§5.1. Circuite de formare ale nivelelor logice

Formatoarele de nivele logice permit de a forma pentru un semnal analogic, variabil în timp, semnale compatibile după nivelul logic cu circuitele numerice.

În tehnică se utilizează câteva soluţii de formare. Cele mai răspândite tipuri sunt:a) Formator de nivele logice pe baza unui tranzistor în regim de cheie (vezi fig.92 a);

a) b)

Fig.92 a, b. Schema electrică a formatorului de nivele logice pe baza unui tranzistor în regim de cheie (a) şi dependenţa tensiunilor de intrare şi ieşire ale acestui dispozitiv de timp (b)

Principiul funcţionării:Tranzistorul aste dirijat de curentul bazei. Când tranzistorul este închis rezistenţa

joncţiunii p-n a tranzistorului este foarte mare. Până când semnalul de intrare ajunge la tensiunea de prag, tranzistorul este închis şi tensiunea de ieşire va fi egală cu tensiunea de alimentare (vezi fig.92 b). Începând cu 0,7V tranzistorul lent trece în regim liniar, apoi în regim de saturaţie, căruia îi corespunde zero logic. Pentru dispozitivele numerice există un semnal nedefinit în zona de nedefinire. Deci, neajunsul circuitelor de formare ale nivelelor logice constă în faptul că între nivelul zero şi unu există o zonă mare de semnal nedefinit.

b) Trigherul Schmidt – prezintă un circuit basculant monostabil (are o singură stare stabilă) şi care posedă o buclă de reacţie pozitivă. Circuitul simplificat a unui trigher Schmitt este prezentat în fig.93.

Principiul funcţionării:Acest circuit este alcătuit dintr-un amplificator cu două etaje. Primul etaj este realizat pe

tranzistorul VT1, care are conectare emitor comun. Semnalul de la ieşirea acestui tranzistor, printr-un divizor de tensiune, se aplică la baza VT2, care reprezintă al doilea etaj. Datorită faptului că rezistenţa Re este cuplată în emitoarele ambelor tranzistoare, aceasta aduce la aceea că în circuit apare o reacţie inversă pozitivă. Datorită reacţiei, zona de nedefinire a semnalului se micşorează substanţial (vezi fig.93b). Există o tensiune de prag, până la valoarea căreia VT1 este închis, rezultă că potenţialul colectorului tranzistorului este egal cu tensiunea de alimentare. Deci, la baza VT2 se aplică un potenţial mare, care-l deschide. Însă, cădere de tensiune pe VT2 este mică şi Rc2Re , deci toată tensiunea cade pe Rc2 şi la ieşire obţinem zero logic. La creşterea semnalului de intrare până la o anumită tensiune, VT1 va fi închis, adică U p

0UBE+UE2. Când se depăşeşte Up

0, VT1 începe să se deschidă, iar VT2 să se închidă, deoarece se micţorează potenţialul colectorului şi respectiv UB2. Micşorarea UE2 aduce la deschiderea mai rapidă a

U0

Zona de nedefinire

“0”“1”

t

tUprag

US

UintRC

Rb

+Uint

+U0

+Ua

tranzistorului VT1, deci se începe un proces în avalanşă. Cu puţin timp la depăşirea U prag , se obţine unu logic. Capacitatea Cb serveşte pentru mărirea vitezei de trecere.

a) b)

Fig.93 a, b. Schema electrică a trigherului Schmidt (a) şi dependenţa tensiunilor de intrare şi ieşire ale acestui dispozitiv de timp (b)

c) Comparatoare de semnal – prezintă microcircuite integrate pe bază de amplificatoare operaţionale, la care semnalul de ieşire poate avea două nivele: 0 şi 1 logic. Reprezentarea funcţională a comparatorului este reprezentată în fig.94.

Fig.94. Reprezentarea funcţională a comparatorului

U0 = “0”, Ui- > Ui

+

U0 = “1”, Ui- < Ui

+

Dacă se cere o precizie mai mare, atunci comparatorul se conectează cu un circuit de reacţie pozitivă (vezi fig.95).

Fig.95. Schema conectării comparatorului cu un circuit de reacţie pozitivă

Se utilizează un divizor de tensiune cu ajutorul căruia o parte a semnalului de ieşire se aplică intrării neinversoare. Însă aşa conectare duce la efectul de histereză.

Up”

U0

Zona de nedefinire

“1”t

tUp

’

US

Uint

“0”

Cb

Rb1

US

Ui U0

RC2

Re Rb2~

VT2

RC1

+Ua=5V

VT1

Ui+

Ui-

U0

Standard vechi

Ui-

Ui+

U0

R2

R1

Ui+

§5.2. Circuite de formare a monoimpulsurilor

Circuitele de formare a monoimpulsurilor sunt destinate pentru formarea monoimpulsurilor de o anumită durată în timp. Circuitele date se împart în două grupe:

I. Circuite pentru micşorarea duratei monoimpulsului – permite de a obţine la ieşire un impuls cu durata stabilită dintr-un impuls cu durată mai mare (vezi fig.96).

