Расчет управляемого формирователя импульсов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Техническое задание

Рассчитать управляемый формирователь импульсов по заданным параметрам.

Заданные параметры:

1. Входные параметры.
1.1. Вид запуска	+
1.2. Цифровой код для запуска формирователя	0,4,6,7,9,12,15
1.3. Период импульсов Ти, мкс	95
2. Выходные параметры
2.1. Полярность импульса	+
2.2. Амплитуда напряжения Um вых, В	13
2.3. Длительность импульса tи, мкс	25
2.4. Сопротивление нагрузки Rн, кОм	2
2.5. Длительность фронта tф, мкс	0,2
2.6. Скол вершины импульса Ки, %	1,0
3. Условия эксплуатации
3.1. Диапазон температур, С	+20 +50

Цифровое устройство должно быть разработано на основе универсальных элементов И - НЕ ТТЛ, а формирователь на транзисторах.

Введение

Рассчитываемый в данной курсовой работе управляемый формирователь импульса может быть использован в схеме обработчика сигналов с датчиков (или являться датчиком) промышленного оборудования. По результирующим сигналам на входах можно судить, например, о конце одного рабочего цикла группы устройств, а выходной сигнал может быть использован для запуска следующей цепочки оборудования или начала нового цикла.

Также подобное устройство может использоваться для отслеживания исключений: например, не допускать преждевременного включения или отключения рабочим устройства или группы устройств.

Указанные выше примеры обосновывают целесообразность разработки этого устройства.

1. Структурная схема электронного устройства

В курсовом проекте рассмотрен расчет управляемого формирователя импульса. Данное устройство конструктивно состоит из трех частей:

Цифровое устройство управления;

Формирователь импульса. В курсовом проекте используется ждущий мультивибратор;

Импульсный усилитель.

Цифровое управляющее устройство обеспечивает подачу тактовых импульсов на формирователь импульсов для его запуска при определенном цифровом коде на входе управления. Цифровое управляющее устройство проектируется на базе микросхем ТТЛ-серии. Формирователь и выходной RC-усилитель разрабатывается на базе биполярных транзисторов.

2. Покаскадные расчеты электронного устройства

Расчет аналогового устройства в основной массе случаев начинается с каскада, к выходу которого подключена заданная нагрузка. Такой подход обусловлен тем, что в соответствии с теоремой об эквивалентном генераторе сколь угодно сложная цепь по отношению к какой-либо ее ветви может быть представлена в виде источника ЭДС с внутренним сопротивлением, определяемым пассивными элементами цепи. Заданная нагрузка подключается к этому источнику напряжения. Задача в таком случае сводится к установлению оптимальных значений ЭДС источника и внутреннего сопротивления, обеспечивающих требуемые временные, частотные и энергетические параметры сигнала на нагрузке.

Если бы расчет начинался с промежуточных каскадов, то отсутствие информации о нагрузке делало бы его неопределенным. Это, однако, не значит, что к предварительным каскадам до расчета оконечного не может быть установлено никаких требований. В частности, заранее могут быть оговорены требования по источникам питания, элементной базе и т.д.

Схема RC-усилителя на биполярном транзисторе, в большинстве случаев обеспечивающая требуемые параметры, приведена на рис. 2. В более сложных случаях эта схема дополняется цепями коррекции. Однако разработчик в первую очередь должен стремиться обеспечить условия технического задания при минимальном наборе элементов, в частности, резисторы и конденсаторы Rф, Cф должны вводиться только по результатам расчетов, подтверждающих невозможность достижения требуемых параметров без их введения.

Рис. 1 - Схема RC-усилителя с общим эмиттером

3. Расчет транзисторного импульсного усилителя

Исходные данные:

1. Полярность импульса	+
2. Амплитуда напряжения Um вых, В	13
3. Длительность импульса tи, мкс	25
4. Сопротивление нагрузки Rн, кОм	2
5. Длительность фронта tф, мкс	0,2
6. Скол вершины импульса Ди, %	1,0

Выбор транзистора

На основании исходных данных устанавливают следующие параметры транзистора:

Максимальное допустимое напряжение между коллектором и эмиттером транзистора Uкэmax;

Максимальный ток коллектора Ikmax;

Граничная частота коэффициента передачи тока базы в схеме с общим эмиттером fгр;

тип проводимости.

