Схемы формирователей импульсов на цифровых КМОП микросхемах, онлайн
расчёт времязадающих цепей и длительности выходных импульсов.
— Почему ждущий?
— Почему, почему? Потому что не спит ни днём, ни ночью — он на дежурстве, он ждёт!
И ожидает он не трамвая на остановке, а внешнего сигнала запуска для формирования одиночного выходного импульса фиксированной длительности, после чего возвращается в первоначальное состояние самопроизвольно, без каких-либо воздействий и утомительных уговоров.
— А почему одновибратор?
— Ну, так как, почему? Выдержан, характер нордический, в генерацию, подобно мультивибратору, не впадает, имеет одно устойчивое состояние. Говорили ж Вам — он на дежурстве, он ждёт!
— «Говорили ж бабы Вам, пиво с водкой, не для дам!». Второе-то состояние – неустойчивое!
— А тут уж, мил-человек, ничего не попишешь, в конце концов, он — одновибратор. У каждого свои недостатки.
Итак, определимся. Одновибраторы (они же, ждущие мультивибраторы) — это устройства, выполняющие функцию формирования импульсов определённой длительности, задаваемую внешними времязадающими резисторами и конденсаторами.
В зависимости от поставленной задачи и используемой схемотехники, одновибратор может выполнять функцию как укорачивающую, так и удлиняющую (расширяющую) по отношению к длительности поступающего на вход сигнала.
С укорачивающими формирователями, по большому счёту, всё понятно. После появления на входе управляющего сигнала — на выходе выскакивает укороченный импульс заданной длительности, передний фронт которого совпадает с началом (либо с концом) входного.
В расширяющих одновибраторах длительность входного импульса должна быть короче длительности формируемого импульса, и тут возникают варианты:
1. Ждущий мультивибратор не реагирует на входной сигнал до окончания своего выходного импульса — такое устройство называется одновибратором без перезапуска.
2. Ждущий мультивибратор запускается с каждым новым входным импульсом, независимо от того, возвратился ли он в первоначальное состояние после предыдущего срабатывания — такое устройство называется одновибратором с перезапуском. Если период следования входных импульсов меньше длительности, определяемой времязадающими цепями одновибратора, выходной импульс с перезапуском не прерывается.
Ну, а если период входных запускающих импульсов больше времени выдержки одновибратора, то оба типа одновибраторов работают одинаково.
Без баяна хрен разберёшься. Согласен, поэтому приведу поясняющие картинки.
Рис.1
Т — формируемая одновибраторами длительность, задаваемая внешними RC цепями.
В природе существует ряд разновидностей интегральных микросхем и таймеров, спроектированных специально для работы в качестве ждущих мультивибраторов и формирователей импульсов заданной длительности. Давайте забудем про них, а посвятим себя простым формирователям на логических КМОП элементах, которые, как правило, без труда отыскиваются в закромах радиолюбительского хозяйства.
Начнём с начала. УКОРАЧИВАЮЩИЕ ФОРМИРОВАТЕЛИ ИМПУЛЬСОВ.
Рис.2 Формирователь импульсов, построенный на основе логического элемента "Исключающее ИЛИ" и интегрирующей RC-цепи.
Начало выходного импульса соответствует переднему фронту входного сигнала.
Рис.3 Всё то же самое, что и в предыдущей схеме, за той лишь разницей, что:
начало выходного импульса соответствует заднему фронту входного сигнала.
Рис.4 Ещё более простая вариация предыдущих схем, формирует сразу два импульса:
первый — по переднему фронту входного сигнала, второй — по заднему.
Рис.5 Формирователь, выполненный на простых инверторах, выполняющих логическую функцию НЕ, и дифференцирующих RC-цепей.
Имеет два выхода и, соответственно, формирует 2 импульса по переднему и заднему фронту входного сигнала, с возможностью раздельной регулировки их длительностей.
Рис.6 Наиболее часто используемая схема укорачивающего формирователя импульсов, построенная на основе логического элемента "2И-HЕ" и интегрирующей RC-цепи.
Формирует импульс по переднему фронту входного сигнала.
Рис.7 Ещё одна не менее часто используемая схема, на базе логического элемента "2ИЛИ-HЕ" и интегрирующей RC-цепи.
Формирует импульс по заднему фронту входного сигнала.
С укорачивающими устройствами давайте закончим и перейдём к примерам, когда из коротких входных импульсов требуется получить более широкие — выходные, заданной длительности.
РАСШИРЯЮЩИЕ ФОРМИРОВАТЕЛИ ИМПУЛЬСОВ.
