ГЛАВА «4
ИМПУЛЬСНЫЕ И ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА НА ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМАХ
§ 14.1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РАСЧЕТНЫЕ СООТНОШЕНИЯ
В главе собраны задачи и упражнения по мультивибраторам, триггерам и некоторым другим устройствам, выполнен*
ным на основе логических элементов и операционных усили телей .
Схема автоколебательного мультивибратора на элементах И — НЕ и временные диаграммы, поясняющие его работу,
приведены на рис. 14.1, а, б. Длительность импульсов и пе риод колебаний определяются постоянными времени заряд ки хронирующих конденсаторов Сх и С2:
^12 = тз1 In 7 Г ~ ; |
|
i = K i-|-T 34) l n - ^ - |
( Ш ) |
Ь'пор |
|
|
^нор |
|
где т31 |
x)i Т32 |
^ 2 ( ^ 1 |
Rпых)> ^пор ' |
1 по |
роговое напряжение, при котором логический элемент запи рается; U1— выходное напряжение, соответствующее логи
ческой 1.
Недостатком мультивибратора (рис. 14.1, а) является возможность состояния, при котором оба элемента оказывают ся одновременно закрытыми, что приводит к отсутствию коле баний (жесткий режим возбуждения). Для устранения такого состояния в схему вводят логический элемент И (Э3, 3 J (рис. 14.2).
|
Схема |
ждущего |
мультивиб |
|
ратора и временнйе |
диаграммы |
|
его |
работы |
представлены |
на |
|
рис. |
14.3, а, б. |
|
|
|
|
|
|
Интегральные |
триггеры |
по |
|
характеру |
реакции |
на |
входные |
|
сигналы делятся на два типа: |
|
асинхронные |
(нетактируемые) и |
|
синхронные |
(тактируемые). |
|
|
Схема асинхронного ^ S -триг |
|
гера |
на элементах |
ИЛИ — НЕ |
|
и его условное обозначение пред |
|
ставлены |
на |
рис. |
14.4, а, б. Ра |
|
бота |
триггера |
описывается таб |
лицей состояний (табл. |
14.1). Активным уровнем для элемен |
та ИЛИ — НЕ является 1, поэтому комбинация S = |
1, R = 1 |
является запрещенной. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Из карты Карно, |
заполненной по табл. |
14.1 |
(рис. |
14.5), |
следует логическое выражение, определяющее функциониро вание ^ S -триггера: Q = S + Q0R — характеристическое
|
Т а б л и ц а |
14.1 |
5 |
R |
<2 |
0 |
0 |
Qo |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
I |
1 |
1 |
* |
уравнение; |
Q0 — исходное |
состояние |
триггера. Временные |
диаграммы, |
поясняющие |
работу схемы, представлены на |
рис. 14.6. |
|
|
|
Схема асинхронного ^ S -триггера |
на элементах И — НЕ |
представлена на рис. |
14.7, а. Активным уровнем для элемен |
та И — НЕ |
является |
0, |
поэтому S |
= |
О, R = |
0 является за- |
/? = } |
* |
|
й = 0 |
|
1 |
t |
1 |
ZZT |
|
|
|
|
|
|
~ ! |
—А „--- А--- |
|
\ |
1 1 |
|
Г " ? |
,— '---- |
у |
*— \ |
1_| |
1 i |
|
(* |
|
|
|
|
0 |
|
~1---п --- |
|
1 |
|
|
|
|
|
-i— м — |
|
0 |
|
О |
и |
|
0 |
|
|_]) |
|
1 t |
|
|
|
|
|
|
|
1 1 |
|
г |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
а,~о |
' ------V------' |
в„=о |
---- г г |
|
|
|
од=1 |
|
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 14.5 |
|
|
|
|
|
Рис. |
14.6 |
прещенной комбинацией, a S = 1, R = 1 — не изменяет со стояния триггера. На условном изображении такого тригге ра (рис. 14.7, б) это отражают инверсными входами.
Однотактные синхронные ^ S -триггеры показаны на рис. 14.8, а, б. В этих триггерах информация с входов S и R поступает в триггер Тгтолько при наличии на входе С логичес кой 1. При С = 0 информация с входов R и S на Тхне посту пает. Условное изображение так
тируемого /^SC-триггера приве дено на рис. 14.8, в.