Максимальное допустимое напряжение между коллектором и эмиттером

транзистора Uкэмах должно быть не менее (3-4)*Um.

Uкэ(3-4)Um=(3-4) 13=39-52 В;

Максимальный ток коллектора

,

.

Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером задается формулой, связывающей время установления ty и верхнюю граничную частоту в спектре сигнала fв:

Граничная частота должна удовлетворять неравенству

,



- скважность импульсов.

Тип транзистора выбирают из условия потребления минимальной мощности P от источника питания в отсутствие входного сигнала. Выбор поясняется рис. 2.

Рис. 2 - К выбору транзистора по типу проводимости (случай Q>2)

В системе координат выходных характеристик транзистора (Uk, Ik) построена нагрузочная прямая по переменному току, на которой задана точка покоя А. Чем правее на оси абсцисс расположена эта точка, тем меньше мощность (P=E•Io), потребляемая каскадом от источника питания E в отсутствии входного сигнала (Io-значение тока коллектора в точке покоя). Ниже оси Uk изображен импульс напряжения между коллектором и эмиттером транзистора при действии входного сигнала.

Наличие конденсатора С1 (Рис.2) на входе усилительного каскада приводит к тому, что напряжение на коллекторе в паузе между импульсами смещается вправо относительно значения Uo, соответствующего точке покоя, на величину постоянной составляющей U=. Последняя при известных длительности импульса tи и периоде повторения T определяется из формулы:

 - для прямоугольного импульса.

Из исходных данных (импульс положительной полярности, скважность () получается p-n-p структура транзистора.

Этим условиям удовлетворяет транзистор КТ3108А. Это кремниевый, эпитаксиально-планарный p-n-p транзистор. Универсальный, маломощный, высокочастотный. Предназначен для применения в логарифмических усилителях и линейных усилителей ВЧ. Масса 0,5г.

Электрические параметры

Граничная частота в схеме с общим эмиттером при Uкб=20В, не менее	250МГц
Постоянная времени цепи обратной связи при Uкб=10В, Iк=10 мА не более	250 пс
Коэффициент шума при Uкэ=5В, Iк=1мА,f=100МГц не более	6 Дб
Время рассасывания при Iк=10 мА, Iб=1мА не более типовое значение	175 нс 70 нс
Время задержки при Iк=10 мА, Iб=1мА, Rк=275Ом	18-35 нс
Время нарастания при Iк=10 мА, Iб=1мА, Rк=275Ом	18-40 нс
Время спада при Iк=10 мА, Iб=1мА	25-50 нс
Статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ при Iэ=0.1мА Iэ=50мА	40-100 15-70
Напряжение насыщения коллектор-эмиттер при Iк=10 мА	0.25 В
Обратный ток коллектора при Т=298К, Uкб=60В не более	0,2 мкА
Обратный ток эмиттера при Uбэ=5В, Т=298К не более	0,1 мкА

Предельные эксплуатационные данные

Постоянное напряжение коллектор-база	60В
Постоянное напряжение коллектор-эмиттер при Rэб<=10 кОм	60В
Постоянное напряжение эмиттер-база	5 В
Постоянный ток коллектора	200мА
Импульсная рассеиваемая мощность при tн<10 мкс,Q>2	360 мВт
Постоянная рассеиваемая мощность коллектора при Т=213298К	300 мВт
Общее тепловое сопротивление	500К/Вт
Температура окружающей среды	233-358К

После выбора типа транзистора можно приступить к установлению значений остальных элементов схемы (резисторов и конденсаторов).

Одной из составляющих при расчете является вывод уравнений нагрузочных прямых для постоянного и переменного токов.

Уравнение прямой для постоянного тока можно получить, применив закон Кирхгофа для ветви, содержащей RK, R3 и транзистор:

, (1)

где UK - падение напряжения между коллектором и эмиттером транзистора, Iэ - ток эмиттера.

Учитывая, что получаем .

В системе координат Ik, Uk это уравнение прямой с тангенсом угла наклона .

