Электроника
..pdf
231
формируется матрицей из 35 светодиодов, образующих семь строк и пять столбцов. Светодиоды включаются между выводами строк и столбцов анодом к выводам строк. Вид некоторых цифр и букв, синтезируемых матричным индикатором, показан на рис. 4.55.
Рис. 4.55. Изображение знаков на основе 35 элементного матричного индикатора.
Принцип управления матричным индикатором иллюстрируется временной диаграммой , приведенной на рис. 4.56., и заключается в следующем. В каждом временном такте возбуждается стробирующий импульс соответствующего столбца. Одновременно параллельным кодом подается информация на выводы строк. В результате происходит высвечивание информации во всех элементах данного столбца. В следующем такте формируется импульс возбуждения второго столбца, а на выводы строк параллельным кодом поступает информация, соответствующая элементам этого столбца и т. д. За пять тактов происходит высвечивание всего знака. В многоразрядных индикаторах выгоднее тактировать строки всех разрядов индикатора, соединенных параллельно, а информацию подавать в последовательном коде по столбцам.
|
|
|
232 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Такты |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
1 |
2 |
3 |
|
4 |
5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Импульсы
возбуждения
строк
Импульсы
возбуждения
столбцов
Рис. 4.56. Временная диаграмма формирования матричным коммутатором буквы К.
В некоторых сериях микросхем имеются знакогенераторы на основе ПЗУ для управления матричными индикаторами. Например, в серии ИМС К155 ИС РЕ21 … РЕ24 образуют знакогенератор на 96 знаков, в котором записаны буквы русского и латинского алфавита, арифметические знаки и цифры. Выбор нужного символа осуществляется 10 разрядным входным кодом, в котором три используют для выбора строки, а остальные определяют выбор символа.
Основные параметры и примеры использования, выпускаемых промышленностью, светодиодов, цифровых, знаковых, линейных и матричных светодиодных индикаторов и табло приведены в [13, 14].
Вопросы для самопроверки
1.Каковы назначение и логическая схема шифратора?
2.Каковы назначение и логическая схема дешифратора?
3.Приведите примеры использования преобразователей кодов. Как строятся преобразователи кодов?
4.Какие задачи решают мультиплексоры и демультиплексоры?
5.Нарисуйте функциональную схему мультиплексора для четырех источников информации.
233
6.Составьте таблицу истинности полусумматора и нарисуйте его функциональную схему.
7.Чем отличаются полусумматор и одноразрядный сумматор?
8.Составьте таблицу истинности одноразрядного сумматора и нарисуйте его функциональную схему.
9.Каковы назначение и логическая схема цифрового компаратора?
10.Как строятся многоразрядные сумматоры?
11.По каким признакам классифицируют триггеры?
12.Поясните принцип работы асинхронного RS-триггера на элементах И-НЕ, используя временные диаграммы.
13.Поясните принцип работы одноступенчатого синхронизируемого RS-триггера на элементах И-НЕ, используя временные диаграммы.
14.В чем состоит принципиальное отличие двухступенчатого синхронизируемого RS-триггера на элементах И-НЕ от одноступенчатого?
15.Приведите функциональную схему Т-триггера и поясните принцип его работы.
16.Нарисуйте схемы синхронных Т и D-триггеров, реализованных на базе универсального JK-триггера.
17.По каким признакам можно провести классификацию регистров?
18.Приведите структурную схему и условное обозначение параллельного регистра.
19.Назовите области применения регистров.
20.По каким признакам можно провести классификацию счетчиков?
21.Приведите структурную схему и условное обозначение суммирующего счетчика.
22.Нарисуйте структурную схему делителя частоты на 7.
23.Каким образом достигается повышение быстродействия счетчиков?
24.Назовите основные параметры ЗУ.
25.По каким признакам классифицируют устройства памяти?
26.Нарисуйте обобщенную структурную схему ЗУ и поясните назначение входящих в ее состав устройств.
27.Как организованы схемы ПЗУ и на каких элементах памяти они выполняются?
28.Приведите принципиальную схему ЦАП с суммированием токов и объясните принцип его работы.
29.Зачем на выход ЦАП с суммированием токов включают операционный усилитель?
30.Приведите функциональную схему параллельного АЦП и объясните принцип его работы.
31.Почему параллельные АЦП являются самыми быстродействующими?
32.Приведите функциональную схему АЦП последовательного уравновешивания и объясните принцип его работы.