Двухтактный /^SC-триггер, состоящий из двух однотактных /^SC-триггеров Т1 и Т2, пред ставлен на рис. 14.9, а.
Синхронный триггер обыч но имеет дополнительные асин-
Рис. 14.8
хронные входы (S\ R), по которым он переключается вне зави симости от сигнала на входе С. Условное изображение двухсту пенчатого /?5-трнггера с динамическим С-входом (когда пере ключение происходит перепадом входного сигнала из 1 в 0) и асинхронными входами показано на рис. 14.9, б.
Рис. 14.9
Триггер задержки (Д-триггер) имеет один информационный
вход Д и тактовый вход С |
(рис. 14.10). Он |
состоит из |
RSC- |
триггера, дополненного |
инвертором. |
|
|
|
|
V преоб |
Введение в Д -триггер дополнительного |
входа |
разует |
его |
в |
ДУ-триггер |
(рис. |
14.11, а, б). При |
V — 1 |
он |
|
|
|
Л _____ |
|
работает |
как |
Д-триггер; |
при |
|
I— |
|
У = |
0 триггер |
блокируется |
и |
|
|
|
|
|
сигналы |
на |
входы |
R и S |
триг |
|
|
|
|
|
гера |
Ту |
не |
поступают. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Универсальный УД-триггер в |
|
|
|
|
|
отличие от ДС-триггер а не имеет |
|
|
|
|
|
запрещенных комбинаций |
вход |
|
|
|
|
|
ных сигналов. Двухтактный син |
|
|
|
|
|
хронный УК -триггер состоит из |
|
Рис. |
14.10 |
|
двух |
Д«SC-триггеров Ту |
и |
Т% |
|
|
|
|
|
(рис. |
14.12, |
а). |
При |
уровнях |
У = 1 |
и К — 1 триггер срабатывает при каждом импульсе на |
входе С. Условное обозначение двухтактного УД-триггера показано на рис. 14.12,6.
Триггер со счетным входом (Т-триггер) срабатывает при каждом импульсе на входе Т и может быть получен из УД* триггера объединением входов У и Д. Условное обозначение такого двухтактного Г-триггера показано на рис. 14.12, в.
Построение импульсных схем возможно на базе интеграль ных операционных усилителей (ОУ), представляющих собой усилители постоянного тока с большим коэффициентом уси ления. Основу ОУ составляют дифференциальные усилители, ранее рассмотренные в гл. 7 и 8.
6)
Рас. 14.11
Одной нх схем, использующей ОУ, является компаратор, вырабатывающий на выходе сигнал при достижении входным сигналом заданного уровня Uon (рис. 14.13, а, б).
Широкое применение получил компаратор, в котором ОУ охвачен положительной обратной связью, осуществляемой по неинвертирующему входу с помощью резисторов Ri и
{рис. 14.14, а). Такой компаратор обладает передаточной ха рактеристикой с гистерезисом (рис. 14.14, б). Схема иначе на зывается триггером Шмитта или пороговым устройством.
|
|
|
|
Переключение схемы в состояние t/^x т |
происходит при |
достижении ивх напряжения |
(порога) срабатывания |
(/ср, |
а возвращение в исходное состояние («вых = |
1/£ых„,) — при |
снижении цвх до напряжения |
(порога) отпускания |
1/отп. |
Мер 1 иех ’ Увыхт
$)
Рис. 14.14
Значения пороговых напряжений составляют
^ с р — У^выхт,
(14.2)
U OTU- У^аъш >
где у = R1/(R1 + R2).
