Рис. 38. Динамиче­ская схема запрета с запоминающей емкостью.

Известно использование конденсатора с разделенными цепями перезарядки в узлах, с помощью которых осуществляется запомина­ние и хранение информации. Среди таких узлов элемент задержки сигнала на определенное число тактов — основной элемент ряда син­хронных цифровых автоматов, а также устройства, в которых инфор­мация хранится неограниченное время, а явление саморазрядки кон­денсатора и разрядки его через вспомога­тельные цепи компенсируется с помощью регенеративной схемы. Структура этих схем весьма близка к структуре рассмотренных выше схем с конденсаторным дозированием заряда, а приемы анализа многих рабочих процессов аналогичны изложенным выше.

Схема одного из таких устройств, пред­назначенных для синхронных цифровых автоматов, представлена на рис. 38. Ее на­именование— «динамическая схема запрета с запоминающей емкостью» i[Jl. 28]. Часть схемы, содержащая сопротивление R и ди­оды Ди Дъ, образует логическую схему за­прета.

Импульсы напряжения, поступающие от генератора импульсов ГИ, представляют собой симметричное ’(переменно-лолярное) напряжение прямоугольной формы.

При положительных импульсах ГИ и отсутствии сигнала на входах 3 и 4 ток в цепи ЯСД^ заряжает конденсатор С, а при отрицательных импульсах ГИ ток разрядки С, протекая в цепи RC, база — эмиттер, открывает транзистор Т до состояния насыщения и обеспечивает появление на выходе устройст­ва положительного импульса.

Если одновременно с положительным импульсом ГИ на вход 3 подается отрицательный сигнал такой, что точка Л фиксируется на уровне £/«—Uмакс, где UMакс — амплитуда импульсов ГИ, то при очередном отрицательном импульсе ГИ конденсатор не перезаря­жается. Прямой ток в эмиттерном переходе Т при этом не появляет­ся, и выходной импульс не возникает.

Таким образом, появление на входе 3 или 4 схемы, изображенной на рис. 38, отрицательного сигнала при положительном импульсе ГИ приводит к исчезновению выходного сигнала, сопутствующего отри­цательному импульсу ГИ.

При соединении двух элементов, первый из которых выполнен на транзисторе р-п-р, а второй — на транзисторе п-р-п, или в случае использования трансформаторной связи между элементами появле­ние сигнала «запрет» на входе первого элемента приводит к исчез­новению этого сигнала на входе второго и к появлению выходного импульса через период сигнала ГИ. Выходные сигналы первого и второго элементов, соответствующие 1, имеют разную полярность.

Схемы из таких элементов обслуживаются тремя выходами вспомогательного генератора импульсов.

На основе соединения конденсатора с диодами, разделяющими цепи его перезарядки, могут быть разработаны и другие логические элементы для дискретных устройств, питание и синхронизация рабо­ты которых осуществляются от единого источника переменного на­пряжения.

Основные узлы таких элементов — емкостно-диодные элементы задержки, активные (Л. Е. Д. Э. 3.) и пассивные (П. Е. Д. Э. 3.). Эти узлы соответственно представлены на рис. 39,а, б, в, г.

Активный емкостно-диодный элемент задержки образован со­единением дозирующего конденсатора С и двух диодов Д и Д2, один из которых Д присоединяется к бесконтактному входному ключу (транзистору или тиристору), а второй Д2 — к нагрузке.

6) г)

Поясним работу Л. Е. Д. Э. 3., полагая, что его элементы идеальны. При закрытом ключе К дозирующий конденсатор С за­ряжается до напряжения UMaкс, диод Д2 закрывается, а нагрузоч­ное сопротивление Rn обесточивается.

При подаче на вход ключа К отпирающего сигнала за время соответствующего полупериода напряжения питания конденсатор С перезаряжается ДО —t/макс - В следующий полупериод ДИОД Д2 оказывается открытым, а в RH протекает импульс тока /в ых, сопут­ствующий перезарядке конденсатора С от —(Умакс ДО +17макс (по­следнее обеспечивается параметрами Л. Е. Д. Э. 3. Импульс тока переносит в RH дозированный заряд q = 2CUMaKC и при прямоуголь­ном напряжении питания имеет экспоненциальную форму.

Условное обозначение Л. Е. Д. Э. 3. приведено на рис. 39,6.

