Розрахунок формувачів імпульсів

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ТАРАСА ШЕВЧЕНКА

 

Радіофізичний факультет

Кафедра радіотехніки та радіоелектронних систем

 

 

 

 

"Розрахунок формувачів імпульсів"

 

 

 

Курсова робота з комп’ютерної електроніки

студента ІІ курсу

кафедри комп’ютерної інженерії

радіофізичного факультету

Крамова Артема Андрійовича

 

 

                                                             Науковий керівник

                                       кандидат фізико-математичних наук,                                                    

                                                                                                  доцент Бех Ігор Іванович  
  

 

 

 

 

 

 

КИЇВ 2013

Анотація

     Завданням  курсової роботи є дослідження  принципу дії та розрахунок  формувачів імпульсів. Перша частина роботи – дослідження принципу роботи та розрахунок симетричного або несиметричного мультивібратора. Друга частина – розрахунок затриманого мультивібратора. Принцип дії пристроїв поданий у вигляді часових діаграм.

 

     КЛЮЧОВІ СЛОВА:  МУЛЬТИВІБРАТОР, АВТОКОЛИВАЛЬНИЙ МУЛЬТИВІБРАТОР, ЗАТРИМАНИЙ МУЛЬТИВІБРАТОР, ФОРМУВАЧ ІМПУЛЬСІВ, ТРАНЗИСТОРНО-ТРАНЗИСТОРНА ЛОГІКА, ІНТЕГРАЛЬНИЙ ЛОГІЧНИЙ ЕЛЕМЕНТ.

 

Зміст

 

ВСТУП

     Генератор  – це певна схема, яка самовільно (чи за зовнішньою командою) формує  послідовність сигналів, яка характеризується періодом повторення і формою. Генератори можуть формувати гармонійні сигнали, прямокутні імпульси, сигнали спеціальної форми. До генераторів відносяться RC-автогенератор, тригери (схеми електронної пам’яті, які мають два постійних стани рівноваги і спрацьовують від пускових імпульсів) та мультивібратор. 
     Мультивібратор – це генератор періодичних імпульсів, що за формою близькі до прямокутних. Мультивібратор лежить в основі цілого сімейства радіоелектронних пристроїв, що служать для роботи з несинусоїдальними імпульсами різної форми: прямокутної, трикутної, пилкоподібної форми, тощо. В електронній техніці використовуються різноманітні варіанти схем мультивібратора, які відрізняються між собою за типом використовуваних елементів (лампові, транзисторні, тощо), режимом роботи (автоколивальні, затримані), видом зв’язку між підсилювальними елементами, способах регулювання тривалості і частоти генерованих імпульсів.

 

Постановка задачі

Варіант №11

     Завдання  №1

     Навести опис принципу дії з часовою діаграмою і розрахунок схеми автоколивального мультивібратора на ІЛЕ транзисторно-транзисторної логіки (ТТЛ).

     Вхідні дані:

• t_i1 = 20нс – тривалість імпульсу на виході;
• T = 48нс – період повторення імпульсів;
• U_п.ф./U_з.ф. = 0.69 – відношення значень напруги переднього і заднього фронтів імпульсу;
• елементи серії K155;

     Завдання №2

     Навести опис принципу дії з часовою діаграмою і розрахунок схеми затриманого мультивібратора на ІЛЕ ТТЛ.

     Вхідні дані:

• t_i1 = 1.6мкс – тривалість імпульсу на виході;
• T – період повторення імпульсів запуску (його слід визначити);
• U_п.ф./U_з.ф. = 0.71 – відношення значень напруги переднього і заднього фронтів імпульсу;
• елементи серії K555;

     Типові  значення параметрів ІЛЕ ТТЛ  і ТТЛШ:

	I0вх, мА	I1вх, мА	E1вих ,В	U1вих, В	U0вих ,В	U1п, В	U0п,В	R1вх ,кОм	R1вих, Ом
K555	0,02	-0,4	4,2	2,5	0,4	1,5	0,5	10	200
K155	0,04	-1,6	4,2	2,4	0,4	1,5	0,5	10	200

 

	K, раз	U1вх.max, В	U0вх.min, В	Fmax, МГц	t01зт, нс	t10зт, нс	Ucc ,В
K555	10	5,5	-0,4	15	10	10	5
K155	10	5,5	-0,4	10	15	22	5

 