33.Какие физические явления используются в индикаторных устройствах?
234
34.Приведите функциональную схему счетной декады на семисегментном индикаторе и объясните принцип его работы.
35.В чем заключается суть динамической индикации?
235
Глава пятая
ГЕНЕРАТОРЫ СИНУСОИДАЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ
И ПРЯМОУГОЛЬНЫХ ИМПУЛЬСОВ
5.1. Генераторы синусоидальных колебаний
Среди генераторных устройств следует различать генераторы синусоидальных (гармоничных) колебаний, прямоугольных колебаний или сигналов прямоугольной формы (генераторы импульсов) и колебаний специальных форм (например, генераторы линейно изменяющегося напряжения). Генератором называется автоколебательная структура, в которой энергия источников питания преобразуется в энергию электрических автоколебаний. Генераторы синусоидальных колебаний обеспечивают образование на выходе устройства переменного тока (напряжения) заданной частоты. В них часто используются колебательные LC-контуры (обычно параллельные).
Представим себе параллельный LC-контур. Если зарядить емкость такого контура до определенного напряжения, то в нем будет запасена соответствующая энергия . Теперь замкнем этот заряженный конденсатор на индуктивность. В результате будет происходить колебательный обмен энергией между конденсатором и катушкой индуктивности. Период этих колебаний можно определить как
|
|
|
T 1/ f 2 |
LC |
(5.1) |
Через четверть периода вся энергия ε уже будет сосредоточена в магнитном поле катушки индуктивности, а конденсатор полностью разрядится. После этого конденсатор начнет перезаряжаться за счет энергии магнитного поля, которая в момент времени T / 2 вернется на конденсатор в виде ε, но полярность напряжения обкладок конденсатора изменится на противоположную. В момент времени Т конденсатор снова полностью зарядится, и колебательный процесс будет продолжаться. Поскольку в реальном контуре всегда имеют место потери, эти колебания будут затухать. Для предотвращения затухания нужно периодически подавать в контур
дополнительную энергию. Обычно пополнение энергии осуществляется от |
|||||||
|
|
|
|
Выход |
источника питания с помощью усилительного |
||
|
|
|
|
каскада. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
К |
|
Генераторы синусоидальных колебаний |
||
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
обычно содержат усилительный каскад, |
||
|
|
|
|
|
охваченный |
частотно-избирательной |
ПОС, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
которая обеспечивает устойчивый |
режим |
|
|
Рис. 5.1.Структурная схема |
самовозбуждения на заданной частоте. На |
|||||
|
генератора синусоидальных |
рис. 5.1 приведена структурная схема |
|||||
|
|
|
колебаний. |
генератора |
синусоидальных колебаний, где |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
237 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
На рис. 5.2 приведена принципиальная схема одного из вариантов LC- |
|||||||||||
генератора. Основой такого устройства является резонансный усилитель, в |
|||||||||||
|
|
|
котором |
|
с |
|
помощью |
||||
|
|
EК |
трансформатора Тр создана ПОС. |
||||||||
|
Тр |
Условия |
генерации |
(5.2) |
здесь |
||||||
|
|
||||||||||
|
L |
С |
обеспечиваются |
для |
резонансной |
||||||
|
|
|
частоты |
|
контура |
f 0 . |
|
При |
|||
|
|
|
подключении источника |
питания |
|||||||
|
T1 |
|
E K |
в |
|
цепях |
усилительного |
||||
|
|
каскада |
образуются |
приращения |
|||||||
|
|
RН |
|||||||||
|
|
токов и напряжений. В результате |
|||||||||
|
|
|
|||||||||
|
|
|
в |
LC-контуре |
возникают |
||||||
|
|
|
синусоидальные |
колебания |
с |
||||||
|
|
|
частотой |
|
f 0 , |
|
которые |
||||
|
|
|
поддерживаются с помощью ПОС |
||||||||
Рис. 5.2. LC-генератор с |
в устройстве. |
|
|
|
|
|
|||||
трансформаторной обратной связью. |
|
Если |
частота |
колебаний |
|||||||
|
|
|
отклонится |
от значения |
|
f 0 , то |
|||||
сопротивление контура перестанет быть активным и приобретет реактивный |
|||||||||||
(индуктивный или емкостный) характер, что вносит дополнительный |
|||||||||||
фазовый сдвиг, и условие (5.2,б) перестает выполняться. Кроме того, |