По большому счёту, многие из расширяющих одновибраторов не чувствительны к длительности входного импульса и нормально могут трудиться и в качестве укорачивающих. Мы, естественно, об этом никому не скажем, но украдкой будем иметь в виду.
Рис.8
Рис.9
Рис.10
Рис.11
Схемы, приведённые на Рис.8-11 и построенные на основе логических элементов "2И-HЕ", либо "2ИЛИ-HЕ", не чувствительны к длительности входного импульса и наиболее широко применяются в радиоаппаратуре.
Данные ждущие мультивибраторы срабатывают по переднему фронту входного сигнала и не реагируют последующие его изменения до окончания своего выходного импульса, т.е. являются одновибраторами без перезапуска.
Рис.12
Рис.13
При необходимости получить одовибраторы, обладающие свойствами перезапуска, следует обратить внимание на схемы, приведённые на Рис.12-13.
Данные ждущие мультивибраторы срабатывают по заднему фронту входного сигнала.
Рис.14
Выполнение одновибраторов на D-триггере, Рис.14, даёт возможность иметь два раздельных входа запуска (по переднему фронту импульса), а также сразу получать на выходах прямой импульс и импульс с инверсией.
Длительность подаваемых на вход S запускающих импульсов должна быть меньше формируемого (режим, когда на входах S и R одновременно присутствует лог. "1", является запрещённым). На входе С длительность запускающего импульса может быть любой. В случае отсутствия потребности в двух раздельных входах запуска, S-вход триггера следует посадить на землю.
Данный ждущий мультивибратор является одновибратором без перезапуска.
Рис.15
Если требуется иметь перезапуск одновибратора, построенного на триггере, следует обратить внимание на схему, приведённую на Рис. 15.
ОБЩЕЕ ДЛЯ ВСЕХ ФОРМИРОВАТЕЛЕЙ.
Чтобы выходное сопротивление микросхем не оказывало влияние на точность расчета длительности выходного импульса, резистор R1 должен быть номиналом не менее 10. 20 кОм.
Чтобы пренебречь при расчётах ёмкостями монтажа и собственными ёмкостями ИМС, номинал конденсатора С1 выбирается значением — не менее 200-600 пФ.
Если перед разработчиком стоит задача получения высокой температурной стабильности длительности выходного импульса — номинал R1 должен быть выбран < 200 кОм, а ёмкость конденсатора С1 — не более 1, 5 мкФ. Использование электролитических конденсаторов увеличивает нестабильность временного интервала.
Длительность выходного импульса ждущего мультивибратора зависит как от скорости заряда (разряда) времязадающей цепи R1С1, так и от порога срабатывания логического элемента. Если заложиться 10-15% погрешностью в расчёте этого временного интервала, то можно принять Unop, равным половине напряжения питания микросхемы. В этом случае длительность формируемого импульса составит величину tи=0,69RC.
Ну и по традиции приведу незамысловатую таблицу.
РАСЧЁТ ДЛИТЕЛЬНОСТИ ВЫХОДНЫХ ИМПУЛЬСОВ ОДНОВИБРАТОРОВ НА ЛОГИЧЕСКИХ ИМС
Генераторы на КМОП логике по принципу построения ничем не отличаются от генераторов на ТТЛ микросхемах, но ввиду малого энергопотребления КМОП микросхемами и гораздо меньших рабочих токов (в частности входных) отличия все же имеются. Прежде всего, для генераторов КМОП логики характерны большие величины времязадающих резисторов (десятки и сотни кОм в отличие от сотен Ом для ТТЛ) и малые емкости конденсаторов. К примеру, классическая схема генератора (рис.1), собранная на 561 серии при сопротивлении резистора менее 1 кОм вообще не запустится.
Ниже у МОП генераторов получится и максимальная частота генерации, которая ограничена верхней частотой переключения МОП элементов (обычно до 2 МГц). Причем эта частота падает при снижении напряжения питания. Достоинством же генераторов на КМОП микросхемах можно считать широкий диапазон питающих напряжений (для 561 серии напряжение питания может лежать в диапазоне от 2 до 12 В, тогда как ТТЛ логика достаточно жестко привязана к напряжению питания 5В, 10% погрешность). Плюс малые величины, а значит и габариты времязадающих конденсаторов и, главное, очень малое энергопортебление (1 мА и менее).
Если требуется повысить стабильность частоты генерации, то имеет смысл применить схему на трех инверторах.
Ну и еще более стабильными получатся генераторы, в качестве частотозадающего элемента в которых используется индуктивность. В этом случае схема простейшего мультивибратора будет выглядеть так:
Из-за того, что переключение логического элемента не происходит ровно при половине питающего напряжения, длительность импульса простого КМОП генератора сильно отличается от длительности паузы. При необходимости получить четкий меандр со скважностью 2, придется использовать более сложную схему:
Здесь длительность паузы и длительность импульса можно изменять независимой подборкой сопротивлений R1 и R2.
Следующие две схемы позволяют оперативно регулировать либо длительности импульса и паузы раздельно (рисунок а), либо менять скважность (одновременное уменьшение одной характеристики с увеличением другой)
:
Вообще же для получения идеально четкой скважности 2 лучше использовать счетный триггер, подключенный к выходу мультивибратора, настроенного на частоту вдвое большую, чем необходимо получить.
Есть вариант получения скважности 2 или так называемого «меандра» и проще. Для этого придется собрать симметричный мультивибратор на микросхеме К561ТЛ1. При равенстве сопротивлений и емкостей в плечах, такой генератор будет выдавать четкий «прямоугольник» со скважностью 2.
Частоту генерации можно определить по следующей формуле: F=1.05/R1*C1, где F – частота в килогерцах, R – сопротивление резистора R1 = R2 в килоомах, С – емкость конденсатора C1=C2 в микрофарадах. Мультивибратор может быть собран и на микросхемах К561ЛЕ5 или К561ЛА7, однако фронт и спад импульсов в этом случае будет несколько завален.
А вот еще несколько схем симметричных мультивибраторов: 
Ну и когда к стабильности частоты предъявляются совсем уже жесткие требования, то как и в случае с ТТЛ-генераторами, без кварцевого резонатора не обойтись:
Обратите внимание, что в частотозадающую цепь может быть подключен подстроечный конденсатор небольшой емкости, позволяющий слегка изменять частоту генерации. Стабильность же при этом будет все равно зависеть от стабильности кварцевого резонатора.
Генераторы импульсов используют во многих радиотехнических устройствах (электронных счетчиках, реле времени), применяют при настройке цифровой техники. Диапазон частот таких генераторов может быть от единиц герц до многих мегагерц. Здесь приводятся простые схемы генераторов, в том числе на элементах цифровой «логики», которые широко используются в более сложных схемах как частотозадающие узлы, переключатели, источники образцовых сигналов и звуков.
На рис. 1 приведена схема генератора, который формирует одиночные импульсы прямоугольной формы при нажатии кнопки S1 (то есть он не является автогенератором, схемы которых приводятся далее). На логических элементах DD1.1 и DD1.2 собран RS-триггер, предотвращающий проникновение импульсов дребезга контактов кнопки на пересчетное устройство. В положении контактов кнопки S1, показанном на схеме, на выходе 1 будет напряжение высокого уровня, на выходе 2 — напряжение низкого уровня; при нажатой кнопке — наоборот. Этот генератор удобно использовать при проверке работоспособности различных счетчиков.
На рис. 2 показана схема простейшего генератора импульсов на электромагнитном реле. При подаче питания конденсатор С1 заряжается через резистор R1 и реле срабатывает, отключая источник питания контактами К 1.1. Но реле отпускает не сразу, поскольку некоторое время через его обмотку будет протекать ток за счет энергии, накопленной конденсатором С1. Когда контакты К 1.1 опять замкнутся, снова начнет заряжаться конденсатор — цикл повторяется.
Частота переключении электромагнитного реле зависит от его параметров, а также номиналов конденсатора С1 и резистора R1. При использовании реле РЭС-15 (паспорт РС4.591.004) переключение происходит примерно один раз в секунду. Такой генератор можно использовать, например, для коммутации гирлянд на новогодней елке, для получения других световых эффектов. Его недостаток — необходимость использования конденсатора значительной емкости.
На рис. 3 приведена схема еще одного генератора на электромагнитном реле, принцип работы которого аналогичен предыдущему генератору, но обеспечивает частоту импульсов 1 Гц при емкости конденсатора в 10 раз меньшей. При подаче питания конденсатор С1 заряжается через резистор R1. Спустя некоторое время откроется стабилитрон VD1 и сработает реле К1. Конденсатор начнет разряжаться через резистор R2 и входное сопротивление составного транзистора VT1VT2. Вскоре реле отпустит и начнется новый цикл работы генератора. Включение транзисторов VT1 и VT2 по схеме составного транзистора повышает входное сопротивление каскада. Реле К 1 может быть таким же, как и в предыдущем устройстве. Но можно использовать РЭС-9 (паспорт РС4.524.201) или любое другое реле, срабатывающее при напряжении 15. 17 В и токе 20. 50 мА.
