|
СХЕМЫ---->
Полезная схемотехника. статьи № 1-50
Генераторы импульсов на цифровых микросхемах.
С. Минделевич
В предлагаемой статье приводятся описания генераторов импульсов с самыми разными параметрами на цифровых микросхемах транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ), наиболее распространенными из которых являются микросхемы серий К133 и К155.
Построение симметричных автоколебательных мультивибраторов на микросхемах аналогично устройству подобных приборов на дискретных элементах, с той лишь разницей, что усилительный каскад на транзисторе заменяется логическим элементом «И-НЕ». Схема одного из простейших мультивибраторов с перекрестной емкостной связью показана на рис1, а.
Рис. 1. Схема простого мультивибратора с перекрестной обратной связью (а) и диаграммы его напряжений (б) для случая, когда R1 = R2 и С1 = С2
* На всех диаграммах в статье напряжение низкого логического уровня показано равным нулю.
Работа его аналогична работе мультивибратора на транзисторах. Она пояснена диаграммами напряжений приведенными на рис. 1, б.
Рассмотрим работу устройства с момента, когда элемент D1.1 примет состояние с высоким логическим уровнем на выходе (Выход 1). В это время на его входе (точка а) напряжение, подбираемое резисторами, будет ниже порога переключения Uп (для микросхем серии К155 напряжение Uп равно примерно 1,15 В), а на выходе элемента D1.2 («Выход 2») — низкий логический уровень.
По мере того как конденсатор C1 заряжается выходным током элемента D1.1 протекающим через резистор R2 (диод V2 в это время закрыт), напряжение в точке в несколько повышается, а в точке б уменьшается. Как только напряжение на входе элемента D1.2 (точка б) станет равным напряжению Uп, этот элемент изменит свое состояние и на его выходе (точка г) станет логическая 1.
Положительный скачок напряжения (с логического 0 на логическую 1) через конденсатор С2 поступит на вход элемента D1.1 и переключит его в состояние с низким логическим уровнем на выходе. Конденсатор C2 начнет заряжаться выходным током элемента D1.2 (через резистор R1). Конденсатор же С1 выходным током элемента D1.1 через диод V2 будет разряжаться. Как только напряжение на входе элемента D1.1 уменьшится до порога переключения, устройство примет исходное состояние, и цикл повторится.
Длительность импульсов на каждом из выходов устройства определяется временем зарядки подключенного к нему конденсатора. Для устойчивой работы мультивибратора необходимо, чтобы разрядка конденсаторов проходила быстрее их зарядки. Это достигается включением диодов V1, V2. При сопротивлении резисторов, равном 1,8 кОм, и изменении емкости конденсаторов (С1 = C2) от 100 пФ до 0,1 мкФ частота колебаний мультивибратора изменяется от 2 МГц до 300 Гц. Подбирая резисторы, надо иметь в виду, что при отсутствии колебаний они должны обеспечить уровень логической 1 на выходе элементов D1.1 и D1.2 (при напряжении на входах логического элемента, равном нулю, входной ток составляет примерно 1 мА). Однако если сопротивление резисторов небольшое, то происходит значительный перекос вершины генерируемых импульсов. Исходя из этого, в мультивибраторе на ТТЛ элементах используют резисторы сопротивлением от 100 Ом до 1,8 кОм. (хотя в большинстве случаев генератор устойчиво работает и при сопротивлениях до 4 кОм).
При равенстве емкостей конденсаторов скважность выходных импульсов равна 2. Подбором соотношения C1/C2 при сопротивлении резисторов R1 и R2 по 1,8 кОм можно получить устойчивую генерацию при скважности до 10 (при сопротивлении резисторов по 4 кОм — до 20).
Входы «Упр.» служат для управления работой мультивибратора: генерация не возникает при напряжении на них меньше порога переключения Uп (от 0 до 1,15 В). Если управлять работой генератора не нужно, то входы «Упр.» желательно соединить через резистор сопротивлением 1 кОм с плюсовым выводом источника питания (или их подключить параллельно используемому входу логического элемента, но в этом случае несколько возрастает входной ток).
Из-за ограниченного выходного тока логического элемента в момент зарядки конденсаторов, подключенных к выходам генератора, напряжение на
них возрастает экспоненциально (ток зарядки уменьшается по такому же закону), т. е. вершины выходных импульсов оказываются перекошенными.
Для улучшения формы импульсов и устранения влияния нагрузки мультивибратора к каждому выходу следует подключить дополнительный инвертор.
