Тема Математическое введение в цифровую технику. 1-1

а) б)
Рис. 3.13. Эквивалентные схемы подключения RC-цепи в мультивибраторе на базе элементов КМОП-типа.

Напряжение на конденсаторе стремится к +E и в момент времени t₁ напряжение на конденсаторе, а значит и на входе ЛЭ1 достигает значения (рис. 3.14). При этом на выходе ЛЭ1 появляется логический нуль, а на выходе ЛЭ2 - логическая единица. Исходная схема теперь вырождается в схему, представленную на рис. 3.13,б. При этом начальное напряжение на конденсаторе будет . Таким образом, значение напряжения на входе ЛЭ1 скачком возрастает до значения 1,5E. После этого напряжение на R стремится к нулю. В момент t₂ напряжение на нем, а следовательно и на входе ЛЭ1 уменьшится до значения , что приведет к появлению на выходе ЛЭ1 логической единицы. На выходе ЛЭ2 соответственно появится логический нуль и схема снова примет вид, представленный на рис. 3.13,а. При этом конденсатор окажется подключенным в обратной полярности, т.е. . Через защитный диод на входе микросхемы КМОП-типа конденсатор быстро разряжается до нуля. Таким образом, начальное значение напряжения на конденсаторе принимается равным нулю. Далее конденсатор начинает заряжаться до значения E с постоянной времени . Очевиден колебательный процесс, для которого можно записать

,
,
.

Рис. 3.14. Временная диаграмма работы мультивибратора на базе логических элементов КМОП-типа.

Приведенные схемы мультивибраторов на базе логических элементов и RC-цепей характеризуются невысокой стабильностью частоты генерируемых импульсов. Связано это как с большим технологическим разбросом параметров резисторов, конденсаторов и логических элементов, так и с условиями эксплуатации схемы. Кроме того, существенное влияние оказывают и процессы старения элементной базы. Точность генерируемой частоты в таких схемах обычно не превышает 10 %, что объясняется относительной погрешностью входящих в схему элементов. В большинстве же случаев требуется высокая точность установки частоты и стабильность ее в процессе эксплуатации. Наиболее простым решением данной задачи является использование кварцевых резонаторов, разброс параметров которых может составлять тысячные доли процента.

Вариант одной из схем мультивибратора с кварцевой стабилизацией частоты приведен на рис. 3.15. В основе ее лежит уже рассмотренный мультивибратор на базе RC-цепи и логических элементов КМОП-типа. Частота генерируемых импульсов определяется частотой кварцевого резонатора G. Переменный конденсатор C позволяет в незначительных пределах подстраивать частоту. Резистор R практически не влияет на частоту импульсов, но его номинал необходимо подбирать из условия надежного запуска мультвибратора. Кроме того, для более качественной формы выходных прямоугольных импульсов, в схему добавлен дополнительный буферный логический элемент ЛЭ3.

Рис. 3.15. Схема мультивибратора с кварцевой стабилизацией частоты.


3-4. Импульсные генераторы на интегральных таймерах.
На практике для формирования импульсных сигналов часто используются интегральные таймеры. Таймер формирует одиночные импульсы или последовательности импульсов с регулируемыми длительностью, скважностью и частотой. Таймеры делятся на два крупных класса: однотактные и многотактные. Однотактные таймеры предназначены для формирования импульсных сигналов с временными характеристиками в диапазоне от микросекунд до нескольких часов.
Структура однотактного таймера содержит обычно внешнюю (реже внутреннюю) времязадающую RC-цепь, внутренние пороговое устройство в виде аналогового компаратора и цифровую схему, фиксирующую состояние компаратора и формирующую на выходе напряжения низкого и высокого уровней. Многотактные таймеры состоят, как правило, из однотактного таймера, задающего базовую частоту, и счетчика, осуществляющего деление частоты однотактного таймера на фиксированное или произвольно задаваемое число. Поэтому, многотактные таймеры характеризуются сверхнизкими частотами и сверхпродолжительными временными характеристиками генерируемых импульсных сигналов. Многотактные таймеры с произвольно выбираемым коэффициентом деления частоты называются программируемыми, а с фиксированным коэффициентом деления – специализированными.
В качестве примера однотактного таймера рассмотрим интегральный таймер КР1006ВИ1, широко применяемый при разработке электронных устройств как в отечественной промышленности, так и за рубежом (зарубежный аналог - серия 555). Таймер конструктивно выполнен в пластмассовом корпусе DIP-8 (или 201.8-1 по ГОСТ 17467-72) с восемью выводами. Таймер имеет напряжения питания от 5 до 15 В, ток нагрузки до 100 мА и длительность формируемых импульсов от нескольких микросекунд до десятков минут.
Структура таймера представлена на рис. 3.16. В состав таймера входят два компаратора - DA1 – верхнего уровня, DA2 – нижнего уровня. Делители на резисторах R1, R2 и R3, имеющие одинаковые номиналы, задают пороги срабатывания компаратора DA1 и компаратора DA2. Выходы компараторов соединены с цифровой схемой DD1 фиксации состояния компараторов, роль которой выполняет асинхронный RS-триггер (триггеры будут рассмотрены в теме 5). Триггер также снабжен входом сброса для установки на его выходе логического нуля и приведения таймера в исходное состояние. Для повышения нагрузочной способности микросхемы импульсы с выхода триггера усиливаются усилителем мощности DA3. С выхода триггера сигнал подается на транзисторный ключ VT1, обеспечивающий режим разряда конденсатора во времязадающей RC-цепи после срабатывания одного из компараторов и установления на выходе триггера напряжения логической единицы.



Рис. 3.16. Структура интегрального таймера КР1006ВИ1.

Рассмотрим некоторые типовые схемы включения таймера КР1006ВИ1. На рис. 3.17 приведена схема ждущего мультивибратора. При этом таймер запускается логическим нулем на входе 2, выходной импульс снимается с выхода 3 и длительность импульса определяется как

.

Рис. 3.17. Включение КР1006ВИ1 в режиме ждущего мультивибратора.

На рис. 3.18 приведена схема автоколебательного мультивибратора. Длительности импульса и паузы генерируемой последовательности импульсов определяется значениями R1 и R2

,
.

При этом для стабильной работы схемы необходимо, чтобы R1+R2 не превышало 10 МОм при U_пит=15 В и 3 МОм при U_пит=5 В. Минимальное значение R1+R2 составляет 2 кОм.

Рис. 3.18. Включение КР1006ВИ1 в режиме автоколебательного мультивибратора.


Контрольные вопросы.
1. Объясните назначение последовательной цепи из резистора R_огр и диода VD в схеме задержки на основе интегрирующей RC-цепи и логических элементов.
2. Выведите формулу для расчета t_зад2 схемы задержки на основе интегрирующей RC-цепи и логических элементов КМОП-типа.
3. Чем объясняется наличие тока через резистор R при отсутствии входного воздействия на схему задержки на основе дифференцирующей RC-цепи и логического элемента ТТЛ-типа?
4. Какую функцию выполняет эмиттерный повторитель в схеме ждущего мультивибратора?
5. Опишите принцип работы схем автоколебательных мультвибраторов.
6. Чем объясняется невысокая стабильность частотных характеристик мультивибраторов на базе RC-цепей?
7. Каков принцип построения многотатктных таймеров?