Генераторы и формирователи импульсов

Генераторы и формирователи импульсов

2.1 Формирователи импульсов запуска

Для установки цифровых устройств в исходное состояние при включении питания можно применить простейшую RC цепь по схеме на Рис. 2.1.1, формирующую импульс сброса положительной полярности. Для формирования короткого импульса положительной полярности при изменении уровня входного сигнала с нулевого на единичный служит схема, приведенная на Рис. 2.1.2

2.2 Устройства подавления дребезга контактов

На Рис. 2.2.1 - Рис. 2.2.2 приведены схемы подавления дребезга контактов, применяемые в устройствах выполненных на КМОП микросхемах. Первый из них формирует короткий импульс отрицательной полярности длительностью около 0,7 мкс на уровне 0,5 В в момент первого замыкания контактов кнопки. При этом конденсатор С1 быстро заряжается через резистор R2, и дальнейший дребезг контактов не влияет на выходное напряжение, так как разряжается он через резистор R1 большого сопротивления. Второй используется, когда необходимо получить выходной импульс длительностью, равной продолжительности нажатия на кнопку. Колебания напряжения на резисторе R1, здесь сглаживает цепь R2,C1, резистор R1 служит для быстрой разрядки конденсатора C1.

2.3 Фильтры

Устройство задержки импульсов изображенное на Рис. 2.3.1 также может использоваться для подавления дребезга. Время задержки фронтов и спадов импульсов здесь составляет 0,7R1C1. Если длительность импульсов меньше этого значения, они через это устройство не пройдут. Вариант устройства по схеме на Рис. 2.3.2 позволяет отдельно регулировать задержку фронта (резистором R1) и спада (R2) импульсов.

2.4 Одновибраторы

Схема простейшего одновибратора, выполненного на ТТЛ микросхеме приведена на Рис. 2.4.1. Он запускается импульсом отрицательной полярности при нажатии на кнопку SB1 и формирует импульс длительностью около 0,5 мс отрицательной полярности. На Рис. 2.4.2 приведена схема одновибратора на Dтриггере КМОП микросхемы. Он запускается или коротким им пульсом по входу S, или положительным перепадом по входу С. Уровень 1 появляющийся при этом на прямом вы ходе триггера (выход 1) начинает заряжать конденсатор С1 через резистор R1. Когда напряжение на конденсаторе достигает порогового значения для входа R, триггер переключается в исходное состояние Диод VD1 ускоряет разрядку конденсатора и возвращение устройства в исходное состояние (во многих случаях он может быть исключен) Длительность импульса одновибратора определяют по той же формуле, что и для дифференцирующей цепи фильтра. Так например при С=100мкф и R=1М, длительность импульса будет около 80С, при С=100мкф и R=390К - 40С, при С=10мкф и R=560К - 5С, при С=0,68мкф и R=2,7М - 1.5С. Для частоты 2кГц можно выбрать  С=,015мкф и R=11К, для частоты 450Гц - С=0,022 и R=11К, для частоты 2Гц подойдет С=0,15мкф и R=1М.

Одновибратор, выполненный по схеме, приведенной на Рис. 2.4.3, работает следующим образом: в исходном состоянии устройства на выходе счетчика DD2 присутствует напряжение высокого уровня, запрещающее работу генератора, собранного на элементах ИЛИ-НЕ (DD1.1. DD1.2) микросхемы DD1. При импульсе высокого уровня на входе счетчик DD2 обнуляется – на его выходе появляется напряжение низкого уровня, разрешающее работу генератора. После того, как счетчик отсчитает 213 импульсов, на его выходе появится напряжение высокого уровня, запрещающее работу генератора. Таким образом, по фронту импульса на входе запуска на выходе устройства формируется импульс низкого уровня длительностью в 213 импульсов задающего генератора. При этом на выходе 212 (вывод 2) счетчика формируется импульс высокого уровня вдвое меньшей длительности, заканчивающийся одновременно с основным низкого уровня, на выходе 211 (вывод 2)–два импульса и т.д. Рис. 2.4.4 Поскольку формирование выходного импульса всегда начинается из одного и того же состояния задающего генератора, то исключается случайная погрешность длительности импульса, связанная с неопределенностью фазы генератора.