В пассивный емкостно-диодный элемент задержки (рис. 39,в) входит соединение дозирующего конденсатора С, диодов Д и Д-2, резистора /?, шунтированного конденсатором С, и входных диодов До И Дз-

При подаче на вход 1 П. Е. Д. Э. 3. импульса тока івх конден­сатор С заряжается через диоды Д0, Дь а затем, когда входной сиг­нал уменьшается до определенной величины, закрывается диод До, конденсатор С удерживается в заряженном состоянии. На входе 2, присоединенном к схеме питания, в это время действует положи­тельный потенциал, обеспечивающий запирание диода Д3, а при по­ступлении в очередной полупериод на вход 2 отрицательного напря­жения диод Дз открывается, конденсатор С разряжается по цепи /?нД2Дз (появляется ТОК /вых).

і и

При этом в нагрузку передается заряд inuxdt.

Ток протекает в полупериод, следующий за полупериодом поступле­ния /вх, где /и — время действия импульса.

Емкостно-диодные элементы задержки осуществляют логическую операцию повторения сигнала, представленного токовым импульсом, при этом направление входного тока в цепи, содержащей пассивный элемент задержки, инвертируется. Однако указанная инверсия зна­чения не имеет, так как наличие сигнала, обозначающего, например, единицу, влечет за собой появление сигнала на выходе, а направле­ние тока информации не несет.

Во время формирования выходного сигнала активным и пассив­ным элементами задержки источник входного сигнала оказывается отключенным (закрыт диод Д на рис. 39,а или Д0 на рис. 39,в).

Пассивный емкостно-диодный элемент задержки может быть представлен условным обозначением по рис. 39,г. Направления вход­ных и выходных токов могут быть заменены противоположными пу­тем изменения направления включения диодов.

Выходной сигнал Е. Д. Э. 3. (токовый импульс) может быть «запрещен» с помощью ключа-транзистора (рис. 40,а), образующего совместно с простейшим фильтром /?фСф схему запрета, управляе­мую синфазным выходным сигналом. Необходимость фильтра обу­словливается инерционными свойствами транзистора. Если элемент запрета устанавливается в П. Е. Д. Э. 3. (после диода Д0), то на­личие фильтра становится излишним.

Возможно использование схем, подобных рис. 40,а, для осущест­вления операции запрета в сочетании с логическими операциями типа ИЛИ и И при наличии на входах определенной группы синхронизи­рованных питанием сигналов. Для этого применяются соответствую­щие транзисторные и диодно-транзисторные схемы, широко известные из литературы.

Направление включения диодов и тип проводимости транзисто­ров (р-п-р или п-р-п) в логической схеме, определяющей реализуе­мую логическую функцию, обусловливают и направление диодов в присоединяемом к такому узлу элементе задержки.

Выходной сигнал Е. Д. Э. 3. может использоваться для питания коллекторной цепи эмиттерного повторителя, осуществляющего пере­дачу сигнала, синхронного с выходным сигналом Е. Д. Э. 3., если последний находится в состоянии 1. Так как процесс зарядки кон­денсатора заканчивается при токе /с—^0, полупроводниковые при­боры, по которым он протекает, характеризуются малотоковым ре­жимом. Это влияет. положительно на работу соответствующих схем, например на схему, состоящую из транзисторной приставки И и активного элемента задержки (см. рис. 40,в).

Из рассматриваемых устройств могут быть построены комплексьї 'синхронных логических элементов, синхронизированных напряжением питания.

Основные цепи таких устройств коммутируются в определенные полупериоды напряжения питания, выходные сигналы синхронизиро­ваны напряжением питания, и, наконец, входные сигналы для обес­печения нормальной работы большинства схем па таких элементах

Е. Д. Э. 3. с транзисторным ключом в схеме запрета (а); условное обозначение схемы запрета (б); схема задержанного И (в); функцио- Рис. 40.

нальная схема задержанного И (г).

должны быть синхронизированы также напряжением питания. Сле­дует отметить, что в А. Е. Д. Э. 3. дозирующий конденсатор может быть заменен диодом и последовательно включенным резистором. При соответствующей полярности напряжения в диффузионной ем­кости диода может быть накоплен заряд qn=InX. Здесь /п — прямой ток в диоде; т — постоянная времени накопления заряда.

