными переходами и униполярный, или полевой.

Представление цифровой информации

На практике непрерывные сообщения можно представлять в дискретной форме. Непрерывность сообщений по величине не может быть реализована в связи с погрешностью источников и приемников информации и наличием помех в канале передали информации. Поэтому к непрерывным сигналам, отображающим сообщения, можно применять квантование по уровню и по времени, При квантовании по уровню совокупность возможных значений напряжения или тока заменяют конечным набором дискретных значений из этого из этого интервала. Квантование по времени предусматривает замену непрерывного сигнала последовательностью импульсов, следующих через определенные промежутки временя (рис. 1), называемых тактовыми. Если тактовые интервалы выбраны соответствующим образом, то потери информации не происходит. При одновременном введении квантования по времени и по уровню амплитуда каждой выборки будет принимать ближайшее разрешенное значение из выбранного конечного набора значений. Совокупность всех выборок образует дискретный или цифровой сигнал. Каждое значение дискретного сигнала можно представить числом. В цифровой технике такой процесс называется кодированием (дискретизацией), а совокупность полученных чисел--кодом сигнала.

A=((n-1)?(i=-1))a1h1

Здесь n - число знаков до запятой; m - число знаков после запятой. Последовательность цифр.

an-1,an-2, ...., a1, a0, a-1, a-2, ..., a-m

можно рассматривать как код числа в заданной системе счисления.

Логические элементы

Логические элементы -- устройства, предназначенные для обработки информации в цифровой форме (последовательности сигналов высокого -- «1» и низкого -- «0» уровней в двоичной логике, последовательность "0", "1" и "2" в троичной логике, последовательности "0", "1", "2", "3", "4", "5", "6", "7", "8"и "9" в десятичной логике). Физически логические элементы могут быть выполнены механическими, электромеханическими (на электромагнитных реле), электронными (на диодах и транзисторах), пневматическими, гидравлическими, оптическими и др.

Любые цифровые микросхемы строятся на основе простейших логических элементов:

"НЕ" - выполняет функцию инвертирования;

"И" - выполняет функцию логического умножения.

"ИЛИ" - выполняет функцию логического суммирования;

Рассмотрим эти элементы.

Инвертор

Простейшим логическим элементом является инвертор, который просто изменяет значение входного сигнала на прямо противоположное значение. Его функция записывается в следующем виде:

где черта над входным значением и обозначает изменение его на противоположное. То же самое действие можно записать при помощи таблицы истинности, приведённой в таблице 1. Так как вход у этого логического элемента только один, то его таблица истинности состоит только из двух строк.

Таблица 1

Таблица истинности логического инвертора

In Out

0 1

1 0

В качестве инвертора можно использовать обычный транзисторный усилитель с транзистором, включенном по схеме с общим эмиттером или истоком. Схема, выполненная на биполярном n-p-n транзисторе, позволяющая реализовать функцию логического инвертирования приведена на рисунке 1.

Элемент "И"

Следующим простейшим элементом является схема, реализующая операцию логического умножения "И":

F(x1,x2)=x1^x2

Элемент "ИЛИ"

Следующим простейшим элементом является схема, реализующая операцию логического умножения "И":

F(x1,x2)=x1Vx2

где символ V обозначает функцию логического сложения.

Элементы алгебры логики

Алгебра логики -- раздел математической логики, в котором изучаются логические операции над высказываниям]. Высказывания могут быть истинными, ложными или содержащими истину и ложь в разных соотношениях.

Базовыми элементами, которыми оперирует алгебра логики, являются высказывания. Высказывания строятся над множеством {B, , , , 0, 1}, где B -- непустое множество, над элементами которого определены три операции:

отрицание (унарная операция),

конъюнкция (бинарная),

дизъюнкция (бинарная),

а также константы -- логический ноль 0 и логическая единица 1.

Триггеры и их характеристики

Триггер (триггерная система) -- класс электронных устройств, обладающих способностью длительно находиться в одном из двух устойчивых состояний и чередовать их под воздействием внешних сигналов. Каждое состояние триггера легко распознаётся по значению выходного напряжения. По характеру действия триггеры относятся к импульсным устройствам -- их активные элементы (транзисторы, лампы) работают в ключевом режиме, а смена состояний длится очень короткое время.

Отличительной особенностью триггера как функционального устройства является свойство запоминания двоичной информации. Под памятью триггера подразумевают способность оставаться в одном из двух состояний и после прекращения действия переключающего сигнала. Приняв одно из состояний за «1», а другое за «0», можно считать, что триггер хранит (помнит) один разряд числа, записанного в двоичном коде.

