6.1 Сравнительный анализ схем генераторов прямоугольных импульсов

Для получения импульсов прямоугольной формы с крутыми фронтами широко применяются устройства, принцип работы которых основан на использовании электронных усилителей с положительной обратной связи. К таким устройствам относятся релаксационные генераторы – мультивибраторы, которые могут работать в ждущем или автоколебательном режимах. В детекторе радиоволн, который был рассмотрен в разделе – данной работы используется генератор прямоугольных сигналов звуковой частоты, работающий в ждущем (заторможенном) режиме.

Ждущий генератор имеет одно устойчивое состояние равновесия. Внешний запускающий импульс вызывает скачкообразный переход ждущего генератора в новое состояние, которое не является устойчивым. В этом состоянии, называемом квазиравновесным, или временно устойчивым, в схеме генератора происходят относительно медленные изменения, которые в конечном итоге приводят к обратному скачку, после чего восстанавливается исходное, устойчивое состояние. Длительность состояния квазиравновесия, определяющая длительность генерируемого прямоугольного импульса, зависит от параметров схемы генератора.

Основными требованиями к ждущим генераторам являются стабильность длительности формируемого импульса и устойчивость его исходного состояния. Ждущие генератора обычно применяются для получения определенного временного интервала, начало и конец которого фиксируются соответственно фронтом и спадом генерируемого прямоугольного импульса, а также для расширения импульсов и т.д. В детекторе радиоволн ждущий генератор используется для управления пьезокерамическим преобразователем ZQ.

Рассмотрим некоторые наиболее распространенные схемы ждущих генераторов прямоугольных импульсов на интегральных логических элементах. На рисунке 6.1 показана схема ждущего генератора с диффе-ренцирующей времязадающей цепью, которая полностью определяет параметры прямоугольного импульса, формированного на выходе генератора.

Рисунок 6.1 - Ждущий генератор, выполненный на двух инверторах

Управляющий (запускающий) импульс подается на вход U_зап элемента Э₁, формируемый импульс снимается с выходов элементов Э₁ или Э₂ (U_вых1 или U_вых2). Нагрузка обычно подключается к выходу элемента Э₂. Это связанно с тем, что импульс на выходе Э₂ имеет лучшую форму и кроме того, очевидно, что подключение нагрузки к выходу Э₁ приводит и к изменению длительности формируемого импульса (за счет изменения начальных скачков перепада напряжения U₁ на выходе Э₁ и выходе Э₂ и постоянной времени заряда конденсатора ).Длительность запускающего импульса t_uзап Должна быть достаточной, чтобы обеспечить переключение обоих элементов Э₁ и Э₂, то есть t_uзап  2t_з.ср, где t_з.ср – средняя задержка одного элемента. В схеме генератора на рисунке 1 длительность формируемого импульса t_u, определяемая длительностью состояния квазиравновесия, может быть оценена, как:

t_u= C(R+R_вых1)ln(U_{вх2макс}/U_пор2)  СRln(Е_п/U_пор) (6.1)

где U_вх2 – входное напряжение элемента Э₂, равное падению напряжения на резисторе R от входного тока элемента Э₂; U_вх  Е_вх. Обычно, на сопротивление R накладывается ограничение снизу (R > 100 Oм); U_пор – пороговое напряжение переключения элемента.

Диод D в схеме на рисунке включается в том случае, если во входной цепи интегрального элемента Э₂ отсутствует диод; при отсутствии диода отрицательный выброс напряжения на входе элемента Э₂ может привести к его повреждению. Кроме того, наличие диода D ускоряет процесс разряда конденсатора С и, следовательно, процесс восстановления исходного состояния, который происходит после обратного опрокидывания схемы.

Рассмотрим другой вариант схемы ждущего генератора с дифференцирующей время задающей цепью, в котором формирование импульса происходит в процессе заряда конденсатора С током источника питания Е_п (рисунок 6.2).

