Большая энциклопедия нефти и газа. Измерение - длительность - импульс

Тема: Преобразование импульсных сигналов

Переходные процессы в линейных цепях.

Дифференцирующая цепь. Интегрирующая цепь.

Литература:

Браммер Ю.А., Пащук И.Н. Импульсная техника. - М.: Высшая школа,1985.С.8-22, 129-144

Быстров Ю.А., Мироненко И.Г. Электронные цепи и устройства. - М.: Высшая школа, 1989. - С.46-49.

1. Импульсные сигналы и их параметры.

Импульсная техника - область радиоэлектроники, изучающая вопросы генерирования, формирования, преобразования и измерения импульсных сигналов.

Импульсный сигнал (электрический импульс) - кратковременное изменение напряжения или тока в электрической цепи, соизмеримое с переходным периодом в этой цепи.

Назначение импульсных сигналов :

Импульсные сигналы используются для представления сигналов в дискретной форме. Основные области применения - радиолокация, телевидение, электронно-вычислительная техника, гидроакустические станции и т.д.). Главное достоинство позволяющее использовать импульсный сигнал то, что он обладает большей помехозащищенностью по сравнению с аналоговым сигналом.

Классификация импульсных сигналов :

радиоимпульсы;

видеоимпульсы.

По полярности ВИ делятся на:

положительные;

отрицательные.

Причем, в ряде случаев такое деление относительно.

), изменение к.-л. физ. величины (эл.-магн. поля, механич. смещения и т. п.) в течение некоторого конечного промежутка времени. С распространением И. с. обычно связан и, следовательно, передача определ. информации.

Одиночные И. с. наз. видеоимпульсами; форма их может быть различной. На рис. 1 показаны видеоимпульсы прямоугольной (а), экспоненциальной (б), колоколообразной (в) и треугольной (г) форм. Участки нарастания и спада И. с. наз. его передним и задним фронтами, макс. отклонение от нулевого (или постоянного) уровня - амплитудой И. с. Ширина И.

Высокочастотные И. с. (рис. 2), напр. акустические и радиоимпульсы, используемые в гидролокации или радиолокации, представляют собой цуги высокочастотных колебаний конечной длительности. Их огибающая имеет форму видеоимпульса.

И. с. применяется в технике связи. Передача информации в этом случае осуществляется путём модуляции колебаний. И. с. «наполнена» природа: соударения, рождение и аннигиляция элем. ч-ц, переходы атомов и молекул из одного в другое сопровождаются импульсным излучением. Импульсный хар-р имеют «всплески» радиоизлучения косм. источников (Солнца, пульсаров и др.), а также всплески земного происхождения; напр., при грозах возникают радиоимпульсы, наз. атмосфериками.

Физический энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1983 .

ИМПУЛЬСНЫЙ СИГНАЛ

Кратковрем. изменение физ. величины (поля, параметра материальной среды и т. п.). В зависимости от природы различают акустич., эл.-магн. (в т. ч. радио- и оптич.), электрич. и т. п. И. с. Осн. параметрами, определяющими свойства И. с., являются: длительность (протяжённость в пространстве), амплитуда - величина максимального отклонения от определ. уровня, длительность (протяжённость) фронта и среза (спада), перемещения в среде. Повторяющиеся во времени И. с. характеризуютсяпериодом (пли частотой) повторения, а такжe скважностью, определяемой как отношение периода повторения к длительности импульса. Фурье преобразование, осн. параметром к-рого является ширина спектра И. с. Спектр любого И. с. бесконечен, однако в технике под шириной спектра И. с. обычно понимают ограннч. область частот Dw, в к-рой сосредоточена доминирующая доля (напр. /0,9) полной энергии И. с., её наз. активной шириной спектра. Между активной шириной спектра Dw и длительностью Dt реальных И. с. выполняется соотношение неопределённости DwDt=const, гласящее: чем меньше длительность ( времени наблюдения) И. с., тем шире его (тем шире должна быть обрабатывающей и измерительной аппаратуры).В радиоэлектронике одиночные И. с. наз. видеоимпульсами, а короткие пакеты высокочастотных колебаний, огибающая к-рых изменяется по закону видеоимпульсов,- радиоимпульсами. Радиоимпульсные сигналы, используемые в радиолокации, можно рассматривать как частный случай амплптудномодулированных колебаний (см. Амплитудная модуляция). В информационно-вычислит. технике и технике связи последовательности И. с. применяют для кодирования и информации (см. Импульсная модуляция). По роли в передаче информации И. с. можно разделить на полезные и мешающие (импульсные помехи), по степени определённости ожидаемых значений- на детерминированные (регулярные) и случайные. Импульсные устройства). Фактически любое заряж. частиц представляет собой совокупность И. с. разл. амплитуды и длительности. Поэтому И. с. широко представлены в природе в виде "всплесков" излучений космич. источников (напр., пульсаров); сейсмич. возмущений, напр., в результате сдвигов земной коры; возмущений, распространяющихся в биологически активных средах (см. Нервный импульс), и т. д. Лит.: Гоноровский И. С., Радиотехнические цепи и сигналы, 4 изд., М., 1986; Ицхоки Я. С., Овчинников Н. И., Импульсные и цифровые устройства, М., 1973. Ю. К. Богатырёв. М. А. Миллер.