Схема мультивибратора на ОУ в автоколебательном режиме и временнйе диаграммы, поясняющие его работу, приведены
на рис. 14.15, а, б. |
|
Если и£ых т |
= 1/вЫХт , то длительность импульса и пе |
риод колебаний |
составляют |
|
*м “ |
С Я ,1 п -|± 2 .; Г = / и1 + *иг= 2 * и1. |
(14.3) |
Для получения несимметричных колебаний необходимо обес печить различные цепи перезарядки конденсатора С при поло жительном и отрицательном выходном напряжении. В схеме рис. 14.15, б это достигается применением цепочек /?зД, и
R1Rа-
Для получения ждущего режима конденсатор С шунтиру ют диодом Д (рис. 14.16, а). Время восстановления исходного состояния составляет (рис. 14.16, б)
*оосст ^ CR3ln(l + т). |
(14.4) |
У п р а ж н е н и я и з а д а ч и
§ 14.2. МУЛЬТИВИБРАТОРЫ НА ЛОГИЧЕСКИХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ
|
14.1. Какими процессами в хронирующих конденсаторах |
Сх и С2 в автоколебательном |
мультивибраторе на элементах |
И — НЕ (см. рис. 14.1, а) определяется период колебаний? |
|
14.2. Покажите цепи зарядки и разрядки конденсаторов С2 |
и С ,в схеме |
рис. 14.1, а. ‘ |
|
|
|
|
|
14.3*. Чем вызваны ограничения в выборе сопротивлений |
резисторов |
и R2в схеме рис. 14.1, а? |
|
|
|
14.4. |
С какой целью в схеме рис. 14.1,а применены диоды |
Дх и Д2? |
|
|
|
|
|
|
|
14.5. |
Какую |
функцию |
в |
схеме рис. 14.1, а выполняют ре |
зисторы Rt и R2? |
|
|
|
|
|
|
14,6*. Определите период колебаний идлительность импуль |
са, |
формируемого, |
на втором |
выходе мультивибратора |
(см. |
рис. 14.1, а), если |
Сг = С2 = |
Ю 000 пФ; R2 — R 2 = |
1 |
кОм, |
U1 — 4 В, и лор — 1,5 В, R Bых = |
50 Ом. |
|
|
|
14.7. Как изменятся период колебаний и длительность им |
пульса в задаче 14.6, если: |
а) |
увеличить Сг до 22 000 пФ; |
б) |
увеличить |
С2 до |
22 000 пФ; |
в) уменьшить R 2 до |
510 Ом; |
г) |
увеличить |
R2 до |
1,5 кОм? |
|
|
|
|
14.8.Чем вызвано в схеме рис. 14.1, а нарастание вершины положительного выходного импульса (см. рис. 14.1, б)?
14.9.Почему в схеме рис. 14.1, а возможно отсутствие ко лебаний при наличии напряжения питания?
14.10*. Каким образом в схеме рис. 14.2 повышается надеж ность возбуждения мультивибратора?
14.11. При сборке схемы рис. 14.2 ошибочно вместо логи ческого элемента Э3типа И — НЕ впаяли элемент ИЛИ —НЕ. Как это отразится на работоспособности схемы?
14.12.При сборке схемы рис. 14.12 ошибочно вместо ло гического элемента <Э4типа И —НЕ впаяли элемент И. Как это отразится на работоспособности схемы?
14.13*. В каком режиме находятся логические элементы в схеме рис. 14.3, а в исходном состоянии и почему?
14.14.Почему по окончании входного импульса в схеме рис. 14.3, а элемент Э2 не открывается?
14.15.Какие процессы происходят в конденсаторе С при
формировании вершины импульса на втором выходе схемы (рис 14.3, а)?
14.16*. Определите длительность и период колебаний им пульсов, снимаемых с второго выхода, если период запускаю-
ЩИХ Tsaa = 100 МКС, /„ зап = 2 МКС, U1 — 4 В, (7пор = 1,5 В, Явых — 50 Ом, /? = 1 кОм, С —33 000 пФ (схема рис. 14.3, а).
14.17. Как изменятся в задаче 14.16 период колебаний и длительность импульса tn 2, если: а) С уменьшить до 10 000 пФ;
б) R уменьшить до 430 Ом; в) увеличить Тзап до 200 мкс?
§14.3. ТРИГГЕРЫ НА ЛОГИЧЕСКИХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ
14.18.Какой уровень называется активным?
14.19*. Какой уровень является активным и почему для схем: а) ИЛИ; б) И?
14.20.Какие комбинации входных сигналов называются запрещенными?
14.21.Определите значение сигнала на выходе Q в схеме
рис. 14.4 при: a) S — О, R = 1; б) S = 1, R = 0.
14.22.Чем определяется значение сигнала на выходе Q в схеме рис. 14.4 при S = R = 0?
14.23.Определите значение сигнала на выходе Q в схеме
рис. 14.7 при: a) S — R = 1 ;6 )S = 0, R — 1;B) S = 1,/? = 0.
