Въпрос 1 логически елементи

Формирането на импулсите се извършва по следните параметри:

— по продължителност , по амплитуда, схеми без обратна връзка, схеми с положителна обратна връзка (регенеративни).

5.1. Формирователи на импулси без обратна връзка

Най-простите формирователи на импулси използуват диференцираща или интегрираща верига.

За схемата от фиг. 5.1.а на входа на логическия елемент се поддър-жа 0 от свързания към маса резистор R. Постъпващият входен импулс се диференцира от RС-веригата и частта на положителния отскок, която е над прага на превключване на логическия елемент, се формира като изходен импулс. Диодът D ограничава отрицателния отскок на диференцирания импулс, за да не се повреди входът на логическия елемент и същевременно ускорява разреждането на кондензатора.

За схемата от фиг. 5.1.б с делителя R1 и R2 постоянното напрежение на входа на логическия елемент се избира да съответства на минималната стойност на логическата 1. При CMOS сериите, R2 не се поставя. Диодът D се включва, за да предпази входа на логическия елемент от положителния отскок и за да ускори разреждането на кон-дензатора С.

Използуването на интегрираща верига предизвиква изместване на изходните импулси, както е показано на фиг. 5.2. Това закъснение може да се използува при формирането на импулси.

Фиг. 5.2. Формировател с интегрираща верига, закъсняващ входния импулс.

Фиг. 5.3. Формировател с интегрираща верига, скъсяващ входния импулс: а) — по нара-стващия фронт; б) — по спадащия фронт.

Подобни схеми с диференциращи вериги, се използуват за "изрязване" на част от импулс:

Фиг. 5.4. Формиране на "отстъп" в изходния импулс: а) — по нарастващ фронт на вхо-дящия импулс; б) — по спадащ фронт на входящия импулс.

Чакащите мултивибратори (наричани още моновибратори) пред-ставляват моностабилни генератори, които притежават едно стабилно и едно нестабилно състояние. В стабилното си състояние те могат да стоят неограничено време, докато престояването в нестабилното състояние се определя от някаква времезадаваща верига. При постъпването на активния фронт на входен импулс, те преминават от стабил-ното си състояние в нестабилното и след изтичането на време, се връщат отново в стабилното състояние.

Фиг. 5.6. Типична структура на чакащ мултивибратор.

Най-често се из-ползува комбинацията от асинхронен SR-тригер и времезадаваща верига

Чакащи мултивибратори, използуващи времезадаваща верига от интегриращ тип.

Фиг. 5.8. Чакащи мултивибратори с интегрираща верига: а) — задействан по спадащ фронт на входния импулс; б) — задействан по нарастващ фронт на входния импулс.

Използуването на SR-тригер, в структурата на чакащи мултивибратори, има предимството, че паразитните трептения, които могат да възникнат в сигнала след времезадаващата верига, не се отразяват на работата на чакащия мултивибратор — тъй като SR-тригерът се връща в изходно състояние от импулса на първото трептене, останалите не му действат.

5.3. Тригери на Шмит

Тригерите на Шмит са формирователи на импулсите по амплитуда (ниво). Те са прагови устройства, които реагират на определено ниво на входния сигнал. Характеризират се с две критични нива на входния сигнал — ниво на задействане и ниво на отпускане. Разликата между тези нива определя хистерезисната област и е специфична особеност на тригера на Шмит.

Фиг. 5.15. Основни приложение на тригер на Шмит: а) — формировател на импулси; б) — амплитуден дискриминатор.

Тригерите на Шмит се използуват главно за формиране на правоъ-гълни от бавноизменящи се сигнали (фиг. 5.15.а). Друго основно приложение на тригерите на Шмит е в амплитудни дискриминатори за отделянето на импулси с по-голяма (или по-малка) амплитуда от зададена (фиг. 5.15.6).

Тригер на Шмит може да се изгради с два логически инвертора. През резистора R2 се осъществява положителна обратна връзка, a R1 (съвместно с R2) осигурява хистерезиса на тригера.