Измерение длительности импульса и периода повторения производится известными методами, например с помощью осциллографа. Для точного измерения этого коэффициента необходимо определить форму огибающей импульса (после детектирования), внести поправку на нелинейность детектора, измерить площадь импульса и определить амплитуду эквивалентного прямоугольного импульса. Поправку на нелинейность детектора определяют с помощью генератора стандартных сигналов; выходное напряжение детектора калибруют в зависимости от мощности на входе.
К опреде - соседних импульса (. В этом случае по масштабной сетке измеряются расстояния. Измерение длительности импульсов методом дискретного счета изложено в разделе измерений временных интервалов.
Измерение длительности импульса аналогично измерению периода.
К определению длительности импульса. Измерение длительности импульсов методом дискретного счета изложено в разделе измерений временных интервалов.
Измерение длительности импульсов и других временных характеристик электрических сигналов выполняется при помощи калибраторов длительности - генераторов светящихся меток. Частота развертки обычно приблизительно известна по делению шкалы, против которого установлен указатель переключателя. Если на экране изображен синусоидальный или другой периодический сигнал и требуется определить его частоту, необходимо количество периодов колебания умножить на частоту развертки.
Структурная схема прибора в режиме измерения периода. Измерение длительности импульсов (рис. 17) аналогично схеме измерения периода, разница в том, что длительность строб-импульса равна длительности входного импульса.
Для измерения длительности импульсов в схеме имеется калибратор длительности, собранный на лампе Л86, в катоде которого имеются резонансные контуры.
Измерение интервала [ IMAGE ] Измерение интервала. Для измерения длительности импульса калибрационные метки накладываются на его изображение путем подачи их на пластины у (рис. 166, а) или на модулирующий электрод трубки. Соответствующие осциллограммы показаны на рис. 166, бив.
Для измерения длительности импульса применяют электронную схему, выходное напряжение которой пропорционально длительности импульса и, следовательно, размеру изделия.
Измерение интервала [ IMAGE ] Измерение интервала. Для измерения длительности импульса кадибрационные метки накладываются на его изображение путем подачи их на пластины (рис. 150, а) или на модулирующий электрод трубки.