Теоретична частина

1. Логічні  елементи

     Логічні елементи – прилади, призначені для обробки інформації в цифровій формі. Фізичні елементи можуть бути виконані механічними, електромеханічними, пневматичними, гідравлічними, оптичними та іншими. Обробка дворівневих сигналів цифрової логіки полягає у порівнянні кількох таких сигналів і виробленні на підставі результатів порівняння нових дворівневих сигналів за певними алгоритмами так званої формальної чи математичної логіки. Логічні елементи виконують логічну функцію (операцію) над вхідними сигналами (даними). 
     Логічні схеми виготовляють в інтегральному виконанні у вигляді мікросхем (ІМС). Переважно випускають універсальні ІМС типу «І-НЕ» чи «АБО-НЕ» з кількома входами. Відповідним комбінуванням з них можна виготовити пристрої, що реалізовуватимуть інші логічні операції. Схеми, у яких використовують самі лише транзистори, мають назву схем з транзисторно-транзисторною логікою (ТТЛ).  
     До основних переваг ІЛЕ ТТЛ відносяться: висока швидкодія, порівняно мале споживання енергії, висока здатність до навантаження, забезпечувані малим вихідним опором складного вихідного інвертора. Ці переваги дозволяють будувати на основі ІЛЕ ТТЛ досить швидкодіючі імпульсні схеми з гарними показниками. 
    Операція «І-НЕ» є операцією кон’юкції з наступним запереченням: . 
                        .  Тут високий рівень сигналу має місце тоді, коли хоча б один з вхідних сигналів x_i дорівнює нулю.   

 

  

 

 

 

 

 

Рис. 1 – Схема, що реалізує операцію «І-НЕ»

     Особливістю логічного елемента «І-НЕ» є його універсальність. З нього можна побудувати пристрої, які здатні здійснювати всі логічні операції, з’єднуючи їх у тій чи іншій послідовності.

2. Мультивібратор

     Мультивібратор - це генератор періодичних імпульсів, що за формою близькі до прямокутних. Мультивібратор лежить в основі цілої сім’ї радіоелектронних пристроїв, що служать для роботи з несинусоїдальними імпульсами різних форм: прямокутної, трикутної пилкоподібної форми, тощо.

2.1 Автоколивальний мультивібратор

     Мультивібратор являє собою двокаскадний підсилювач, охоплений стопроцентним позитивним зворотним зв’язком. Звичайно мультивібратор зображають у вигляді симетричної схеми. Однак навіть тоді, коли всі елементи схеми повністю симетричні, ця схема у симетричному режимі перебувати не може. Кожний з каскадів інвертує сигнал і тому випадково виникла флуктуація, пройшовши через обидва каскади, повернеться у вихідну точку з попередньою полярністю, але підсиленою у k² разів, де k - коефіцієнт підсилення кожного з каскадів. Так, наприклад, якщо з якоїсь причини струм першого транзистора I_k1  зменшиться, то це спричинить збільшення напруги U_k1 на його колекторі. Стрибок напруги пройде через ємність C₁ на базу другого транзистора і призведе до збільшення його колекторного струму I_k2 і зменшення колекторної напруги U_k2. Підсилений  стрибок напруги U_k2 через ємність C₂ потрапить на базу транзистора VT1 і призведе до подальшого зменшення струму I_k1. Цей процес буде розвиватися в геометричній прогресії, лавиноподібно і призведе до повного запирання транзистора VT1 та відкривання VT2 (можливо, до повного насичення). При цьому один з транзисторів (або обидва разом) втрачають здатність до керування, і розвиток лавиноподібного процесу обривається. Встановлюється режим, який виявляється тимчасово стійким, і схема може перебувати в ньому певний проміжок часу.

 

 

 

 

                       Рис.2 Симетрична схема автоколивального мультивібратора  
 
     Розглянемо методику проектування мультивібратора з перехресними резистивно-емнісними зворотними зв'язками на ІЛЕ І-НЕ ТТЛ (Рис. 3). До складу мультивібратора входять: два інвертори на двовхідних ІЛЕ І-НЕ DD1.1, DD1.2, резистори R₁, R₂ і конденсатори C₁, C₂, захисні (демпфуючі) діоди VD1 і VD2. При використанні m–вхідних ІЛЕ І-НЕ ТТЛ (m-1) незадіяних входів підключаються до джерела напруги живлення через резистор з опором 1 кОм або поєднуються всі m–входи (при m≤3), оскільки поєднання входів при m>3 призведе до зниження вхідних опорів (в m разів). При заземленні хоча б одного з входів ІЛЕ буде постійно перебувати в одиничному стані. Діоди VD1 і VD2 захищають входи ІЛЕ від дії великих вхідних напруг негативної полярності. При використанні ІЛЕ серії К155, К555 необхідності використовувати діоди VD1 і VD2 немає.

