книги / Общая электротехника и электроника

Uвых = 0, что соответствует замкнутому положению ключа. Динамические свойства ключа определяются временем включения tвкл и tвыкл (рис. 8.11, б). Для уменьшения времени включения резистор в цепи базы шунтируется конденсатором, а для уменьшения времени выключения в цепь базы включается ЭДС Еб. Электронный ключ не содержит подвижных частей, имеет большое быстродействие и малые габариты.

Рис. 8.11. Бесконтактный ключ:

а– схема; б – динамическая диаграмма

8.4.8.Импульсные устройства с временно неустойчивым состоянием. Мультивибратор и одновибратор

Импульсные устройства с временно неустойчивым состоянием являются источниками импульсов напряжения, значение, длительность и частота повторения которых могут регулироваться в широких пределах.

Мультивибратором называется устройство с двумя временно устойчивыми состояниями, представляющее собой генератор импульсов напряжения прямоугольной формы. Обычно он служит для запуска в работу других импульсных устройств при их совместной работе.

Одновибратором называется устройство с одним устойчивым и одним временно устойчивым состоянием, предназначенное для формирования однократного прямоугольного импульса напряжения требуемой длительности при воздействии на

131

входе импульса напряжения от внешнего источника (импульса запуска). Одновибраторы применяются для стандартизации импульсов напряжения по длительности, управления работой электромагнитных реле и т.д.

Рис. 8.12. Мультивибратор: а – принципиальная схема; б – упрощенная схема работы; в – временная диаграмма на его выходе; г – временная диаграмма на входе ОУ

Рис. 8.13. Одновибратор: а – схема; б – временная диаграмма

132

Схема одновибратора на основе ОУ отличается от схемы мультивибратора тем, что параллельно конденсатору в цепи отрицательной обратной связи включен диод (рис. 8.13).

8.4.9. Логические устройства

Логические устройства реализуют логическое преобразование совокупности сигналов об условиях работы в совокупность сигналов управления. В зависимости от схемотехнической реализации логических элементов сигналы на их входах и выходах имеют либо отличное от нуля напряжение, либо напряжение, близкое к нулю, их принято отождествлять с логической единицей и нулем. При этом работу логического элемента можно описать зависимостью логического значения выходного сигнала F от совокупности логических значений входных сигналов х, называющейся таблицей истинности. Для любых логических преобразований достаточно иметь три элементарных логических элемента, выполняющих следующие операции: логическое отрицание (логическое НЕ), логическое сложение (логическое ИЛИ) и логическое умножение (логическое И) (табл. 8.2). В зависимости от реализации различают ДТЛ-логику (на входе – диоды, на выходе – транзистор) (рис. 8.14), ТТЛ-логику (на входе ивыходе – транзистор) (рис. 8.15) и т.д. Разработано большое количество реализаций логик, постоянно совершенствуются их параметры, потребление энергии, быстродействие и т.д. Однако как и любой цвет можно получить путем смешивания всего трех цветов (красного, зеленого, голубого) в разных пропорциях, так илюбое логическое устройство (логический автомат) можно построить, используя три вышеуказанных элемента– «кирпичика» (см. табл. 8.2).

8.4.10. Триггеры

На базе логических элементов строят триггеры – логические автоматы памяти, широко применяемые в цифровых электронных устройствах. Наибольшее практическое применение имеют асинхронные (RS) и синхронные (D и JK) триггеры.

133

RS-триггер (reset – set, сброс – установка) приведен на рис. 8.16, а на основе логических элементов ИЛИ-НЕ на два

входа, где обозначены прямой Q и инверсный Q информацион-

ные выходы. Работу RS-триггера иллюстрирует таблица истинности на рис. 8.16, б, где указаны значения сигналов на управ-

134

ляющих входах R и S в некоторый момент времени t и соответствующие им значения на выходе Q в момент времени t + 1 после окончания переходного процесса (рис. 8.16, в).

Рис. 8.16. Триггер: а – схема; б – таблица истинности; в – временная диаграмма

Типовая схема трехразрядного счетчика импульсов на базе триггеров приведена на рис. 8.17.

а б

Рис. 8.17. Счетчик импульсов: а – схема, б – временная диаграмма

Поскольку счетчики работают только с двумя цифрами (0 и 1), все числа переводят из десятичной системы исчисления

n

(цифры от 0 до 9) в двоичную. N10 = 2i , где i – целые числа,

i=0

i = 0, 1, 2 и т.д. Например, число 9 = 1001 = 20 + 21 + 22 + 23 = = 1 + 0 + 0 + 8.

135

8.4.11. Логические автоматы без памяти

Логические автоматы без памяти еще их называют комбинационными устройствами, т.е. устройствами, логические значения выходов которых однозначно определяются совокупностью логических значений на входах в данный момент времени. К логическим автоматам без памяти относятся дешифраторы, шифраторы, мультиплексоры, демультиплексоры, сумматоры и другие устройства цифровой техники. Элементной базой для их реализации служат логические элементы.