В подобном устройстве при включении питания оба логических элемента могут оказаться в закрытом состоянии (на выходах — логическая 1), и колебания не возникнут. Чтобы этого не произошло, вводят дополнительный элемент «2И-НЕ» (см. Радио, 1977, № 1, с. 44).
Частоту мультивибратора, собранного на цифровых микросхемах, можно регулировать не только изменением емкости и сопротивления времязадающих конденсаторов и резисторов, но и чисто электрическим путем, подавая разное напряжение на вход логических элементов. В таком генераторе (рис. 2) чем больше (по абсолютной величине) управляющее напряжение, тем быстрее при зарядке конденсаторов напряжение на входе логического элемента с логическим 0 на выходе уменьшается до порога переключения Uп и, следовательно, тем больше частота генерации.
Рис. 2. Схема симметричного мультивибратора, в котором частоту выходных импульсов регулируют управляющим напряжением Uупp
При изменении управляющего напряжения от 0 до —5 В частота изменяется по закону, близкому к линейному. При использовании конденсаторов С1 и С2 емкостью по 1000 пФ диапазон регулировки частоты составляет 120—750 кГц, а при емкости по 0,1 мкФ —от 1 до 8 кГц.
Широкое распространение на практике получил простой генератор (рис. 3, а), частота выходных импульсов которого определяется процессами перезарядки лишь одного конденсатора.
Рис 3 Схема (а) и диаграммы напряжений (б) простого генератора с одним
времязадающим конденсатором
Принцип его работы пояснен эпюрами напряжений (рис. 3, б). Генератор вырабатывает импульсы в широком диапазоне частот — от единиц герц до нескольких мегагерц. Зависимость частоты f (в кГц) от емкости конденсатора C1 (в пФ) выражается приближенной формулой
f=3•105/C1
При уменьшении
напряжения питания частота генерируемых импульсов уменьшается (примерно на 20% на каждые 0,5 В), а при увеличении температуры окружающей среды — увеличивается (примерно вдвое при увеличении температуры на 100° С)*.
* Эти зависимости характерны для всех упомянутых в статье генераторов, не содержащих транзисторы и кварцевые резонаторы.
В генераторе, собранном по схеме рис. 3, а, логические элементы имеют «открытый» коллектор. Скважность импульсного выходного напряжения практически, равна двум.
В генераторе по схеме рис. 4 длительность импульсов можно регулировать резистором R2 (скважность изменяется от 1,5 до 3), а частоту—резистором R1.
Рис. 4. Схема генератора с регулировкой частоты и скважности импульсов
Например, при использовании конденсатора C1 емкостью 0,1 мкФ при отсутствии резистора R2 и изменении сопротивления резистора R1 от максимального значения до нуля частота генерируемых импульсов изменяется от 8 до 125 кГц. Для получения другого диапазона частот необходимо изменять номинал конденсатора С1.
Логические микросхемы позволяют собрать генератор без каких-либо других радиодеталей (конденсаторов, резисторов и т. п.). Принцип работы такого генератора основан на задержке переключения логических элементов.
Принципиальная схема одного из таких генераторов приведена на рис. 5, а.
Рис. 5. Схема (а) и диаграмма напряжений (б) генератора, работа которого основана на задержках логических элементов
При подаче на управляющий вход логического 0 на выходе элемента D1.1 будет логическая 1 (на рис. 5, б время включения и выключения логических элементов принято одинаковым). При подаче на управляющий вход логической 1 все элементы поочередно изменяют свое состояние. Третий элемент (D1.3) переключится через промежуток времени, равный ntзд, где n — число логических элементов, а tзд — среднее время задержки переключения одного элемента, равное полусумме времен задержки включения и выключения. Скачок напряжения с выхода генератора через цепь обратной связи поступает на вход элемента D1.1 и переключает его в первоначальное состояние. Вслед за ним возвращаются в исходное состояние и другие элементы.
Дальше процесс многократна повторяется. Таким образом, устройство будет генерировать высокочастотные импульсы с периодом, равным 2ntзд. Число элементов в генераторе должно быть нечетным (больше единицы).
Для микросхем серии К155 среднее время задержки составляет около 20 нс. Следовательно, генератор, собранный по схеме рис. 5 а, будет вырабатывать импульсы с частотой следования около 8 МГц.
Если генератор сразу не заработает, необходимо несколько уменьшить напряжение питания. Для уменьшения частоты следует увеличить число логических элементов.
