Схемы временной задержки импульсов. Схемы задержки импульса

Элементы синхронизации цифровых систем

Надежная работа любой цифровой системы во многом зависит от правильного выбора и расчета синхронизации, которая является неотъемлемой частью любой управляющей системы.

Вопросы синхронизации включают в себя:

Обеспечение задержек между определенными управляющими сигналами.

Формирование тактовых импульсов с заданным периодом следования и длительностью.

Обеспечение привязки тактовых импульсов к отдельным сигналам запуска и т. д.

Сначала рассмотрим формирователи.

Формирователи – устройства, преобразующие входные сигналы произвольной формы в нормализованные по амплитуде, крутизне фронтов прямоугольные импульсы для управления последующими микросхемами.

Формирование задержек

Для формирования задержек между импульсами порядка 10-20 мкс (относительно небольших задержек), применяют формирователи разомкнутого типа.

При небольших задержках порядка сотен наносекунд используют последовательные соединения инверторов.

Среднее время задержки:

Здесь n – количество последовательно соединенных инверторов;

–задержка распространения сигнала при переходе выхода из «1» в «0» и наоборот.

Большее время задержки получают с помощью интегрирующей RC-цепи, включаемой на вход инвертора.

Для КМОП ИС получим:

Время задержки определяется по формулам:

Здесь
– напряжение источника питания

–напряжение переключения инвертора.

Учитывая, что
, то время задержки можно определить по формуле:

При задержке более 20 мкс скорость изменения напряжения на емкости мала и форма выходного сигнала будет существенно отличаться от прямоугольной. В таких случаях целесообразно применять формирователь задержки на основе несимметричного триггера (триггера Шмитта).

Одновибраторы (ждущие мультиплексоры)

Одновибратор – устройство, предназначенное для формирования под действием входных сигналов одиночных прямоугольных импульсов заданной длительности.

Отличительной особенностью одновибраторов является наличие хронирующей (времязадающей) цепи и обратной связи, обеспечивающей регенеративные (лавинообразные) процессы переключения. Этим достигается большая крутизна фронтов выходных импульсов.

Длительность выходного импульса:

При

.

Для построения одновибраторов можно использовать триггеры различных типов:

Одновибратор работает следующим образом. При подаче на выход сигнала запуска, триггер устанавливается в единичное состояние, в котором начинается заряд емкости. При достижении на емкости напряжения переключателя
, триггер переходит в состояние 0 и начинает ускоренный разряд емкостичерез открытый диод
и низкоомные выходные сопротивления триггера.

Длительность сформированного импульса:

.

Включая последовательно два одновибратора можно создать временной сдвиг выходного импульса относительно фронта пускового.

Цепочка
создает задержку выходного импульса на время, а цепочка
обеспечивает его длительность, равную.

В сериях интегральных микросхем имеются самостоятельные изделия-одновибраторы, которые представляют собой законченный функциональный узел, за исключением времязадающей цепи.

Например:

Формирование импульсов от механических контактов

При проектировании цифровых устройств часто возникает задача формирования четкого перехода (0,1 или 1,0) или короткого прямоугольного импульса при срабатывании реле, кнопки или другого механического контакта (например, клавиатура, мышь).

Сигнал, с помощью механического переключателя формируется путем замыкания-размыкания электрической цепи.

В исходном состоянии с выхода снимается потенциальный сигнал
(логич. «1»), а в момент касания контактов уровень становится равным «0».

еханического переключателя заключается в том, что его

срабатывание сопровождается дребезгом контактов (многократным переходом в течение короткого времени от замкнутого состояния к разомкнутому и обратно). Это приводит к формированию пачки импульсов вместо желаемого одиночного импульса или перепада потенциала.

Длительность дребезга обычно составляет 8-12 мкс.

Для устранения дребезга в получаемом сигнале на выходе механического переключателя устанавливают специальные формирователи.

Пример: использование RC-триггера (К155ТМ2).

Сигнал «0», прикладываемый к одному из входов триггера опрокидывает его. Причем, при срабатывании переключателя триггер реагирует на первое замыкание и последующие импульсы дребезга не изменяют его состояния.

Пример: исследование D-триггера (К155ТМ2).

Отличие данного формирователя состоит во временной привязке момента появления выходного сигнала с внутренними процессами устройства, для которого этот сигнал формируется, т. е. к его системе тактовых импульсов.

Для работоспособности формирователя необходимо, чтобы период следования тактовых импульсов был больше времени дребезга (
).