В генераторе импульсов, схема которого приведена на рис. 4, использованы логические элементы микросхемы DD1 и полевой транзистор VT1. При изменении номиналов конденсатора С1 и резисторов R2 и R3 генерируются импульсы частотой от 0,1 Гц до 1 МГц. Такой широкий диапазон получен благодаря использованию полевого транзистора, что позволило применить резисторы R2 и R3 сопротивлением в несколько мегаом. С помощью этих резисторов можно изменять скважность импульсов: резистор R2 задает длительность напряжения высокого уровня на выходе генератора, а резистор R3 — длительность напряжения низкого уровня. Максимальная емкость конденсатора С1 зависит от его собственного тока утечки. В данном случае она составляет 1. 2 мкФ. Сопротивления резисторов R2, R3 — 10. 15 МОм. Транзистор VT1 может быть любым из серий КП302, КП303. Микросхема — К155ЛА3, ее питание составляет 5В стабилизированного напряжения. Можно использовать КМОП микросхемы серий К561, К564, К176, питание которых лежит в пределах 3 … 12 В, цоколевка таких микросхем другая и показана в конце статьи.
При наличии микросхемы КМОП (серия К176, К561) можно собрать широкодиапазонный генератор импульсов без применения полевого транзистора. Схема приведена на рис. 5. Для удобства установки частоты емкость конденсатора времязадающей цепи изменяют переключателем S1. Диапазон частот, формируемых генератором, составляет 1. 10 000 Гц. Микросхема — К561ЛН2.
Если нужна высокая стабильность генерируемой частоты, то такой генератор можно сделать «кварцованным» — включить кварцевый резонатор на нужную частоту. Ниже показан пример кварцованного генератора на частоту 4,3 МГц:
На рис. 6 представлена схема генератора импульсов с регулируемой скважностью.
Скважность – отношение периода следования импульсов (Т) к их длительности (t):
Скважность импульсов высокого уровня на выходе логического элемента DD1.3, резистором R1 может изменяться от 1 до нескольких тысяч. При этом частота импульсов также незначительно изменяется. Транзистор VT1, работающий в ключевом режиме, усиливает импульсы по мощности.
Генератор, схема которого приведена на рисунке ниже, вырабатывает импульсы как прямоугольной, так и пилообразной формы. Задающий генератор выполнен на логических элементах DD 1.1-DD1.3. На конденсаторе С2 и резисторе R2 собрана дифференцирующая цепь, благодаря которой на выходе логического элемента DD1.5 формируются короткие положительные импульсы (длительностью около 1 мкс). На полевом транзисторе VT2 и переменном резисторе R4 выполнен регулируемый стабилизатор тока. Этот ток заряжает конденсатор С3, и напряжение на нем линейно возрастает. В момент поступления на базу транзистора VT1 короткого положительного импульса транзистор VT1 открывается, разряжая конденсатор СЗ. На его обкладках таким образом формируется пилообразное напряжение. Резистором R4 регулируют ток зарядки конденсатора и, следовательно, крутизну нарастания пилообразного напряжения и его амплитуду. Конденсаторы С1 и СЗ подбирают исходя из требуемой частоты импульсов. Микросхема — К561ЛН2.
Цифровые микросхемы в генераторах взаимозаменяемы в большинстве случаев и можно использовать в одной и той же схеме как микросхемы с элементами «И-НЕ», так и «ИЛИ-НЕ», или же просто инверторы. Вариант таких замен показан на примере рисунка 5, где была использована микросхема с инверторами К561ЛН2. Точно такую схему с сохранением всех параметров можно собрать и на К561ЛА7, и на К561ЛЕ5 (или серий К176, К564, К164), как показано ниже. Нужно только соблюдать цоколевку микросхем, которая во многих случаях даже совпадает.
Если требуется повысить нагрузочную способность какого либо узла (чтобы, например, подключить динамик или другую нагрузку), можно применить на выходе усилитель на транзисторе, как в схеме на рис. 6, или же включить несколько элементов микросхемы параллельно, как показано на рисунке ниже:
Универсальная печатная макетная плата для двух микросхем. На таких платах удобно собирать несложные схемы с небольшим количеством деталей, как, например, приведенные в этой статье. Детали паяются к контактным площадкам и при необходимости соединятся перемычками. Размеры платы 100 х 55 мм.
На рисунке ниже приводится цоколевка некоторых широко применяемых цифровых логических микросхем КМОП — технологии с элементами «И-НЕ», «ИЛИ-НЕ» и инверторов. Микросхемы серий К564, К176 имеют аналогичную цоколевку, цоколевка же микросхем серии К155 отличается от указанной (но такие уже давно не применяются). Питание указанных микросхем, как уже говорилось выше, может быть от 3 до 15 В (кроме серии К176, которая более критична к напряжению питания и нормально работает при 9В).