Фиг. 5.16. Тригер на Шмит с логически елементи.

Прагът на задействане E1 на тригера, зависи от съпротивлението на резисторите R1 и R2 и се определя от зависимостта:

В уравненията са използувани следните означения:

— Ut— праг на превключване на логическия елемент;

— U₀⁰,U₀¹ — напрежения, съответно на изходните О и 1 на логическия елемент;

— Ii⁰ — входен ток при входна 0 на логическия елемент.

Фиг. 5.18. CMOS интегрален тригер на Шмит.

Релаксаторите (осцилатори) са астабилни мултивибратори с две временно устойчиви състояния. Те непрекъснато преминават от едното неустойчиво състояние в другото, при което генерират импулси.

Показана е най-простата схема на релаксатор с логи-чески елементи, използуваща два инвертиращи логически елемента и една RС-верига.

Ако Q = 0, to Q = 1 и кондензаторът С се презарежда, като потенциалът Uc на входа на G1 ce стреми към нула. При достигане на праговото напрежение Ut, веригата за положителна обратна връзка се задейства, G1 и G2 превключват, при което Q = 1 и Q= 0.

Фиг. 5.19. RC-релаксатор с логически елементи.

След превключването, кондензаторът започва да се зарежда с обратен поляритет, като Uc ce стреми към напрежението на изходната логическа 1 на G2 При Uc = Ut, G1 започва да ce превключва и схемата скокообразно се връща в първото квазиустойчиво състояние (Q= 1, Q = 0).

За честотата на трептенията F може да се използува формулата:

Фиг. 5.20. Прост RС-релаксатор с CMOS логически елементи.

При релаксатор с CMOS елементи, се препоръчва включване на допълнителен резистор между общата точка на R и С и входа на G1. Този резистор разделя кондензатора С от интегрираните защитни диоди във входната верига на G1 и по време на превключването Uc не се ограничава. В гози случай, за честотата може да се из-ползува формулата:

RC-релаксаторите се използват при сравнително ниски честоти (до около 30MHz).Имат широк диапазон на промяна на честотата, но ниска стабилност.

Релаксатор от инвертиращ логически елемент с тригер на Шмит: генерирането на импулси се определя от периодичното зареждане и разреждане на поставен във входа на логическия елемент кондензатор, през включен между него и изхода резистор.

Фиг. 5.22. RC-релаксатор, изграден с инвертиращ елемент, притежаващ вграден тригер на Шмит.

В първия момент след включване на захранването, напрежението Uc върху кондензатора е нула и Q =1. Кондензаторът започва да се зарежда през резистора R, като се стреми да се зареди до напрежението на изходната 1 на логическия елемент. Когато напрежението на кондензатора достигне прага на задействане E1, тригерът на Шмит превключва и Q= 0. Cera кондензаторът започва да се разрежда през R, като напрежението върху него се стреми към стойността на изходната 0. Когато Uc достигне прага E2 тригерът на Шмит превключва отново, Q = 1 и кондензаторът пак започва да се зарежда. Периодът Т генерираните импулси :



!5.4.3. Релаксатор със закъснителна линия

С помощта на закъснителни линии се изграждат релаксатори с висока честотна стабилност. Съпротивлението R е равно на ха-рактеристичния импеданс Z на закъснителната линия DL.

Фиг. 5.23. Релаксатор с логически елемент и закъснителна линия.

Закъснителната линия съединява входа и изхода на логическия елемент. Импулсите, които се получават в изхода на релаксатора са симетрични и честотата им се определя от: , tz-време на закъснение на линията

5.4.4 Кварцово стабилизирани релаксатори

Когато е необходима точна и стабилна във времето честота на генериране, се използуват релаксатори с кварцови резонатори.Той представлява електромеханична система, образувана от кварцова пластина, изрязана с подходяща ориентация спрямо осите на естествен или синтетичен кварцов кристал и нанесени върху нея електроди. Използува се обратният пиезоефект, при който при подаването на електрически сигнали с определена честота към електродите на резонатора, в него се появяват механични трептения.