Мультивибраторы (генераторы прямоугольных импульсов)

Для построения мультивибраторов используют усилительные свойства инверторов. Для возникновения и существования устойчивых автоколебаний исходно выводят инверторы на линейных участках придаточной характеристики (между уровнями «1» и «0»), где инвертор работает как инвертирующий усилитель. Затем вводится положительная обратная связь с помощью одного или двух конденсаторов.

Простейшая схема мультивибратора на инверторах КМОП.

Резистор обратной связи выводит в усилительный режим
, а выходное напряжение этого инвертора должно удерживать в усилительном режиме второй инвертор
. Положительная обратная связь через конденсаторвызывает мягкое самовозбуждение.

Схема имеет два динамических состояния.

Период следования импульсов:

При
получаем упрощенную формулу:

Резистор
включается для ограничения тока через охранные диоды на входе инвертора
.выбираем из условия
(ком).

Для независимой регулировки длительности импульсов и интервала следованиявводятся раздельные цепи заряда и разряда конденсаторапри помощи двух диодов и резисторов различных номиналов.

Длительность импульса определяется выражением:

при
.

Интервал следования импульсов определяется выражением:

Поскольку второй инвертор не охвачен ООС по постоянному току, то устройство оказывается критично к значению сопротивления .

для инверторов ТТЛ.

для инверторов КМОП.

Для повышения устойчивости обратной связью охватывают второй инвертор.

Большей устойчивостью обладают мультивибраторы на трех инверторах.

Стабилизация работы по постоянному току обеспечивается за счет общей обратной связи через резистор , охватывающий три инвертора. Положительная ОС реализуется за счет конденсатора.

Часто в системах управления необходимо использовать генераторы с внешним запуском, у которого независимо от положения фронтов управляющего сигнала обеспечивается неискаженное по длительности формирования первого и последнего импульсов, причем начало первого импульса должно совпадать с началом управляющего импульса.

Подача управляющего сигнала обеспечивает синхронное появление импульса на входе генератора, т. е. начало генерации привязывается к моменту спада сигнала запуска. Кроме того, последний импульс имеет полную длительность независимо от момента снятия сигнала запуска.

Стабилизация частоты мультивибраторов

Точность и стабильность частоты генерируемых колебаний зависит от точности, временной и температурной стабильности элементов и. Нестабильность частоты генерируемых колебаний оценивается коэффициентом относительной нестабильности

Где – рабочая номинальная частота

–отклонение частоты от номинальной

RC-генераторы, для которых
обеспечивают
при начальной точности 5-10 %.

Применение кварцевых резонаторов позволяет обеспечить относительное изменение частоты, не превышающее
. Их обычно применяют на повышенных частотах, когда требуется получить колебания известной и стабильной частоты.

Мультивибраторы с кварцевой стабилизацией частоты выполняют обычно путем включения кварцевого резонатора на место времязадающей емкости.

Частоту кварцевого резонатора в небольших пределах можно изменять включением последовательно с ним подстроечного конденсатора небольшой емкости
.

Пример схемы кварцевого генератора на ИС КМОП К561ЛН2.

Точное значение частоты можно получить путем подбора емкостей конденсаторов (16-18 пФ) и(16-150 пФ). Инвертор
необходим для формирования стандартных прямоугольных импульсов.

Резистор (2,7-20 МОм) определяет глубину обратной связи, а(18…510 кОм) – нагрузку элемента
.

Устройство синхронизации

Устройства синхронизации предназначены для привязки командных сигналов к моментам появления тактовых импульсов. При приходе командного сигнала такое устройство должно выделить ближайший по времени очередной импульс такой последовательности, который затем и используется как синхронизированный командный импульс.

Т. е. устройство синхронизации осуществляет привязку в приемном устройстве всех внешних управляющих импульсов (сигналов) к собственной системе таковых импульсов.

Типичная схема устройства синхронизации имеет вид:

Исходно оба триггера находятся в состоянии «0». При появлении импульса управления
переходит в состоянии «1». Поэтому ближайший тактовый импульсопрокинет второй триггер в «1», сбросив
в нуль. Второй тактовый импульс сбросит
в «0» и устройство возвратится в исходное состояние.

Понятие о переходных процессах . Электрические цепи реальных радиотехнических схем обычно содержат сопротивления, индуктивности и емкости. В таких цепях связь между напряжением и током имеет сложный характер. Объясняется это тем, что емкость и индуктивность обладают способностью накапливать и отдавать электроэнергию. Этот процесс не может протекать скачкообразно. При изменении напряжения в такой цепи ток изменяется с некоторой задержкой во времени. Эти процессы, связанные с изменением запаса энергии в цепях с реактивными элементами при воздействии импульса, называются переходными.