Дешифратором называется устройство, вырабатывающее сигнал 1 только на одном из своих 2n выходов в зависимости от кода двоичного числа на n входах. На рис. 8.18, а приведено условное изображение дешифратора на n = 2 входа, 2n = 4 выхода; на рис. 7.18, б изображена его таблица истинности.

Шифраторывыполняютфункцию, обратнуюдешифраторам. Мультиплексором называется устройство для коммутации одного из 2n информационных входов на один выход. Для реализации необходимой коммутации мультиплексор имеет, кроме информационных входов, также m адресных входов. Значение числа в двоичном коде на адресных входах определяет адрес

коммутируемого информационного входа.

Условное изображение мультиплексора с двумя адресными m = 2 (у1 и у2) и четырьмя информационными 2m = 4 (х1, х2, х3, х4) входами, а также таблица истинности приведены на рис. 8.19, а и б соответственно.

136

Демультиплексоры выполняют функцию, обратную мультиплексорам.

8.4.12. АЦП и ЦАП

Аналого-цифровые преобразователи преобразуют инфор-

мацию о сигнале в аналоговой форме, т.е. о напряжении, непрерывном во времени, в информацию о нем в форме цифрового кода (обычно в двоичной системе исчисления). Они широко применяются в системах многоканальной связи, передачи информации от датчиков систем управления и т.д.

На рис. 8.20, а приведена принципиальная схема параллельного АЦП на два разряда m = 2 на основе 2m – 1 = 3 компараторов. Опорные напряжения для компараторов задаются источником постоянной ЭДС Е0 и делителем напряжения на резисторах. Работу преобразователя при значении ЭДС Е0 = 3 В и опорных напряжениях компараторов 0,5; 1,5 и 2,5 В иллюстрирует рис. 8.20, б. Если значение ЭДС преобразуемого ес < 0,5 В, то напряжения на выходах всех компараторов имеют отрицательные значения, и цифровой код на выходе преобразователя равен 00. При увеличении напряжения преобразуемого сигнала сначала в интервале 0,5 < ес < 1,5 В изменится значение напряжения с отрицательного на положительное на выходе только компаратора 1, затем при 1,5 < ес < 2,5 В – компараторов 1 и 2 и, наконец, при 2,5 В < ес – всех компараторов. Устройство на основе логических элементов НЕ, И и ИЛИ, показанное на рис. 8.20, а (внутри штриховой линии), преобразует совокупность сигналов с выходов компараторов в цифровой код.

Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) преобразуют цифровой двоичный код в аналоговое выходное напряжение. Это позволяет, например, использовать цифровой двоичный код для управленияработойисполнительныхмеханизмов, двигателейит.д.

На рис. 8.21 показана принципиальная схема четырехразрядного ЦАП с двоичными весами сопротивлений резисторов

137

в цепях разрядов. Сопротивление цепи старшего разряда равно R, младшего разряда – 8R. Напряжение на выходе ЦАП равно

где наличие или отсутствие слагаемых в выражении для коэффициента усиления напряжения Кu совпадает с включенным или выключенным ключом в цепи соответствующего разряда. Ключами обычно служат транзисторы, базовые цепи которых подключаются кисточнику цифровых сигналов в двоичной системе исчисления.

Рис. 8.20. АЦП: а – схема; б – временная диаграмма

Рис. 8.21. Упрощенная схема ЦАП

138

ГЛАВА 9. ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

ИМЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

9.1.Основные понятия метрологии. Метрологические характеристики средств измерений

Измерение любой физической величины заключается в ее сравнении посредством физического эксперимента с принятым за единицу значением соответствующей физической величины, называемой мерой.

Взависимости от того, как получаются результаты измерения, различают измерения прямые, косвенные и совокупные.

Прямые измерения – это измерения, результат которых непосредственно дает искомое значение исследуемой величины (например, измерение тока амперметром).

Если измеряемую величину приходится определять на основании прямых измерений других физических величин, с которыми измеряемая величина связана определенными зависимостями, то измерение относится к косвенным (например, измерение сопротивленияметодомвольтметра и амперметра).

Если результат измерения выводится из результатов нескольких групп прямых или косвенных измерений отдельных величин, от которых зависит исследуемая величина, то измерение называется совокупным (например, определение температурного коэффициента электрического сопротивления материала на основании измерения материала при различных температурах).

Взависимости от способа применения приборов и мер различают непосредственный и нулевой методы.

При методе непосредственного измерения (или непосред-

ственного отсчета) измеряемая величина определяется путем непосредственного отсчета показаний измерительного прибора (например, измерение тока амперметром или длины метром).

Вэтом случае точность измерения определяется точностью показывающего прибора.

139

При измерении нулевым методом значение образцовой величины регулируется до равенства со значением измеряемой величины, которое фиксируется измерительным прибором, называемым нулевым прибором, или нуль-индикатором. Точность измерения зависит от точности образцовых мер и чувствительности нулевых приборов (например, измерение массы сравнением с набором образцовых гирь).

Основной метрологической характеристикой измерительных приборов является точность измерения, которая бывает абсолютной, относительной и приведенной.

Абсолютная погрешность равна А = Аизм – А, где Аизм – измеренное значение; А – действительное значение.

Относительная погрешность определяется по формуле

140