Генераторы и формирователи импульсов на логических элементах (Лабораторная работа № 15)

Лабораторная работа № 15

ГЕНЕРАТОРЫ И ФОРМИРОВАТЕЛИ ИМПУЛЬСОВ НА ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТАХ

Цель работы: ознакомиться с принципами действия и построения типовых схем генераторов и формирователей импульсов на цифровых интегральных микросхемах; исследовать их работу; выяснить области применения этих устройств.

Общие сведения

Генераторами называются электронные устройства, вырабатывающие переменное напряжение требуемой формы и частоты. Импульсные  генераторы широко применяются в вычислительной технике, радиосвязи, телевидении и т.д. Длительность генерируемых импульсов может составлять от единиц наносекунд до сотен миллисекунд при скважности от двух единиц до сотен тысяч.

По способу возбуждения различают генераторы с  самовозбуждением (автоколебательные), внешним возбуждением и генераторы, работающие в  ждущем (заторможенном) режиме. Для выполнения условия самовозбуждения в генераторе создается цепь положительной обратной связи (ПОС). В генераторах, работающих в ждущем режиме, ПОС начинает действовать только после подачи на вход запускающего импульса. При этом параметры генерируемых импульсов практически не зависят от формы запускающих импульсов.

Отличительной особенностью большинства генераторов является наличие двух квазиустойчивых состояний равновесия. Переход из одного состояния в другое осуществляется скачком и имеет лавинообразный характер (регенеративный процесс). Регенеративные устройства позволяют генерировать прямоугольные импульсы с высокой крутизной фронта и среза и формировать перепады напряжений и токов.

Все регенеративные генераторы можно подразделить на две группы:

триггеры (спусковые устройства), не содержащие реактивных элементов, и переход из одного состояния в другое происходит при внешнем воздействии;

релаксационные генераторы, содержащие не менееодного реактивного элемента (обычно конденсатор), выполняющего роль накопителя энергии, изменение которой происходит относительно медленно по сравнению с регенеративными процессами. Разновидностями релаксационных генераторов импульсов являются мультивибраторы, одновибраторы, блокинг-генераторы и др.

Мультивибраторы на основе логических элементов (ЛЭ) применяют чаще всего в качестве задающих генераторов Радиоэлектронных устройств в тех случаях, когда устройство содержит в основном ЛЭ или триггеры и расширение номенклатуры используемых микросхем нежелательно.

На рис. 15.1 приведена классическая схема мультивибратора с использованием двух инверторов с ПОС через конденсаторы С1 и С2. Рассмотрим его работу. Предположим, что ЛЭ DD1.1 закрыт, а DD1.2 открыт. Тогда на выходе 1 будет высокий уровень напряжения и конденсатор С1 заряжается через резистор R2. Напряжение на нем U_R2 поддерживает DD1.2 в открытом состоянии до тех пор, пока U_R2  больше порогового. Одновременно конденсатор С2 разряжается через выходное сопротивление открытого DD1.2. Когда напряжение U_R2 снизится до порогового, DD1.2 начнет закрываться. Увеличение его выходного напряжения через конденсатор С2будет передано на вход DD1.1 и вызовет его отпирание. При этом произойдет уменьшение напряжения на выходе 1, которое через конденсатор С1 будет передано на вход DD1.2 и приведет к дальнейшему уменьшению протекающего через него тока. Таким образом, замыкается петля ПОС и происходит опрокидывание мультивибратора, после которого DD1.1 окажется открытым, а DD1.2 ‑ закрытым. Начнется зарядка конденсатора С2 и разрядка конденсатора С1.

Для того, чтобы инверторы работали в усилительном режиме (на падающем участке амплитудной характеристики), часто используют делители R1 - R3 и R2 - R4, обеспечивающие смещение по постоянной составляющей. Период генерации импульсов Т ≈ 0.7 (R₁С₂ + R₂С₁).

На практике чаще встречается схема генератора (рис. 15.2), где ПОС через конденсатор С охватывает два инвертора, причем один элемент  DD1.1 выведен в усилительный режим с помощью резистора отрицательной ОС R. Его значение зависит от вида интегральных схем и составляет 200 Ом < R < 1500 Ом для схемы ТТЛ (серии K155) и 10 кОм < R < 10 МОм для микросхем КМОП (серии К176, K561). Емкость конденсатора выбирают в пределах 100 пФ < С <  1600 пФ. Элемент DD1.3 (DD1.4) применяется как буферный, чтобы уменьшить влияние нагрузки на период генерируемых импульсов, равный Т ≈ 2.5 RС для микросхем ТТЛ или Т ≈ 1.4 RС для микросхем КМОП.

Для получения эталонных колебаний высокой стабильности вместо времязадающих конденсаторов используются кварцевые резонаторы. Подобные генераторы применяются для получения тактовых импульсов в системах управления микропроцессорами и микроЭВМ, в устройствах вывода и отображения информации и т.д.

Формирователи импульсов заданной длительности (одновибраторы) обеспечивают получение выходных импульсов при соответствующем перепаде входного сигнала.