Аналогичный одновибратор можно собрать на одной микросхеме К176ИЕ5, К176ИЕ12или К176ИЕ18. Вариант одновибратора на собранного микросхеме К176ИЕ5 (Рис. 2.4.6) работает так же, как описанный выше, но его генератор собран на инверторах, предназначенных для кварцевого генератора микросхемы. Для запрета его работы напряжение высокого уровня с выхода 15 (вывод 5) микросхемы подается на вход цепи инверторов генератора через диод VD 1. При подаче с выхода 15 на вход запуска импульса низкого уровня диод VD1 закрывается и не мешает нормальной работе генератора.

Частота импульсов в схемах на Рис. 2.4.6, Рис. 2.4.5, при сопротивлении резистора R2 более 20К, обратно пропорциональна произведению R1C1, при этом коэффициент пропорциональности зависит от образца микросхемы. Типичное значение частоты можно определить по формуле f=2/C1, где f-в мегагерцах, C1-в пикофарадах.

Длительность импульса, формируемого таким одновибратором, соответствует 215 периода задающего генератора и, как и в описанном выше устройстве, на предпоследнем выходе 14 (вывод 4) счетчика формируется импульс высокого уровня вдвое меньшей длительности, а на выходе 9 (вывод 1) – пачка из 32 импульсов.

Следует отметить, что при построении одновибратора на микросхеме К176ИЕ5 случайная погрешность длительности формируемого импульса составляла бы 1/32 от его длительности, так как на младшие девять разрядов счетчика импульс обнуления не поступает. В этом же варианте одновибратора в момент окончания формирования импульса все триггеры, кроме последнего, устанавливаются в нулевое состояние, поэтому формирование очередного импульса начинается из нулевого состояния всех триггеров счетчика.

Схема варианта одновибратора на микросхеме К176ИЕ12, или аналогичной ей К176ИЕ18, приведена на Рис. 2.4.5. Длительность формируемого импульса составляет 39х32768 = 1 277 952 периода импульсов генератора, поскольку сигнал высокого уровня на выходе М (вывод 10) появляется спустя 39 с после обнуления счетчика.

При необходимости кварцевой стабилизации длительности формируемых импульсов одновибратор следует строить по схеме на Рис. 2.4.7 (включать кварцевый генератор так же, как RC-генератор, нельзя). К сожалению, для одновибратора такого варианта характерна случайная погрешность длительности импульса, соответствующая периоду кварцевого генератора. В случае использования в таком одновибраторе микросхемы К176ИЕ5, К176ИЕ12 или К176ИЕ18 сигнал с выхода элемента DD1.2 следует подавать на ее вход Z.

Описанным здесь одновибраторам, присущ недостаток: при включении питания они формируют на выходе импульс неопределенной длительности, однако не превышающий длительности импульса, на который он рассчитан. Если же длительность запускающего импульса не превышает половины периода задающего генератора, то пусковая дифференцирующая цепь не нужна.

Одновибраторам присуще также свойство перезапуска, аналогичное микросхемным одновибраторам К155АГЗ, К555АГЗ, КР1561АГ1: если во время формирования выходного импульса появляется очередной запускающий, отсчет длительности формируемого импульса начнется заново от последнего запускающего.

При отсутствии специализированных микросхем К155АГ1, К155АГЗ одновибратор можно собрать на основе триггера микросхемы К155ТМ2. Здесь по фронту входного сигнала, формируется короткий положительный импульс, как только напряжение на входе R триггера снизится до уровня лог. нуля, формирование импульса прекратится и триггер переключится в нулевое состояние ожидая прихода следующего импульса.

Микросхема КР1561АГ1 содержит два одновибратора. Каждый из них имеет входы для запуска A и B, сброса R, выводы C и RC для подключения времязадающих цепей, прямой и инверсный выходы.

Обязательное условие запуска – присутствие уровня 1 на входе R. Запуск происходит по фронту положительного импульса на входе A при уровне 1 на входе B или по фронту отрицательного импульса на входе В при уровне 0 на входе А. Следовательно, входыA и B служат прямым и инверсным входами запуска, включенными по ИЛИ, в отличие от входов запуска, собранных по И, одновибраторов в микросхемах К155АГЗ и К555АГЗ. Подача уровня 0 на вход R запрещает запуск одновибратора и прекращает формирование импульса, если запуск уже произошел.