Эквивалентная схема коллекторной цепи усилительного каскада для переменного тока изображена на рис. 3.

Рис. 3 - Эквивалентная схема усилителя для переменного тока

Напряжение и ток в этой цепи связаны соотношением

.

Обозначив , приведем уравнение к каноническому виду: . Это уравнение прямой, проходящей через начало координат с тангенсом угла наклона . Учитывая, что всякое изменение тока транзистора или напряжения на нем начинается из точки покоя, необходимо полученную прямую перенести параллельно самой себе до тех пор, пока она не включит в себя точку покоя. Уравнение этой новой прямой и будет линией нагрузки для переменного тока (см. рис.5). Ее аналитическое выражение сведется к соотношению:

(2)

Или в каноническом виде: , где - координата точки пересечения оси Uк с нагрузочной прямой по переменному току.

Записав уравнения (1) и (2) для точки покоя и использовав дополнительно соотношение для мощности, потребляемой усилительным каскадом в отсутствие переменного сигнала на входе, можно получить систему уравнений, связывающих элементы схемы и параметры электрического режима транзистора:

(3)

Единственным известным параметром этой системы является сопротивление нагрузки Rн. Остальные параметры могут быть найдены путем использования дополнительных условий и соглашений.

Координата Uo точки покоя

Рис. 4 - Построения на выходных характеристиках для определения параметров точки покоя

Этот параметр может быть определен из условия оптимального использования активной области выходных характеристик транзистора. Процедура нахождения Uо поясняется рис.5. Импульс напряжения на коллекторе транзистора располагается на оси Uk таким образом, чтобы между его вершиной и областью насыщения оставался промежуток , необходимый для сохранения импульса в активной области при температурных смещениях точки покоя, коэффициент б1, выбирается в пределах 0,15 - 0,2. Между основанием импульса и точкой пересечения нагрузочной прямой по переменному току с осью абсцисс () также оставляется зазор . Коэффициент б2 выбирается примерно в тех же пределах, что и коэффициент б1.

Напряжение между коллектором и эмиттером после подачи входного сигнала смещается из точки покоя Uo в сторону больших (по абсолютной величине) значений на интервал , а в сторону меньших - на . Вследствие изложенного координата точки покоя Uo может быть определена из соотношения:

,

а значение - из формулы:

.

Зададим

Величина резистора Rэ

В соответствии с техническим заданием на курсовую работу цифровое управляющее устройство проектируется на базе микросхем ТТЛ- логики. Напряжение питания микросхем этой серии в большинстве случаев составляет +5 В. Для уменьшения количества источников питания устройства в целом целесообразно формирователь импульсов также питать напряжением +5 В. В этом случае устройство будет иметь два источника питания - один (+5 В) для питания цифрового блока и формирователя импульсов и второй - для питания выходного усилителя. Учитывая, что амплитуда импульса на выходе формирователя близка к напряжению источника его питания, можно в первом приближении выбрать упомянутую амплитуду равной (3-4) В.

Принятая расчетная схема выходного каскада представляет собой усилитель с не зашунтированным резистором в цепи эмиттера (усилитель с последовательной обратной связью по току).

Коэффициент усиления такого усилителя достаточно точно определяется выражением

,

где Uвх.ус - амплитуда сигнала на входе усилителя, равная выходному напряжению формирователя, т.е. (3-4) В.

Предварительное определение Rк

Используя значения и , систему (3) можно записать в виде:

(4)

В общем случае это система трех уравнений с четырьмя неизвестными: E, Io, Rк, P. Решение ее возможно при наложении дополнительного условия. Таким может быть: минимальная мощность, потребляемая усилителем в отсутствии входного сигнала.

Комбинируя уравнения системы (4) можно прийти к соотношению



в котором P является функцией, а Rк аргументом. Корень уравнения и определяет Rк, соответствующее минимальной потребляемой мощности от источника питания в отсутствие входного сигнала. Вычисления приводят к результату

.

кОм.

Рис. 5

Проверка соответствия Rк требованию по времени установления

Значение Rк, полученное в предыдущем пункте, практически не требовало знаний о параметрах транзистора. Однако Rк совместно с Rн и Ск (Ск- емкость коллекторного перехода) определяет еще и параметры усиления в области малых времен и высоких частот, в частности время установления (ty). Вследствие этого его значение должно удовлетворять еще и требованию по времени установления.

