Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

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:

	I⁰_{вх, мА}	I¹_{вх, мА}	E¹_{вих ,В}	U¹_{вих, В}	U⁰_{вих ,В}	U¹_{п, В}	U⁰_п,В	R¹_{вх ,кОм}	R¹_{вих, 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

U¹_{вх.max,
В}

U⁰_{вх.min,
В}

F_{max,
МГц}

t⁰¹_{зт,
нс}

t¹⁰_{зт,
нс}

U_{cc ,В}

K555

5,5

-0,4

K155

5,5

-0,4

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₍_t_U₎, 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:

(6)

Якщо t_i1=t_i2, то мультивібратор симетричний і С₁=С₂, R₁=R₂. Якщо ж t_i1≠t_i2, то мультивібратор несиметричний і C₁ ≠ C₂.

2.2 Затриманий мультивібратор

Існує різновид схеми мультивібратора, яка має один постійно-стійкий стан і один тимчасово-стійкий стан. Зазвичай схема знаходиться у постійно-стійкому стані, але під дією короткого пускового імпульсу переходить у збуджений тимчасово-стійкий стан. По закінченні певного час схема виходить з цього стану і повертається в постійно-стійкий стан. Подібна схема має назву одновібратора, унівібратора, моновібратора, очікуючого або затриманого мультивібратора.

Рис.5 – Схема затриманого мультивібратора

Тривалість імпульсу запуску, з одного боку, повинна бути достатньою для перемикання ІЛЕ, тобто більше сумарного часу затримки їхнього перемикання (t⁰¹_зт та t¹⁰_зт), з іншого боку, тривалість імпульсу запуску повинна бути набагато менша за тривалість формованого імпульсу t_i. У протилежному випадку мультивібратор під час дії імпульсу запуску буде в невизначеному стані.

Рис.6 – Затриманий мультивібратор на ІЛЕ І-НЕ ТТЛ

Затриманий мультивібратор з резистивно-ємнісним зворотним зв’язком на ІЛЕ І-НЕ ТТЛ можна одержати з автоколивального мультивібратора шляхом виключення, наприклад, конденсатора С₂, резистора R₂, діода VD2. При цьому виключений резистивно-ємнісний зворотний зв'язок заміняється безпосереднім зв’язком виходу ІЛЕ DD1.2 з одним із входів ІЛЕ DD1.1. В якості сигналу запуску використовується негативний стрибок різниці потенціалів U_вх = E_вх, який надходить на вільний вхід ІЛЕ DD1.1. У початковому стані виходи IЛЕ DD1.1 і DD1.2 знаходяться в нульовому й одиничному станах відповідно. Під дією імпульсів запуску (у момент t=t₁) виходи логічних елементів змінюють свої стани на протилежні, конденсатор С починає заряджатися через вихід ІЛЕ ТТЛ DD1.1 і резистор R.

Рис. 7 – Часова діаграма роботи затриманого мультивібратора

Напруга U_вх на вході ІЛЕ ТТЛ DD1.2 експоненціально змінюється від E_max, прагнучи до нуля. Формування робочого імпульсу з тривалістю t_і закінчується при U_вх2(t_і) = U¹_п, тому що подальше зменшення вхідної напруги приводить до збільшення вихідної напруги ІЛЕ DD1.2.
При t>t₂ у мультивібраторі розвивається регенеративний процес, по закінченні якого ІЛЕ повертається у початковий стан, а напруга U_вх2 зменшується стрибком від U¹_п до (U¹_п - E¹_вих). Далі мультивібратор у два етапи повертається у початковий стан. Спочатку конденсатор С розряджається через зміщений у прямому напрямку діод VD, а потім після запирання діода конденсатор перезаряджається вхідним струмом ІЛЕ, DD1.2, а напруга U_вх2 прагне до значення U¹_вх. Якщо знехтувати часом розряду С через діод VD, то час відновлення:

де R||R¹_вих – паралельне з’єднання двох резисторів R та R¹_вих, U_D – спад напруги на відкритому діоді VD, рівний 0,6 В.

Тривалість генерованого імпульсу:

Якщо період імпульсів запуску T > ti+tв, то мультивібратор встигне відновитися.
Для отримання майже прямокутної форми вихідних імпульсів затриманого мультивібратора опір резистора R вибирається таким чином:

Це його максимальне значення, а реальні значення вибирають з рівності:

Практична частина

1. Автоколивальний мультивібратор

За формулами (1) та (2) обраховуємо допустимі значення опорів:
- максимальне – Rmax = 1034,48 Ом;

- мінімальне – Rmin = 322,58 Ом.

З рівнянь (3) і (5) знаходимо R₁ та C₁:

R₁ = 445,161 Ом, C₁ = 14,2 пФ.

З рівнянь (4) та (5) знаходимо R₂ та C₂:

R₂ = 445,161 Ом, C₂ = 19,9 пФ.

Працездатність схеми перевірено в симуляторі Multisim 12.0.

2. Затриманий мультивібратор

За формулою (9) знаходимо значення R:

R = 489,65 Ом

За формулою (7) знаходимо С:

С = 3,1 нФ.

За формулою (6) знаходимо час відновлення:

t_в = 2,09 мкс.

Знаючи, що T > ti+tв, розраховуємо період вхідного сигналу

Т > 3,69 мкс, тобто частота має бути F < 270 811 Гц.

Працездатність схеми перевірено в симуляторі Multisim 12.0.

ВИСНОВКИ

В ході курсової роботи був досліджений принцип дії одного з генераторів імпульсів - мультивібратора. Були розраховані дві різні функціональні схеми мультивібратора: автоколивальний та затриманий мультивібратора. За допомогою прикладної програми Multisim були перевірені розрахунки схем та наявність генерації сигналів прямокутної форми. Похибка, що виникла під час розрахунків автоколивального мультивібратора, зумовлена різною граничною напругою, що відповідає переходові елемента з нульового стану в одиничний, адже час вихідного імпульсу залежить від цієї величини. В другій частині курсової роботи було знайдено частоту генерації вхідного сигналу, яка б забезпечувала роботу затриманого мультивібратора, і було перевірено генерацію вихідних імпульсів у програмі Multisim.

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

1) І.І. Бех, С.М Левитський «Фізичні основи комп'ютерної електроніки»– К.: ТОВ «Карбон»,– 2010 р., – 233 с.

2) Левитський С.М. Основи радіоелектроніки. — Київ: ВПЦ «КУ», — 2007 р., — 455 с.

3) І.І.Бех: «Методичні матеріали для курсової роботи»

4) Вікіпедія. Мультивібратор. – Режим доступу: URL. - http://uk.wikipedia.org/wiki/Мультивібратор (18.05.2012)

5) Вікіпедія. Логічні елементи. – Режим доступу: URL. - http://uk.wikipedia.org/wiki/Логічні_елементи (18.05.2012)

Додатки

Додаток А

Схема автоколивального мультивібратора, побудована в Multisim.

Додаток Б

Осцилограма автоколивального мультивібратора

Додаток Г

Схема затриманого мультивібратора, побудованого в Multisim.

Додаток Д

Осцилограма затриманого мультивібратора