Для измерения длительности импульса помехи может быть применен цифровой измеритель временных интервалов. Однако необходим режим однократного измерения.
Для измерения длительности импульса тока осциллографами необходимо иметь масштаб времени. В случае применения магнитоэлектрического осциллографа это выполняется путем одновременной записи двух кривых: импульса тока и напряжения переменного тока известной частоты. В осциллографе МПО-2 для этой цели служит специальный отметчик времени - вибратор, на который подается напряжение с частотой 500 гц. Для измерения длительности импульсов машин переменного тока отметчик времени не обязателен, так как по числу периодов тока (один период равен 0 02 сек) может быть подсчитана длительность импульса. Для измерения длительности импульсов и пауз при роликовой сварке масштаб времени необходим во всех случаях.
Измерение интервала времени между двумя импульсами с использованием фиксированных меток (а и подвижной метки (б.| U. Метки времени при измерении длительности импульса. Для измерения длительности импульса метки времени накладываются на его изображение путем подачи напряжения генератора меток на пластины Y или на модулирующий электрод трубки.
Точность измерения длительности импульсов перечисленными методами в значительной степени определяется линейностью развертки.
Ошибка измерения длительности импульсов не превышает этих же величин. Влияние разной величины эффективной длины отверстия в различных местах сечения также невелико, так как с увеличением длины отверстия влияние краевых эффектов уменьшается, распределение же импульсов по длительности существенно не изменяется. Таким образом, различную длительность импульсов можно объяснить лишь неодинаковыми величинами скоростей на разных / расстояниях от оси отверстия, что непосредственно вытекает из законов гидродинамики.
При измерении длительности импульсов открытие ключа производится передним фронтом, а закрытие-задним. При измерении интервалов времени между импульсами открывает ключ первый импульс, закрывает - второй. Измеряемые величины при этом подаются на один из входов прибора. В остальном работа прибора происходит так же, как при измерении угла сдвига фаз.
Область неопределенности при измерении задержки и ширины прямоугольного импульса.| К вычислению ошибок измерения длительности и задержки трапецеидального импульса. При измерении длительности импульса также важно знать предельную точность, которая достигается при уменьшении тф.
Большую точность измерения длительности импульсов позволяет получить метод, основанный на подсчете числа колебаний высокочастотного генератора, поданных на счетчик за время прохождения импульса. В этом случае счетчик может отпираться и запираться напряжением триггера / (фиг.
Характеристики измерителей энергетических параметров ОКГ. Распространенным методом измерения длительности импульсов является предварительное преобразование их в электрические импульсы с последующим измерением обычными радиотехниче-ческими методами.
Калиброванные метки для измерения длительности импульсов установлены через 0 05; 0 2; 1 0; 5; 20 и 100 мсек. Имеется возможность подавать исследуемые напряжения непосредственно на вертикально и горизонтально отклоняющие электроды электронно-лучевой трубки.
Наиболее простым методом измерения длительности импульсов является метод, основанный на использовании осциллографа. Измеряемые импульсы подаются на вход усилителя вертикального отклонения луча или непосредственно на вертикально-отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки. В этом случае на экране осциллографа получается картина, показанная на фиг. По числу меток времени, зная интервал между ними, определяется длительность импульса.
Определение длительности импульса по ширине развертки.| К определению длительности импульсов по периоду их следования.| К определению длительности импульсов по числу калиб-рационных меток.
В настоящее время для измерения длительности импульсов наибольшее практическое применение получили методы, связанные с применением осциллографа. Зная (или измеряя) частоту развертки, по формуле T ff можно определить период развертки.
ПВ-52 и СБ-1М, Измерение длительности импульсов низкочастотных машин требует включения - дополнительного реле.
Описанный метод можно использовать для измерения длительности импульсов фототока, исключив из схемы устройство для преобразования импульсов. В этом случае нахождение точек, между которыми должна быть определена длительность импульса, выполняет наблюдатель.
Для прямого наблюдения структуры излучения и измерения длительности импульса применялся поглотитель (ванадий-фта-лоцианин, растворенный в нитробензоле) с относительно большим временем релаксации Р21 1 2 0 6 не.
Калибратор генератора может быть использован также для измерения длительности импульсов настраиваемой схемы в пределах от 0 5 до 20 мксек. Исследуемый импульс подается на вход индикатора, а переключатель индикатор ставится в положение внешний импульс. В остальном измерение длительности внешнего импульса производится так же, как и внутреннего.
Из полученного результата видно, что в рассмотренном случае погрешность измерения длительности импульса определяется погрешностью коэффициента развертки.
Такое коммутирование формирующих схем объясняется теми же причинами, что и при измерении длительности импульсов обеих полярностей. Независимо от вида измерений управляющий импульс отрицательной полярности через буферный каскад и линию задержки поступает на усилитель. Линия задержки обеспечивает задержку управляющего импульса на время, необходимое для сброса пересчетной схемы прибора в нулевое положение перед началом очередного цикла измерений.
Погрешность метода определяется следующими составляющими: погрешностью измерения среднего значения мощности; погрешностью измерения длительности импульса; погрешностью измерения частоты следования импульсов; погрешностью определения коэффициента формы импульса.
В упомянутом выше устройстве для контроля положения края проката фирмы Дженерал Электрик применена схема для измерения длительности импульса фототока на пропорциональном уровне (фиг.
Наличие во входных формирователях усилителя постоянного тока позволяет выполнить ва ж-ный для измерительной практики род работы прибора - измерение длительности импульсов. Импульсный сигнал длительностью в (от 1 мсек и более) подается на вход формирователя А. В процессе формирования на выходах / и / / образуются короткие импульсы, отвечающие началу и концу измеряемого импульса. Эти импульсы используются для открытия селектора 2 на время 6, в течение которого на счетные декады поступают метки времени.
ПИВИ-2) - прибор для измерения временных интервалов, служащий для получения импульсов любой формы и полярности амплитудой от 0 1 до 500 в, для измерения длительностей импульсов и их фронтов и проведения других измерений с помощью масштабных меток 0 5 и 0 01 мксек.
Прибор измерения временных интервалов И2 - 5 (ПИВИ-2) служит для получения импульсов любой формы и полярности амплитудой от 0 1 до 500 в, для измерения длительностей импульсов и их фронтов и проведения других измерений с помощью масштабных меток 0 5 и 0 01 мксек.
В заключение этого параграфа мы хотим обратить внимание на то, что косвенные, корреляционные методы исследования, базирующиеся на измерении высших корреляционных функций, могут быть использованы ие только для суждения о наличии самого эффекта синхронизации мод и измерения длительности импульса (см. § 3 гл.
Блок-схема стробоскопа, основанного на эффекте Холла.| Схема измерения скорости смещения импульсов.
Для измерения длительности импульсов используется сердечник с прямоугольной петлей гистерезиса, работающий в режиме суммирования дискретных приращений потока.
Для измерения фемтосекундной длительности импульсов используют корреляц. Широко распространена схема нели-нейно-оптич. При этом интегрирующий сигнал фотоприемника измеряет автокорреляц.
Наиболее часто при этом измерения проводят на высоте, равной половине амплитуды (фиг. Уровень, на котором проводится измерение длительности импульса, не может быть установлен постоянным, так как при этом на результат измерения влияла бы амплитуда импульса.
Разница при контроле малых или больших размеров состоит в смене оптических систем: телеобъектив или микроскоп. Реализация этого способа сводится к измерению длительности импульсов или их подсчету, формируемых изображением краев объекта на экране видеоконтрольного устройства. Такие способы при автоматических измерениях реализуются в виде применения дифференциальных или раздваивающих систем.
Структурная схема реле времени. Действие цифровых фазометров основано на измерении длительности импульса Д, пропорциональной измеряемому фазовому сдвигу.
Эти приемники, осуществляющие обратное преобразование импульсов, модулированных по длительности в постоянный ток, делятся на две группы - электромеханические и электрические. Первые, представляющие собой различные механические устройства для измерения длительности импульсов, применялись раньше в так называемых длиннопериодных устройствах. В электрических приемниках осуществляется измерение среднего тока импульса, как в рассмотренных конденсаторных частотомерах, либо отношения длительности импульса к периоду.
Остаточный сигнал, полу. Если с одного прохождения становится трудно зарегистрировать сигнал образца, то при измерении длительности импульса приходится проявлять больше изобретательности и терпения. В зависимости от того, насколько плоха чувствительность, можно использовать различные пути. Если сигналы, видимые в некоторых спектрах, исчезают в шуме при приближении к я-импульсу, то может быть достаточно определить последний видимый положительный сигнал и первый видимый отрицательный и взять среднюю между ними величину.
Недостатком рассмотренной схемы является наличие в ней цепей с конденсаторами, которые заряжаются до напряжения, равного половине амплитуды импульса. Постоянная времени цепей с этими конденсаторами сильно увеличивает инерционность всей схемы и вносит дополнительные погрешности в измерение длительности импульсов при изменении их амплитуды, что имеет место при изменении интенсивности освещения контролируемого тела.
При измерении данным методом используется некалиброванная линейная развертка. Временной интервал определяется по числу калибровочных импульсов или меток, помещающихся на экране осциллографа между изображениями опорного и интервального импульсов, аналогично измерению длительности импульса в синхроноскопе. В специальных измерителях временных интервалов предусматривают высокостабилыные по частоте генераторы калибровочных меток, позволяющие производить измерения с высокой точностью - Часто измерительные возможности подобных приборов не ограничиваются только точным определением временных интервалов - они значительно шире.
Вто время как найденные для рубинового лазера длительности импульсов хорошо согласуются с экспериментально измеренными, рассчитанные для лазера на стекле с неодимом значения от 2 до 10 раз меньше измеренных в максимуме цуга импульсов значений. Это расхождение определяется действием дополнительных нелинейных эффектов в стеклянных стержнях не-одимового лазера (неоднородное снятие усиления, зависимость показателя преломления от интенсивности и дисперсия), приводящих к фазовой модуляции импульса и как следствие к его удлинению, что не учитывалось в расчете. Измерения длительности импульсов в начале цуга (где автомодуляция фазы еще не играет заметной роли) дают значения, отличающиеся от расчетных лишь на 2 - 3 пс.
В дальнейшем, если это особо не оговорено, длительность импульса ta будет измеряться по основанию. Единицей измерения длительности импульса является секунда.
Блок-схема. измерения сдвига фаз в усилителе. При таких измерениях необходима линейная развертка с известной скоростью. Однако этот метод пригоден для малых скважностей (не более 10), когда на экране укладываются по крайней мере два импульса. При больших скваж-ностях измерение длительности импульсов возможно только при наличии ждущей развертки и использовании яркост-ных отметок времени. В этом случае запуск развертки производится исследуемым импульсом. Одновременно на управляющую сетку трубки подают калибрационные импульсы для получения меток.