Эквивалентная схема усилителя с общим эмиттером и незашунтированным резистором в цепи последнего (охваченного последовательной отрицательной связью по току) в упрощенном виде (не учитывается выходное сопротивление генератора Rг и сопротивление делителя R1, R2 в цепи базы) представлена на рис. 6.

Рис. 6 - Упрощенная схема для расчета времени установления

Примем, rб=300 Ом.

Проведем расчет для случая, когда

Используя теорему об эквивалентном генераторе и включая rэ в состав Rэ, т.е. обозначая (rэ+Rэ)>Rэ, можно упростить предыдущую схему (рис. 7).

Рис. 7 - Эквивалентная схема для расчета времени установления

В последней

,

, .

Записывая соотношения для

и ,

можно прийти к формуле для коэффициента усиления

,

где Kо - коэффициент усиления на средних частотах, равный

, ,

(fгр - граничная частота транзистора в схеме с общим эмиттером - параметр, определяемый из справочника).

Верхняя граничная частота усилителя, определяемая как частота, на которой абсолютное значение коэффициента усиления уменьшается в раз, находится из соотношения:

.

Произведением Cк*Rэ обычно можно пренебречь (например, если Cк=10пф, , то , и тогда формула для приобретает более простой вид:

.

Если Rэ>0, то получается известная формула для случая отсутствия обратной связи. Расчетное значение времени установления tyрасч связано с соотношением:

.

С учетом связи между Rэ и Rкн () последнее выражение можно преобразовать следующим образом:

.

Если меньше заданного в данных на проектирование, то из второго уравнения системы (4) определяется Io, а из первого - E. Если же , то либо отказываются от требования минимальности мощности, отбираемой от источника в отсутствии сигнала, и получают значение Rк, пользуясь формулой для , считая . Значения Io и Е также определяются из уравнений системы (4). Поле установления значения Rк необходимо определить мощность, рассеиваемую на транзисторе в отсутсвие сигнала: P=Uo*Io и сравнить ее с предельно допустимой.

Так как меньше заданного в данных на проектирование ( ), то из второго уравнения системы (4) определяется Io, а из первого - E и можно продолжать расчет усилителя.

Определим мощность рассеиваемую на транзисторе в отсутствие сигнала: Вт и сравним ее с предельно допустимой Pдоп = 0.3 Вт. Транзистор может рассеять всю выделившуюся мощность.

Расчет температурной нестабильности и элементов делителя R1,R2

Приращение коллекторного тока ДIк в точке покоя с учетом технологического разброса и температурного изменения параметров в,, , определяется по формуле:

, (5)

где ; ;

,

- приращение обратного тока коллектора при повышении температуры; - отклонение напряжения между базой и эмиттером от номинального значения из-за технологического разброса и повышения температуры. Делитель R1,R2 по переменному току включен параллельно базовой цепи транзистора, т.е. шунтирует его входную цепь. Вследствие этого значения R1 и R2 дожны выбираться максимально возможными при условии удовлетворения требоваеия по допустимому смещению точки покоя Uo, Io. Последнее определяется попаданием вершины импульса в область насыщения.

По установленному допустимому значению - напряжению между коллектором и эмиттером в точке покоя при максимальной температуре окружающей среды - с помощью нагрузочной прямой по постоянному току определяется предельное значение тока в точке покоя и, таким образом,

Первоначально расчет производится для случая Rэ1 =Rф=0 Ом. Порядок расчета сводится к следующему:

а) определяется наибольшая температура коллекторного перехода

где - тепловое сопротивление переход-среда выбранного типа транзистора.

б) вычисляется приращение обратного тока коллектора при повышении температуры:

данные из справочника

- для кремниевых транзисторов;

в) определяется возможная величина отклонения напряжения от номинального из-за технологического разброса и повышения температуры:

В

где - температурный коэффициент напряжения, - возможный технологический разброс (для маломощных транзисторов можно принять ).

