Імпульсні схеми на цифрових елементах

На базі ЛЕ різних технологій можна будувати практично всі відомі на сьогодні (малої та середньої потужності) пристрої iмпульсної та цифрової техніки. Серед найбільш використовуваних розглянемо лише такі цифрові пристрої, які за такими властивостями, як простота реалізації, економічність, надійність тощо, ефективно будувати на ЛЕ.

Формувачі

Основне призначення формувачів імпульсних сигналів - перетворення вхідних сигналів довільної форми у цифрові імпульси.

Схеми електрично-керованих ключів, або схеми збігу на ЛЕ належать до найпростіших формувачів імпульсних сигналів.

На рис. 2.17 показано схеми для двох випадків дозволяючих рівнів Е та , а також часові діаграми для імпульсних сигналів при однакових тривалостях Е і .

Подібні схеми застосовують там, де потрібно за заданим сигналом дозволу Е, здійснити передачу по прямому каналу Х потенціальних або імпульсних сигналів..

Формувачі коротких імпульсів (ФКІ) можна будувати за допомогою самих лише ЛЕ. Один із варіантів такого формувача і часові діаграми його роботи зображені на рис.2.18.

Дана схема формувача реалізує логічний вираз , який в випадку ідеальних ЛЕ завжди дорівнює нулю незалежно від того, що є на вході. Проте для реальних ЛЕ логічні операції завжди виконуються з певним часом затримки , що використовується для формування коротких імпульсів. Оскільки час затримки одного ЛЕ відомий, ввімкнення до одного з входів схеми „виключного АБО”, парного числа інверторів дає змогу сформувати на виході імпульс тривалості .

В якості лінії затримки можна використовувати також інтегруюче RC‑коло, а замість ЛЕ в “виключне АБО” – 2І або 2АБО-НЕ. При цьому вихідні сигнали таких схем будуть співпадати з фронтом або зрізом вхідного сигналу Х, а тривалість їх значно зросте, у порівнянні із наносекундними "голками" пристрою рис.2.18.

У RC-схемах вихідний імпульс формується за рахунок поступового наростання фронту та поступового спадання вхідного імпульсу після дії інтегруючого RC-кола. Схема збігу закінчує формувати зріз вихідного імпульсу в момент часу, коли напруга розряду конденсатора С досягне порогового рівня перемикання ЛЕ при переході з в (у ТТЛ В). Тривалість отриманого імпульсу залежить від сталої часу RС-кола ( ) і величини , яка визначається як розкидом параметрів ЛЕ, так і рівнем завади. Тому значну точність вихідного імпульсу в таких формувачах досягнути важко.

Щоб не порушити номінальних параметрів ЛЕ у випадку ТТЛ, допускаються такі значення елементів RC-ланки: R£250 Ом, С=1…3 нФ. Якщо R=200 Ом, С=1 нФ, то тривалість одержаного імпульсу визначають, як

мкс.

Ще простіше побудувати аналогічні формувачі коротких імпульсів з допомогою диференціюючого CR-кола, діода та інвертора. На рис. 2.19 зображено відповідно схему формувача при присутності чи відсутності (пунктирні лінії) напруги . Тровалість отриманого на виході імпульсного сигналу в обох випадках залежить в основному від сталої часу .

Опір R слід вибирати з умови зебезпечення нормальної роботи ЛЕ - з урахуванням спаду напруги за рахунок струму, що витікає із вхідного кола ЛЕ. Напруга не повинна перевищувати допустимої напруги , і тому для ТТЛ опір R слід вибирати в межах 100...500 Ом.

Для детального ознайомлення з роботою вищенаведених схем, доцільно дослідити їх за допомогою програмного симулятора MicroCAP.

Генератори

Генератори імпульсних сигналів (ГІС) займають визначальне місце у сучасних цифрових та мікропроцесорних пристроях. Це задаючі генератори тактової частоти, стробуючі або строб-генератори (з періодичною установкою початкової фази), синхронізуючі генератори, генератори серії з п-прямокутних імпульсів, генератори поодиноких імпульсів (очікувальний генератор або обдновібратор), тощо.