Действие импульсного напряжения на цепь RС. Предположим, что на входе цеди, содержащей конденсатор С и резистор R (рис, 164, а), действует последовательность прямоугольных импульсов (pиc. 154,б). В момент появления на входе RC цепи переднего фронта импульса в ней потечет наибольший ток I m =U m /R (рис, 154,в).

По мере заряда конденсатора результирующее напряжение в схеме u p =U m -u c уменьшается, соответственно уменьшается зарядный ток t a . Уменьшение тока происходит по экспоненциальному закону, Ток заряда i з создает на резисторе R падение напряжения (рис. 154, г) . С уменьшением тока экспоненциально снижается напряжение на резисторе R . Напряжение на конденсаторе u c по мере

его заряда экспоненциально возрастает (рис. 154, д ) и к некоторому моменту достигает наибольшего значении U m после чего остается постоянным на все время действия плоской вершины входного импульса. Время, в течение которого напряженно на С и R достигает амплитудного значении, зависит от величины сопротивления резистора R и емкости конденсатора С . Чем меньше эти величины, тем быстрее заканчивается переходный процесс.

После спада входного импульса конденсатор разряжается через резистор R . Скорость изменения разрядного тока i p (рис. 164, в) и напряжения u n (рис. 154, г) такая же, как и при заряде, а на выходе формируется задний фронт (спад) импульса. Направление тока и полярность напряжения на резисторе в этом случае станут противоположными.

Оценку длительности переходного процесса ведут с помощью постоянной времени цепи

Рис. 155. Воздействие прямоугольного импульса на интегрирующую цепь:а- схема, б- форма импульса на входе, в - то же, на выходе, г - зависимость формы импульса от соотношения τ 0 /t и

С увеличением τ 0 длительность переходных процессов возрастает.

Практически переходные процессы в схеме закапчиваются по истечении промежутка времени t = (2,3+3) τ 0 .

Форма выходного напряжении зависит от значения τ 0 (рис. 154, г , е , ж). При τ 0 »t и (рис. 154,е) конденсатор за время действия входного импульса не успевает зарядиться, и форма выходного сигнала лишь незначительно отличает-ся от формы входного. С такими параметрами (τ 0 »t и) цепь часто используют в схемах импульсных устройств как разделительную (переходную) между усилительными каскадами. При τ 0 ж).

Как очевидно из рис. 164, а, цепи из элементов RC в различных комбинациях могут быть использованы для преобразования формы импульсов. В зависимости от того, с какого элемента снимается сигнал (с R или С), цепь называют дифференцирующей или интегрирующей.

Дифференцирующие цепи. Цепь, показанная на рис. 154, а называется дифференцирующей, поскольку при τ 0

Пример. Длительность импульса t и =5 мкс. Рассчитать элементы дифференцирующей цепи.

В дифференцирующей цепи τ 0 ≪t и. Примем τ 0 =RС =0,1 t и =0,1x5=0,5 мкс, т. е, t и ≫3 τ 0 . Задаемся величиной R =10 кОм, тогда емкость

Интегрирующие цепи. Если в цепи RC выходное напряжение снимается с емкости (рис. 155, а), то при τ 0 ≫t и выходной сигнал пропорционален интегралу от входного, и такая цепь называется интегрирующей. Если постоянная времени RC цепи выбрана равной или больше длительности прямоугольного импульса (рис. 155,б) напряжения на входе (τ 0 ≫t и), то на выходе RC цепи возникает импульс с растянутым фронтом и спадом (рис. 155, в). При воздействии на вход такой цепи кратковременного импульса напряжения на выходе образуется более широкий импульс.

Интегрирующие цепи применяют для увеличения длительности импульса. Кроме того, их используют в схемах генерирования пилообразного напряжения, селекции импульсов по длительности и т.д. Чем больше то при неизменной длительности входного импульса t и, тем больше растянут импульс на выходе (рис. 155, г). Амплитуда импульса при этом уменьшается, так как конденсатор не успевает полностью зарядиться за время действия входного импульса.

Дифференцирование и интегрирование может также осуществляться с помощью цепей RL. Поскольку реактивное действие индуктивности противоположно емкости, то в RL - цепях при дифференцировании выходной сигнал снимается с индуктивности (рис. 156, а), а при интегрировании - с резистора (рис. 156, б). Цепи RL применяют сравнительно редко, так как они содержат дорогую моточную деталь.

С. Андрианов

Цифровые ИМС широко используют при разработке и создании многих импульсных устройств, так как при этом не требуется расчет транзисторных ключей, не надо согла­совывать уровни напряжений сигналов при работе этих устройств с однотипной логикой.