Представляет интерес использования в ЭСЧ с МП измерителя амплитуд импульсных сигналов, с помощью которого обеспечивается автоматическая установка уровня запуска при измерении длительности импульсов. МП запоминает максимальное и мини - - мальное значения измеренного напряжения импульсного сигнала, вычисляет среднее арифметическое этих значений и автоматически устанавливает соответствующий уровень запуска. Данный метод позволяет существенно снизить погрешность измерения длительности импульсов для случая, когда их форма значительно отличается от прямоугольной.
Остановившись на определенном виде синхронизации, вытекающем из условий исследования, нужно обратить внимание на требуемые значения синхронизирующих напряжений при данном виде синхронизации и используемом виде развертки. Если применяется ждущая развертка, то следует учесть требования к длительности и амплитуде импульса, запускающего генератор ждущей развертки. Не должна оставаться вне поля зрения и полярность синхронизирующего сигнала: от правильного выбора ее зависят возможность наблюдения интересующего экспериментатора участка исследуемого сигнала и точность измерения длительности импульса.

Электрическим импульсом

1) амплитуда импульса U m

2) длительность импульса t и U m или 0,5U m

3) длительность фронта t ф U m ;

4) длительность среза t ср U m .

1) t и t n

2)

3) К з = t и /Т ;

4) скважность импульсов Q Q = Т/t и . Параметры К з и Q являются безразмерными.

ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ

Операционными усилителями (ОУ) называют высококачественные усилители постоянного тока (УПТ), предназначенные для выполнения различных операций над аналоговыми сигналами при работе в схеме с отрицательной обратной связью.