В рассмотренных здесь примерах входы «Упр.» служат для управления работой генератора. Однако при окончании управляющего импульса в момент генерирования выходного длительность последнего генерируемого импульса может быть меньше остальных, что в ряде случаев нежелательно. Ниже приводятся схемы генераторов, в которых этот недостаток устранен.
Мультивибратор, схема которого изображена на рис. 6, а, в зависимости от периода входного сигнала работает или в ждущем или в автоколебательном синхронизируемом режиме.
Puc. 6. Схема (а) и диаграмма напряжений (б) генератора, работающего в зависимости от длительности управляющих импульсов или в ждущем (верхние диаграммы), или в автоколебательном синхронизируемом (нижние диаграммы) режимах
Запуск мультивибратора осуществляется низким логическим уровнем или замыканием, например кнопкой, управляющей цепи с общим проводом.
Элементы D1.2 и D1.3 образуют RS-триггер, служащий электронным ключом — при отсутствии входного сигнала (что соответствует подаче на вход «Упр.» логической 1), он блокирует работу устройства. Если на управляющий вход подать логический 0, то триггер изменяет свое состояние. Элемент D1.2 при этом начинает работать как инвертор, образующий с элементами D1.1 и D1.4 импульсный генератор с автоматическим запуском. Если длительность отрицательного управляющего импульса Ти больше, чем постоянная времени цепи RlCl•3, то генерируются, по крайней мере, два выходных импульса с периодом, примерно равным 3R1C1. Причем начало первого из них совпадает с фронтом отрицательного входного импульса, а последний импульс независимо от момента окончания разрешающего сигнала имеет такую же длительность, что и предыдущие (равную R1•С1).
При длительности управляющего импульса Ти меньшей, чем 3•R1C1 устройство генерирует импульс (длительность которого равна R1C1) на каждый отрицательный управляющий импульс.
Сопротивление резистора R1 может быть в пределах 330 Ом —1,5 кОм, а емкость конденсатора С1 должна быть не меньше 50 пФ. Например, при сопротивлении резистора R = 1 кОм и емкости конденсатора С1 = 100 мкФ генерируется импульс длительностью 100 мс или последовательность этих импульсов (в зависимости от периода входного сигнала).
Генератор по схеме, приведенной на рис. 7, формирующий на выходе целое число периодов импульсов, так же запускается фронтом отрицательного управляющего импульса.
Рис. 7. Схема генератора, в котором длительность последнего генерируемого импульса не зависит от момента окончания управляющего сигнала
Элементы D1.2 и D1.3 образуют RС-генератор прямоугольных импульсов, частоту следования которых от 4 до 25 кГц можно регулировать переменным резистором R2. При поступлении логического 0 на вход элемента, D1.1 с его выхода на все остальные элементы подается разрешающий сигнал — логическая 1. Поэтому перепад напряжения на выходе устройства формируется одновременно (не считая времени задержек переключения элементов) с фронтом отрицательного импульса на управляющем входе элемента D1.1. Даже если этот сигнал прекращается (т. е. на вход «Упр.» подается логическая 1) при низком логическом уровне на выходе генератора, то, благодаря цепи обратной связи, на выходе элемента D1.1 сохраняется логическая 1, и устройство генерирует последний импульс полной длительности. Поэтому период всегда будет равен предыдущему.
Обычно во времязадающие цепи мультивибраторов включают конденсаторы большой емкости и резисторы малых сопротивлений, что ограничивает диапазон плавной регулировки частоты следования импульсов. В генераторе, схема которого изображена на рис. 8, а, подобный недостаток устранен включением на вход микросхемы транзисторного ключа с малыми входным током и порогом переключения. Частота такого мультивибратора может изменяться в 200 раз.
Рис. 8. Схема (а) и диаграммы напряжений (б) генератора, частоту которого переменным резистором можно изменять в 200 раз
Генерация происходит при подаче на вход «Упр.» логической 1.
Рассмотрим процесс генерации, начиная с момента начала зарядки конденсатора С1 (см. рис. 8, б). В этот момент транзистор V1 открыт и напряжение на его коллекторе близко к нулю. На другом входе элемента D1.1 — логическая 1, на выходе элемента D1.2 — логический 0. Конденсатор С1 заряжается выходным током элемента D1.1 через резистор R1 и параллельно соединенные входное сопротивление транзистора V1 и резисторы R2, R3. По мере зарядки конденсатора С1 напряжение на нем экспоненциально возрастает, а ток через него уменьшается по такому же закону. Коллекторный ток транзистора V1 при этом также уменьшается, и когда он станет равным входному току переключения элемента D1.1 на выходе этого элемента будет логический 0, который переключит элемент D1.2. Отрицательный перепад напряжения в точке а, закрывающий в этот момент транзистор, образуется за счет прохождения фронта импульса с выхода элемента D1.1 через конденсатор С1.
