Импульсными генераторами называются устройства, преобразующие энергию постоянного источника напряжения в энергию электрических импульсов. Наибольшее применение в импульсной технике имеют генераторы прямоугольных импульсов или релаксационные генераторы. Как известно, основой всех гармонических автогенераторов является линейный усилитель, охваченный частотно- зависимой обратной связью, фазовый сдвиг которой на частоте генерации составляет 360°. В релаксационных генераторах (мультивибраторах) автоколебания возникают за счет охвата усилительных элементов двумя контурами обратной связи – положительной и отрицательной. Положительная ОС обеспечивает лавинообразный переход усилителя из одного крайнего состояния в другое, практически минуя линейную фазу. Отрицательная ОС с некоторой задержкой возвращает усилитель к пороговой точке переключения в противоположное состояние. Релаксационные генераторы могут также иметь одно или два стабильных состояния. В первом случае генератор, называемый одновибратором требует для запуска внешний импульс и, отработав полный цикл, возвращается в исходное состояние. Бистабильный генератор или триггер Шмитта требует внешнего импульса для перехода в каждое из двух устойчивых состояний.
Генераторы прямоугольных импульсов являются неотъемлемой частью большинства цифровых устройств, все счетные процессы в которых осуществляются по тактовым импульсам задающего генератора. В логических схемах в качестве генераторов бывает удобно использовать сами логические элементы. Поскольку логический элемент обладает свойствами усилителя, для перевода его в режим автогенерации достаточно организовать соответствующую обратную связь. На рисунке
Рис.8.1.1
180°, а конденсатор C замыкает цепь
положительной обратной связи. Процесс переключения генератора показан на рисунке 8.1.2. На верхнем графике показана осциллограмма напряжения на входе первого элемента, на нижнем – выходное напряжение генератора. Период генерации определяется постоянной времени RC и уровнями переключения логического элемента Uпор0 и Uпор1.
Рис.8.1.2
Диапазон номиналов сопротивления и емкости определяется типом используемой логики, исходя из входных токов и нагрузочной способности элементов. Для ТТЛ элементов величина сопротивления может лежать в пределах 0.5÷5 кОм, а для КМОП – 1 кОм÷10 МОм. Отсюда видно, что на ТТЛ элементах труднее сделать генератор с большим периодом колебаний - потребуется очень большая величина емкости. Расширить диапазон допустимых сопротивлений можно, используя эмиттерный повторитель (Рис.8.1.3), для которого потребуется три логических элемента, или схему с общим эмиттером (Рис.8.1.4).
Рис.8.1.3Рис.8.1.4
Генератор можно построить и на одном инверторе, если обеспечить необходимый сдвиг фазы пассивными RC-фильтрами (Рис.8.1.5). Нетрудно догадаться, что минимально необходимое число звеньев 1-го порядка равно трем, чтобы обеспечить суммарный сдвиг фазы 180° на частоте генерации.
Рис.8.1.5
Все приведенные схемы генераторов не отличаются высокой стабильностью частоты генерации. Помимо стабильности номиналов резисторов и конденсаторов она зависит от напряжения питания, уровней переключения элемента, которые могут значительно «плавать» от температуры и имеют разброс для
возбуждаютсянастрого
Рис.8.1.6
определенной резонансной частоте кварца и имеют очень высокую стабильность (конденсаторы C1 и C2 нужны для исключения генерации на кратных гармониках). В настоящее время кварцевые генераторы выпускаются в виде отдельной микросхемы, не требующей дополнительных логических элементов.
Как уже говорилось, одновибратором называется релаксационный генератор, имеющий одно стабильное и одно квазистабильное состояние. Такие моностабильные генераторы применяются для формирования импульсов заданной длительности по внешнему короткому синхроимпульсу, либо если внешний импульс имеет неопределенную длительность. Пример одновибратора с использованием двух логических элементов приведен на рисунке 8.2.1.
Рис.8.2.1
В состоянии покоя на выходе второго элемента присутствует «1»
независимо от уровня входного сигнала, поскольку вход второго элемента
«отрезан» по постоянному току емкостью C от выхода первого элемента и зашунтирован на «землю» резистором R. Запуск одновибратора происходит по отрицательному перепаду на входе (1→0). На выходе формируется инверсный импульс, длительность которого не зависит от длительности запускающего импульса и определяется только временем релаксации RC звена, в течение которого на входе второго элемента действует сигнал логической «1».
напряжения, вызванное перезарядкой емкости, которое не является «штатным» режимом работы микросхемы. Защитить элемент на схеме Рис.8.2.1 от отрицательного выброса напряжения можно диодом, включенным
параллельно резистору (Рис.8.2.2). Однако при этом возрастает нагрузка на предыдущий элемент.
Рис.8.2.2
Еще одной разновидностью релаксационного генератора является формирователь по фронту. Его задача – сформировать короткий импульс по фронту либо спаду прямоугольного входного сигнала. Вариант схемы формирователя по отрицательному фронту показан на
Рис.8.2.3
входахвторогоэлемента присутствует уровень логической
«1». Номиналы элементов схемы: R=1 кОм, C=3 нФ.