Усилители постоянного тока позволяют усиливать медленно изменяющиеся сигналы, так как имеют нулевую нижнюю граничную частоту полосы усиления (f н =0). Соответственно в таких усилителях отсутствуют реактивные компоненты (конденсаторы, трансформаторы), которые не пропускают постоянную составляющую сигнала.

На рис. 10,а приведено условное обозначение ОУ. Показанный усилитель имеет один выходной вывод (изображен справа) и два входных (показаны с левой стороны). Знак Δ или > характеризует усиление. Вход, напряжение на котором сдвинуто по фазе на 180 0 относительно выходного напряжения, называется инвертирующим и обозначается знаком инверсии ○, а вход, напряжение на котором совпадает по фазе с выходным, – неинвертирующим . ОУ усиливает дифференциальное (разностное) напряжение между входами. Операционный усилитель содержит также выводы для подачи напряжения питания и может содержать выводы частотной коррекции (FC), выводы балансировки (NC). Для облегчения понимания назначения выводов и повышения информативности в условном обозначении допускается введение одного или двух дополнительных полей с обеих сторон от основного поля, в которых указываются метки, характеризующие функции вывода (рис. 10,б). В настоящее время операционные усилители выпускаются в виде интегральных микросхем. Это позволяет рассматривать их как отдельные компоненты с определенными параметрами.

Параметры и характеристики ОУ можно условно разделить на входные, выходные и характеристики передачи.

Входные параметры.

1. Напряжение смещения нуля U см – это потенциал на выходе усилителя при нулевом входном сигнале, который поделен на коэффициент усиления усилителя (единицы – десятки мВ). Данный параметр показывает какой источник напряжения необходимо подключить ко входу ОУ для того, чтобы получить нулевое выходное напряжение.

2. Входные токи I вх1 , I вх2 (единицы нА – десятки мкА). Данные токи обусловлены необходимостью обеспечить нормальный режим входного дифференциального каскада ОУ. В случае использования полевых транзисторов это токи всевозможных утечек.

3. Разность входных токов .

4. Входное сопротивление для дифференциального сигнала R вх диф (десятки кОм – сотни МОм).

5. Входное сопротивление для синфазного сигнала R вх сф. Данное сопротивление на несколько порядков выше сопротивления для дифференциального сигнала.

6. Температурные дрейфы напряжения смещения и входных токов. Характеризуют изменение соответствующих параметров с температурой.

Рис. 10. Условное обозначение операционного усилителя:
а – без дополнительного поля; б – с дополнительным полем; NC – выводы балансировки;
FC – выводы частотной коррекции; U – выводы напряжения питания; 0V – общий вывод

Характеристики передачи.

1. Коэффициент усиления по напряжению К U (10 3 – 10 6)

,

где U вх1 , U вх2 – напряжения на входах ОУ.

2. Коэффициент передачи синфазного сигнала К U сф

.

3. Коэффициент ослабления синфазного сигнала К ос сф

4. Частота единичного усиления f 1 – это частота, на которой коэффициент усиления по напряжению равен единице (единицы – десятки МГц).

5. Скорость нарастания выходного напряжения V U вых – это максимально возможная скорость изменения выходного сигнала.

Выходные параметры.

1. Максимальное выходное напряжение ОУ U вых max . Как правило данное напряжение на 2-3 В ниже напряжения источника питания.

2. Выходное сопротивление R вых (десятки – сотни Ом).

Основные схемы включения операционного усилителя.

Операционные усилители обычно используют с глубокой отрицательной обратной связью, так как они имеют значительный коэффициент усиления по напряжению. При этом от элементов цепи обратной связи зависят результирующие параметры усилителя.

В зависимости от того, к какому входу ОУ подключается источник входного сигнала, различают две основные схемы включения (рис. 11). При подаче входного напряжения на неинвертирующий вход (рис. 11,а) коэффициент усиления по напряжению определяется выражением

Такое включение ОУ используют тогда, когда требуется повышенное входное сопротивление. Если на схеме рис. 11, а убрать сопротивление R 1 и закоротить сопротивление R 2 , то получится повторитель напряжения (К u =1), который используют для согласования высокого сопротивления источника сигнала и низкого сопротивления приемника.

Рис. 11. Схемы усилителей на ОУ:
а – неинвертирующий усилитель; б – инвертирующий усилитель

При подаче входного напряжения на инвертирующий вход (рис. 11, б) коэффициент усиления равен

Как видно из выражения (2) при таком включении входное напряжение инвертируется.

В рассмотренных схемах к одному из входов подключено сопротивление R э. Оно не влияет на коэффициент усиления и вводится, когда это необходимо для уменьшения изменений выходного напряжения, вызванных временными или температурными колебаниями входных токов. Сопротивление R э выбирают таким, чтобы эквивалентные сопротивления, подключенные ко входам ОУ, были одинаковы. Для схем рис. 10 .

Модифицировав схему рис. 11, б, можно получить суммирующее устройство (рис. 12, а), в котором

. (3)

При одновременной подаче напряжения на оба входа ОУ получается вычитающее устройство (рис. 12, б), для которого

. (4)

Данное выражение справедливо при выполнении условия .

