Какое из устройств вырабатывает периодическую последовательность импульсов

33. Формирователи импульсов. Типы.

Формирователи импульсов применяются для формирования сигналов требуемой формы. К ним относятся фиксаторы уровня, ограничители амплитуды импульса, компараторы. Фиксаторы нулевого уровня позволяют на выходе воспроизводить форму сигнала без изменения и без отделения постоянной составляющей. Ограничитель – нелинейное импульсное устройство, ограничивающее амплитуду сигнала или изменяющее форму сигнала. Последовательный диодный ограничитель. При подаче на его вход синусоидального сигнала ограничивает амплитуду снизу. Параллельный диодный ограничитель ограничивает входной импульс сверху. Компаратор – устройство, предназначенное для сравнения двух сигналов. Он осуществляет переключение уровня выходного напряжения, если один из сигналов больше другого.

34. Компараторы.

Компаратор – устройство, предназначенное для сравнения двух сигналов. Он осуществляет переключения уровня выходного напряжении, если один из сигналов больше другого.

35. Генераторы несинусоидальных колебаний. Схема блокинг-генератора.

Генераторы вырабатывающие негармонические колебания называются релаксационными генераторами. К релаксационным генераторам относятся триггеры, мультивибраторы, одновибраторы, блокинг-генераторы. По характеру устойчивого состояния все генераторы прямоугольных импульсов можно разделить на 3 группы: 1)бистабильные гпи имеющие два длительно устойчивых состояния равновесия. Триггеры. 2) моностабильные гпи, имеющие одно длительное устойчивое состояние равновесия, другое квазиустойчивое. Одновибратор. 3) Астабильный гпи – оба состояния квазиустойчивые. Мультивибратор.

схема блокинг—генератора на р — n — р-тран-зисторе:

36. Мультивибратор на оу и логических элементах.

Мультивибратор – релаксационный генератор, вырабатывающий периодическую последовательность прямоугольных импульсов. МВ имеет два квазиустойчивых состояния равновесия. Через конечное время, определяемое внутренними параметрами и структурой генератора, МВ без воздействия внешних сигналов переходит из одного состояния равновесия в другое. МВ — стабильный генератор. МВ на логических элементах

Мультивибратор на ОУ отличается простотой схемы и высокими техническими параметрами.

37. Мультивибратор на биполярных транзисторах.

Мультивибратор – релаксационный генератор, вырабатывающий периодическую последовательность прямоугольных импульсов. МВ имеет два квазиустойчивых состояния равновесия. Через конечное время, определяемое внутренними параметрами и структурой генератора, МВ без воздействия внешних сигналов переходит из одного состояния равновесия в другое. МВ — стабильный генератор.

38. Одновибраторы на оу и транзисторах.

Одновибраторы, или, как их называют ждущие мультивибраторы, относятся к классу генераторов прямоугольных импульсов, имеющих одно устойчивое состояние равновесия, т.е. это моностабильный генератор импульсов. Для его работы необходима подача на вход запускающего импульса, который выводит ОВ из устойчивого состояния равновесия, и через время, определяемое внутренними параметрами схемы, он возвращается в исходное устойчивое состояние.

Раздел 6. Импульсная техника

19.1. Электрические импульсы, их параметры и спектральный состав

В различных областях электроники — в электронно-вычислительной тех­нике, в радиолокации, телевидении, в системах радиосвязи и др.— широко применяют устройства, работающие в импульсном режиме.

Импульсным режимом работы называется такой режим, при котором устройство вырабатывает или находится под воздействием электрической величины, имеющей характер импульсов и перепадов.

Импульсом называют электрическую величину (напряжение, ток, мощность), которая в течение короткого промежутка времени, соизмеримого с длительностью переходных процессов в устройстве, изменяется от одного постоянного (началь­ного) значения до некоторого другого постоянного значения.

Перепадами называют быстрые (скачкообразные) изменения электрической величины между двумя уровнями.

Форма импульсов (рис. 19.1) может быть прямоугольной (а), трапе­цеидальной (б), линейно изменяющейся (треугольной) (в), экспонен­циальной (г) и т. д.

Форма реальных импульсов обычно отличается от представленных на рисунке геометрически правильных импульсов из-за влияния, например, реактивных элементов и др. Так, наиболее часто встречающиеся прямоугольные импульсы обычно имеют реальную форму, показанную на рис. 19.2. Участки аб и вг быстрого нарастания и спада напря­жения называются соответственно фронтом и срезом (спадом) импульса, участок бв, на котором напряжение изменяется сравнительно медленно, называют вершиной. Наибольшее по сравнению с исходной U₀ значение напряжения импульса U_m называют амплитудой (высотой) импульса.