Рассмотрим некоторые из таких устройств на основе цифровых ИМС. При анализе их работы все р- n переходы будем считать идеальными ключами с пороговым напря­жением U o .

Начнем с устройства задержки фронта импульса , являющегося основой всех рассматриваемых далее устройств. На его примере, к тому же, легче всего уяснить особенности работы импульсных устройств на цифровых ИМС.

Схемы устройства показаны на рис. 1, а эпюры напря­жений и токов в различных его цепях - на рис. 2 (здесь и далее примеры устройств приводятся применительно к ДТЛ микросхемам серии К217, что не ограничивает общности выводов применительно к ТТЛ микросхемам). В исходном состоянии на вход устройства (рис. 1, б) подан сигнал логического 0, т. е. ток i 0 отводится на общий про­вод через открытый ключ предыдущего элемента. Конден­сатор С1 заряжен до напряжения U o открытого диода VI . В момент времени t x (рис. 2) на вход приходит сигнал логической единицы, что эквивалентно отключению входа устройства от общего провода. Диоды VI , V 3 закрываются и отключают источник сигнала от входа устройства.

Теперь ток I 0 заряжает конденсатор С1 до напряжения 2 U 0 . При этом напряжение в точке b становится равным 3U 0 . Открываются диоды V 4, V 5 и транзистор V 6 - на выходе устройства появляется инвертированный задержан­ный фронт входного импульса.

При прохождении среза вход устройства снова замкнет­ся на общий провод, диоды V 2, V 4 и V 5 закроются, а кон­денсатор С1 за очень короткое время разрядится через диод VI до напряжения U o . Транзистор V 6 закроется, и устройство примет исходное состояние. Чтобы задержка фронта входного импульса была без инверсии, на выходе устройства должен быть инвертор.

Рис. 1. Функциональная (а) и принципиальная (б) схемы устрой­ствй задержки фронта импульсов

Устройство задержки среза импульса, схема и времен­ные диаграммы работы которого показаны на рис. 3, отли­чаются от устройства задержки фронта импульса только тем, что на его вход подается инвертированный сиг­нал. А так как оно управляется положительным перепадом напряжения, то происходит задержка среза входного импульса.

Следующее импульсное устройство - устройство за­держки импульса. Оно по существу представляет собой два каскада задержки фронта. Пройдя через первый кас­кад, импульс инвертируется с задержкой фронта, второй же каскад работает точно так же, как и в предыдущем устрой­стве. В результате задержки фронта и среза на одно и то же время поступивший на вход импульс оказывается за­держанным во времени с сохранением его прежней дли­тельности.

Рис. 2. Временные диаграммы напряжений и токов в цепях устрой­ства задержки фронта импульсов

Рис. 3. Устройство задержки среза импульсов:

а - функциональная схема; б - временные диаграммы напряжений

Эти особенности определяют области использования рассмотренных устройств временной задержки. Второе из них лучше применять, когда длительность импульса или соотношение длительностей неизвестно.

Формирователь импульсов заданной длительности (рис. 5) состоит из элемента совпадения D 2 (2И-НЕ), на один из входов которого входной импульс подается не­посредственно, а на другой - с задержкой фронта и с инверсией. Выходным сигналом является импульс логиче­ского нуля, длительность которого равна времени задержки фронта входного импульса.

Рис. 4. Устройство временной задержки импульсов:

а - функциональная схема; 6 - временные диаграммы напряжений

Рис. 5. Устройство формирования импульсов заданной длитель­ности: а - функциональная схема; б - временные диаграммы напряжений

На основе такого устройства можно сконструировать преобразователь частота-напряжение. Для этого достаточ­но на выходе его включить интегрирующую цепочку. Прин­цип работы преобразователя заключается в том, что по­стоянная составляющая периодического импульсного сиг­нала обратно пропорциональна скважности (отношению периода к длительности импульса), а, следовательно, при постоянной длительности прямо пропорциональна частоте . Постоянная составляющая импульсного напряжения выделяется интегрирующей цепочкой.

Следующее импульсное устройство - автоколебатель­ный мультивибратор , схема которого изображена на рис. 6. Он состоит из двух одинаковых (симметричный слу­чай) формирователей импульсов заданной длительности, собранных на элементах Dl … Df , диодах VI , V 2, и конден­саторах С1 и С2. Элемент D 5 предназначен для запуска мультивибратора и установления автоколебательного ре­жима работы после включения питания. Период колебаний определяется суммой длительностей импульсов, формируе­мых в плечах мультивибратора.