При изготовлении триггеров применяются преимущественно полупроводниковые приборы (обычно биполярные и полевые транзисторы), в прошлом -- электромагнитные реле, электронные лампы. В настоящее время логические схемы, в том числе с использованием триггеров, создают в интегрированных средах разработки под различные программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС). Используются, в основном, в вычислительной технике для организации компонентов вычислительных систем: регистров, счётчиков, процессоров, ОЗУ.

Счетчики и регистры

Регистры - это устройства предназначенные для хранения информации, а также выполнение над ними некоторых логических преобразований. Регистры выполняются на триггерах, число которых соответствует числу разрядов в регистре.

Различают параллельные регистры, последовательные, последовательно-параллельные и параллельно-последовательные.

Регистры бывают парафазные и однофазные.

Однофазные - поступает код числа.

Парафазные - вместе с кодом числа поступает и его инверсия.

Счетчики - это устройства предназначенные для подсчета числа сигналов, поступающих на его вход и фиксация этого числа в виде кода хранящегося в триггерах. Количество разрядов счетчика определяется наибольшим числом, которое должно быть получено в каждом конкретном случае. Для подсчета и выдачи результата счетчики имеют один вход и n выходов, где n -количество разрядов.

По назначению счетчики подразделяются на: простые и реверсивные.

Простые счетчики- счетчики, работающие только на сложение или вычитание.

Суммирующий счетчик предназначен для выполнения счета в прямом направление, т.е. с приходом очередного сигнала показатель счетчика увеличивается на 1. Вычитающий счетчик предназначен для счета в обратном направлении, т.е. с приходом новогосигнала счетчик уменьшается на 1 Реверсивный счетчик может работать и на сложение и на вычитание.

По способу организации счета счетчики бывают: асинхронные или синхронные.

По способу организации цепей переноса между разрядами счетчика счетчики бывают: последовательные, параллельные и частичнопараллельные.

Импульсные сигналы и электронный ключ

В цифровых устройствах для передачи и хранения информации используются импульсные сигналы.

Используемые в ЭВМ импульсные сигналы несут двоичную информацию - большим значениям приписывается значение логической единицы, а малым - логического нуля (здесь и далее используем положительную логику). Импульсному сигналу соответствует в этом случае логический сигнал, равный в некоторые моменты времени логической единице, а в другие - логическому нулю.

Электронный ключ -- это устройство, выполненное, как правило, на транзисторе и предназначенное для получения импульсного (логического) сигнала. Электронный ключ - основа для построения более сложных цифровых устройств, включая микропроцессоры.

Генераторы и формирователи импульсов

На базе логических элементов цифровых устройств могут быть сконструированы разнообразные генераторы импульсов.

Генератор по схеме на рисунке 1 (используются элементы 2И-НЕ с открытым коллектором) вырабатывает импульсы в широком диапазоне частот - от единиц герц до нескольких килогерц. Зависимость частоты f (кГц) от емкости конденсатора С1 (пФ) выражается приближенной формулой f»3*105/C1. Скважность импульсного напряжения практически равна 2. При снижении напряжения источника питания на 0,5 В частота генерируемых импульсов уменьшается на 20%.

При реализации цифровых устройств различного назначения часто необходимо сформировать короткие импульсы по фронтам входного сигнала. В частности, такие импульсы используют для сброса счетчиков в качестве импульсов синхронизации при записи информации в регистры и т. д. На рисунке изображены схема и временные диаграммы формирователя коротких отрицательных импульсов по положительному перепаду напряжения на его входе. При изменении напряжения Uвх от низкого уровня до высокого этот перепад без задержки поступает на вход 13 элемента DD1.4. В то же время на входе 12 элемента DD1.4 напряжение высокого уровня сохраняется, в течение времени распространения сигнала через элементы DD1.1-DD1.3 (около 75 нc). В результате в течение этого времени на выходе устройства сохраняется напряжение низкого уровня. Затем на входе 12 устанавливается напряжение низкого уровня, а на выходе устройства - высокого. Таким образом, формируется короткий отрицательный импульс, фронт которого совпадает с фронтом входного напряжения. Чтобы такое устройство использовать для формирования отрицательного импульса по срезу входного сигнала, его надо дополнить еще одним инвертором рисунок

Цифровые автоматы на логических элементах

цифровая информация электронный ключ

Цифровые автоматы - это логические устройства, в которых помимо логических элементов имеются элементы памяти. Значение выходных сигналов такого устройства зависит не только от аргументов на входе в данный момент времени, но и от предыдущего состояния автомата, которое фиксируется элементами памяти. В качестве элементов памяти могут использоваться триггеры. Каждое внутреннее состояние цифрового автомата определяется исходным состоянием триггеров и последовательностью входных сигналов, действующих на входе в данный момент времени, поэтому такие устройства называются последовательностными схемами. К последовательностным схемам можно отнести - триггеры, счетчики, регистры. В общем случае структурная схема цифрового автомата может быть представлена в виде набора трех узлов - комбинационной схемы формирования выходных сигналов, комбинационной схемы формирования сигналов управления триггерами и, собственно, памяти.