Рис. 12. Схемы включения ОУ:
а – сумматор напряжений; б – вычитающее устройство

ТРИГГЕРЫ

Триггером называется бистабильное устройство, имеющее два длительно устойчивых состояния равновесия и обладающее способностью скачком переключаться из одного состояния равновесия в другое под действием внешнего импульсного сигнала. Способность формировать на выходе два устойчивых значения сигнала, которые могут поддерживаться без изменения сколь угодно длительный промежуток времени, позволяет использовать триггер в качестве элемента памяти.

Существующие типы триггеров можно классифицировать по различным признакам. Так по моменту реакции на изменение входных сигналов триггеры подразделяют на асинхронные и синхронные.

Асинхронный триггер изменяет свое состояние непосредственно в момент изменения сигнала на его информационных (управляющих) входах. Синхронный триггер изменяет свое состояние лишь в строго определенные (тактовые) моменты времени, соответствующие действию активного сигнала на его синхронизирующем входе, и не реагирует на любые изменения информационных сигналов при пассивном значении сигнала на синхровходе.

Наиболее часто триггеры классифицируют по типу используемых информационных входов. Различают следующие типы основных входов триггера:

R – вход сброса триггера;

S – вход установки триггера;

K – вход сброса универсального триггера;

J – вход установки универсального триггера;

T – счетный вход триггера;

D – информационный вход переключения триггера в состояние, соответствующее логическому уровню на этом входе;

C – вход синхронизации.

Некоторые триггеры могут иметь дополнительный управляющий вход V , с помощью которого блокируется работа триггера и он сколь угодно долго может сохранять свое состояние. Как правило, триггеры имеют два выхода: прямой (Q ) и инверсный ().

В зависимости от типа используемых входов различают RS-, JK-, D-, T-, DV- и TV- триггеры.

RS-триггер содержит входы R (Reset) и S (Set) . Активный уровень на входе R приводит к сбросу триггера (Q = 0), а активный уровень на входе S – к установке триггера (Q = 1). При двух неактивных сигналах триггер сохраняет предыдущее состояние. Комбинация из двух активных входных сигналов для RS- триггера является запрещенной. RS- триггеры могут быть как асинхронными, так и синхронными.

JK-триггер содержит вход сброса K и вход установки S. При неактивных входных сигналах триггер сохраняет предыдущее состояние, при двух активных сигналах – переключается в противоположное состояние. Такие триггеры также могут быть как асинхронными, так и синхронными. JK- триггер является универсальным, так как на его основе можно реализовать любой другой тип триггера.

D-триггер содержит информационный вход D и вход синхронизации C . При пассивном синхросигнале триггер сохраняет свое состояние, при активном синхросигнале – триггер переключается в состояние, соответствующее логическому уровню на входе D .

T-триггер (счетный триггер) содержит один счетный вход T . После каждого входного импульса триггер переключается в противоположное состояние. Таким образом, частота следования импульсов на выходе T- триггера в два раза ниже, чем частота входного сигнала.

Счетчики импульсов

Счетчиком называется последовательностное устройство, предназначенное для подсчета входных импульсов и фиксации их числа в двоичном коде. N -разрядный счетчик строится на основе N однотипных связанных между собой разрядных схем, каждая из которых в общем случае состоит из триггера и некоторой комбинационной схемы, предназначенной для формирования сигналов управления триггером.

В цифровых схемах счетчики могут выполнять следующие операции над кодовыми словами:

1) запись нулевого кода (сброс счетчика);

2) запись входной информации в параллельной форме (установка начального состояния счетчика);

3) хранение информации;

4) выдача хранимой информации в параллельной форме;

5) инкремент – увеличение хранящегося кодового слова на единицу;

6) декремент – уменьшение хранящегося кодового слова на единицу.

Основным параметром счетчика является модуль счета М (емкость счетчика), который характеризует максимальное число входных импульсов, при котором счетчик устанавливается в исходное состояние.

Счетчики могут классифицироваться по различным параметрам. Так по значению модуля счета счетчики подразделяются на:

двоичные , модуль счета которых равен целой степени числа 2 (М = 2 N );

двоично-кодированные , в которых модуль счета может принимать любое, не равное целой степени числа 2 значение. К такой категории относятся двоично-десятичные счетчики , емкость которых равна десяти.

По направлению счета счетчики подразделяют на:

суммирующие , выполняющие операцию инкремента над хранящимся кодовым словом;

вычитающие , выполняющие операцию декремента над хранящимся кодовым словом;

реверсивные , выполняющие над хранящимся кодовым словом либо операцию инкремента, либо декремента (в зависимости от значения управляющего сигнала).

По способу организации межразрядных связей счетчики делятся на:

счетчики с последовательным переносом , в которых переключение триггеров разрядных схем осуществляется последовательно один за другим;

счетчики с параллельным переносом , в которых переключение триггеров разрядных схем осуществляется одновременно по сигналу синхронизации;

счетчики с комбинированным последовательно-параллельным переносом , в которых используются различные комбинации способов переноса.