Запишем приращение коллекторного тока за счет температурной нестабильности

Рассчитаем максимальное приращение коллекторного тока уравнение линии нагрузки по постоянному току

уравнение линии нагрузки по переменному току

Рис. 8 - Выходные характеристики



критическое положение рабочей точки

максимально возможное приращение коллекторного тока

С помощью полученных данных, используя формулу для ДIк, находим максимально допустимое значение .

Выразим Rб из формулы :

Ом

Тогда

Для расчета зададим начальное приближение.



Положение рабочей точки при повышении температуры

Резисторы R1 и R2 определяются в предположении, что ток делителя значительно превосходит ток базы. Для потенциала базы можно записать:

для кремниевых транзисторов).

Уравнение для равенства токов через R1 и R2 тогда запишется следующим образом:

.

Последнее уравнение совместно с выражением для Rб составляют систему, из которой и можно получить R1 и R2.

Расчет разделительных конденсаторов С1, С2 и конденсатора Сэ

Конденсаторы С1, С2, Сэ определяют спад плоской части импульса (скол вершины). В первом приближении общий спад плоской части импульса Д определяется как алгебраическая сумма спадов, обусловленных каждым из элементов С1, С2, Сэ, Сф:

Д=Д1+Д2+Дэ+Дф=0.01,

где Д1, Д2 - спады, обусловленные конденсаторами С1, С2;

Дэ, Дф- спады, обусловленные конденсаторами Сэ, Сф.

Полагая, что емкость Сф и Сэ в схеме отсутствуют, допустимый по заданию спад создается емкостями С1 и С2.

Постоянная времени конденсатора С1 выражается приближенной формулой

, где , а .

, ,

Суммарную величину спада, обусловленного конденсаторами С1 и С2, можно получить из выражения

.

С целью сокращения количества номиналов элементов можно задаться С1= С2.

В этом случае

где заданный скол импульса

Постоянная времени конденсатора С1 выражается приближенной формулой

Постоянная времени конденсатора С2 дается соотношением .

Определим величину спада, обусловленного конденсатором С1

.

Определим величину спада, обусловленного конденсатором С2

.

На этом расчет усилителя можно считать законченным. В заключении в системе выходных характеристик построим линии нагрузки для постоянного и переменного токов, отметим положение точки покоя при нормальной и повышенной температурах, произведем графические построения для импульса напряжения на коллекторе и тока коллектора.

Расчет нагрузочных характеристик.

Уравнения для нагрузочных характеристик по постоянному и переменному току соответственно:

,

В этих уравнениях U - напряжение коллектор-эмиттер, I - ток коллектора.

На рис. 9. изображены нагрузочные прямые по постоянному и переменному току, а также выходной сигнал.

Уравнение линии нагрузки по постоянному току

уравнение линии нагрузки по переменному току

Рис. 9 - Выходные характеристики и нагрузочные прямые

4. Расчет ждущего мультивибратора

Элементы теории. На рис. 10 приведет каноническая схема ждущего мультивибратора.

Рис. 10 - Ждущий мультивибратор с эмиттерной связью и базовым запуском

усилитель каскад ток коллекторный

Для правильного функционирования устройства параметры его элементов должны быть выбраны таким образом, чтобы после подачи питающего напряжений и в отсутствие запускающих импульсов оно устанавливалось в состояние, когда транзистор Т1 закрыт, а транзистор Т2 открыт и насыщен. Для обеспечения закрытого состояния необходимо, чтобы напряжение между базой и эмиттером T1 было меньше напряжения отпирания. Напряжение - равно разности напряжений на резисторах R2 и R3. Причем напряжение на R2(UR2) является отпирающим, а на Rэ(Uэ) запирающим ("+" приложен к эмиттеру, а "-" - к базе транзистора Т1 через резистор R2). Таким образом, если UR2<Uэ, транзистор Т1 закрыт. Пренебрегая падением напряжения на открытом и насыщенном транзисторе Т2 и током его базы в сравнении с током коллектора, с помощью последовательности соотношений:

;

можно прийти к условию запирания Т1

.

Учитывая, что абсолютное значение напряжения отпирания транзисторов , условие запирания Т1 будет выполняться в случае

.