Устройство работает следующим образом. После вклю­чения питания, когда конденсаторы С1 и С2 еще не заря­жены, на выходах плеч мультивибратора наблюдается сиг­нал логической единицы. Элемент D 5 вырабатывает сигнал логического нуля, т. е. замыкает соответствующий вход эле­мента D 1 на общий провод. Следовательно, возможность заряжаться получает только конденсатор С2. С момента начала зарядки конденсатора С2 и до конца формирования импульса элементами D 2, D 4 на выходе элемента D 4 и на соответствующем входе элемента D 1 поддерживается сиг­нал логического нуля, который не позволяет конденсатору С1 заряжаться до тех пор, пока не закончится цикл заряд­ки конденсатора С2, и наоборот. Так как теперь на входах. элемента D 5 поочередно появляются сигналы логического нуля и единицы в противофазе, то на выходе элемента D 5 все время наблюдается сигнал логической единицы и он практически не оказывает влияния на дальнейшую работу устройства.

Ждущий мультивибратор представляет собой совокупность устройства задержки фронта и RS-триггера, состояние которого изменяется логическим нулем (рис. 7). Импульсы запуска, являющиеся сигналами логического ну­ля, попадают на вход элемента D 2. В исходном состоянии на выходе этого элемента логический нуль, а на выходе элемента D 3 - единица. Триггер будет находиться в таком состоянии сколь угодно долго, пока не поступит импульс запуска.

Рис. 6. Функциональная схема ав­токолебательного мультивибратора

Рис. 7. Функциональная схе­ма ждущего мультивибра­тора

В момент запуска триггер переключается в другое со­стояние, и с выхода элемента D 2 на вход устройства за­держки фронта, образованного элементом D 1, диодом VI и конденсатором С1, приходит сигнал логической единицы. Устройство задержки инвертирует сигнал с задержкой по времени, что обеспечивает обратное переключение триггера и восстановление исходного состояния.

Рассмотренный здесь ждущий мультивибратор имеет два выхода: для импульсов логического нуля - выход эле­мента D 3, для импульсов логической единицы - выход элемента D 2.

Расчет временных характеристик не представляет собой сложности. Анализ переходных процессов в устройстве по схеме рис. 1, б для времени задержки фронта t ад дает сле­дующее выражение:

где U al - напряжение питания.

При малом значении отношения Uo / U n 1 можно восполь­зоваться приближенной формулой

(2)

тогда при U 0 =0,7 В, U п1 =6 В относительная погрешность расчетного времени задержки составит менее 6 %, а при U 0 =0,7 В и U П1 = 5 В - менее 8 %.

Температурная стабилизация рассмотренных импульс­ных устройств может осуществляться путем задания со­ответствующей температурной зависимости питающих на­пряжений смещения так, чтобы скомпенсировать темпера­турный дрейф порогового напряжения р- n переходов. Из выражения (1), при учете температурной зависимости толь­ко U o и U nl , получается выражение температурного дрейфа времени задержки:

Приравняв величину температурного дрейфа времени задержки нулю и решив полученное уравнение относитель­но температурного дрейфа напряжения источника смеще­ния, в рассматриваемом примере (см. рис. 1, б) - U nU по­лучим требуемую зависимость питающего напряжения от температуры, обеспечивающую стабилизацию времени за­держки при изменении температуры окружающей среды:

(4)

Рис. 8. Схема источника на­пряжения смещения (пита­ния) с температурной зави­симостью выходного напря­жения для компенсации теп­лового дрейфа

Рассмотрим теперь расчет источника напряжения с требуе­мой температурной зависимостью. Для примера возьмем стабилиза­тор, выполненный по схеме рис. 8. Здесь полевой транзистор V 4 - источник стабильного тока. С кол­лектора транзистора V 5 снима­ется образцовое напряжение. На транзисторе V 6 собран усилитель тока. Нагрузкой Rn являются параллельно соединенные цепи смещения логических элементов, требующих стабилизацию напря­жения смещения с определенной температурной зависимостью. Чтобы температурная зависи­мость выходного напряжения со­ответствовала необходимым тре­бованиям, должно выполняться соотношение

(5)

Предположим, требуется стабилизировать с описанной здесь температурной зависимостью напряжение смещения у трех логических элементов серии К217. Известно: U П1 = =6 В, U 0 = 0,7 В , Rl = 6 кОм (получено измерением, см. рис. 1, б). По формуле (5) получаем K и - 4,78. Нагруз­ка R11 - это параллельно соединенные три резистора R 1. Транзистор V 6 может быть КТ603А с коэффициентом h 21Э , равным 10 ; входное сопротивление такого эмиттерного повторителя составит около 20 кОм.

Чтобы не учитывать влияние входного сопротивления эмиттерного повторителя V 6, возьмем резистор R 3 сопро­тивлением 2,2 кОм, тогда из формулы (5) следует, что сопротивление резистора R 2 должно быть 460 Ом.

Для обеспечения номинального напряжения на выходе стабилизатора с учетом падения напряжения на переходе эмиттер - база транзистора V 6 необходимо, чтобы на ре­зисторе R 3 падало напряжение, равное 6,7 В. Для этого нужно установить ток коллектора транзистора V 5, равный 3 мА, подав на его базу напряжение смещения 2,1 В. Падение напряжения на диодах VI ..УЗ составит 2,1 В, поэтому сопротивление R 1 - 0. Можно использовать любые кремниевые диоды, однако лучше всего подойдут диоды

КД503А, через которые потечет стабильный ток стока поле­вого транзистора V 4. Наиболее подходящим является тран­зистор КЛ302А с начальным током стока I со =10 мА . Напряжение питания стабилизатора U a выбирают на­столько большим, чтобы все транзисторы работали в актив­ной области. Для этого необходимо выполнить условие

U n > kU Kn + I к (R, + R 3), (6)

где U Kn - напряжение насыщения транзистора V 5 при за­данном I к, к - коэффициент запаса (1,5…2,0).

Для нашего примера U a должно быть больше 8,13 В. Выберем 9 В. На этом расчет стабилизатора заканчива­ется.

Управлять временными характеристиками импульсных устройств рассмотренного типа можно путем замыкания части тока i 0 на общий провод. Ток i 1 , заряжающий кон­денсатор С1, уменьшается на значение отводимого из точ­ки b тока i 2 . Тогда, воспользовавшись формулой (2), пре­образованной в формулу

где i 1 - ток, заряжающий конденсатор С1, получим упро­щенное выражение для зависимости времени задержки фронта от тока, замыкаемого на общий провод:

В устройстве задержки фронта импульса по схеме рис. 9 время задержки управляется напряжением, подаваемым на модулирующий вход. Это напряжение может быть как постоянным (медленно изме­няющимся), так и пульси­рующим.

Токоотводом служит транзистор VI , ток через ко­торый определяется управ­ляющим напряжением и но­миналами резисторов R 1, R 2. Резистор R 1 играет роль ограничителя тока базы (Транзистора VI . Резистор R 2 влияет на линейность моду­ляционной характеристики и на динамический диапазон управляющих напряжений.

Рис. 9. Схема устройства задерж­ки фронта импульса с модулятором времени задержки

Ток i 1 ограничивается требован-ием обеспечения работы транзистора V 8 в ключевом режиме. Практически это озна­чает, что

i 1 макс = i 0 - i бн . (9)

Здесь i 1 m акс - максимальное значение отводимого тока, f c н - ток насыщения базы транзистора V 8, равный

Рис. 10. Функциональные схемы устройств задержки фронта им­пульса с различными способами модуляции времени задержки: а - управляющим напряжением; б - управляющим током

Из формул (9) и (10) определяется максимальное зна­чение отводимого тока:

(11)

Для микросхем серии К217 i 1макс =0,8б мА. По известно­му значению максимально отводимого тока можно рассчи­тать токоотвод.

Модуляция управляющим напряжением в устройстве по схеме на рис. 10, а осуществляется при сопротивлении R 1=/=О и R 2=/=0. В этом случае разброс параметров тран­зистора практически не влияет на значение отводимого то­ка. При выборе транзистора с коэффициентом h 21Э >10, когда током базы можно пренебречь, расчет модулятора упрощается. В этом случае отводимый ток, приближенно равный току эмиттера, равен

(12)

где U бэ - напряжение база - эмиттер транзистора: для кремниевых транзисторов можно принять: 0,7 В, для гер­маниевых - 0,4 В.

Сопротивление резистора R 2 можно вычислить по фор­муле (12).

При расчете транзистора-токоотвода такого варианта модуляции следует иметь в виду, что при увеличении со­противления резистора R 2 транзистор-токоотвод может ока­заться в насыщении. Это обязательно нужно проверять, исходя из условия (см. рис. 9)

(13)

Модуляция управляющим током по схеме рис. 10, б осуществляется большим сопротивлением резистора R1. В этом случае ток базы транзистора V 2 равен

i 6 =U упр /R 1 , (14)

а ток коллектора V 2, он же и, равен

i 1 = h 21 Э i б . (15)

Из формул (14) и (15) следует зависимость отводимого тока от управляющего напряжения:

Для расчета сопротивления резистора R 1 необходимо в формулу (16) подставить: U упр. = U улР. маК с - максималь­ное значение управляющего напряжения, i 1 = i 1Макс - мак­симальное значение отводимого тока из (11), h 21Э = = h 21эмакс - максимальное значение h 2 i 3 транзистора-токо­отвода.