|||||||||||
отклонение от резонансной частоты приводит к снижению |
KU , что может |
||||||||||
нарушить выполнение условия (5.2,а). Таким образом, генерация |
|||||||||||
автоколебаний в устройстве (рис. 5.2) осуществляется на частоте |
f 0 |
(или |
|||||||||
очень близкой к ней). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Усилительный каскад ОЭ в рассматриваемом генераторе инвертирует |
|||||||||||
сигнал, поэтому для выполнения баланса фаз трансформатор Тр должен |
|||||||||||
осуществить поворот фазы сигнала на 180°. Если обмотки трансформатора |
|||||||||||
имеют одно направление намотки, то необходимо вторичную обмотку |
|||||||||||
включить встречно по отношению к первичной (см. рис. 5.2). Точки около |
|||||||||||
выводов обмоток Тр указывают на синфазность напряжения на них. Обычно |
|||||||||||
первичная обмотка Тр, являющаяся индуктивностью контура, состоит из |
|||||||||||
большего числа витков, чем вторичная. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Выполнить |
LC-генератор |
можно |
и |
|
без |
использования |
|||||
трансформаторной связи. В этих случаях цепь обратной связи подключается |
|||||||||||
непосредственно к колебательному контуру, который состоит из нескольких |
|||||||||||
секций индуктивности (или емкости). В генераторах такого типа LC-контур |
|||||||||||
соединяется с усилительным каскадом в трех местах (тремя точками), |
|||||||||||
поэтому их называют трехточечными. На рис. 5.3 приведена принципиальная |
|||||||||||
схема генератора с индуктивной трехточечной связью. |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
238 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Здесь LC-контур образован секционированной индуктивностью L и |
||||||||||||
емкостью параллельно |
включенного |
конденсатора С. Сигнал ПОС |
||||||||||
|
|
|
EК |
образуется |
|
на |
верхней |
секции |
|
L. |
||
|
|
|
Напряжение на выводах L относительно |
|||||||||
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
С |
шины находится в противофазе. Амплитуда |
||||||||
|
|
L |
напряжения |
|
|
обратной |
|
связи |
||||
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
устанавливается |
положением |
средней |
||||||
|
|
|
|
точки в катушке индуктивности. Из всех |
||||||||
|
|
T1 |
|
конденсаторов, |
используемых |
|
в |
|||||
|
|
|
рассматриваемом устройстве, минимальной |
|||||||||
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
емкостью должен обладать конденсатор С. |
||||||||
|
|
|
|
При |
реализации |
генератора |
с |
|||||
|
|
|
|
емкостной, трехточечной связью в контур |
||||||||
|
|
|
|
параллельно |
|
катушке |
индуктивности |
|||||
|
|
|
|
включаются |
|
последовательно |
|
|
два |
|||
Рис. 5.3. LCгенератор с |
конденсатора. Цепь обратной связи в этом |
|||||||||||
индуктивной трехточечной |
случае подключается к общей точке этих |
|||||||||||
связью. |
|
конденсаторов (емкостного делителя). |
|
|
||||||||
|
|
|
|
Помимо |
рассмотренных |
|
выше |
|||||
генераторов существует достаточно много и других LC-генераторов: с |
||||||||||||
эмиттерной связью, с двухтактной схемой и др. Выполняются LC- |
||||||||||||
генераторы и на основе ОУ. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Принципиальная схема одного из таких |
|
|
R1 |
RООС |
|
|
|
|||||
генераторов приведена на рис.5.4. |
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Электронная |
часть |
генератора |
|
|
С |
|
|
|
|
|
||
представлена здесь неинвертирующим |
|
|
|
|
Uвых |
|||||||
|
|
|
|
|
||||||||
усилителем. |
|
|
Поскольку |
|
|
|
RПОС |
|||||
|
|
|
|
L |
|
|
|
|||||
неинвертирующий |
усилитель |
на ОУ |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
имеет малое выходное сопротивление, |
|
Рис. 5.4. LC-генератор с |
|
|
||||||||
то LC-контур |
следует |
подключать к |
|
|
|
|||||||
|
|
неинвертирующим ОУ. |
|
|
||||||||
выходу ОУ через резистор Rпос . |
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
На частоте резонанса параллельный контур имеет очень большое |
||||||||||||
сопротивление и не шунтирует вход ОУ. При этом глубина ПОС становится |