После подачи запускающего импульса транзистор Т1 открывается. При соответствующих значениях амплитуды и длительности запускающих импульсов происходит лавинообразный процесс, в результате которого транзистор Т1 переходит в режим насыщения, а транзистор Т2- в режим отсечки. Данное состояние сохраняется и после окончания импульса запуска. Это происходит вследствие того, что режим отсечки транзистора Т2 поддерживается запирающим, напряжением конденсатора С, приложенного между базой и эмиттером Т2 через открытый и насыщенный транзистор Т1, а режим насыщения Т1 обеспечивается поддержанием между его базой эмиттером отпирающего напряжения за счет выбора величин резисторов R1, R2 и уменьшения падения напряжения на резисторе Rэ(Uэ1). Последнее достигается выполнением условия Iк1<Iк2, для чего выбирают Rк1>Rк2 (. Требования к элементам схемы для обеспечения открытого и насыщенного состояния транзистора Т1 после окончания импульса запуска может быть сформулировано на основании эквивалентной цепи питания его базы (рис.10). Эта схема получена путем преобразования цепи делителя R1, R2 в соответствий с теоремой, об эквивалентном генератореe .

Рис. 11 - Расчетная схема цепи базы

Для того чтобы транзистор был открыт и насыщен, необходимо, чтобы ток его базы был больше тока базы насыщения |. Ток базы Т1 в соответствии с рис.10 (в пренебрежении падением напряжения между базой и эмиттером) равен

.

Тогда условие Iб>Iбн запишется в виде

.

Введя коэффициент насыщения Kн1 первого транзистора Т1, неравенство можно заменить на равенство

.

Используя (6), из последнего выражения можно получить формулу для R1:

. (7)

Для более надежного выполнения условия запирания необходимо усилить равенство (9), т.е. потребовать . Тогда условие запирания запишется так:

, откуда. (8)

Величину коэффициента г можно выбирать в пределах 0.05-0.1.

Расчет мультивибратора

Исходные данные:

Eм=5 В - напряжение питания мультивибратора;

Rнм =2540 Ом - сопротивление нагрузки мультивибратора ( равно входному сопротивлению усилительного каскада Rвх.ус);

Umм=4 В - амплитуда выходного импульса мультивибратора

()

tи=25•10-6 c - длительность выходного импульса;

 Гц - частота повторения импульсов;

Ск= Ф - емкость коллекторного перехода транзистора.

Для уменьшения разнотипности применяемых элементов в качестве транзисторов для мультивибратора целесообразно выбрать тот же тип транзисторов, что и для усилителя.

Определяются номиналы резисторов Rк1 и Rк2

Если сигнал на вход усилителя предполагается подавать с резистора Rк2, то величина его выбирается из условия

.

Проверим, что полученное значение Rк2 не приводит к перегрузке

транзистора по току и мощности и в то же время обеспечивает ток коллектора, значительно превышающий его неуправляемый ток

Ом



Rк2 удовлетворяет необходимым требованиям

Резистор Rк1 выбирается из условия Rк1=(2-3)Rк2.

Rк1=3Rк2=1524 Ом

Определяется падение напряжения Uэ на резисторе Rэ в состоянии устойчивого равновесия:

В.

Рассчитывается сопротивление резистора Rэ:

Ом.

Задаваясь коэффициентом насыщения Kн2 каскада на транзисторе Т2 в пределах 1.5-3, рассчитывают сопротивление резистора Rб2:

Ом.

4.2.5. Определяют величину емкости хронирующего конденсатора С:

Ф.

Задаваясь коэффициентом насыщения Kн1 каскада на транзисторе Т1 в пределах 1.5 - 3 и используя формулу (7), определяют сопротивление резистора R1.

Ом.

Используя (8), находят R2.

Ом.

Задаваясь , оценивают значение тока базы для случая базового запуска.

с;

А.

- внутреннее сопротивление источника сигнала запуска. Можно приближенно задаться

- падение напряжения между базой и эмиттером в режиме насыщения

Оцениваем амплитуду импульса генератора ег:

Оценим амплитуду импульса генератора в случае базового запуска



Сопряжение каскадов:

Сопряжение каскадов предполагает согласование предыдущего каскада с последующим по полярности сигнала. В данной работе необходимы согласование полярности выходного сигнала мультивибратора с требуемой полярностью входного сигнала усилителя. Сигнал на выходе усилителя имеет положительную полярность. Усилитель с общим эмиттером инвертирует входной сигнал. Следовательно, положительному сигналу на выходе будет соответствовать отрицательный на входе.