Fig. 96. Structura internă a unui circuit pentru micşorarea duratei monoimpulsului

Principiul funcţionării:Circuitul RC reprezintă un integrator. Dacă Ui = 0, atunci U1 = U2 = 1 şi R 300– pentru

TTL, R10k – pentru CMOS. Dacă U2 = 1, atunci U0 = 1. U1 trece în zero, când Ui = 1. Deoarece U2 se obţine de la ieşirea integratorului, rezultă că U2 va fi nul peste un anumit interval de timp (vezi diagrama în timp din fig.97). Durata impulsului de ieşire depinde de R şi C, adică Timpuls RC .

Fig.97. Diagrame în timp pentru un circuit pentru micşorarea duratei monoimpulsului

Neajunsuri: forma nedesăvârşită a impulsurilor, adică durata mare a frontului. Instabilitatea duratei

impulsului este cauzată de schimbarea temperaturii şi deoarece R300. Pentru formarea impulsurilor de durată scurtă se foloseşte circuitul reprezentat în fig.98.

Fig.98. Structura internă a unui circuit pentru formarea impulsurilor de durată scurtă

II. Circuite pentru mărirea duratei monoimpulsului – se utilizează în aparataj pentru înregistrarea şi prelucrarea impulsurilor scurte (vezi fig.99).

Fig.99. Structura internă a unui circuit pentru mărirea duratei monoimpulsului

RC – circuit de integrare

UiDD2

C

DD1U2RU1 && U0

t1 real

nivelul “0” logic

Ti

Ti

t

t

t

tU0

U02

U1

Ui

treţ ~ 50 ns

&&&&

RR 300

UiDD2DD1

C && U0

U2

VD

U1

Acest circuit posedă o reacţie inversă. Când U2 = 0, atunci U0 = 1 şi rezultă că U1 = 0.

Dioda VD serveşte pentru protejarea intrării elementului DD2 de tensiunea negativă.

Fig.100. Diagrame în timp pentru un circuit pentru mărirea duratei monoimpulsului

Neajunsuri: impulsurile de ieşire au o durată limitată.

§6. Generatoare de impulsuri dreptunghiulare

Generatoarele de impulsuri dreptunghiulare servesc pentru producerea impulsurilor dreptunghiulare cu o anumită frecvenţă. Ele se mai utilizează la sincronizarea funcţionării dispozitivelor numerice ce conţin bistabile, registre, numărătoare, calculatoare, ş.a.

Structura generatorului este arătată în fig.101.

Fig.101. Structura internă a unui generator de impulsuri dreptunghiulare

Fig.102. Diagrame în timp pentru un generator de impulsuri dreptunghiulare

Neajunsuri: stabilitatea mică a frecvenţei impulsurilor; diapazonul mic de reglare a frecvenţei; forma nesatisfăcătoare a impulsurilor.

Aceste neajunsuri sunt lichidate în generatorul de impulsuri cu stabilizarea frecvenţei cu ajutorul rezonatorului de cuarţ (vezi fig.103).

t1 real

T0

Ti

t

t

t

tU0

U2

U1

Ui

DD3DD2DD1

R Rmax

U0

C

U2

U3U1 111

t

t

t

tU3

Uo

U2

U1

R2R1

11

Cechiv

Lactiv

Fig.103. Structura internă a unui generator de impulsuri dreptunghiulare cu stabilizarea frecvenţei cu ajutorul rezonatorului de cuarţ

Rezonatorul se manifestă ca un contur LC-serie. Rezistenţele R1şi R2 servesc pentru aducerea punctului de lucru a elementelor DD1 şi DD2 în regim liniar (fig.104).

Fig.104

§7. Generatoare de impulsuri de formă specială

Generatoarele de impulsuri de formă specială produc la ieşire o tensiune care se schimbă în timp după a anumită funcţie.

Există generatoare de tensiune: liniar crescătoare; liniar descrescătoare (dinţi de ferestrău); impulsuri de formă triunghiulară; dreptunghiulară. Particularitatea acestor generatoare constă în aceea că ele permit reglarea frecvenţei, duratei impulsului într-un diapazon mare.

I. Generatoare de tensiune liniar crescătoare. Aceste generatoare se utilizează în blocurile de baliaj ale televizoarelor, monitoarelor, în

voltmetre numerice cu integrare şi cu integrare dublă. Forma tensiunii de ieşire este arătată în fig.105.

