ФОРМИРОВАТЕЛИ ИМПУЛЬСОВ ОПЕРЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Содержание

Слайд 2

ОСНОВНЫЕ ТЕМЫ ЛЕКЦИИ ТРИГГЕРЫ ШМИТТА ФОРМИРОВАТЕЛИ ИМПУЛЬСОВ ОТ МЕХА-НИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ ГЕНЕРАТОРЫ

ОСНОВНЫЕ ТЕМЫ ЛЕКЦИИ

ТРИГГЕРЫ ШМИТТА
ФОРМИРОВАТЕЛИ ИМПУЛЬСОВ ОТ МЕХА-НИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ
ГЕНЕРАТОРЫ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ ИМПУЛЬ-СОВ (МУЛЬТИВИБРАТОРЫ)
ЖДУЩИЕ

МУЛЬТИВИБРАТОРЫ (ОДНОВИ-БРАТОРЫ)
ПАРАМЕТРЫ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕ-ЛЕЙ
ПАРАМЕТРЫ ИДЕАЛЬНОГО ОПЕРАЦИОН-НОГО УСИЛИТЕЛЯ
Слайд 3

ФОРМИРОВАТЕЛИ ИМПУЛЬСОВ На вход вычислительных систем логические сигналы поступают вместе с

ФОРМИРОВАТЕЛИ ИМПУЛЬСОВ

На вход вычислительных систем логические сигналы поступают вместе с

помехами. Если такой сигнал подать непосредственно на вход логического элемента с переда-точной характеристикой, приведенной на рис., это приведет к появлению на выходе дополнительных коротких импульсов, которые вызывают ложные срабатывания цифровых схем.

U1

U0

Uвых

Uвых

U0

U'

U"

U1

U0

U'

U"

U1

Uвх

t

t

Слайд 4

ТРИГГЕРЫ ШМИТТА Для борьбы с ложными помехами применяют на входах цифровых

ТРИГГЕРЫ ШМИТТА

Для борьбы с ложными помехами применяют на входах цифровых

схем ТРИГГЕРЫ ШМИТТА, обладающие свойством гистерезиса.

U1

U0

Uвых

Uвых

U0

U'

U"

U1

U0

U'

U"

U1

Uвх

t

t

Слайд 5

Такая характеристика называется «петлей гистерезиса», а напряжение между входными напряжениями U'

Такая характеристика называется «петлей гистерезиса», а напряжение между входными напряжениями U'

и U" - зоной гистерезиса или шириной петли гистерезиса.
При увеличении входного напряжения, зашумленного импульсными помехами, выходное напряжение остается на нулевом уровне до первого перехода входного сигнала через порог U", после чего выходное напряжение скачком перейдет в единичное состояние. Если амплитуда помех на входе не превышает ширины зоны гистерезиса, то возникновение ложных импульсов на выходе триггера Шмитта - невозможно.
Аналогично, при уменьшении входного сигнала до порога U' выходное напряжение остается на единичном уровне, после чего резко (с минимальной длительностью фронта) уменьшается до нуля. Влияние входных помех с амплитудой меньше, чем зона гистерезиса, - не проявляется на выходном сигнале триггера Шмитта.
Слайд 6

Для построения триггера Шмитта необходим усилитель постоянного тока с глубокой положительной

Для построения триггера Шмитта необходим усилитель постоянного тока с глубокой положительной

обратной связью

Параметры петли гистере-зиса определяются элементами обратной связи.

Как и в обычном триггере, в триггере Шмитта имеется два выхода: прямой Q и инверсный ~Q.
В состав многих серий логических микросхем входят микросхемы с триггерами Шмитта а также логические элементы (например, «И-НЕ» или шинные формирователи) с передаточной характеристикой, имеющей петлю гистерезиса.

Слайд 7

ФОРМИРОВАТЕЛИ ИМПУЛЬСОВ ОТ МЕХАНИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ При проектировании цифровых устройств возникают задачи

ФОРМИРОВАТЕЛИ ИМПУЛЬСОВ ОТ МЕХАНИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ

При проектировании цифровых устройств возникают задачи

формирования одиночного импульса при замыкании или размыкании механических контактов (например, кнопки или механического датчика перемещения). Проблема заключается в том, что срабатывание механического контакта сопровождается многократным переходом в течение короткого времени от замкнутого состояния к разомкнутому и обратно (дребезг контактов). Это может привести к формированию пачки импульсов вместо желаемого одиночного импульса или перепада логического уровня.
Слайд 8

В «АНТИДРЕБЕЗГОВОМ ТРИГГЕРЕ» резисторы R1, R2 обеспечивают подачу логических единиц на

В «АНТИДРЕБЕЗГОВОМ ТРИГГЕРЕ» резисторы R1, R2 обеспечивают подачу логических единиц на

входы ~R~S-триггера при разомкнутых контактах, т.е. режим хранения.