||||||||||||
больше глубины ООС и в устройстве выполняются условия возникновения |
||||||||||||
генерации (5.2). При отклонении частоты от |
f 0 |
сопротивление контура |
||||||||||
уменьшается и приобретает реактивный характер, что приводит к |
||||||||||||
уменьшению |
KU |
усилителя |
(за счет |
снижения |
глубины |
ПОС, |
которая |
|||||
становится меньше глубины ООС) и появлению дополнительных фазовых |
||||||||||||
сдвигов. Таким образом, генерация колебаний в устройстве (рис. 5.4) |
||||||||||||
оказывается возможной лишь на частотах, весьма близких к f 0 . |
|
|
|
|||||||||
Отметим, что определенные отклонения частоты генерации могут |
||||||||||||
происходить за счет изменения режимов работы и параметров элементов |
||||||||||||
|
|
|
|
239 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
схемы, в частности, под действием температуры. Нестабильность частоты |
|||||||||||||
генерации обратно пропорциональна добротности контура. Поэтому в |
|||||||||||||
качестве высокостабильных генераторов используются устройства с |
|||||||||||||
частотно-избирательными элементами высокой добротности, которой |
|||||||||||||
обладает кварцевый резонатор. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
5.1.2. Кварцевые генераторы |
|
|
|
|
|||||||
Обеспечить высокую стабильность частоты генерации можно при |
|||||||||||||
включении кварцевого резонатора в цепь обратной связи обычного LC- |
|||||||||||||
генератора. Для лучшей стабильности желательно использовать частоту |
|||||||||||||
последовательного |
резонанса |
кварца. |
При этом важно, чтобы общее |
||||||||||
|
|
EК |
сопротивление |
цепи |
обратной |
связи |
было |
||||||
|
|
значительно меньше собственного |
R кварцевого |
||||||||||
|
|
|
|||||||||||
L |
|
С |
резонатора. |
Это |
условие |
выполняется |
в |
||||||
|
генераторе, принципиальная схема которого |
||||||||||||
|
|
|
|||||||||||
Кв |
|
|
приведена на рис. 5.5. |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
Для |
генерации |
колебаний |
необходимо |
||||||
T1 |
|
|
настроить LC-контур на резонансную частоту |
||||||||||
|
|
кварцевого резонатора. В этом случае полное |
|||||||||||
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
сопротивление LC-контура велико, что |
||||||||||
|
|
|
позволяет получить в каскаде большое |
KU , а |
|||||||||
|
|
|
сопротивление кварцевого резонатора Кв мало, |
||||||||||
|
|
|
что обеспечивает глубокую ПОС между |
||||||||||
Рис. 5.5. LC-генератор с |
коллектором и базой транзистора. Частоту LC- |
||||||||||||
контура можно выбирать гораздо больше |
|||||||||||||
кварцевой стабилизацией. |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
Кв. При этом резонатор |
||||||||
|
|
|
резонансной частоты |
||||||||||
возбудится на соответствующей высшей гармонике. В серийных кварцевых |
|||||||||||||
резонаторах f0 = 10кГц - 10МГц, но некоторые из них могут возбуждаться |
|||||||||||||
на частотах до 250 МГц. Таким образом, работа на высших гармониках |
|||||||||||||
целесообразна для получения генерации на частотах свыше 10 МГц. |
|
|
|||||||||||
Отметим, что нагрузка в рассматриваемом генераторе может |
|||||||||||||
подключаться к коллектору транзистора. Для уменьшения ее влияния на |
|||||||||||||
режим работы кварцевого генератора иногда используется дополнительный |
|||||||||||||
согласующий каскад. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Если возбуждать кварцевый резонатор на основной частоте |
f0 , |
то |
|||||||||||
можно построить генератор и без использования LC-контура. На рис. 5.6 |
|||||||||||||
приведена принципиальная схема одного из вариантов такого кварцевого |
|||||||||||||
генератора. Частота генерации здесь определяется значением |
f0 . |
На |
|||||||||||
частотах ниже 2 МГц к кварцу Кв желательно подключить емкостный |
|||||||||||||
делитель напряжения, состоящий из конденсаторов C1и C2 (цепь обозначена |
|||||||||||||
пунктиром на рис. 5.6), который способствует выполнению баланса фаз на |
|||||||||||||
частоте генерации. Отметим, |
что в генераторе (рис. 5.6) |
индуктивность L |
|||||||||||