Рис.8.2.4
усилителе
Генератор прямоугольных импульсов может быть построен на операционном усилителе, если охватить его положительной и отрицательной обратной связью, свойственно релаксационным генераторам. Принцип работы генератора на ОУ не отличается от релаксационных генераторов на логических элементах. Благодаря ПОС,
Рис.8.3.1
операционном усилителе приведена на
рисунке 8.3.1. Период колебаний зависит от постоянной времени R3C1 и коэффициента положительной обратной связи КПОС, который равен
KПОС
R2,
и может быть посчитан по формуле:
На рисунке 8.3.2 показаны осциллограммы работы генератора по схеме Рис.8.3.1 с номиналами элементов: R1=R2=R1=1 кОм, C1=1 мкФ и напряжением питания операционного усилителя ±12 В.
Рис.8.3.2
Существует ряд специализированных микросхем для применения в схемах генераторов различного назначения. Одной из таких удачных разработок является микросхема интегрального таймера 555, которой мы окажем отдельное внимание. Отечественный аналог известен под названием КР1006ВИ1. Впервые таймер был выпущена в 1971 г. фирмой
«Signetics» и назывался «микросхема машины времени». Это комбинированная аналого-цифровая микросхема, содержащая все необходимые элементы для построения высокостабильных мультивибраторов, одновибраторов и других импульсных схем. Благодаря своей универсальности, интегральный таймер завоевал большую популярность среди радиолюбителей и профессиональных разработчиков электронных устройств. Внутреннее устройство таймера показано на рисунке 8.4.1
Рис.8.4.1
Он состоит из прецизионного делителя напряжения, обеспечивающего значения напряжения 2/3UПИТ и 1/3UПИТ, двух
компараторов, RS-триггера, усилительного двухтактного каскада и вспомогательного транзистора. Напряжение питания таймера – от 4.5 до 15 В, потребляемый ток от 3 до 15 мА в зависимости от напряжения питания. Таймер имеет довольно высокую нагрузочную способность – до
200 мА и может работать непосредственно на обмотку реле и другие
«мощные» потребители. Максимальная частота переключения составляет
100 кГц. В настоящее время микросхему выпускает более десятка производителей. В базовом варианте микросхема построена на биполярных транзисторах, но существует и её КМОП аналог – 555С, который имеет существенно меньшее потребление, более низкий порог рабочего напряжения (таймер ZSCT1555 фирмы Zetex работает от 0.9 В!) и более высокое быстродействие – до 1 МГц.
Микросхема позволяет с минимальным количеством навесных элементов строить различные функциональные устройства. На рисунке
8.4.2приведена схема одновибратора на таймере 555. В исходном состоянии на инвертирующем входе компаратора К2 (вывод 2)
Рис.8.4.2
К2, который взводит триггер Т. На выходе появляется положительное
напряжение, а транзистор Т3 запирается, давая возможность емкости С2 заряжаться через резистор R2. Емкость заряжается до тех пор, пока напряжение на входе 6 не достигнет порога срабатывания компаратора К1, который сбрасывает триггер Т, и схема переходит в исходное состояние. Длительность положительного импульса на выходе микросхемы равна
T 1.1R2C 2 .
Другой вариант применения таймера – в качестве мультивибратора
Напряжение с времязадающей емкости C подается одновременно на входы компараторов К1 и К2. Это напряжение изменяется в пределах порогов срабатывания компараторов – от 1/3UПИТ до 2/3UПИТ, когда таймер меняет свое состояние на противоположное. Период колебаний генератора равен
Рис.8.4.3
T 1.4RC .
Замечательнымсвойством
таймера является его высокая временная стабильность, слабо зависящая от внешних параметров (нестабильность составляет менее 1%). В первую очередь это связано с применением аналоговых компараторов, имеющих высокий коэффициент усиления и позволяющих очень точно задавать пороги переключения. Во-вторых, в схеме применен прецизионный делитель напряжения. В-третьих, длительность выходного импульса практически не зависит от напряжения питания, поскольку цепь опорного делителя напряжения и времязадающая цепь питаются от общего источника напряжения, а значит, при его изменении одновременно меняется зарядный ток емкости и пропорционально меняются пороги срабатывания компараторов.
Общий принцип работы всех релаксационных генераторов заключается в сравнении плавно меняющегося напряжения времязадающей емкости с некоторым опорным уровнем. Для получения более высокой стабильности генератора нужно придерживаться нескольких правил:
1.Обычно изменение напряжения на емкости не линейно, а имеет экспоненциальный характер. Сравнение его с опорным уровнем нужно производить в зоне максимальной скорости изменения этого напряжения, так как при этом уменьшается влияние шумового фона напряжения. Этот эффект поясняет рисунок 8.4.4. При более высоком пороговом напряжения UПОР1 «дрожание» момента переключения ∆t1, вызванное шумами в сигнале, меньше, чем дрожание ∆t2 при той же амплитуде шумов, но более низком пороге сравнения UПОР2.
Рис.8.4.4
2.Схему нужно проектировать таким образом, чтобы отношение UC/UПОР не зависело от напряжения питания (как это сделано в интегральном таймере 555)
3.Пороговые уровни сравнения не должны зависеть от параметров нелинейных элементов схемы (транзисторов, диодов и т.п.), поскольку сами эти параметры нестабильны – они могут изменяться от температуры, питающего напряжения и даже от одного экземпляра к другому.