Счетчики импульсов выпускаются в виде отдельных интегральных микросхем малой и средней степени интеграции. Рассмотрим микросхему К555ИЕ6 (зарубежный аналог 74192), которая представляет собой реверсивный двоично-десятичный счетчик, выполненный по ТТЛ-Ш технологии (рис. 14). Такой счетчик имеет следующий выводы: D0-D3 – входы параллельной загрузки данных; PE – разрешение параллельной загрузки данных (при наличии логического нуля на этом входе данные со входов D0-D3 записываются в счетчик); R – вход сброса; +1 – вход суммирования (содержимое счетчика увеличивается на единицу по фронту импульса на этом входе); -1 – вход вычитания (по фронту импульса уменьшение содержимого счетчика на единицу); Q0-Q3 – выходы счетчика; ³ 9 – выход «перенос» (после поступления на вход +1 десятого импульса счетчик обнуляется, а на выходе переноса появляется логический ноль); £ 0 – выход «заём» (если при вычитании содержимое счетчика уменьшается до нуля, на данном выходе появляется логический ноль). Выходы «перенос» и «заём» позволяют увеличивать разрядность счетчика путем каскадного включения микросхем.

Рис. 14. Двоично-десятичный счетчик К555ИЕ6

Асинхронные RS-триггеры

Асинхронные RS-триггеры имеют два информационных входа: вход S для установки 1, вход R для установки 0 и два выхода: прямой и инверсный.

Состояние триггера характеризуется сигналом на прямом выходе и определяется комбинацией входных сигналов. Например, для установки триггера в состояние 1, т. е. для записи в него 1, необходимо на его входы подать такую комбинацию сигналов, при которой на прямом выходе сигнал будет иметь уровень логической 1.

Асинхронный RS-триггер обычно строится на двух логических элементах И–НЕ либо ИЛИ–НЕ, охваченных перекрестными обратными связями

(рис. 2.1). На временных диаграммах отражена задержка срабатывания триггера, величина которой зависит от быстродействия логических элементов.

Рис. 1.1. Асинхронный RS-триггер: а – на логических элементах ИЛИ-НЕ; б – на логических элементах И–НЕ

Логика элементов И-НЕ, на которых построены триггеры, приведена в табл. 1.1 и имеет простое словесное выражение: любой ноль на входе дает единицу на выходе.

Аргументы Функция

Для асинхронного RS-триггера (рис. 2.2,а) при подаче нуля на вход S и единицы на вход R (S=0, R=1) на прямом выходе будет уровень логической 1. Эта единица по цепи обратной связи поступает на один из входов нижнего по схеме элемента и вместе с единицей на входе R дает логический 0 на инверсном выходе. Это режим установки триггера в единичное состояние. Из этого анализа следует, что управляющими сигналами для этого триггера будут сигналы логического 0.

При входных сигналах S=1 и R=0 триггер будет установлен в нулевое состояние: на прямом выходе уровень логического 0, на инверсном – 1.

При подаче на оба входа нулевых сигналов на обоих выходах триггера появится уровень логической 1. Это запрещенный режим. Нельзя одновременно подавать сигналы на установку триггера в нулевое и единичное состояние.

В случае S=1 и R=1 триггер не изменяет своего состояния. В этом можно убедиться, предполагая последовательно, что триггер находился в нулевом или единичном состоянии. Полная таблица истинности RS-триггера приведена в табл. 1.2.

S R Q i Q i-1 Q t+1

Для триггера на элементах И–НЕ управляющим действием обладают нулевые уровни информационных сигналов, а не единичные. Если для триггера на элементах ИЛИ–НЕ единичные сигналы на обоих информационных входах запрещены, то для триггера на элементах И–НЕ они разрешены и образуют нейтральную комбинацию. Нулевые сигналы на обоих входах триггера на элементах ИЛИ–НЕ составляют нейтральную комбинацию, а для триггера на элементах И–НЕ они запрещены.

Синхронный одноступенчатый RS-триггер отличается от асинхронного наличием С-входа для синхронизирующих (тактовых) импульсов. Синхронный триггер состоит из асинхронного RS-триггера и двух логических элементов на его входе. Рассмотрим работу триггера, построенного на элементах И–НЕ (рис. 2.2, a).

При С = 0 входные логические элементы 1 и 2 блокированы: их состояния не зависят от сигналов на S- и R-входах и соответствуют логической 1, т. е. q1 = q2 = 1. Для асинхронного RS-триггера на элементах И–НЕ такая комбинация входных сигналов является нейтральной, поэтому триггер находится в режиме хранения записанной информации.

При С = 1 входные логические элементы открыты для восприятия информационных сигналов и передачи их на входы асинхронного RS-триггера. Таким образом, синхронный триггер при наличии разрешающего сигнала на S-входе работает по правилам для асинхронного триггера.

Временные процессы в триггере при его переключении из нулевого состояния в единичное иллюстрируются диаграммами на рис. 4.13, в, на которых обозначено: t1, t2, t3, t4 – задержки переключения соответствующих логических элементов; t" с, t" с – длительности тактовых импульсов и пауз между ними.