    

 

 

 

 

 

Рис.3 Мультивібратор на логічних елементах І-НЕ ТТЛ

     При  роботі мультивібратора в автоколивальному  режимі інвертори DD1.1 та DD1.2 по черзі знаходяться в стані логічної одиниці та логічного нуля. Час перебування інверторів в цих станах визначається часом заряджання одного з конденсаторів С₁ чи С₂. Якщо, наприклад, логічний елемент DD1.1 знаходиться в стані логічної одиниці, а DD1.2 — логічного нуля (t =0), то конденсатор С₁ заряджений струмом, який протікає через вихід DD1.1 та резистор R₁. Цей струм, як і вхідний струм логічного елементу DD1.2, малий та не впливає на процес зарядження конденсатора. В міру заряджання конденсатора C₁, вхідна напруга U_ВХ2 інвертора DD1.2 зменшується за експоненціальним законом із сталою часу t₁, прямуючи до нульового рівня. Коли напруга U_ВХ2 досягне порогової напруги U¹_п , нижче за яку подальше зниження вхідної напруги призводить до зменшення вихідної напруги інвертора, в мультивібраторі розвивається лавинний процес, при якому стан виходів логічних елементів DD1.1 та DD1.2 змінюється на протилежний (t=t₁). Стрибкоподібне зменшення вихідної напруги U_ВИХ1 викликає зменшення вхідної напруги U_ВХ2, що призводить до швидкого розрядження конденсатора C₁, а потім до його перезаряджання струмом, який витікає з інвертора DD1.2 через резистор R₁. Вихідна напруга U_ВХ2 при цьому зростає до значення U_ВХ(tU), що визначається моментом закінчення процесу заряджання конденсатора C₂ із сталою часу t₂ в протилежній гілці мультивібратора (t=t₂). Описані вище процеси періодично повторюються, і на виходах ІЛЕ DD1.1 i DD1.2 формуються дві імпульсні напруги тривалістю t_i1 та t_i2, що змінюються в протифазi. (Рис. 4).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.4  -.Мультивібратор на елементах І-НЕ: а – принципова схема; б – часова діаграма; в – апроксимована ВАХ діода.

     Нижче наведені формули для розрахунку елементів при відомих апроксимаціях реальних характеристик ІЛЕ ТТЛ i діодів, що застосовуються (Рис. 4, в). Напруга U_D=0,6 В. Оскільки протягом всього часу заряджання конденсатора C₂ (C₁) i перезаряджання конденсатора C₁ (C₂) вихід ІЛЕ DD1.2 (DD1.1) повинен знаходитися в стані логічної одиниці, напруга на його виході не повинна перевищувати граничного рівня U¹_п, отже, опір резистора R₁ (R₂) повинен бути малим. Необхідно обчислити мінімальне і максимальне значення резисторів R₁ і R₂. 
     Максимально припустиме значення резистора обчислюють виходячи із наступної рівності:

      
     Якщо при виборі резисторів R₁ і R₂ їхні значення обмежуються зверху виразом (1), то за певних умов мультивібратор може перейти у так званий жорсткий режим збудження, коли після вмикання джерела напруги живлення виходи обох інверторів опиняться в стані логічної одиниці. Для запобігання такому режиму, необхідно виконати умову:

 

      
     При виконанні умов (1) та (2) робочі струми обох ІЛЕ виявляються на динамічних ділянках їхніх передатних характеристик і, отже, навіть невелике розходження в коефіцієнтах K призводить до одного із двох квазістійких станів, коли на виході одного ІЛЕ встановлюється високий рівень вихідної напруги, а на виході іншого — низький. Самозбудження мультивібратора в цьому випадку буде м'яким. 
     Тривалості імпульсів на виходах мультивібратора можна визначити з наступних виразів:

                                                                       .                      (3)

 

                                                                                 (4)

     Вихідні імпульси розглянутого мультивібратора за формою будуть близькі до прямокутних. Відношення амплітуд переднього і заднього фронтів вихідної напруги (Рис. 4, б) визначаються відношенням:

                          (5)

 ,де R_і=R₁ для вихідних імпульсів ІЛЕ DD1.1, R_і=R₂ для вихідних імпульсів ІЛЕ DD1.2. Якщо обчисленні значення R₁ і R₂ не задовольняють відношенню (5), то їх необхідно змінити так, щоб формула (5) була справедливою. При розгляді завдання насамперед необхідно визначити тривалість вихідного імпульсу t_i2: