Теоретические сведения

Принципы работы и методы расчета электрических сигналов приведены в книгах (1,2,3,4,7).

В устройствах автоматики, телемеханики и микропроцессорной техники широко используются сигналы прямоугольной формы.

Импульсные сигналы можно получить двумя способами: генерированием и формированием. При генерировании прямоугольных импульсов осуществляется преобразование энергии источника питания в энергию последовательности прямоугольных импульсов.

При формировании импульса на вход специальных устройств, называемых формирователями, подается исходный сигнал, в качестве которого используются импульсы определенной формы (синусоидальные, прямоугольные и других форм), а на их выходе образуются прямоугольные импульсы с заданными параметрами.

Возможны и обратные преобразования формы сигнала, при которых устройства под воздействием прямоугольных импульсов формируют колебания другой формы, например, синусоидальные.

В настоящей лабораторной работе исследуется работа автоколебательного генератора прямоугольных импульсов – мультивибратора на логических элементах, управляемых генераторов, а также формирователей – схем выделения перепадов из “0” в “1” и из “1” в “0”.

Автоколебательные генераторы прямоугольных импульсов (мультивибраторы) – это устройства, способные поочередно находиться в двух временно устойчивых (квазиустойчивых) состояниях, в каждое из которых они переходят автоматически за счет переходных процессов, протекающих в схеме. Изучаемые в данной лабораторной работе схемы мультивибраторов на логических элементах широко применяются в цифровой аппаратуре широкого назначения.

Простейшие схемы мультивибратора на логических элементах и временные диаграммы его работы приведены на рисунках 3.1 и 3.2.

Рисунок 3.1 Рисунок 3.2

В схеме мультивибратора возникают незатухающие колебания, а инверторы логических элементов D1.1-D1.2 поочередно находится в открытом и закрытом состоянии, выполняя функцию спусковых устройств, переключающих конденсаторы С1 и С2 с заряда на разряд в определенной последовательности. Для определенности рассмотрение работы мультивибратора начнем в момент времени t₁. При этом исходное состояние схемы мультивибратора: верхний по схеме инвертор D1.1 закрыт, на его выходе уровень логической единицы. Конденсатор С1 заряжен, на его верхней обкладке положительный потенциал, конденсатор С2 разряжен, так как потенциалы обеих его обкладок .

Резисторы R1 и R2 выбирают так, чтобы падение напряжения на них за счет входных токов было ниже уровня переключения элементов (<1,3В).

Так как конденсатор С1 заряжен, зарядный ток этого конденсатора, ранее протекавший по цепи – выход элемента D1.1, Конденсатор С1, резистор R2, земля – становится очень малым. Падение напряжения на резисторе R2 имеет низкий уровень (уровень логического нуля) элемент D1.2 скачком переходит в закрытое состояние.

При этом потенциал выхода этого элемента принимает значение уровня логической единицы и ранее разряженный конденсатор С2 начинает заряжаться по цепи: выход элемента D1.2, конденсатор С2, резистор R1, земля.

В начальный момент зарядный ток – максимальный, напряжение, возникающее на резисторе R1 при прохождении через него тока заряда, принимает значение уровня логической единицы и элемент D1.1 скачком переходит из исходного состояния в открытое.

Такое открытое состояние этого элемента будет поддерживаться напряжением на резисторе R1 до тех пор, пока напряжение на нем будет превышать уровень логической единицы.

Как только инвертор D1.1 открывается, конденсатор С1 начинает заряжаться по цепи: верхняя обкладка конденсатора С1, открытый инвертор D1.1, земля, диод VD2, нижняя обкладка конденсатора.

Так как сопротивление в цепи разряда мало, разряд конденсатора С1 проходит очень быстро и квазиустойчивое состояние, при котором инвертор D1.1 открыт, а инвертор D1.2 закрыт, определяется в основном постоянной цепи заряда конденсатора С2. По мере заряда емкости С2 зарядный ток уменьшается, при этом уменьшается падение напряжения на резисторе R1 и в момент, когда это напряжение становится ниже порога переключения (больше 1,3В), что эквивалентно уровню логического нуля, элемент D1.1 закрывается, конденсатор С1 снова начинает заряжаться и процесс снова повторяется. Таким образом, на выходах мультивибратора периодически появляются прямоугольные импульсы. Частота переключений зависит от постоянной времени заряда конденсатора С1 и С2.

При сопротивлении резисторов R1=R2=1,8кОм и изменении емкости конденсаторов С1=С2 от 100пФ до 0,1мкФ частота колебаний мультивибратора изменяется от 2МГц до 300кГц.

Подбирая резисторы надо иметь в виду, что при отсутствии колебаний они должны обеспечить уровень логической единицы на выходе элементов D1.1 и D1.2. Для этого уровень напряжения на резисторах R1 и R2 должен быть меньше напряжения 1,3В для схем ТТЛ. Если при выключении питания на обоих выходах микросхем D1.1 и D1.2. появится уровень логической единицы, генерация не возникнет.