Из диаграмм следует, что минимальный

пер иод повторения тактовых импульсов равен 4tзд.р,ср, а наибольшая частота F = 1/4t зд.р,ср. Синхронные RS-триггеры строятся и на логических элементах ИЛИ–НЕ (рис. 2.2), И–ИЛИ–НЕ и их сочетаниях.

Виды и параметры импульсных сигналов

Электрическим импульсом называется кратковременное отклонение напряжения (тока) от некоторого начального уровня.

В зависимости от формы различают прямоугольные, трапецеидальные, треугольные и пилообразные импульсы (рис. 1). Различают также импульсы положительной и отрицательной полярности (рис. 2).

Рис. 1. Классификация импульсных сигналов по форме

Рис.2. Классификация импульсных сигналов по полярности

Одиночный импульс можно описать с помощью следующих параметров (рис. 3):

1) амплитуда импульса U m – это максимальное значение импульсного отклонения напряжения (тока) от начального уровня;

2) длительность импульса t и – это интервал времени от момента появления импульса до момента его окончания. Такой интервал измеряется на уровне 0,1U m или 0,5U m . В последнем случае длительность импульса называют активной;

3) длительность фронта t ф – это промежуток времени, в течение которого напряжение (ток) в импульсе возрастает от 0,1 до 0,9 от амплитудного значения U m ;

4) длительность среза t ср – это промежуток времени, в течение которого напряжение в импульсе убывает от 0,9 до 0,1 от U m .

Для описания периодической последовательности импульсов (рис. 4) использую следующие параметры:

1) период следования импульсов Т – это промежуток времени от начала условно выбранного импульса до начала следующего импульса. Период равен сумме длительности импульса t и и длительности паузы между импульсами t n , измеряется в единицах времени;

2) частота следования импульсов f – величина, обратная периоду. Показывает число импульсов в секунду, измеряется в герцах (Гц);

3) коэффициент заполнения импульсов К з – характеризует степень заполнения периода импульсов К з = t и /Т ;

4) скважность импульсов Q – величина, обратная коэффициенту заполнения Q = Т/t и . Параметры К з и Q являются безразмерными.

Рис. 3. Параметры одиночного импульса

Рис.4. Последовательность прямоугольных импульсов

Импульсный сигнал – однополярный, непрерывный во времени. Характеризуется тем, что ток в цепи «генератор- нагрузка» течет в течение (длительность импульса). Отсюда импульсные сигналы стремятся формировать прямоугольными.

Импульсные сигналы характеризуются:

· величиной максимального или амплитудного значения напряжения (тока):

· величиной действующего значения :

· величиной средневыпрямленного значения :

Помимо параметров по напряжению (по току) большое значение имеют для импульсов временные характеристики:

1) Период следования импульсных сигналов (Т)- интервал времени, определенный между точками 2 и 7, пересечением передним фронтом импульсного сигнала уровня 0,5 амплитуды двух соседних периодов. Произвольным от периода следования является частота следования импульсного сигнала, как обратное значение периоду следования. Для оценки измерения периода необходимо среднее измерение времени: осциллограф, электрический частотомер, секундомер.

2) Длительность импульса () – интервал времени, определяемый на уровне 0,5от переднего до заднего фронта.

3) Время нарастания переднего фронта () – интервал времени между точками, соответствующими 0,1и 0,9. Передний фронт характеризует степень нарастания сигнала, т.е. как быстро импульс от уровня 0 достигает. В идеале должно равняться нулю, но на практике никогда не равен нулю, нС.

4) Время спада (заднего сигнала) определяется аналогично от уровня 0,1 до 0,9 амплитуды, но на спаде импульса. Время заднего фронта как и переднего конечно. Его стремятся уменьшить, поскольку спад влияет на длительность импульса.

5) Скважность импульсного сигнала – отношение периода следования импульса к длительности импульса: .

Рис. График импульсного сигнала.

Чем выше скважность, тем большее число раз импульс “укладывается ” в период следования. В какой – то мере скважность характеризует среднюю энергию импульсного сигнала, через нее можно определить мощность:

Где - мощность импульса, - скважность.

6) Спектральная плотность импульсного сигнала . Поскольку сигнал периодический, он раскладывается по формуле Фурье на ряд гармоник, т.е. любая периодическая последовательность сигналов имеет (описывается) рядом гармоник, следовательно, может быть представлена спектром. В первую очередь, это основная гармоника – частота следования сигнала и ее кратные составляющие. Но вместе с ними в это разложение входит множество других гармоник, не кратных основной. Это гармоники меньшие основной и комбинации этих гармоник с основными.

Спектр импульсных сигналов более плотный и широкий, т.е. его можно составить из большого числа гармоник. Ширина спектра обратно пропорциональна длительности спектра, т.е. у узких импульсов спектр наиболее широкий. В спектре низшие гармоники формируют крышу импульса, самые высокие частоты – фронты импульса. Для передачи сигналов с широким спектром нужно иметь широкополосный канал.