Механический переключатель S1 подает в исходном состоянии нулевой потенциал на вход ~S. Триггер находится в единичном состоянии. При переключении контактов кнопки S1 в нижнее положение - первое замыкание вызывает установку триггера по входу ~R в нулевое состояние. Возникающий дребезг контактов только подтверждает это состояние. Аналогично переключается триггер после возвращения механических контактов в исходное состояние.
При каждом нажатии и отпускании кнопки S1 формиру-ется одиночный отрицательный импульс на выходе Q триггера

Слайд 9

ФОРМИРОВАТЕЛИ ИМПУЛЬСОВ ПО ФРОНТУ ВХОДНОГО СИГНАЛА Для фиксации событий по фронту

ФОРМИРОВАТЕЛИ ИМПУЛЬСОВ ПО ФРОНТУ ВХОДНОГО СИГНАЛА

Для фиксации событий по фронту

входного сигнала можно использовать триггеры, управляемые фронтом, или формирователи коротких импульсов в момент смены логических уровней входных сигналов.
Такие формирователи строятся на основе известных эффектов гонок (состязаний).
Для формирования отрицательных импульсов обычно используют элементы Шеффера, а для положительных импульсов - элементы Пирса
Слайд 10

Формирователь отрицательных импульсов Формирователь положительных импульсов

Формирователь отрицательных импульсов

Формирователь положительных импульсов

Слайд 11

ГЕНЕРАТОРЫ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ ИМПУЛЬСОВ (МУЛЬТИВИБРАТОРЫ) Простейшие мультивибраторы могут быть получены введением положительной

ГЕНЕРАТОРЫ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ ИМПУЛЬСОВ (МУЛЬТИВИБРАТОРЫ)

Простейшие мультивибраторы могут быть получены введением положительной обратной

связи через реактивные элементы (конденсаторы или трансформаторы) в усилитель с большим коэффициентом усиления по напряжению. Поскольку любой логический элемент имеет на передаточной характеристике область активного усилительного режима, достаточно обеспечить такой режим и ввести положительную обратную связь через конденсатор
Слайд 12

Резистор R, включенный в цепь отрицательной обратной связи по постоянному току,

Резистор R, включенный в цепь отрицательной обратной связи по постоянному току,

переводит все логические элементы в активный усилительный режим.
Конденсатор С, включенный в цепь положительной обратной связи по переменному току, обеспечивает режим самовозбуждения. Частота генерируемых импульсов определяется параметрами RC-цепочки:

Можно реализовать мульти-вибратор на двух инверторах. Каждый инвертор выводится в режим аналогового усиления своим резистором (R1, R2),

Мультивибраторы характеризуются невысокой стабиль-ностью выходной частоты. Для повышения стабильности вместо одного из конденсаторов можно использовать в этих схемах кварцевый резонатор.

Слайд 13

Очень простой генератор можно реализовать на триггере Шмитта. Выходная частота определяется

Очень простой генератор можно реализовать на триггере Шмитта. Выходная частота определяется

параметрами RC-цепи и величиной зоны гистерезиса.

G

R

C

Uвых

t

Uc

U″

U′

t

Слайд 14

ЖДУЩИЕ МУЛЬТИВИБРАТОРЫ (ОДНОВИБРАТОРЫ) Схемы одновибраторов имеют одно устойчивое состояние, в котором

ЖДУЩИЕ МУЛЬТИВИБРАТОРЫ (ОДНОВИБРАТОРЫ)

Схемы одновибраторов имеют одно устойчивое состояние, в котором они

могут оставаться сколь угодно долго, и одно неустойчивое состояние, время нахождения в котором определяется параметрами RC-цепи. Переход в неустойчивое состояние осуществляется коротким входным импульсом или по фронту входного сигнала.

Вх

Вых

C

R

A

Uпор

А

Uвых

Uвх

Слайд 15

В составе большинства серий логических микросхем ТТЛШ и КМОП имеются ждущие

В составе большинства серий логических микросхем ТТЛШ и КМОП имеются ждущие

мультивибраторы, например, К555АГ3 - два ждущих мультивибратора. Каждый из мультивибраторов микросхемы имеет: два входа для запуска (А, В) и вход сброса (R), выводы для подключения времязадающих элементов (C, RC), прямой (Q) и инверсный (~Q) выходы.
Длительность импульса примерно равна:
T(мкс)=0,45*R1(кОм)*C1(нФ).
Слайд 16

ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ Большинство сигналов, поступающих на вход вычислительных систем, имеют непрерывный

ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Большинство сигналов, поступающих на вход вычислительных систем, имеют непрерывный