Изменение полярности напряжения питания приводит к появле­нию в нагрузке импульса /вых, переносящего дозированный заряд qn - Назовем схему транзисторного ключа ИЛИ, содержащего на вы­ходе Л. Е. Д. Э. 3., активным задержанным ИЛИ. Аналогично по­строена схема активного задержанного И.

Выходной сигнал ни одной из таких схем не может быть исполь­зован как входной для аналогичной или другой схемы в связи с от­сутствием согласованности. Это обусловливается использованием в них транзисторов с однотипной проводимостью (р-п-р или п-р-п). У таких схем существуют аналоги с иными направлениями входных токов, использующие транзисторы с иной проводимостью.

Выходной сигнал любого из таких устройств — аналогов может быть использован как входной для рассмотренных ранее устройств, а выходной сигнал первых устройств может быть использован как входной для вторых.

б)

Таким образом, А. Е. Д. Э. 3. вместе с присоединенными к ним логическими приставками оказываются согласованными, если направ­

Рис. 41. Схемы линий задержки на активных Е. Д. Э. 3. (а), на активных и пассивных Е. Д. Э. 3. (б) схема динамического триггера (в).

ления (т. е. полярность) входных токов в них не совпадает (т. е. противоположны).

Здесь под согласованием подразумеваетсяк согласование направ­ления входных и выходных токов.

Последовательное соединение активных задержанных элементов ИЛИ с чередующейся полярностью входных сигналов представляет собой синхронную линию задержки (рис. 41,а). В такой линии иногда представляется целесообразным через один заменить активные за­держанные ИЛИ пассивными элементами задержки (рис. 41,6).

Как было указано выше, наличие токового импульса на входе или выходе элемента соответствует единице, а отсутствие импуль­са — нулю. Единица, поступившая на вход первого элемента линии каждые полпериода питающего напряжения, продвигается на один элемент.

Подобный элемент образует основу схемы динамического триг­гера, представленной на рис. 41,в.

Очевидно, что рассмотренные выше схемы позволяют строить из них самые разнообразные электронные цифровые устройства, синхро­низируемые частотой напряжения питания.

На рис. 42,а представлена схема двухразрядного двоичного ре­версивного счетчика, в котором применяются Е. Д. Э. 3. Счетчик питается напряжением, близким к прямоугольному.

9)

Рис. 42. Схема реверсивного счетчика. а — схема счетчика; б — схема кнопки; в — схема реверсивного разряда.

Счетчик содержит кнопки—генераторы одиночного импульса 1 и 2, используемые для ввода асинхронной информации в синхрон­ное устройство (см. рис. 42,6), элементы запрета 3 и 4, предотвра­щающие счет при поступлении сигналов одновременно на суммирую­щие и вычитающие входы (Л и Б), и собственно счетные ячейки 5 и 6 (см. рис. 42,в).

На рис. 42,6 показана схема кнопки. Последняя представляет собой синхронную линию задержки из четырех элементов, выход осу­ществляется со второго элемента через узел «запрет», а на запре­щающий вход этого узла подается сигнал с четвертого элемента ли­нии. Элемент задержки в этой линии в отличие от друїих содержит ключ-тиристор (а не ключ-транзистор). Поскольку входным каналом для этого элемента всегда является экспонента (выходной сигнал предыдущего элемента), начало которой синхронизировано с соот­ветствующим фронтом напряжения іпитания, ключ-тиристор Т откры­вается (если он открывается) только в начале соответствующего полупериода напряжения питания.

задержки, если тиристор срабатывает, всегда имеет достаточно большую амплитуду. Этот сигнал запрещает все импульсы, кроме первого в непрерывной серии импульсов на выходе элемента задержки.

На рис. 42,в показана схема одного разряда реверсивного син­хронного двоичного счетчика.

Возвратимся к схеме А. Е. Д. Э. 3., при этом будем полагать, что свободный вывод диода Д2 присоединен к общей шине, а выход­ные сигналы представлены напряжениями между точками схемы А и Б и общей шиной (рис. 43,а).

Выходной сигнал на выходе Б — постоянное напряжение, причем ^Бвых ^2£/макс соответствует единице, а отсутствие напряжения— нулю. Выходной сигнал на выходе А — пульсирующее напряжение, Причем единице соответствует —£/макс + И(0, а отсутствие напряже­ния соответствует пулю.