Фиг. 5.24. Еквивалентна схема на квар-цов резонатор.

В него R_q, L_q и C_q ce определят от параметрите на кварцовата пластинка, a C₀ от междуелектродния капацитет.

При импулсно възбуждане на кварцовия резонатор, освен основното трептене възникват и странични трептения. Затова в релаксаторите с кварцова стабилизация трябва да се използуват кварцови резо-натори с подобрена моночестотност.

Фиг. 5.26. Кварцово стабилизиран релак-сатор, използуващ последователния резо-нанс на резонатора.

При кварцовите осцилатори, изпълнявани с TTL елементи, по-ради сравнително малкото входно съпротивление на елементите, се използува предимно последова-телният резонанс на кварцовия резонатор. В този случай, от съ-ществено значение е собственото съпротивление R_r, тъй като то определя затихването при преми-наването на сигнала през резона-

тора. Схема на такъв осцилатор е показана на фиг. 5.26.

Фиг.5Структурна сх. на генератор на Пирс.

Поради високото входно съп-ротивление на CMOS, при тях не само е възможно но и по-широко се използува паралелният резонанс на кварцовия резонатор. Най-често се прилага известният генератор на Пирс, където кварцовият резонатор е включен в об-ратната връзка на инвертиращ усилвател фиг.5

Фиг. 5.29. Кварцово стабилизиран генератор на Пирс с CMOS елемент.

Най-използвани индикатори са светодиодните, течнокристалните и електролуминисцентните.

Фиг. 6.1. Основни схеми на възбуждане на светодиоди.

Токозадаващият резистор се изчислява по формулата:

Възбуждането на светодиод от изход на цифрова схема се извършва , като трябва да се съобразява, дали използуваният изход има необходимата товароспособност.

фиг. 6.2.а, изходът трябва да осигурява тока I_D към логическа 0, а при тази от

фиг. 6.2.6 — изходът на интегралната схема трябва да може да осигурява тока I_D от логическа 1.

Фиг. 6.2

Фиг. 6.3. Структура на 7-сегментен свето-диоден индикатор по свързване с общ анод.

Срещат се два типа свързване — с общ анод(фиг.6.3), и свързване с общ катод.

Тъй като възможностите на седемсегментните индикатори за изо-бразяване на букви са твърде ограничени, са се появили и 14-сегмент-ни индикатори.

Широко разпространение, поради нищожната си консумация, са получили течнокристалните индикатори (LCD — Liquid Cristal Display). Тези индикатори съдържат, органично течно вещество (течен кристал), светопропускащите свойства на което се променят при прилагането на напрежение (пос-тоянно или променливо). Структурата на течнокристалния индикатор се състои от две стъклени пластини, между които е разположено органичното съединение. Вътрешната повърхност на едната пластина е покрита с проводящ материал, който електрически е изведен като общ електрод. Върху другата пластина са нанесени проводящи зони във форма на индициращи елементи и всяка зона е изведена електрически като отделен електрод (фиг. 6.5).

Фиг. 6.5. Изводи на течнокристален ин-дикатор.

За да се избегне поляризирането на течния кристал, което предизвиква преждевременно стареене и разваля качествата му, се извършва промяна на поляритета. Осъществява се най-лесно, като уп-равлението на индикаторните електроди на течнокристалния индикатор се подаде през логически елементи ИЗКЛЮЧВАЩО ИЛИ, на вторите входове на които се подава честота ȹ= (30 – 200) Hz c коефициент на запълване 1/2. Същата честота се подава и на общия електрод.

Фиг. 6.6. Управление на течнокристален индикатор.

Когато на единия вход на елемента XOR се подаде /, сигналът в изхода му е в противофаза с честотата на другия му вход и с честотата на общия електрод на индикатора. Тогава, електродите на съответния индициращ елемент получават противофазни напрежения и той индицира. При подаване на 0 — изходният сигнал на XOR повтаря честотата на общия електрод. Тогава електродите на съответния елемент получават еднакъв потенциал и той не индицира.