Прямоугольный импульс характеризуют также длительностью импуль­са t_и, которая графически определяется на уровне 0,1U_m; длительностью фронта t_ф и длительностью среза t_с, которые определяются между уровнями от 0,1U_m до 0,9U_m. Изменение напряжения на вершине импульса ΔU называется завалом вершины. Если импульсы следуют друг за другом через равные промежутки времени Т, их называют периодической последовательностью импульсов (рис. 19.3). Дополнитель­ными параметрами периодической последовательности импульсов яв­ляются следующие величины. Период повторения импульсов Т— отрезок времени между одноименными фронтами двух соседних однополярных импульсов. Величина, обратная периоду повторений: F=1/T, называется частотой повторений. Скважность импульсов — отношение периода повторения к длительности импульса: q = T/t_u. Интервал времени между окончанием одного импульса и началом следующего называют паузой: t_п = Т — t_и.

При анализе работы импульсных устройств и передаче импульсных сигналов важно знать спектральный состав этих сигналов. С целью ис­следования этой характеристики используется частотное представление функции в виде спектра (рис. 19.4), представляющее собой преобразо­вание Фурье во временной области — амплитудно-частотную харак­теристику (АЧХ). Эта характеристика играет особую роль при переработ­ке и передаче сигналов, так как определяет параметры и полосу пропускания аппаратуры. Спектры характеризуютсяактивной шири­ной, т. е. диапазоном частот от 0 до f_mах, в котором сосредоточено 95 % энергии сигнала. Например, для импульса прямоугольной фор­мы (рис. 19.4), для колоколообразногоДля неискаженной передачи прямо­угольного импульса необходима полоса пропускания, равная 2/t_и, а для колоколообразного — почти в восемь раз меньшая.

Введем понятие электрического сигнала. Электрический сигнал — это физическая величина (ток, напряжение, электрическая мощность), парамет­ры которой содержат информацию. Для образования сигналов среди многих других способов могут быть использованы импульсы. Сигналы в виде импульсов широко используются в современных цифровых вычислительных машинах.

Лекция 14 Импульсные устройства автоматики и вычислительной техники

Наряду с непрерывным режимом работы в электронных устройствах используется импульсный режим работы, при котором кратковременный сигнал чередуется с паузой. Импульсный режим (ИР) работы имеет ряд преимуществ перед непрерывным режимом работы:

1. В ИР достигается значительная мощность во время действия импульсов при малом значении средней мощности.
2. ИР позволяет ослабить влияние температуры и других внешних факторов на рабочие характеристики полупроводниковых приборов.
3. ИР значительно повышает пропускную способность и помехоустойчивость электронных устройств.
4. Для реализации импульсных устройств необходимы однотипные элементы, которые легко изготовляют методами интегральной технологии.

В импульсных устройствах используют импульсы различной формы: прямоугольные, трапецеидальные, экспоненциальные, колоколообразные, ступенчатые, пилообразные. Их называют видеоимпульсами в отличие от радиоимпульсов, представляющих собой пакеты высокочастотных колебаний. В импульсной технике применяют, как правило, видеоимпульсы.

Обычно импульсы следуют периодически с периодом Т, которому соответствует частота повторения f = 1/T. Отношение периода Т к длительности импульсов t_и называют скважностью:

Скважность обычно колеблется в пределах от 2÷10 (автоматика, вычислительная техника) до 10000 (радиолокация).

а – прямоугольный; б – трапецеидальный; в – экспоненциальный;

г – колоколообразный; д – ступенчатый; е – пилообразный

Рисунок 14.1 — Форма видеоимпульсов

а – прямоугольный; б – колоколообразный

Рисунок 14.2 — Форма радиоимпульсов

Реальные импульсы искажены и характеризуются следующими величинами: амплитудой импульса А; длительностью импульса t_и, обычно определяемой на уровне 0,1 А; длительностью фронта импульса t_ф – временем нарастания импульса от 0,1 до 0,9 А; длительностью среза импульса t_c – временем убывания импульса от 0,9 до 0,1 А; спадом вершины импульса Δ А.

Рисунок 14.3 — Параметры реального импульса

Для определения полосы пропускания устройств, предназначенных для передачи импульсных сигналов, важно знать спектральный состав этих сигналов. Периодическую последовательность импульсов характеризуют спектром в виде большого числа гармоник. Амплитудные спектры – зависимости амплитуд гармоник от частоты – различны для разных форм импульсов, их длительности и периода.

На рисунке показан спектр прямоугольных импульсов, отстоящих друг от друга на и поэтому содержит А(0) = const и амплитуды гармоник кратные Т. Другие составляющие отсутствуют. Такой спектр называется линейчатым (дискретным). Спектры характеризуют активной шириной, составляемой 95% энергии сигнала в диапазоне частот f = 0 ÷ f_max.