Но такой способ модуляции обладает существенным не­достатком, связанным с непостоянством тока i 1 из-за раз­броса параметра h 21Э транзистора-токоотвода.

При необходимости температурной стабилизации токо­отводов расчеты ведутся аналогично расчетам температур­ной стабилизации усилительных каскадов.

При использовании рассмотренных способов модуляции временных характеристик импульсных устройств можно конструировать:

преобразователь напряжение - шим (широтно-импульс-ная модуляция) из ждущего мультивибратора или из фор­мирователя импульсов заданной длительности;

преобразователь напряжение - вим (время-импульсная модуляция) из устройств задержки;

преобразователь напряжение - частота. из автоколеба­тельного мультивибратора, но с применением токоотводов в каждом плече мультивибратора.

Эти преобразователи вырабатывают сигналы со спект­ром, ширину которого можно регулировать напряжением. Поэтому они могут найти применение и при конструирова­нии электромузыкальных инструментов.

Описанные импульсные устройства могут быть скон­струированы на логических элементах микросхем ДТЛ серий: К217, К121, К194. Из ТТЛ микросхем можно исполь­зовать серии К133, К155, К158 и другие. От ранее опубли­кованных аналогичных устройств разобранные здесь выгодно отличаются тем, что содержат меньше дискретных компонентов на один логический элемент, а следовательно, налаживание их сокращается до мини­мума.

Разве может о чем-то поведать импульс? - скажете вы. Импульс он и есть импульс, только прямоугольной формы.

Но в том-то и дело, что до сих пор мы лишь наблюдали на экране осциллографа подобные импульсы, скажем, во время настройки электронного коммутатора, и по их наличию судили об исправности генератора. Если же использовать прямоугольный импульс в качестве контрольного сигнала и подавать его, например, на вход усилителя ЗЧ, то по форме выходного сигнала можно сразу же оценить работу усилителя и назвать его недостатки - малую полосу пропускания, недостаточное усиление на низших или высших частотах, самовозбуждение в какой-то области частот.

А возьмите широкополосный делитель напряжения, используемый, например, в самодельных измерительных приборах или осциллографах. "Пропущенный" через него прямоугольный импульс подскажет точные параметры деталей, необходимые для получения неизменного коэффициента деления сигнала в широком диапазоне частот.

Чтобы сказанное стало понятно, давайте сначала познакомимся с некоторыми параметрами импульсного сигнала, которые нередко упоминаются в описаниях различных генераторов, устройств автоматики и вычислительной техники. Для примера на рис. 97 показан "внешний вид" несколько искаженного (по сравнению с прямоугольным) импульса, чтобы нагляднее были видны его отдельные части.

Один из параметров импульса - его амплитуда (Uмакс), наибольшая высота импульса без учета небольших выбросов. Продолжительность нарастания импульса характеризует длительность фронта tф, а убывания -длительность спада tс. Продолжительность же "жизни" импульса определяет длительность tи - время между началом и концом импульса, отсчитываемое обычно на уровне 0,5 амплитуды (иногда на уровне 0,7).

Вершина импульса может быть плоской, с завалом или подъемом. У прямоугольного импульса вершина плоская, а фронт и спад настолько крутые, что определить их длительность по осциллографу не удается.

Импульсный сигнал оценивают еще и скважностью, показывающей соотношение между длительностью импульса и периодом следования импульсов. Скважность - частное от деления периода не длительность. В показанном на рис. 97, б примере скважность равна 3.

Вот теперь, после краткого знакомства с импульсом и его параметрами, построим генератор прямоугольных импульсов, необходимый для последующих экспериментов. Он может быть выполнен как на транзисторах, так и на микросхемах. Главное, чтобы генератор выдавал импульсы с крутыми фронтами и спадами, а также с возможно более плоской вершиной. Кроме того, для наших целей скважность должна находиться в пределах 2-3, а частота следования импульсов составлять в одном режиме примерно 50 Гц, а в другом – 1500 Гц. Чем вызваны частотные требования, вы узнаете позже.

Наиболее просто обеспечить поставленные требования может генератор на микросхеме и транзисторе (рис. 98). Он содержит немного деталей, работоспособен при снижении напряжения питания до 2,5 В (при этом падает в основном амплитуда сигнала) и позволяет получить выходные импульсы амплитудой до 2,5 В (при указанном напряжении питания) при скважности 2,5.