Основные схемы усилителей на транзисторах

Принципиальные схемы усилителей на биполярных и полевых транзисторах: с общим эмиттером (а), общим истоком (б), общей базой (в) и общим затвором (г); Э, К, Б -- эмиттер, коллектор и база биполярного транзистора; И, З, С -- исток, затвор и сток полевого транзистора; еr -- источник усиливаемых колебаний; Rг, Rн -- эквивалентные сопротивления входной цепи и нагрузки; Ебэ, Екэ, Ези, Еси -- источники постоянного тока соответственно в цепях база -- эмиттер, коллектор -- эмиттер, затвор -- исток, сток -- исток. Название типа усилителя определяется тем, какая область (электрод) транзистора является общей для цепи источника усиливаемого сигнала и цепи нагрузки.

Операционный усилитель

Операционный усилитель (ОУ) -- усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, имеющий высокий коэффициент усиления. ОУ почти всегда используются в схемах с глубокой отрицательной обратной связью, которая, благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ, полностью определяет коэффициент передачи полученной схемы.

В настоящее время ОУ получили широкое применение как в виде отдельных чипов, так и в виде функциональных блоков в составе более сложных интегральных схем. Такая популярность обусловлена тем, что ОУ является универсальным блоком с характеристиками, близкими к идеальным, на основе которого можно построить множество различных электронных узлов.

Операционный усилитель на схемах очень часто обозначается равносторонним треугольничком. Слева расположены входы, которые обозначены "-" и "+", справа -- выход. Напряжение можно подавать на любой из входов, один из которых меняет полярность напряжения (поэтому его назвали инвертирующим), другой -- не меняет (называется неинвертирующий). Питание ОУ, чаще всего, двуполярное. Обычно, положительное и отрицательное напряжение питания имеет одинаковое значение (но разный знак!).

В простейшем случае можно подключить источники напряжения прямо ко входам ОУ. И тогда напряжение на выходе будет расчитываться по формуле:

где Uin1-напряжение на неинвертирующем входе, Uin2- напряжение на инвертирующем входе, Uout - напряжение на выходе и G- коэффициент усиления без обратной связи.

Инвертирующий усилитель

Схема инвертирующего усилителя приведена на рис. 1.1. Нетрудно увидеть, что за счет резистора R2 в схеме обеспечивается глубокая отрицательная обратная связь. Обратная связь создает особый режим точки А схемы. Операционный усилитель всегда усиливает дифференциальное напряжение Uд, которое приложено непосредственно между инвертирующим и неинвертирующим входами. При этом:

Любое изменение входного напряжения приведет к изменению напряжения на выходе, причем выходное напряжение будет изменяться до тех пор, пока за счет влияния отрицательной обратной связи потенциал точки А не станет равным:

В современных ОУ , поэтому потенциал точки А можно считать равным нулю, т.е. она является потенциально заземленной (так называемый "виртуальный нуль"). Однако гальванически точка А отделена от "земли", т.к. дифференциальное входное сопротивление ОУ можно считать равным бесконечности.

Рисунок 1.1 - Инвертирующий усилитель на ОУ

Учитывая большой дифференциальный коэффициент усиления ОУ и свойства усилителя, охваченного глубокой отрицательной обратной связью, можно предположить, что коэффициент усиления инвертирующего усилителя будет определяться только параметрами цепи обратной связи. Действительно, если принять и пренебречь входными токами смещения, то для точки А по закону Кирхгофа

В свою очередь

С учетом этого можно получить

откуда коэффициент усиления инвертирующего усилителя

Знак минус перед правой частью означает, что выход инвертирован.

Входные токи смещения ОУ чрезвычайно малы, однако при усилении сигналов низкого уровня, к которым относятся и биомедицинские сигналы, токи смещения могут привести к появлению погрешности усиления. Для повышения точности усилителя целесообразно в цепь неинвертирующего входа включать резистор, как показано на рис. 1.2.

Наличие резисторов одинаковой величины на инвертирующем и неинвертирующем входах при протекании токов смещения вызывает одинаковое падение напряжения, т.е. дифференциальный входной сигнал будет равен нулю. Кроме того, для уменьшения влияния тока смещения сопротивление R2 выбирать не более нескольких сотен килоОм.

Размещено на Allbest.ru