Из-за неидеальности диодов и транзисторных (или тиристорных) ключей напряжение ^Бв.)1Х обычно имеет существенные пульсации, даже при высокоомной нагрузке, которые могут быть уменьшены при подключении конденсатора Сф.

Выходные сигналы, соответствующие единице, присутствуют на выходах, когда нет сигналов на входе, т. е. когда на входе нуль.

Таким образом, для потенциальных сигналов устройство, изо­браженное па рис. 43,а, является инвертором и осуществляет логи­ческую операцию НЕ. По выходу Б устройство является совмести­мым. По выходу А устройство является несовместимым с аналогич­ными, и для его совмещения требуются специальные преобразовате­ли. Однако выход А расширяет логические возможности инвертора — позволяет получить выход по переменному напряжению. Наличие емкости Сф лишь в незначительной степени затягивает пе­реключение, так как при подачи на вход инвертора сигнала 1 емкость Сф разряжается через открытый транзистор, а при появлении на входе нулевого сигнала — заряжается через прямое сопротивление диода и сопротивление источника питания.

Рассеяние мощности в инверторе при статическом режиме несу­щественно и обусловливается главным образом падением напряже­ния на прямых сопротивлениях диодов и в выходной цепи.

Наличие переменного напряжения позволяет осуществить инвер­тор без активного элемента. Схема соответствующего элемента пред­ставлена на рис. 43,6. Для нормальной работы схемы необходим вспо­могательный источник напряжения Е.

Схема совпадения представлена на рис. 43,в.

Так же как в инверторе, операция над входными переменными реализуется здесь в виде постоянного и переменного напряжений. Сигнал постоянного напряжения формируется дополнительным дио­дом Ді и емкостью Сф.

Операция ИЛИ может осуществляться с помощью различных схем. Если предыдущий каскад имеет выход по постоянному напря­жению, можно воспользоваться обычной диодной схемой, применяе­мой в цепях постоянного тока. Однако при этом оказывается невоз­можным строить двухкаскадные пассивные логические схемы, так как рассматриваемая схема не может быть нагружена схемой сов­падения и требует применения инвертора на выходе. На рис. 43,г показана схема ИЛИ, свободная от указанного недостатка. Эта схе­ма рассчитана па подключение к выходам переменного напряжения предыдущих каскадов. Благодаря наличию выходного сигнала в виде постоянного напряжения она может быть нагружена любой из опи­санных выше потенциальных схем. В схеме на рис. 43,г каждый вход имеет отдельный входной выпрямитель, что обеспечивает развязку входных цепей.

Большинство представленных здесь схем — управляемые транзи­сторами выпрямительные схемы с удвоением напряжения. Поэтому при малых нагрузках величина выпрямленного напряжения на выхо­де приближается к удвоенному значению напряжения питания.

Скорость переключения таких схем при низких частотах напря­жения питания определяется частотой питающего напряжения. Прак­тически можно считать, что максимальная частота переключения в устройствах, соответствующих приведенным схемам, не превышает частоты питания. Приведенные логические схемы некритичны к ам­плитуде и частоте питающего напряжения и допускают значительные вариации параметров деталей.

При объединении логических схем переменного тока значитель­ное число деталей оказывается лишним. Так, например, если инвер­тор нагружается только схемой совпадения, из его схемы можно

сумматора.

исключить фильтрующую

емкость Сф, а также диодно­емкостную цепь, играющую роль коллекторного сопротив­ления. В тех случаях, когда схема совпадения нагружается по переменному току, из нее могут быть исключены филь­трующий конденсатор Сф и развязывающий диод. На рис. 44 приведена схема одно­разрядного сумматора. В этой схеме информация на входах и выходах представлена в оди­наковой форме в виде уровней постоянного напряжения. Бла­годаря этому сочленение таких схем не представляет трудно­сти. Однако следует помнить о необходимости согласования сопротивлений.

Преобразование переменно­го напряжения в постоянное легко произвести с помощью выпрямителей с накоплением. Обратное преобразование мож­но произвести с помощью клю­ча, используемого как модулятор, и управляемого напряжения пи­тания.