Fig.105. Forma semnalului dinţi de ferestrău

Schema generatorului este arătată în fig.106.

Fig.106. Structura internă a unui generator de tensiune liniar crescătoare

Diagrama în timp are aspectul din fig.107.

Ui

NU

U0

U0

Ui

ŞI

U0

U0

Ui

t

U0

+Ua

Schema de comandă

(impuls TTl)

VT C

Rc

Re U0

Fig.107. Diagrame în timp pentru un generator de tensiune liniar crescătoare

Principiul funcţionării:Când la intrare avem 1 logic, VT este deschis. Iar când tensiunea de intrare este zero, VT

se închide şi respectiv RCE = . Când VT se deschide, el nu mai şuntează capacitatea C şi aceasta se încarcă cu curentul I. Încărcarea are loc după legea liniară:

U0=1C∫ i (t ) dt= 1

C∫

U a−U c

Rdt= 1

RC∫ (U a−U c )dt=

U 0

RCt− 1

RC∫U c ( t ) dt

Din această expresie se observă că U0 depinde de timp conform legii:

U0=kt−1RC ∫U c ( t )dt

k=Ua

RC

Prezenţa

1RC ∫U0 ( t ) dt

aduce la aceea că dependenţa ieşirii de timp nu va fi liniară, dar exponenţială. Cu această creştere se deschide VT, apoi se şuntează C şi are loc micşorarea U0. Dar deoarece VT are o rezistenţă mică, participă şi capacitatea, astfel încât descreşterea tot ve fi exponenţială, însă cu o constantă de timp mai mică.

Neajunsul este neliniaritatea semnalului de ieşire. Pentru a micşora neliniaritatea, trebuie ca Ua>>U0max. Însă această metodă necesită tensiuni de alimentare mari.

Pentru a micşora timpul pantei indirecte, este nevoie de ales un tranzistor în regim de saturaţie cu rezistenţa mică. Pentru a mări liniaritatea semnalului de ieşire, trebuie de asigurat curentul de încărcare a condensatorului constant.

Circuitul de formare a caracteristicilor mai avansate este prezentat în fig.108.

Fig.108. Circuitul de formare a caracteristicilor mai avansate

Tranzistorul VT2 şi rezistenţa R1 reprezintă un generator de curent continuu, care asigură un curent constant de încărcare a condensatorului. R2 şi VT3 formează un etaj de ajustare. Tranzistorul VT2 lucrează în regim de micţorare a numărului de purtători de sarcină, ceea ce duce la micşorarea curentului, iar tensiunea va fi direct proporţională cu timpul.

Caracteristica este reprezentată în fig.109.

U

at

t

U

0

Uipresupus

Rb

R1

C

VT1

+Ua

Rc

U0

Ui

VT2

VT3

t

Fig.109. Forma semnalului de la ieşirea circuitului de formare a caracteristicilor mai avansate

Dacă la ieşirea Uo conectăm R5, atunci tensiunea de ieşire se va schimba după altă lege.În tehnica contemporană există generatoare de semnal liniar, crescător pe bază de

convertoare cod-analog. Aşa tipuri de circuite asigură o dependenţă foarte bună, însă au un neajuns, că semnalul este cuantificat, de aceea e nevoie de a micşora pasul de cuantizare (vezi fig.110).

Fig.110. Forma semnalului de la ieşirea generatorului de semnal liniar crescător pe bază de convertoare cod - analog

§8. Generator de semnale mixt

Generatorul de semnale mixt asigură producerea concomitentă a câtorva tipuri de semnale: semnale triunghiulare, dreptunghiulare, sinusoidale.

Structura tipică simplificată a generatorului de semnale mixt este prezentată în fig.111.

Fig.111. Structura tipică simplificată a generatorului de semnale mixt

A1 – amplificator operaţional , care lucrează în regim de comparator şi deci la ieşirea lui se obţine semnalul dreptunghiular;A2 – amplificator operaţional, care lucrează în regim de integrator;A3 – amplificator operaţional cu inversie. La ieşirea lui se obţine un semnal care se schimbă după legea triunghiulară;U3 – semnal sinusoidal.

RR2

R1

Formator de semnal sin-al

Amplificatorcu inversie

IntegratorComparator

A3A2

A1

U4

U2U1 U3

Diagrama în timp are aspectul (fig.112):

Fig.112. Formele semnalelor de la ieşirile generatorului de semnale mixt

Caracteristica volt amperică a diodelor are aspectul din fig.113.

Fig.113. Caracteristica volt amperică a diodelor utilizate în generatorul de semnale mixt

t

t

t

t

-Ua

+Ua

-Ua

+Ua

U1

U2

U3

U4

CVA a VD I

U

La ieşire

Se aplică

~ 0,7 V

I

U~ 0,7 V