14.24*. Почему на входы /^S-триггера (см. рис. 14.7) нель зя одновременно подавать сигналы R = 0, S = 0?
14.25.Почему /^S-триггер (см. рис. 14.7) нельзя пере ключить, подавая на входы сигнал 1?
14.26.Составьте таблицу состояний триггера рис. 14.7.
14.27.На входы /^S-триггера (см. рис. 14.7) подаются вход ные сигналы, указанные на рис. 14.6. Нарисуйте временною диаграмму состояний на выходе Q.
14.28.Определите значение сигнала на выходе Q в схеме
рис. |
14.8, а при: |
а) |
С = |
1, S |
= |
1, |
R = 0; б) С = 1, S = |
0, |
R « |
1; в) С = 0, |
S |
= |
1, R = |
0. |
|
|
|
|
14.29. Решите |
задачу |
14.28 для схемы рис. 14.8, б. |
|
14.30. Триггер рис. 14.9, а находится в |
состоянии & = |
0, |
Q —0, на входы S |
и R поданы 1. Определите значения сигна |
лов на выходах Qi и Q при: а) С = |
1, S = |
1, R = 0; б) С = |
=» 1, |
S = 0, R - |
1; в) |
С - |
0, S |
= |
1, R = |
0. |
|
14.31. В задаче 14.30 триггер находится в состоянии Qx — 1, Q = 0. Определите значения и Q при заданных комбина циях входных сигналов.
14.82. Триггер рис. 14.9, а находится в состоянии Qx = .0 . Q = 0. Определите значения сигналов на выходах Qi и Q при:
а) S = О, R = О, |
С = |
0; S = О, R = |
1; б) 5 = R = С = 0. |
5 = 1 , |
R = 0. |
|
|
|
|
14.33. Решите задачу 14.32, если триггер находился в со |
стоянии |
Q i = l , |
Q = |
1. |
рис. 14.9, а |
|
14.34*. Почему |
в |
схеме триггера |
запись ин |
формации из триггера первой ступени 7\ в триггер |
7 \ проис |
ходит при переходе уровня на входе С из 1 в 0, а не из 0 в 1? 14.35. На входы Д-триггера (см. рис. 14.10) подаются сиг
налы, указанные на временной диаграмме (рис. 14.17). Нари
|
суйте |
временною |
диаграмму |
со |
|
стояний на выходе Q. |
|
|
|
14.36. Определите значение сиг |
|
нала |
на |
выходе Q в |
схеме рис. |
t |
14.10 при: |
а)Д = |
С = |
0; б) Д = |
|
= С = 1; в) Д = 0 , С = 1 . |
|
|
14.37. Составьте характеристи |
|
ческое уравнение |
синхронного |
Д- |
гтриггера (см. рис. 14.10).
Рис. 14.17 |
У казание. Составьте |
таблицу со |
|
стояний и заполните карту |
Карио. |
14.38. Определите значение сигнала на выходе Q в схеме
рис. 14.11 при: а) С = V = Д = 1; б) С = V = 1, Д = 0; в) С — Д — 1, V = 0.
14.39.Можно ли переключить ДК-триггер сигналом на входе Д, если V = 0?
14.40.* В чем отличие синхронного .//(-триггера от синхрон ного ^ S -триггера?
14.41. В схеме |
синхронного .//(-триггера Qi = |
0; |
Q = 0 |
(см. рис. 14.12). Определите |
значение сигнала |
на выходах |
Qi и Q при: а) С = |
1, J » 1, /( |
= 0; б) С = 1, J |
= |
0, |
К - 1; |
в) С = 1, J = К = |
1. |
|
|
|
|
14.42. Определите значение сигналов на Qi и Q в задаче 14.41, если первоначально Qi = 1, Q = 1.
14.43. В схеме .//(-триггера (см. рис. 14.12, a) Qx = 1, Q =
— 0. Определите значения и Q при: а) С = 0, J — 1, К = 0; б) С = 0, J = /( = 0.
§ 14.4. СХЕМЫ НА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ
14.44*. Определите пороги срабатывания в схеме рис. 14.14,а, если U^axm— |(/,Tuxml = Ю В, Rt = = 100 кОм.
14.45. Как изменятся пороги срабатывания и отпускания в задаче 14.44, если Rt уменьшить до 30 кОм?