Одновібратор,або очікувальний генератор, переходить із стійкого стану рівноваги у квазістійкий (тобто у другий тимчасовий стійкий стан) тільки після подачі на його вхід запускаючого короткочасного імпульсу. Тривалість сформованого на виході сигналу залежить від величини сталої часу часозадаючого кола, тобто добутку RС і не залежить від тривалості запускаючого імпульсу, за умови якщо запускаючий імпульс коротший за сформований.

На рис. 2.20 показано схему одновібратора та часові діаграми напруг.

Рис. 2.22 Схема одновібратора та його часові характеристики

Схема має два ЛЕ-2І-НЕ та інвертор НЕ. Останній забезпечує до­датний зворотний зв’язок і служить як буферний підсилювач щодо наван­таження. У початковому стані Х=1 і тому на вході інвертора напруга U_R низького рівня. При цьому конденсатор С не заряджений. Як тільки X=0, виникає додатний перепад напруги на виході ЛЕ, який у міру заряду конденсатора приводить до зменшення U_R за експоненціальним законом. При досягненні U_R рівня порогової напруги U_n Інвертора на виході Y=1. Це викличе на виході 2І-НЕ низький (нульовий) рівень напруги, який швидко розрядить конденсатор С через відкритий діод VD i вихідний транзистор ЛЕ 2І-HЕ. Отже, одновібратор повернеться у свій початковий стійкий стан. Тривалість сформованого iмпульсу визначається величиною RС як t_i»RC при обмеженому виборі номіналу R для випадку ТТЛ - межах І00...500 Oм. Одновібратори не забезпечують високої точності формування часових імпульсів, на що треба зважати при проектуванні. Надмірне зловживання одновібраторами вважається „поганим смаком” проектувальника.

Мультивібратор - це автоколивальний генератор прямокутних імпульсів заданої тривалості, частоти, амплітуди та полярності. Принцип побудови мультивібратора на ЛЕ полягає в тому, що його робочими ЛЕ є два інвертори, які ввімкнені у коло перехресного додатного зворотного зв’язку (вихід першого з’єднаний із входом другого, а вихід другого - із входом першого). Ці інвертори утворюють схему, що здатна самозбуджуватись, тобто регенерувати. За рахунок ввімкнення часозадаючих ланок в колі прямого та зворотного зв’язку поряд з регенеративними процесами у схемі відбуваються також і релаксаційні процеси. За таких умов на виході мультивібратора виникають релаксаційні коливання певної амплітуди та частоти.

На рис. 2.21 зображена схема мультивібратора на двох інверторах. Регенеративний процес у схемі виникає внаслідок неперервного перезаряду конденсатора С через резистор R. Якщо, наприклад, Y=1, то за рахунок зворотного зв’язку і конденсатор С буде заряджатись (або перезаряджатись) через резистор R до напруги високого рівня.

Як тільки напруга на вході верхнього інвертора досягне порогового рівня спрацювання (для ДЕ ТТЛ U_n=1,З...1,5 В), стан цього інвертора зміниться на протилежний (Y=0), що зразу приведе до стану на виході нижнього інвертора. Тепер до верхньої обкладки конденсатора через резистор R буде прикладено низький, а до нижньої - високий рівень напруги. Отже, конденсатор С почне перезаряджатися і при досягненні порогової напруги U_n верхній інвертор знову змінить свій стан. Таким чином, релаксаційний процес протягом одного періоду коливання регенераторно змінює свій напрям два рази.

Оптимальний режим роботи мультивібратора забезпечується при виборі R для ТТЛ в межах 200...470 Ом. При цьому період генерованих імпульсів визначається як Т=3RC. Щоб поліпшити форму, вихідних імпульсів мультивібратора, до його виходів (або входів) під’єднують інвертори. Якщо вибрати R=220 Ом, С=1600 пф, та частота генерації на виході даного мультивібратора буде f=1 МГц.