Рекомендуемое сопротивление времязадающего резистора – не менее 1 кОм. Его максимальное сопротивление ограничено лишь током утечки времязадающего конденсатора и монтажа и достигает десятков мегаом. Емкость времязадающих конденсаторов не ограничена. Длительность формируемого импульса можно рассчитать по формуле Tи= (0,3...0,5)RC. При этом удобно пользоваться разномерностями МОм, мкФ, с или кОм, мкФ, мс, или кОм, нф, мкс. При емкости конденсатора менее 10 нФ реальная длительность импульса получается большей, чем при расчете.

Одновибраторы микросхемы КР1561АГ1 обладают способностью повторного запуска. Если его условия повторно выполнятся во время формирования выходного импульса, длительность последнего увеличится на интервал времени между запускающими импульсами. Повторный запуск можно исключить, соединив вход B с инверсным выходом одновибратора, запуская его фронтом положительного импульса на входе A, или вход A с прямым выходом, запуская фронтом отрицательного импульса на входе B.

На двух одновибраторах микросхемы КР1561АГ1 можно собрать автогенератор, дновибраторDD1.1 определяет длительность положительных импульсов на выходе 1, а DD 1.2 – длительность пауз между ними и, наоборот, по отношению к выходу 2.

При использовании микросхем КР1561АГ1 следует помнить, что они весьма легко запускаются от помех как по цепи питания, так и по входным цепям. Для исключения ложных запусков необходимо в непосредственной близости от микросхем устанавливать по цепи питания блокировочные керамические конденсаторы емкостью не менее 0,015 мкФ, а проводники входных и времязадающих цепей делать минимальной длины. Выводы 1 и 15 соединены с общим проводом (выводом 8) внутри корпуса микросхемы, поэтому вне корпуса их и времязадающий конденсатор подключать к общему проводу не рекомендуется.  
 

2.5 Генераторы на логических ИМС 

На Рис. 2.5.1 изображена схема генератора, формирующего пачки импульсов с частотой повторения около 1 Гц и заполнения около 100 Гц, длительность пачек 0,5 с. Генератор включают подачей уровня 1 на его вход. Первый формируемый импульс возникает сразу после поступления разрешающего сигнала. Частоту импульсов здесь можно определить по формуле f=1/2RC. Если требуется регулировка скважности импульсов то следует разделить зарядно-разрядные цепи конденсаторов, подобно тому как это сделано в схеме на Рис. 2.3.2

На Рис. 2.5.2 изображена схема аналогичного генератора, выполненного на ТТЛ микросхеме. Частота заполнения здесь около 1000 Гц, длительность пачек 0,2 с. Генератор включают подачей уровня 1 на его вход. Первый формируемый импульс возникает сразу после поступления разрешающего сигнала.

Схемы простых кварцевых генераторов выполненных на ТТЛ и КМОП микросхемах приведены на Рис. 2.5.4 и Рис.2.5.3 соответственно. Они вполне подходят для большинства практических устройств, однако им все же свойственны некоторые недостатки. Во-первых, генераторы возбуждаются на частоте, значение которой ниже значения частоты кварцевого резонатора, что вынуждает включать последовательно с кварцем подстроечный конденсатор. Во-вторых, их температурно-частотная характеристика (ТЧХ) отличается от ТЧХ кварцевого резонатора, т е. Искажается. В-третьих, частота генераторов очень зависит от напряжения питания, кроме того, в генераторе по схеме на Рис. 2.5.3 в ряде случаев рассеиваемая мощность на кварцевом резонаторе может превышать предельно допустимое значение.

Генератор, схема которого приведена на Рис. 2.5.5, свободен от перечисленных недостатков и имеет улучшенные технические характеристики. Его рабочая частота отличается от частоты кварцевого резонатора не более чем в 3 • 10-7 раза (у генератора, собранного по схеме Рис. 2.5.3, – в 10 • 10-6). При изменении напряжения питания относительно номинального на ±:10 % изменение частоты не превышает 1 • 10-6(в первом варианте 10 • 10-6). На кварцевом резонаторе рассеивается мощность – не более 1 мВт (в первом варианте – не менее 4 мВт). Частоту генерируемого сигнала можно регулировать в пределах 10 • 10-6 относительно частоты кварца. ТЧХ генератора идентична ТЧХ кварцевого резонатора. Для повышения температурной стабильности генератора, его можно поместить в термостат. Температура термостатирования резонатора и микросхемы – (70±1) °С

Технические характеристики кварцевого генератора удалось улучшить включением дополнительного резистора параллельно инвертору DD1.3. Как показано на Рис. 2.5.5, в точке А генератора действует импульсное напряжение непрямоугольной формы. Это по видимому связано с тем что, что у кварцевых резонаторов на частоте 2…30 МГц динамическое сопротивление кварца составляет единицы-десятки ом. Поэтому это малое сопротивление оказывает влияние на формирование вершины импульса напряжения в точке А, (см. рисунок), форма которой, в свою очередь, влияет на частоту возбуждения генератора.