14.2 Электронные ключи и простейшие формирователи импульсных сигналов

Основу любого электронного ключа составляет активные элемент (диод, транзистор, тиристор), работающий в «ключевом режиме». Ключевой режим характеризуется двумя состояниями ключа: «Включено» — «Выключено».

Качество электронного ключа характеризуется следующими основными величинами:

— падением напряжения на ключе в замкнутом состоянии U_з;

— током через ключ в разомкнутом состоянии i_р;

— временем перехода ключа из одного состояния в другое (временем переключения) t_пер.

Рисунок14.5 — Схема (а), динамические диаграммы тока (б) и выходного

напряжения (в) идеального ключа

Чем меньше U_з, i_р, t_пер, тем выше качество ключа. Простейший тип ключей – это диодные ключи.

Рисунок 14.6 — Схема (а) и статическая Рисунок 14.7 — Схема (а) и статическая

характеристика (б) последовательного характеристика (б) последовательного

диодного ключа с нулевым уровнем диодного ключа с ненулевым уровнем

Рисунок 14.8 — Схема (а) и статическая Рисунок 14.9 — Схема (а) и статическая

характеристика (б) параллельного характеристика (б) параллельного

диодного ключа с нулевым уровнем диодного ключа с ненулевым уровнем

Рисунок 14.10 — Схема (а) и статическая характеристика (б) двойного диодного ключа

Диодные ключи не позволяют электрически разделить управляющую и управляемую цепи, что часто требуется на практике. В этом случае применяют транзисторные ключи.

Рисунок 14.11 — Схема (а) и коллекторные характеристики (б) ключа

на биполярном транзисторе

Приведенная схема мало отличается от схемы усиления с общим эммитером.

Однако транзистор работает в «ключевом режиме», характеризуемом двумя состояниями. Первое состояние определяется т. А₁ на выходных характеристиках транзистора; его называют режимом отсечки:

Из режима отсечки в режим насыщения ключ переводится воздействием положительного входного напряжения. При этом повышению U_входн. (потенциала базы) соответствует понижение U_вых , и наоборот. Такой ключ называют инвертирующим (инвертором).

Используют также повторяющие ключи, у которых понижению входного напряжения соответствует понижение выходного напряжения. Их выполняют по схеме эмиттерного повторителя.

Время переключения ключей на биполярных транзисторах определяется ёмкостями «р-n» переходов и длительностью накопления и рассасывания не основных носителей заряда в базе. Для повышения быстродействия и входного сопротивления применяют ключи на полевых транзисторах.

Ключ обычно устанавливается последовательно с коммутируемым участком цепи (нагрузкой) или параллельно ему.

Рисунок 14.12 — Принципиальные схемы параллельного (а) и последовательного (б)

Ключевые свойства транзисторного ключа не являются идеальными . Поэтому для повышения эффективности коммутации транзисторными ключами её иногда осуществляют одновременно последовательным и параллельным ключами. При этом для подключения нагрузки последовательный ключ включается, а параллельный ключ выключается. Для отключения нагрузки порядок изменения состояния ключей будет противоположным.

В силовых электронных схемах применяют транзисторные ключи на биполярных транзисторах с изолированным затвором. Стандартные схемы силовой электроники с транзисторами IGBT, MOSFET, BIMOSFET приведены ниже.

Рисунок 14.13 — Схема последовательного соединения двух транзисторов

IGBT для коммутации высоковольтного напряжения

Рисунок 14.14 — Двунаправленный транзисторный ключ переменного тока

Рисунок 14.15 — Управление значением переменного тока с использованием

Ключи на полевых транзисторах реализуют на полевых транзисторах типа МДП (МОП). Схема последовательного ключа на МДП-транзисторе показана ниже. Управляющим напряжением ключ устанавливается в открытое или закрытое состояние, тем самым, замыкая или размыкая участки цепи слева и справа ключа.

Аналогичную структуру имеет микросхема пятиканального ключа.

Рисунок 14.16 — Последовательный ключ Рисунок 14.17 — Структура микросхемы

на МДП – транзисторе. пятиканального ключа

В интегральных микросхемах ключей роль резисторов R_с выполняют МДП (МОП) – транзисторы, что улучшает технологичность микросхемы и её параметры.

Ключи на МДП – транзисторах с индуцированными каналами разных типов проводимости на т.н. дополняющих (комплементарных) КМДП – транзисторах используют для переключения при различном по знаку управляющем напряжении. Управляющее напряжение подаётся на объединённые затворы, подложки соединены с истоками. Между затвором и истоком управляющего транзистора VT1 действует

Рисунок 14.18 — Схема ключа на дополняющих КМДП – транзисторах

U_упр.(принимающее только положительное значение), между аналогичными выводами нагрузочного транзистора VT2 приложено напряжение U_упр. – Е_п . Транзистор VT1 с каналом n – типа отпирается, когда +U_ЗИ1 > U_{пор. n}; транзистор VT2 c каналом р – типа отпирается, если –U_ЗИ2 < - U_{пор. р} . Таким образом, VT2 является регулируемой нагрузкой: когда VT1 открыт, то VT2 закрыт; когда VT1 закрыт, то VT2 открыт (имеет небольшое сопротивление).