Рисунок 6.2 – Ждущий генератор на интегральных элементах ИЛИ-НЕ

Схема генератора на интегральных элементах ИЛИ-НЕ практически не отличается от схемы на элементах И-НЕ (рисунок 6.1), однако она управляется имульсами положительныой полярности.

Длительность выходного импульса определяется по формуле:

T  RCln( Е_п / Е_п-U_пор2) (6.2)

Как и в предыдущей схеме, здесь подключение нагрузки к выходу элемента Э₁ нецелесообразно, так как это приводит к изменению длительности формируемого импульса.

Ждущие генераторы , приведенные на рисунках 1 и 2 хорошо известны, однако частота импульсов, формируемых на их выходах, менее стабильна. Для уменьшения влияния разброса значенийUпор на длительность формируемого импульса можно использовать схемы с двумя времязадающими цепями (рисунок 6.3). При максимальном разбросе значений U_пор от 0,33Е_п до 0,69Е_п изменение длительности формируемых импульсов в этих схемах не превышает 9% [ 5].

Рисунок 6.3 - Ждущие генераторы с двумя времязадающими цепями, срабатывающие по фронту

Ждущий генератор, запускаемый спадом положительного импульса (рисунок 6.3), работает следующим образом. В исходном состоянии конденсатор С₂ разряжен, на обоих входах элемента Э₁ и на выходе элемента Э₂ логическая единица “1” . При поступлении с выхода дифференцирующей цепочки короткого импульса отрицательной полярности элемент Э₁ выключается, Э₂ включается и на его выходе появляется логический нуль “1”. Спад напряжения с выхода элемента Э₂ через конденсатор С₂ передается на вход элемента Э₁ и поддерживает его в выключенном состоянии.

Конденсатор С₂ начинает заряжаться током через резистор R₂ от нуля до напряжения питания. Когда напряжение на левой по схеме обкладке С₂ достигнет порога включения элемента Э₁, он включится, на выходе элемента Э₂ возникнет крутой фронт нарастания, передаваемый через С₂ на вход Э₁, он обеспечит быстрое подключение обои элементов. Диод D₁ необходим, если требуется быстрое восстановление исходного состояния ждущего генератора. Он нужен, если используется элементы микросхем К561 или К176 с двумя диодами, так как диоды входят в их состав.

Широкими возможностями обладают ждущие генераторы прямоугольных импульсов на D- и RS- триггерах (рисунок 6.4)

а) б)

Рисунок 6.4 - Ждущие генераторы на а) D- триггере и б) RS-триггере

Ждущий генератор на D-триггере (рисунок 6.4а) может быть запущен или коротким импульсом, подаваемым на вход S триггера, или фронтом положительного импульса, подаваемого на вход С. Логическая единица, появляющаяся на прямом выходе триггера при запуске, через резистор R₁ начинает заряжать конденсатор С₁. Когда напряжение на конденсаторе достигнет порога переключения триггера по входу R, триггер переключится в исходное состояние. Диод D служит для ускорения разряда конденсатора и восстановления исходного состояния, при большой скважности импульсов он может быть выключен. Длительность импульсов ждущего генератора определяется по той же формуле, что и для дифференцирующей цепи.

Длительность импульса, подаваемого на вход S триггера для запуска ждущего генератора, должна быть меньше длительности формируемых импульсов. По входу С ждущий генератор запускается фронтом импульса независимо от его длительности.

Длительность сформированного выходного импульса определяется как 0,69R*C, минимальное значение сопротивления R ограничено максимально допустимым током (выходным) триггера, и его типовое значение составляет 20 кОм. Изменением R в пределах 20кОм…10МОм можно менять длительность импульса не менее чем в 500 раз. Одновременное изменение значений R и С позволяет регулировать длительность импульса в очень больших пределах. Схема ждущего генератора на RS-триггере (рисунок 6.4б) работает аналогично генератору на D-триггере. Общим недостатком этих ждущих генераторов на триггерах D- и RS- типов является большая длительность спадов импульсов на их выходах, которая может приводить к неодновременному переключению элементов, соединенных с их выходами.