Инвертор DD1 3 (рис 2) с параллельно включенным резистором R4 предназначен для формирования в точке А импульсов напряжения, близких по форме к прямоугольным, и уменьшения тока через кварцевый резонатор. Так как резистор R2 уменьшает коэффициент запаса по возбуждению, то для того, чтобы компенсировать это уменьшение, применена местная положительная обратная связь через резистор R3.

Конденсатор С1 нужен для устойчивого возбуждения генератора на частоте последовательного резонанса кварца. Кроме того, он устраняет «дрожание» фронта и спада импульсов.

Резисторы R1, R4 в генераторе – С2-29-0.1 25, R2 – СП5-16ВА-0,25, R3 – МТЕ-0,125 Конденсатор С1 – КТ-1-М47. Резонатор кварцевый К1-4ИЕ-7800 кГц.

2.6 Формирователи на таймере ВИ1

Реле времени на таймере ВИ1, можно собрать по схеме приведенной на Рис. 2.6.1. Выдержка времени начинается после нажатия на кнопку SB1. При этом на выводе 3 таймера появляется напряжение, и реле К1 срабатывает, управляя необходимыми устройствами. Выдержка определяется емкостью подключенного переключателем SA1 конденсатора С2–CN, сопротивлением резистора R3 и положением движка переменного резистора R4. Если вместо резистора R3 включить фоторезистор, время выдержки будет автоматически изменяться в обратной зависимости от интенсивности падающего на него светового потока. Прервать выдержку времени можно нажатием на кнопку SB2.

Принципиальная схема мультивибратора на таймере показана на Рис. 2.6.2. Режим самовозбуждения создается благодаря соединению входа таймера (вывод 2) с времязадающей цепью. Стадия зарядки конденсатора С1 протекает так же, как и в одновибраторе, только зарядный ток течет через резисторы R1 и R2. При этом выходное напряжение имеет уровень 1. Разряжается конденсатор через резистор R2 и транзистор VT1 таймера, поэтому время разрядки соизмеримо с временем зарядки. Когда напряжение на конденсаторе уменьшается до одной трети напряжения питания, срабатывает компаратор DA2 таймера, переключая триггер DD1, и начинается новый цикл работы. Время зарядки конденсатора t1=0,7 (R1+R2)C1, разрядки – t2=0,7 R2C1, период повторения импульсов T=t1+t2=0,7 (R1+2R2)C1. Очевидно, что стадия зарядки конденсатора длится дольше стадии разряди, поэтому скважность импульсов мультивибратора меньше 2. Если необходимо, чтобы выходной сигнал имел форму меандра (t1=t2), параллельно резистору R2, нужно включить диод VD1 (показан на схеме штриховой линией) и сопротивления резисторов R1 и R2 сделать одинаковыми. В этом случае постоянные времени заряди и разрядки также станут одинаковыми, а период повторения импульсов будет определяться формулой Т=1,4R1C1.

2.7 Модуляторы сигналов

Описываемые модуляторы могут быть использованы для преобразования медленно меняющегося сигнала в импульсы более высокой частоты, пропорциональные по амплитуде. Такие устройства используют, например, для записи на магнитную ленту различных биопотенциалов. Схема простого амплитудного модулятора (АМ) приведена на Рис. 2.7.1. В этом устройстве входной сигнал положительной полярности модулируется импульсами поданными на базу биполярного транзистора VT1.

Устройство на полевом транзисторе (Рис. 2.7.2), предназначено для АМ двуполярного сигнала. Известно, что при относительно малом напряжении между истоком и стоком, открытый канал полевого транзистора вдет себя практически как линейный резистивный элемент, сопротивление которого зависит от напряжения приложенного к затвору. Это позволяет использовать его в определенном интервале входных напряжений в качестве модулирующего элемента. При конструировании многоканальных модуляторов удобно использовать микросхему К561КТ3 содержащую четыре полевых ключа.

Хостинг от uCoz