Фиг. 6.7. Електролуминисцен-тен индикатор.

Широко приложение за индициране са намерили и електролуми-нисцентните индикатори. Те са електровакуумни прибори, изградени на базата на триелектродната лампа (фиг. 6.7).

Електролуминсцентните индикатори притежават много голяма яркост. Тя може да бъде управлявана с промяна на решетъчното напрежение.

Фиг. 6.8. Управление на електролуминисцентен индикатор.

Фиг. 6.9. Структура на ИС за управление на индикатори — '4543.

Фиг. 6.10. Управление на течнокристален индикатор с ИС '4543.

Честотата за промяна на поляритета върху индикатора се подава на входа DF на cxeмата и същевременно на общия електрод на индикатора.

6.2. Организиране на статична индикация

Статичната индикация се характеризира с това, че всеки индикатор притежава собствено индивидуално управление и индицира непрекъснато във времето. Най-долният етаж от структурата представлява блок за събиране на информация, който може да бъде АЦП, броячна група за измерване на честота или период, преместващ регистър за последователно приемане на цифрова инфор-мация и др.

След като блокът за събиране на информация натрупа данните, които трябва да се индицират, те се подават за запомняне в паралелни регистри. Запомняне е необходимо, за да може блокът за събиране на информация да се освободи за натрупване на нови данни. От изходите на паралелните регистри, данните се подават към кодов преобразувател, който ги преобразува в код за съответните индикатори (в случая 7-сегментен). Следват токоограничителните резистори и светодиодните индикатори.

Фиг. 6.13. Организиране на статична индикация със 7-сегментни светодиодни индика-тори с общ анод.

Организиране на динамична индикация се прилага при необходимост от управление на голям брой индикатори. Тя позволява да се спести елементна база при управлението на повече от 4 разреда.

Фиг. 6.16. Управляващи сигнали за дина-мична индикация.

Същността на динамичната индикация се състои в последователно разрешаване на всеки индикатор във времето. Управлява-щата логика на динамичната индикация създава серия последователни цифрови импулси за разрешаване на индикаторите и синхронизира данните, подавани за индициране на индикаторите със съответ-ните разрешаващи импулси (фиг. 6.16). Информацията за индициране се подава едновременно на всички индикатори.

Организизацията на 8-разредна динамична индикация със 7-сегментни светодиодни индикатори по схема общанод: Цикличното превключване на индикаторите се осъществява с помощта на двоичен брояч и дешифратор. Изходите на дешифратора управляват електронните ключове Т1 – Т7, които последователно разрешават индикато-рите, включвайки напрежение към анодите им.

Фиг. 6.17. 8-разредна индикация със 7-сегментни светодиодни индикатори с общ анод.

Едновременно с това, изходите на дешифратора разрешават синхронно магистралните буфери В0 – B7 пропускащи информацията за всеки разред към кодовия преобразувател.

6.4. Управление на точково-матрични индикатори

Големият брой независими елементи за индициране в точково-матричните индикатори, в сравнение със 7-сегментните, позволява да се изобразяват голям брой символи.

Фиг. 6.18. Структура на светодиоден точ-ково-матричен индикатор 5x7.

По начина на изграждането си обаче, точково-матричните индикатори изключват възможността за статично управление. За разлика от 7-сегментните индикатори, в точково-матричните индикатори такова свързване е невъзможно, поради големия брой индициращи елементи.

Той притежава матрица със 7 реда и 5 стълба, като във всеки възел на матрицата е вграден по един индикаторен елемент.

Фиг. 6.19. Управление на точково-матричен индикатор.

Управлението на такъв тип индикатори се извършва динамично, с последователно обхождане на редовете. Пр.фиг. 6.19. С помощта на брояч и дешифратор, последова-телно се управляват електронните ключове, задаващи анодното напрежение на редовете на матрицата. Синхронно с това, по стълбо-вете се подава информация за светенето на светодиодите от разрешения ред, съобразно индицирания символ. Токът през светоди-одите се задава от токоограничителни резистори, включени във всеки стълб.