У тих випадках, коли потрібно окремо регулювати тривалість імпульсу і паузи, тобто регулювати коефіцієнт заповнення або щілинність генерованих імпульсів, замість резистора R можна застосувати регульований двополюсник, який зображено не рис. 2.22. За його допомогою утворюються iмпульси типу "меандр" при середньому положенні . повзунка потенціометра R2, а при зміні його положення можна задати потрібний коефіцієнт для фіксованого періоду вихідних імпульсів.

Кварцовий генератор забезпечує високу стабільність частоти Df/f@10⁶…10^-10 за рахунок таких особливих властивостей кварцового резонатора (BQ) як його висока добротність та температурна стабільність на власній резонансній частоті. Такий генератор широко застосовується там, де потрібно мати точне значення частоти протягом тривалого часу.

На рис. 2.23 зображено схему кварцового генератора імпульсівнадвох інверторах. Її часто застосовують для роботи мікропроцесорів як генератор послідовності тактових імпульсів. Резистори в колах зворотнього зв’язку інвертора утворюють від’ємний зворотній зв’язок, переводячи ЛЕ в лінійний (підсилювальний) режим роботи. Таким чином, кварцовий резонатор BQ включений в коло позитивного зворотнього звязку (ПЗЗ) двокаскадного лінійного підсилювача. ПЗЗ уможливлює виникнення автоколивань, які виникають на частоті кварцового резонатора. Кварцевий резонатор в даному випадку слід розглядати як, фільтр, що пропускає тільки одну частоту (точніше надзвичайно вузьку смугу частот), наприклад 1МГц. Проте одна частота – це гармонічне коливання типу , яке аж ніяк не входить до визначення цифрового сигналу, тому цю частоту додатково слід перетворити до цифрового сигналу, пропустивши її через вихідний на схемі інвертор, після чого, одержаний прямокутний сигнал можна використовувати.Подавати сигнал одразу після кварцового резонатора на вхід декількох ЛЕ не слід, оскільки в такому разі сформовані вихідні сигнали будуть несинфазними і це може призвести до помилок в інших частинах схеми.Частота кварцового ГІС визначається власною частотою кварцового резонатора. Наприклад, кварцовий ГІС на ТТЛ буде забезпечувати на виході Y частоту меaндра 1 МГц якщо R=330 Ом, а C=0,003 мкФ. Дана схема генератора покладена в основу побудови мікросхеми генерації двофазної синхросерії для мікропроцесорів КР580ГФ24. До виводів цих мікросхем досить під’єднати кварцовий резонатор на потрібну частоту та кілька резисторів і конденсаторів.

Генератор лінійно-змінної напруги, найпростіша схема якого зображена на рис. 2.24,а, також належить до релаксаційних ГІС, бомає часозадаюче RC-коло, яке кероване розрядним ключем-інвертором. Функцію останнього у даній схемі виконує ЛЕ з відкритим-колектором.

Рис. 2.26 Генератор лінійно-змінної напруги

Як видно з рис. 2.24, при Х=0 вихідний транзистор ЛЕ закритий і конденсатор С заряджається струмом джерела напруги Е через опір R2. Вихідна напруга припиняє зростати у момент подання вхідного імпульсу, тобто при X=1. Отже, період генерування лінійно-змінної напруги задається періодом запускаючих імпульсів. Швидкий спад до нульового рівня вихідної напруги під час дії імпульсу зумовлений значним струмом розряду конденсатора С через відкритий вихідний транзистор ЛЕ. Щоб цей струм (відкритого колектора) не перевищив допустимого значення, його обмежено опором R1. Якщо потрібно збільшитивихідний струм, застосовують паралельне ввімкнення однакових ЛЕ. Захист вихідного транзистора ЛЕ від пробою, який може виникнути при відсутностівхідних імпульсів, забезпечує обмежувальний кремнієвий діод VD1.