Для исключения такого положения и создан режим мягкого самовозбуждения, к схеме мультивибратора добавляются еще два элемента D1.3 и D1.4 (рис.3.3).

Рисунок 3.3

При появлении на обоих выходах микросхем D1.1 и D1.2 уровней логической единицы срабатывают микросхемы D1.3 и D1.4. На вход элемента D1.2 поступает высокий уровень напряжения, который вызывает переключение элемента D1.2 в состояние логического нуля на выходе и приводит к возникновению режима автоколебаний. Диоды VD1 и VD2 служат для быстрого разряда конденсаторов и предотвращения выбросов отрицательного напряжения на входах микросхем.

Расчеты мультивибраторов приведены в (1,2).

На практике часто используются схемы управляемых генераторов. Если в схеме мультивибратора один из входов микросхемы D1.1 (или D1.2) не соединять с другими, например, убрать перемычку, соединяющую входы элемента D1.1 на рис.3.3, то мультивибратор будет работать в автоколебательном режиме только тогда, когда на свободный конец элемента D1.1 подать уровень логической единицы. Если же на этот вход подать уровень логического нуля, то на выходе D1.2 – постоянный уровень логического нудя.

Мультивибратор переходит в ждущий режим. Дополнительные входы элементов, на которые подаются сигналы, разрешающие автоколебательный режим, называются входами управления, а сами мультивибраторы управляемыми.

На рис.3.4 изображена еще одна схема управляемого генератора. В отличие от схемы, изображенной на рис.3.3, сигнал управления воздействует не непосредственно на генератор, работающий непрерывно в автоколебательном режиме, а на элемент D2.

Рисунок 3.4

В этой схеме последовательность импульсов генератора проходит через элемент D2 на внешнее устройство после нажатия кнопки ”ПУСК”. При этом триггер D1 переходит из исходного состояния ”0” в состояние ”1”. Запрещение прохождения импульсов через элемент D2 начинается после нажатия кнопки ”СТОП”.

Однако первый и последний импульс последовательности могут оказаться укороченными, так как сигналы управления (”ПУСК” и ”СТОП”) поступают независимо от фазы импульсов генератора (рис.3.5).

Рисунок 3.5

В некоторых случаях важно, чтобы после подачи на вход управляемого генератора соответствующего сигнала все выходные импульсы имели только полные периоды. Для этой цели используется управляемый генератор, называемый синхронизатором. Его схема и временные диаграммы приведены на рис.3.6-3.7.

Рисунок 3.6

Рисунок 3.7

Рисунок 3.8

Рисунок 3.9

Рисунок 3.10

Рисунок 3.11

В качестве формирователей прямоугольных импульсов наиболее часто используют одновибраторы. Одновибраторами называют устройства, способные поочередно находиться в одном длительно устойчивом или кратковременном (квазиустойчивом) состоянии. Для перевода из длительно устойчивого состояния в кратковременно устойчивое на вход схемы подается внешний запускающий импульс, после которого она формирует одно переключение, а затем самостоятельно возвращается в исходное состояние.

Одновибраторы широко используются в устройствах автоматики и систем управления в самых различных модификациях.

Ниже приведены схемы одновибраторов, выполняющих функции схем выделения перепада из “0” в “1” (рис.3.8) из “1” в “0” (рис.3.10). Иногда эти схемы называются схемами выделения переднего и заднего фронтов. Работа схем становится понятной, если проследить их работу по временным диаграммам (рис.3.9 - для схемы выделения перепада из “0” в “1” и 3.11 - для схем выделения перепада из “1” в “0”). Как видно из временных диаграмм схема выделения перепада из “0” в “1” формируется импульсом малой длительности начало положительного импульсного процесса, а схема выделения перепада из “1” в “0” – конец положительного импульсного процесса.

В качестве схемы, выполняющей функцию задержки выходного сигнала по отношению к входному, можно использовать схему, изображенную на рис.3.12.

Временные диаграммы схемы изображены на рис.3.13.

Рисунок 3.12 Рисунок 3.13

Задержка t_зад, мкс определяется по формуле:

t_зад = 1,5 C,

где C – ёмкость конденсатора, нФ.

Для задержки выходного сигнала в схемах 3.8 и 3.10 можно использовать также логические элементы. При подаче прямоугольного импульса на вход логического элемента, сигнал на выходе этого элемента запаздывает по отношению к началу сигнала на время t, называемого временем переключения. Так для микросхем ТТЛ структуры средняя задержка в переключении элемента составляет 18 – 20 нс, для микросхем КМОП-структуры 100нс.

Для правильного функционирования схем выделения перепада при использовании в схеме задержки логических элементов “И-НЕ” их количество должно быть нечетным.