Дальше происходит разряд конденсатора через резисторы R1 — R3 выходным током логических элементов. Когда напряжение в точке а станет достаточным для открывания транзистора, то он откроется. При этом изменится состояние элемента D1.1, начнется зарядка конденсатора С1, и цикл повторится.
Время зарядки и время разрядки конденсатора, определяющие период и длительность выходных импульсов, при статическом коэффициенте передачи тока транзистора около 100 определяют по приближенным формулам tз=3,5 • 10-3С1,
tр= 6•10-7(R2+R3)C1 (емкость выражена в пикофарадах, сопротивление в омах, время в микросекундах).
При использовании элементов, указанных на принципиальной схеме, и суммарного сопротивления резисторов R2 и R3 20 кОм время зарядки составляет около 5,7 мкс, а время разрядки — около 18 мкс. Резистор R1 позволяет улучшить форму фронта импульсов. (В принципе, этого резистора может и не быть.)
Мультивибратор способен генерировать импульсы как с малой (меньше 2), так и с большой (больше 100) скважностью. При изменении емкости конденсатора С1 от 20 пФ до 10 мкФ частота выходных колебаний изменяется от 3 МГц до долей герца.
Частоту генератора, собранного по схеме, приведенной на рис. 9, а, можно изменять в 50 тысяч раз.
Рис. 9. Схема (а) и диаграммы напряжений (б) генератора с полевым транзистором
Это достигнуто применением полевого транзистора. При относительно небольших емкостях конденсатора возможно получение ультранизких частот. Например, при максимальных значениях, указанных на схеме элементов, частота выходных импульсов генератора равна 0,5 Гц.
Принцип работы устройства иллюстрирует рис. 9, б. В моменты времени, когда элемент D1.3 переходит в состояние с логической 1 на выходе, отрицательный перепад напряжения с выхода элемента D1.2 проходит через конденсатор С1 и в точке а образуется отрицательное напряжение. Затем конденсатор начинает перезаряжаться через резистор R1 выходным током элементов D1.2 и D1.3 (входным током полевого транзистора можно пренебречь). Изменение напряжения на затворе приводит к соответствующему изменению напряжения в точке б. И когда это напряжение достигает порога переключения элемента D1.1, он изменяет свое состояние и тем самым переключает остальные логические элементы генератора.
В периоды времени, когда на выходе устройства логический 0, конденсатор С1 разряжается до момента, когда напряжение в точке б уменьшится до порога переключения элемента D1.1, что вызывает последовательное переключение логических элементов (возврат их в исходное состояние).
Длительность выходных импульсов регулируют резистором R2. Резистор R3 служит для ограничения тока через транзистор. Частоту следования выходных импульсов можно определить по формуле f=1/2R1C1. В частности, если емкость конденсатора С1 = 0,01 мкФ и сопротивление резистора R1=1 МОм, частота импульсов равна 50 Гц; при емкости 150 пФ и сопротивлении 120 кОм — 22,5 кГц. Верхняя граница частоты генератора около 10 МГц. Для плавной регулировки частоты целесообразно, чтобы переменный резистор R1 был многооборотным.
Как уже указывалось выше, частота колебаний генераторов на микросхемах при изменении напряжения питания и температуры окружающей среды изменяется довольно значительно. Если необходима высокая стабильность частоты, в генераторы вводят кварцевые резонаторы. Примером может служить генератор, собранный по схеме рис. 10.
Рис. 10. Схема генератора с кварцевой стабилизацией частоты
Он генерирует импульсы в диапазоне частот 0,1—2 МГц (в зависимости от используемого резонатора В1). При соответствующем кварце возможна генерация импульсов частотой от 1 до 10 МГц. В этом случае конденсатор С1 надо исключить, емкость конденсатора С2 должна быть 0,01 мкФ, а сопротивления резисторов по 470 Ом. Скважность генерируемых импульсов около 2.
В таком устройстве резисторы R1 и R2 обеспечивают устойчивый режим генерации, а элемент D1.3 выполняет функцию буферного каскада. Конденсатор С2 осуществляет развязку по постоянному току. Конденсатор С1 предотвращает высокочастотные колебания на фронтах и спадах импульсов, обусловленные высшими гармониками.
ВРЛ №76
|
