Одновибратор. Формирование импульсов с помощью простейших логических элементов

Одновибратор

Формирование импульсов с помощью простейших логических элементов.

Одновибратор или ждущий или заторможенный мультивибратор  генерирует импульс заданной амплитуды и длительности после прихода запускающего импульса. Одновибратор строят с использованием цепи положительной обратной связи и пороговых элементов. Очень часто в качестве времязадающих элементов в мультивибраторах применяют RC цепочки. Могут быть использованы также линии задержки, отрезки кабеля.  Один из способов построения одновибраторов – использование логических элементов.

       ;

Условие нормальной работы:

t _зап < t _имп. . Если это условие не выполняется, то можно укоротить импульс с помощью дифференцирующей цепочки, включенной на входе запуска.

Часто требуется сформировать импульс по логическому перепаду на входе. Одна из возможных схем показана на рисунке. Длительность выходного импульса определяется на этой схеме  длительностью схемы задержки ().

Вместо RC цепочки можно включить любой элемент задержки:  два последовательно включенных инвертора, линию задержки, отрезок кабеля и т.д.  Элемент 2И-НЕ  с триггером Шмидта на входе обеспечивает устойчивую работу схемы.

Полупроводниковая промышленность выпускает специализированные микросхемы, с помощью которых при минимальном числе внешних элементов можно строить генераторы импульсов. Пример такой микросхемы в ТТЛ серии – 1533АГ3. В одном корпусе микросхемы имеется 2 независимых элемента. Длительность импульса с выхода каждого элемента равна tимп = 0.5 RC.

Таблица состояний 1533АГ3

	D	R	Q
	1	1
0		1
0	1
x	x	сброс	0	1
x	x	0	0	1

Автоколебательный мультивибратор вырабатывает непрерывную последовательность импульсов, следующих с некоторой частотой. Простейшую схему такого рода можно построить на одном элементе 2И-НЕ с триггером Шмидта на входе. Период следования импульсов на выходе определяется величиной логического перепада Vп, шириной гистерезиса на входе элемента и постоянной времени RC.  Период импульсов для ТТЛ элементов можно рассчитать по формуле:   . Стабильность частоты генератора зависит от стабильности времязадающих элементов R, C, а также от стабильности порогов переключения логических элементов и обычно не лучше нескольких процентов.

Для повышения стабильности частоты импульсов обычно используется кварцевый резонатор, включенный в цепь положительной обратной связи.

Величина нестабильности частоты без использования термостатирования схемы в этом случае получается порядка 10^–5. В схеме использованы вентили 2И-НЕ серии 1533, включенные в качестве инверторов.

Мостовые схемы мультивибраторов позволяют уменьшить влияние погрешностей, вносимых источниками питания и приблизиться к стабильности собственно времязадающих элементов схемы. При использовании современных операционных усилителей  или компараторов и прецизионных сопротивлений и емкости можно получить стабильность частоты мультивибратора 0.1%. Частоту выходного сигнала F можно рассчитать для схемы на рисунке:

Генераторы пилообразного напряжения.

Пилообразное, или линейно во времени изменяющееся напряжение широко используется в радиоэлектронике.

1.  Преобразователи напряжение – время.

2.  Преобразователи время – напряжение.

3.  Преобразователи напряжение – скважность (для регуляторов с широтно-импульсной модуляцией).

Наиболее часто для формирования пилообразного напряжения используется зарядка конденсатора от генератора тока:

Если при t = 0  Vс = 0, то после включения генератора тока I  напряжение на емкости С будет увеличиваться: , т.е. линейно нарастать во времени. Схема генератора тока обычно отличается от идеальной, кроме того, имеется конечное сопротивления нагрузки генератора. Например, если в качестве генератора тока используется транзистор, то выходное сопротивление коллектора при включении транзистора с общей базой не превышает сотен килоом. Конденсаторы также имеют утечку, которая вносит свою погрешность. На эквивалентной схеме таким образом реальный генератор тока имеет некоторое выходное сопротивление R.  Напряжение на емкости Vc после включения генератора будет изменяться: .  Здесь t = RC,

 а V0 = I · R. Для упрощения оценок погрешностей пилообразного напряжения экспонента  аппроксимирована  в формуле параболой. Из анализа формулы можно найти максимальное отклонение параболы от линейного закона, т.е. максимальное отклонение параболы от прямой, проведенной через ее начальную и конечную точки равно:    DV_max  =  .

Для оценки качества пилообразного напряжения вводят величину ее нелинейности. Для  определения нелинейности пилообразного напряжения проводят прямую через начальную и конечную точку пилы и находят максимальное ее отклонение от линейного закона. Отношение этого максимального отклонения DV_max  к амплитуде пилы V_max  есть величина нелинейности. . Нелинейность может также быть выражена в процентах.

Для нашего случая с параболой  нелинейность равна:  . Допустимая нелинейность для разных случаев изменяется от  до 10 ^{– 4}.

Наиболее часто в генераторах пилообразного напряжения используется схема интегратора на операционном усилителе. В качестве ключей часто используют полевые транзисторы, или даже контакты реле при длительности пилы секунды или минуты.

Для схемы интегратора, принимая, что коэффициент усиления операционного усилителя бесконечно большой, а входной ток и выходное сопротивление малы, можно написать:,  т.е. имеем при постоянном Vоп линейно нарастающее напряжение.

Оценим погрешности, которые возникают при конечных значениях коэффициента усиления и входного сопротивления ОУ. Входное сопротивление ОУ равно Rвх, коэффициент усиления  К0, сопротивление ключа и утечка емкости учтена введением сопротивлением тока утечки ключа Rут.  Рассчитаем постоянную времени схемы. Предположим, что в начальном состоянии конденсатор С заряжен, так что на выходе ОУ установлена напряжение Vвых, а напряжение Vоп = 0. Тогда входное напряжение Vвх =  – Vвых /К0. В этом случае через сопротивления R и Rвх   потекут соответственно токи:

IR = Vвх/R и IRвх = Vвх/Rвх. Через ключ течет ток утечки ключа Iут = Vвых /Rут. Сумма этих токов равна  току разряда емкости Iс, т.е. можно записать:

Ic = .   Здесь Rэкв  - эквивалентное сопротивление утечки емкости С, учитывающее все токи утечки, поэтому постоянная времени разряда С будет равна Rэкв · С. 

 Заменяя Vвх на  – Vвых /К0, и производя сокращения, можно получить:.

Произведем расчет нелинейность генератора пилообразного напряжения, учитывая только входное сопротивление ОУ и сопротивления R. В качестве ОУ используем микросхему К140 УД6. Входное сопротивление ОУ Rвх = 100кОм, коэффициент усиления К0 = 10⁵,  R = 1кОм, С = 1 мкф. Максимальное напряжение пилообразного напряжения – 10В, опорное напряжение 1В. Можно рассчитать время, в течение которого напряжение на емкости от нулевого начального состояния достигнет 10В.

Далее рассчитаем эквивалентное сопротивление утечки емкости С, обусловленную только входным сопротивлением ОУ и сопротивлением R.

,  отсюда Ом.

Таким образом, постоянная времени разряда интегратора t = 10⁸ · 10^-6 =100 сек и нелинейность формируемого пилообразного напряжения

, что в большинстве случаев является достаточной величиной.

Использование ОУ позволяет получать хорошие результаты, если время формируемой пилы много меньше величины 1/Fгр, где Fгр – частота, на которой коэффициент усиления ОУ равен единице. Для обычных ОУ это единицы микросекунд. При уменьшении времени формируемой пилы, становятся заметны искажения, связанные с конечным временем реакции ОУ.  В начале пилы при этом идут переходные процессы из-за задержки в усилителе. Кроме того, максимальная скорость нарастания выходного напряжения ОУ ограничена.

Для формирования пилообразного напряжения в диапазоне десятков и единиц наносекунд, где требования к нелинейности обычно менее жесткие,  используется зарядка емкости от источника тока.

 При подаче положительного импульса на вход схемы, транзистор Т3 открывается и напряжение на емкости С начинает линейно нарастать. Ток заряда определяется напряжением стабилитрона. В конце пилообразного напряжения емкость С разряжается посредством ключа К. Такие схемы позволяют формировать времена в наносекундном диапазоне.

Регуляторы с широтно-импульсной модуляцией.

В широтно – импульсных регуляторах (ШИМ-регуляторы) источник питания подключается к нагрузке периодически с помощью ключа. Для уменьшения пульсаций тока через нагрузку имеется накопительный элемент (индуктивность или емкость), который накапливает энергию от источника питания, когда ключ замкнут и отдает энергию в нагрузку, когда ключ разомкнут. На схеме накопительным элементом является индуктивность L. Величина индуктивности выбрана так, что постоянная времени L/R много больше периода замыкания ключа К. Поэтому пульсации тока через нагрузку R невелики. Диод Д поддерживает ток через индуктивность при разомкнутом ключе К. Для дальнейшего уменьшения пульсаций в нагрузке, параллельно сопротивлению R можно подключить дополнительную емкость.

Можно найти среднее напряжение на нагрузке V_R, если ключ каждый раз замыкается на время t, а период замыкания ключа – Т:

 V_R=V_ПИТ ·.  Для линейного управления величиной t  удобно использовать пилообразное напряжение. На схеме при изменении управляющего напряжения от 0 до максимального напряжения пилы, величина t/T линейно изменяется от 0 до1.