Триггерные схемы, питающиеся переменным током, могут быть

подобно статическим триггерам построены из двух инверторов. Одна из таких схем показана на рис. 45. Триггер может управляться по раздельным входам и обладает возможностью счетного запуска.

На рис. 46 приведена схема двухразрядного двоичного неревер­сивного счетчика, построенного на двухинверторных триггерах пере­менного тока.

Параметры элементов схемы триггеров, составляющих этот счет­чик: Ск=0,0022 мкф Сн=0,01 мкф; Ci2=0,01 мкф; Rcм = 8,2 ком; /?с = 8,2 ком; /?д = 8,2 ком тоиоды МП16Б; диоды Дд; частота напря-

пит

жения питания 100—200 кгц; напряжение питания £/Пит = 10 в; ма­ксимальная допустимая частота следования входных импульсов 10 кгц.

Мощность, потребляемая каждой триггерной ячейкой, составила менее 20 нет. Значительная часть реактивной мощности, потребляе­мой счетчиком, компенсируется устанавливаемым на выходе источни­ка питания дросселем.

Наличие у инвертора выхода по переменному напряжению по­зволяет осуществить схемы триггеров с одним транзистором. Одна из таких схем показана на рис. 47. Схема работает следующим об­разом. В исходном состоянии транзистор инвертора открыт напря­жением, Приложенным К нему через сопротивление смещения Rсм-

При этом сигнал в цепи обратной связи отсутствует. Если тран­зистор запереть внешним сигналом, то на выходе инвертора появит­ся переменное напряжение, а на емкости С3 — 'напряжение положи­тельной полярности. Благодаря этому транзистор будет удерживать­ся в запертом состоянии. (В приведенной схеме положительная об­ратная связь имеет запирающий характер.)

Считая напряжение смещения напряжением уставки, последнее устройство можно рассматривать как частотное реле, с другой сто­роны, при наличии постоянной величины частоты и напряжения пи­тания, полагая напряжение смещения входным*, это же устройство можно рассматривать как реле напряжения — аналоговое устройство с релейной характеристикой.

Логические и спусковые схемы на основе конденсатора с раз­деленными цепями перезарядки весьма разнообразны и могут осуще­ствлять самые разнообразные функции.

Уменьшенное количество резисторов в схемах, особенно в коллек­торных цепях, приводит к резкому уменьшению активных потерь.

Последнее обстоятельство в сочетании с тем, что большинство рассматриваемых узлов не содержит моточных деталей, делает воз­можным их осуществление в виде микромодульных, гибридных, пле­ночных и интегральных схем.

Принцип действия рассматриваемых устройств и результаты ис­пытаний отдельных макетов позволяют полагать, что они окажутся некритичны к параметрам отдельных компонентов и к параметрам напряжения питания.

Рассматриваемые устройства могут управляться сигналами уст­ройств постоянного тока и управлять последними.

Наконец, применение переменно-полярного напряжения позво­ляет осуществлять питание отдельных частей сложных схем от от­дельных трансформаторов и в случае необходимости использовать трансформаторы для согласования входов и выходов сочленяемых узлов.

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭКСПОНЕНЦИАЛЬНОЙ ФОРМЫ КРИВОЙ ПЕРЕЗАРЯДКИ

Примером вычислительных устройств такого типа может служить устройство, реализующее соотношение

-*1

y = k In.

Входные сигналы, соответствующие и х2, представлены напря­жениями Uі и U2, а выходной сигнал — длительностью выходного импульса Ги.

Принцип действия устройства состоит в следующем. Напряжение U преобразуется в импульс

иі = и1е~ІІ

а затем вырабатывается сигнал, длительность которого t опреде­ляется соотношением:

Uxe

Во время работы схемы на входы 1 и 2 поступают соответствен­но напряжения Ui и IJ2.

На третий вход 3 при­ходит импульс, который опрокидывает выходной триггер и одновременно отключает вход 1. При этом на емкости Сі и разрядном сопротивлении форми­руется напряжение вида Ue~^z которое сравнивается с помощью компаратора с напряжением f/г. Когда Ue ^становится равішм U2, на 'выходе компаратора появляется импульс, опрокидывающий триг­гер в исходное состояние.

Материал предоставлен И. С. Кузнецовым.

В результате на выходе триггера формируется импульс, длитель­ность которого пропорционально логарифму .отношения входных на­пряжений,