Сигнал на вход усилителя может быть подан с резистора Rк2 мультивибратора. Схема мультивибратора при этом приобретет вид, представленный на рисунке. В отсутствие запускающего импульса через Rк2 протекает ток, обуславливая положительное падение напряжения относительно общей шины. После воздействия запускающего импульса транзистор Т2 закрывается и ток через Rк2 прекращается, т.е. импульс Rк2 имеет отрицательную полярность.

Рис. 12 - Ждущий мультивибратор с отрицательным импульсом на выходе

5. Расчет цифрового устройства

При поступлении на вход ЦУУ чисел 0, 4, 6, 7, 9, 12, 15 на выход ЦУУ должно поступать напряжение логической единицы.

В устройствах обработки цифровой информации широко применяются логические элементы, действующие на основе алгебры логики, предложенной Дж. Булем. Анализ и синтез логических цепей выполняются на основе математического аппарата алгебры логики, или булевой алгебры. При построении логических устройств, выполняющих обработку логических сигналов, применяется логический базис, или функционально полная система логических элементов, реализующих операции ИЛИ, И, НЕ. Схемная реализация функционально полных систем с минимальным логическим базисом осуществляется универсальными логическими элементами.

Рис. 13 - Условные обозначения логических элементов И-НЕ (а), ИЛИ-НЕ (б)

Рассмотрим основы построения схем на логических элементах. Комбинационные логические цепи - это такие цепи, выходные сигналы которых не зависят от предыстории и однозначно определяются сигналами, присутствующими на их входах в рассматриваемый момент времени. Синтез комбинационных цепей проводится обычно в такой последовательности. Вначале составляется таблица функционирования логической цепи - таблица истинности. Эта таблица показывает, чему равен выходной сигнал цепи при различных сочетаниях входных сигналов. Затем, исходя из таблицы истинности, записывают логическую функцию. После этого логическая функция минимизируется и преобразуется к виду, удобному для реализации на логических ячейках заданного типа.

Составим таблицу истинности ЦУУ

N	X3	X2	X1	X0	Y
0	0	0	0	0	1
1	0	0	0	1	0
2	0	0	1	0	0
3	0	0	1	1	0
4	0	1	0	0	1
5	0	1	0	1	0
6	0	1	1	0	1
7	0	1	1	1	1
8	1	0	0	0	0
9	1	0	0	1	1
10	1	0	1	0	0
11	1	0	1	1	0
12	1	1	0	0	1
13	1	1	0	1	0
14	1	1	1	0	0
15	1	1	1	1	1

Составим таблицу Карно (карту Карно)

Для функций, содержащих не более шести аргументов (n < 6), удобно проводить минимизацию с помощью карт Карно. Этот путь минимизации нагляден и гарантирует при соблюдении небольшого числа формальных правил наиболее простое конечное выражение.

Реализация этого метода осуществляется в несколько этапов.

На первом этапе для исходной логической функции составляется карта Карно, представляющая таблицу, заголовки которой в верхней строке и левом столбце указывают возможные сочетания логических переменных, причем в соседних клетках они должны отличаться только на одну переменную.

Х1 Х0 Х3 Х2	00	01	11	10
00	1
01	1		1	1
11	1		1
10		1

На втором этапе в заполненной таблице выделяются соседние клетки, содержащие единицы, и осуществляется их объединение.

При формировании объединений придерживаются следующих правил:

объединение должно быть прямоугольным (в частности, квадратным) с числом клеток, равным N = 2n, где n = 0,1,2, 3...;

внутри объединения должны быть только клетки, заполненные единицами;

одни и те же клетки, заполненные единицами, могут входить в несколько объединений;

при проведении объединений самая нижняя и самая верхняя строки таблицы считаются соседними;

крайне левый и крайне правый полные столбцы также считаются соседними;

четыре клетки в вершинах таблицы образуют квадратное объединение;

число объединений должно быть как можно меньшим, а сами объединения как можно большими. Для выявления избыточных объединений проверяют отсутствие объединений, все элементы которых уже входят в другие объединения.