характер и требуют последующего преобразования в дискретные сигналы. До начала преобразования многие сигналы проходят обработку в аналоговой форме. К таким преобразованиям относятся:
⮚ линейное усиление;
⮚ частотная фильтрация (линейные преобразования);
⮚ интегрирование и дифференцирование непрерывных сигналов;
⮚  нелинейные преобразования (в частности, логарифми-ческое преобразование, детектирование и др.);
⮚   коммутация аналоговых сигналов;
⮚  выделение какого-нибудь параметра, например, амплитуды, среднего значения сигнала, фазы и др.
Слайд 17

Основные преобразования аналоговых сигналов выполняются специальными интегральными микросхемами – операционными усилителями

Основные преобразования аналоговых сигналов выполняются специальными интегральными микросхемами – операционными усилителями

(ОУ), охваченными обратными связями (ОС).
Интегральные ОУ содержат:
⮚  входной каскад, который всегда выполняется по дифференциальной, параллельно-симметричной схеме;
⮚   промежуточный согласующий каскад;
⮚  выходной каскад усилителя тока по схеме эмиттерного повторителя.
Слайд 18

ПАРАМЕТРЫ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ Разность напряжений на входах ОУ называют дифференциальным (разностным)

ПАРАМЕТРЫ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

Разность напряжений на входах ОУ называют дифференциальным (разностным)

входным сигналом ОУ, а полусумму входных напряжений - синфазным входным сигналом.
Основные статические пара-метры ОУ рассчитываются по передаточной характеристике (Uвх - дифференциальное входное напряжение).

∆Uвх

∆Uвых

Есм

-Uогр

+Uогр

Uвых

Uвх

⮚ КОЭФФИЦИЕНТ УСИЛЕНИЯ ПО НАПРЯЖЕНИЮ (Ku) - отношение изменения выходного напряжения (∆Uвых) к вызвавшему его изменению ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ВХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ (∆Uвх) при работе ОУ на линейном участке передаточной характеристики.

Слайд 19

⮚ ЭДС СМЕЩЕНИЯ (Есм) - дифференциальное входное напряжение, при котором выходное

⮚   ЭДС СМЕЩЕНИЯ (Есм) - дифференциальное входное напряжение, при котором выходное

напряжение ОУ равно нулю. Напряжние Есм может быть положительной или отрицательной величиной и имеет случайный характер.
Для интегральных усилителей на биполярных транзисторах Есм может составлять 1...10 мВ, для ОУ с входным каскадом на полевых транзисторах величина Есм значительно больше.
Большинство интегральных ОУ имеют выводы балансировки выходного напряжения. К этим выводам подключается подстроечный резистор, с помощью которого выставляется нулевое выходное напряжение при закороченных входах ОУ.

Интегральные ОУ имеют коэффициент усиления, лежащий в диапазоне 103...106.

Ku = ΔUвых / ΔUвх

Слайд 20

⮚ СРЕДНИЙ ВХОДНОЙ ТОК (Iвх) - среднеарифметическое значение токов инвертирующего и

⮚ СРЕДНИЙ ВХОДНОЙ ТОК (Iвх) - среднеарифметическое значение токов инвертирующего и

неинвертирующего входов ОУ, измеренных при таком входном напряжении Uвх, при котором выходное напряжение равно нулю.
Для ОУ на биполярных транзисторах средний входной ток обычно составляет доли мкА. Дальнейшее снижение входных токов (менее 1 нА) достигается использованием полевых транзисторов во входных каскадах ОУ.
⮚  ВХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ (Rвх) - сопротивление со стороны одного из входов ОУ, в то время как другой вход заземлен. Это сопротивление еще называют: ВХОДНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ ДЛЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО СИГНАЛА. Входное сопротивление ОУ может составлять 103..106 Ом для входного каскада на биполярных транзисторах, и на несколько порядков больше для ОУ с полевыми транзисторами на входе.
Слайд 21

⮚ ВЫХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ (Rвых) - отношение изменения выходного напряжения ОУ (∆Uвых)

⮚  ВЫХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ (Rвых) - отношение изменения выходного напряжения ОУ (∆Uвых)

к изменению выходного тока (∆Iвых) при изменении сопротивления нагрузки. Обычно величина Rвых составляет от десятков до сотен Ом.
⮚  КОЭФФИЦИЕНТ ПЕРЕДАЧИ СИНФАЗНОГО СИГ-НАЛА (Ксф) - отношение изменения выходного напряжения к вызвавшему его изменению синфазного входного напряжения. Для большинства ОУ величина Ксф - менее единицы.
⮚  КОЭФФИЦИЕНТ ОСЛАБЛЕНИЯ СИНФАЗНОГО СИГНАЛА (Мсф) - отношение коэффициента усиления по напряжению (Ku) к коэффициенту передачи синфазного сигнала (Ксф). Обычно для определения коэффициента ослабления синфазного сигнала употребляется логарифмическая мера (Lсф):
Lсф = 20 * lg | Mсф |
Для большинства интегральных ОУ Lсф = 60..100 дБ
.
Слайд 22

ДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОУ ⮚ ПОЛОСА ЧАСТОТ УСИЛИВАЕМОГО СИГНАЛА - определяется, как

ДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОУ

⮚  ПОЛОСА ЧАСТОТ УСИЛИВАЕМОГО СИГНАЛА - определяется, как

правило, от нуля до ЧАСТОТЫ ЕДИНИЧНОГО УСИЛЕНИЯ (F1), т.е. частоты, на которой коэффициент усиления дифференциального сигнала ОУ уменьшается до единицы. Значение F1 у большинства интегральных ОУ лежит в пределах от сотен килогерц до десятков мегагерц.
⮚ МАКСИМАЛЬНАЯ СКОРОСТЬ НАРАСТАНИЯ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ (Vмакс) - определяется как наибольшая скорость изменения напряжения на выходе ОУ при подаче на его вход прямоугольного импульса максимально допустимой амплитуды. Для интегральных ОУ максимальная скорость нарастания лежит в пределах 0, 3...50 В/мкс.
Эти два параметра взаимосвязаны: чем выше частота единичного усиления F1, тем больше скорость нарастания выходного напряжения.
Слайд 23

⮚ КОЭФФИЦИЕНТ ШУМА (Кш) - характеризует шумовые свойства ОУ и определяется

⮚  КОЭФФИЦИЕНТ ШУМА (Кш) - характеризует шумовые свойства ОУ и определяется

как отношение шума на выходе реального ОУ (на вход которого подан реальный сигнал) к шумам на выходе идеального ОУ с таким же входным сигналом.
Шумовые свойства ОУ характеризуют также приведен-ными ко входу шумовыми напряжениями или токами.
Необходимо отметить, что почти все перечисленные параметры изменяются с изменением температуры кристалла ОУ. Поэтому в справочниках приводят также температурные коэффициенты изменения перечисленных параметров.
В справочниках задаются также диапазоны изменения указанных параметров при изменении питающих напря-жений, так как для многих ОУ питающие напряжения могут изменяться в несколько раз, например, от 3 до 30 В.
Слайд 24

ПАРАМЕТРЫ ИДЕАЛЬНОГО ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ При анализе схем на ОУ обычно пользуются

ПАРАМЕТРЫ ИДЕАЛЬНОГО ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

При анализе схем на ОУ обычно пользуются

идеализированной моделью операционного усилителя, параметры которого задаются следующими:
⮚ коэффициент усиления по напряжению равен бесконечности;
⮚     эдс смещения равно нулю;
⮚   средний входной ток и разность входных токов равны нулю;
⮚   входные сопротивления для дифференциального и для синфазного сигналов равны бесконечности;
⮚     выходное сопротивление равно нулю;
⮚   коэффициент передачи синфазного сигнала равен нулю;
Слайд 25

⮚ коэффициент ослабления синфазного сигнала равен бесконечности; ⮚ полоса частот усиливаемого

⮚  коэффициент ослабления синфазного сигнала равен бесконечности;
⮚   полоса частот усиливаемого сигнала

- от нуля до бесконечности;
⮚   скорость нарастания выходного напряжения равна бесконечности;
⮚    идеальный ОУ не вносит дополнительные шумы в усиливаемый сигнал;
⮚   у идеального ОУ все параметры не зависят от температуры и питающих напряжений.
Следствием первого свойства идеального ОУ является тот факт, что у идеального ОУ, работающего в режиме усиления, разность напряжений между входами всегда равна нулю.
Слайд 26

Вопросы для экспресс-контроля 1. Почему нежелательно подавать входной логический сигнал, пришедший

Вопросы для экспресс-контроля

1. Почему нежелательно подавать входной логический сигнал, пришедший от другого

прибора, непосредственно на вход логического элемента?
2.    Чем отличается триггер Шмитта от обычных логических элементов?
3.     Какой параметр триггера Шмитта выбирается с учетом амплитуды помех во входном сигнале?
4.    Назовите методы борьбы с «дребезгом контактов» в механических переключателях.
5.     Приведите примеры полезного использования «эффекта гонок» (запаздывания сигналов при распространении).
Слайд 27

Вопросы для экспресс-контроля 6. Методы реализации генераторов прямоугольных импульсов. Назовите условия

Вопросы для экспресс-контроля

6.     Методы реализации генераторов прямоугольных импульсов. Назовите условия самовозбуждения

генераторов.
7.     Чем определяется частота генератора?
8. Назовите методы повышения стабильности частоты генераторов?
9.   Чем отличается ждущий мультивибратор от обычного генератора?
10.   Какие преобразования аналоговых сигналов производят в вычислительных системах?
11.     Основные параметры реальных и идеальных операционных усилителей.