Рисунок 14.19 — Принципиальная схема переключателя тока

Такой переключатель тока предназначен для переключения тока из одной цепи в другую цепь. Транзисторы VT1 и VT2 имеют общий эмиттер. При изменении разности напряжений (U_вх — U_оп.) напряжение U_э повторяет большее из этих двух напряжений, а ток переключается из цепи транзистора VT1 в цепь транзистора VT2 и наоборот.

Ключ может быть построен и на симметричном тиристоре. Принципиальная схема такого ключа представлена ниже, его особенность в том, что этот ключ может размыкать более значительные токи, чем транзисторные ключи.

Электронные ключи используют в устройствах формирования импульсов. К простейшим и наиболее распространённым устройствам формирования импульсов относят ограничители, а также линейные цепи, включаемые на выходе электронного ключа.

Ограничителем называют нелинейный четырехполюсник, выходное напряжение которого повторяет форму входного напряжения, если последнее не выходит за уровни ограничения, и почти не изменяется, если входное напряжение превышает эти уровни. Для ограничения «сверху» применяют последовательные и параллельные диодные ключи, а также транзисторные ключи, работающие только в режиме «отсечки» или только в режиме насыщения. Для двустороннего ограничения используют двойные ключи.

Часто в качестве ограничителей используют устройства с кремниевыми стабилитронами, которые аналогичны стабилизаторам напряжения.

Рисунок 14.21 — Схема (а) и динамическая диаграмма работы (б) ограничителя

Применение ограничителей весьма разнообразно: формирование трапецеидального напряжения из синусоидального; сглаживание вершин импульсов искаженных помехой; выделение (селектирование) импульсов, амплитуда которых больше или меньше определенного уровня.

Для формирования коротких импульсов служат дифференцирующие цепи – линейные четырехполюсники, у которых выходное напряжение приблизительно пропорционально производной входного напряжения по времени:

Рисунок 14.22 — Схема (а) и диаграмма работы (б) дифференцирующей цепи

Для уменьшения длительности выходных импульсов следует уменьшить постоянную времени дифференцирующей цепи t = RC.

Интегрирующие цепи – четырехполюсники, у которых выходное напряжение пропорционально интегралу по времени от входного напряжения, применяют для формирования импульсов реже, чем дифференцирующие цепи. Чтобы получить интегрирующую цепь, следует конденсатор С и резистор R поменять местами.

что такое генератор тактовых импульсов в компьютере?

Устройство для выработки через равные отрезки времени последовательности импульсов. Время между двумя последовательными импульсами называется тактом.

Некоторые команды процессора выполняются за несколько тактов. Импульсы, проходя через все элементы компьютера, заставляют их работать в едином такте – синхронно. Частота генерации тактовых импульсов определяет быстродействие компьютера.

Центральный процессор — это центральное устройство компьютера, которое выполняет операции по обработке данных и управляет периферийными устройствами компьютера. У компьютеров четвёртого поколения и старше функции центрального процессора выполняет микропроцессор на основе СБИС, содержащей несколько миллионов элементов, конструктивно созданный на полупроводниковом кристалле путём применения сложной микроэлектронной технологии.

В состав центрального процессора входят:

1 устройство управления (УУ) ;

2 арифметико-логическое устройство (АЛУ) ;

3 запоминающее устройство (ЗУ) на основе регистров процессорной памяти и кэш-памяти процессора;

4 генератор тактовой частоты (ГТЧ) .

Устройство управления организует процесс выполнения программ и координирует взаимодействие всех устройств ЭВМ во время её работы.

Арифметико-логическое устройство выполняет арифметические и логические операции над данными: сложение, вычитание, умножение, деление, сравнение и др.

Запоминающее устройство — это внутренняя память процессора. Регистры служит промежуточной быстрой памятью, используя которые, процессор выполняет расчёты и сохраняет промежуточные результаты. Для ускорения работы с оперативной памятью используется кэш-память, в которую с опережением подкачиваются команды и данные из оперативной памяти, необходимые процессору для последующих операций.

Генератор тактовой частоты генерирует электрические импульсы, синхронизирующие работу всех узлов компьютера. В ритме ГТЧ работает центральный процессор.

Для математических вычислений к основному микропроцессору добавляют математический сопроцессор. Начиная с модели 80486DX процессор и сопроцессор выполняют на одном кристалле.