На третьем этапе обеспечивается получение минимизированной дизъюнктивной нормальной формы (МДНФ) логической функции. С этой целью из объединенных клеток составляются логические произведения, в которые входят только переменные, остающиеся неизменными для всех клеток данного объединения. Если какая-либо клетка остается необъеди-ненной, то логическое произведение содержит все переменные. Число слагаемых в МДНФ оказывается равным числу объединений, включая необъединенные клетки.

Реализация функции

Для рассматриваемого примера, представленного картой Карно, МДНФ будет выглядеть следующим образом:

При схемной реализации логической функции с использованием универсальных логических элементов И-НЕ или ИЛИ-НЕ минимизированную алгебраическую форму представляют в виде комбинации операций, выполняемых этими элементами. В случае логического устройства на элементах И-НЕ осуществляют двойную инверсию исходной МДНФ и в соответствии с теоремой де Моргана получают алгебраическое выражение, в которое входят только операции И-НЕ.

Полученная выше функция после преобразования будет выглядеть следующим образом:

Далее на рисунке представлена логическая схема управления

Рис. 14 - Логическая схема управления

Построение логической функции для тактового импульса

Полное цифровое устройство должно обеспечивать пуск формирователя импульсов (Uз) при определенном цифровом коде на входе схемы управления (x0.....x3) и подаче импульса запуска (С), что может быть выполнено с помощью схемы рис. 15.

Рис. 15 - Схема запуска формирователя импульсов

Выходной импульс должен запускать мультивибратор. Но т.к. мы используем, мультивибратор с эмиттерной связью и базовым запуском, то он будет запускается импульсом отрицательной полярности. Так как Y всегда положительный при правильном набранном коде, а запускающий сигнал отрицательный, тогда запускающий сигнал будет обеспечиваться функцией . Эту функцию выполняет один логический элемент 2И-НЕ. Реализация функции Z представлена на рис.14.

Рассмотрим принципиальную схему запуска на логических элементах 2И-НЕ, параметры которой должны обеспечить формирование логического нуля Uз при логической единице импульса запуска С. Импульсы комбинационно - логической схемы управления (Y) при правильном наборе цифрового кода всегда имеют на выходе логическую единицу. Логический ноль Uз будет формироваться с помощью следующей схемы (рис.14).

Рис. 16 - Вариант схемы запуска формирователя импульсов

Таблица истинности:

С	Y	Z
0	0	1
0	1	1
1	0	1
1	1	0

Реализация цифрового устройства.

Цифровое устройство, выполняющее заданную логическую функцию, может быть реализовано с помощью следующих микросхем:

К155ЛА2 (8И-НЕ) -1шт.

К155ЛА3 (2И-НЕ) - 1шт.

К155ЛА4 (3И-НЕ) - 2шт.

К155ЛА1 (4И-НЕ) - 1шт.

Литература

1. Транзисторы для аппаратуры широкого применения. Справочник под редакцией Б.Л. Перельмана. М.: Радио и связь, 1981. - 656 с.

2. Полупроводниковые приборы: Транзисторы. Под общей редакцией Н.Н. Горюнова. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 904 с.

3. Резисторы. Справочник под редакцией И.И. Четверткова и В.М. Терехова. М.: Радио и связь, 1991. - 528 с.

4. Справочник по электрическим конденсаторам. Под общей редакцией И.И. Четверткова и В.Ф. Смирнова. М.: Радио и связь, 1983. - 576 с.

5. Импульсные устройства. Методические указания к лабораторным работам./ РГРТА; Составитель Р.А. Рафиков. Рязань, 1997. - 32с. №2666.

6. Усилительные устройства. Методические указания к лабораторным работам./ РГРТА; Составитель В.Я. Лысенко, Р.А. Рафиков, А.В. Зуев. Рязань, 2000. - 36 с.

7. Р.А. Рафиков. Лекции по курсу “ЭЦиМ часть I” и “ЭЦиМ часть II”.

Размещено на Allbest.ru