Собственно сам генератор выполнен на элементах DD1.1 - DD1.3 по известной схеме мультивибратора. Частота следования импульсов зависит от сопротивления резистора R1 и емкости конденсатора, подключенного в данный момент переключателем SA1. В показанном на схеме положении подвижного контакта переключателя к генератору подключен конденсатор С1, поэтому импульсы на выходе генератора (вывод 8 элемента DD1.3) следуют с частотой 50 Гц (период следования 20 мс). Когда подвижный контакт переключателя будет поставлен в нижнее по схеме положение,подключится конденсатор С2 и частота следования станет равной примерно 2000 Гц (период следования 0,5 мс).

Далее импульсный сигнал поступает через резистор R2 на эмиттерный повторитель, выполненный на транзисторе VT1. С движка переменного резистора R3, являющегося нагрузкой повторителя, сигнал подается на выходной зажим ХТ1. В итоге с зажимов ХТ1 и ХТ2 можно снимать прямоугольные импульсы амплитудой от нескольких десятков милливольт до единиц вольт. Если по каким-либо причинам даже минимального сигнала окажется в избытке (например, при проверке весьма чувствительного усилителя), выходной сигнал можно уменьшить либо включением между верхним по схеме выводом резистора R3 и эмиттером транзистора постоянного резистора сопротивлением 1-З кОм, либо применением внешнего делителя напряжения.

Несколько слов о деталях. В генераторе могут работать элементы И-НЕ других микросхем серий К155 (скажем, К155ЛА4), а также любой транзистор серии КТ315. Конденсатор С1 - К50-6 или другой, рассчитанный на напряжение не ниже 10 В; С2 - любой, возможно меньших габаритов. Резисторы - МЛТ-0,125 и СП-1 (R3), источник питания - батарея 3336. Потребляет генератор менее 15 мА, поэтому такого источника хватит надолго.

Поскольку деталей в генераторе немного, нет нужды давать чертеж печатной платы - разработайте ее самостоятельно. Плату с деталями и источник питания укрепите внутри корпуса (рис. 99), а на его передней стенке разместите переключатель диапазонов, выключатель питания, переменный резистор и зажимы.

Следующий этап - проверка и налаживание генератора с помощью нашего осциллографа. Входной щуп осциллографа подключите к выводу 8 микросхемы, а "земляной" - к общему проводу (зажим ХТ2). Осциллограф работает пока в автоматическом режиме (кнопка "АВТ. -ЖДУЩ." отжата), синхронизация - внутренняя, вход - открытый чтобы исключить искажения сигнала, следующего с низкой частотой). Входным аттенюатором осциллографа можно установить чувствительность, скажем, 1 В/дел., а переключателями длительности развертки - длительность 5 мс/дел.

После подачи питания на генератор и установки переключателя SA1 в показанное на схеме положение, на экране осциллографа появится изображение в виде двух парал-

лельных линий (рис. 100, а), составленных перемещающимися "штрихами". Так выглядит несинхронизированное изображение импульсного сигнала.

Достаточно теперь перевести осциллограф в ждущий режим (нажать кнопку "АВТ. - ЖДУЩ.") и установить синхронизацию от положительного сигнала поворотом ручки "СИНХР." в крайнее по часовой стрелке положение, чтобы изображение на экране "остановилось" (рис. 100, б). Если изображение немного подергивается, добейтесь лучшей синхронизации его ручкой регулировки длины развертки.

Определите длительность периода повторения импульсов и, если это необходимо. установите ее равной 20 мс подбором резистора R1.

Измерить точно период при установленной длительности развертки затруднительно, поэтому воспользуйтесь простым приемом. При данной синхронизации установите длительность развертки равной 2 мс/дел. На экране должно появиться более растянутое изображение импульса (рис.100, в), длина вершины которого составит примерно 3,5 деления, т. е. длительность импульса будет равна 7 мс.

Затем при этой же длительности развертки установите синхронизацию отрицательным сигналом, повернув ручку "СИНХР." в крайнее положение против часовой стрелки. На экране увидите изображение паузы (рис. 100,г), поскольку развертка осциллографа запускается теперь спадом импульса. Длина линии 6,5 деления, значит, длительность паузы равна 13мс. Сумма длительностей импульса и паузы составит значение периода повторения импульсов (20 мс).

Аналогично проверьте работу генератора на втором диапазоне, установив подвижный контакт переключателя в нижнее по схеме положение ("2 кГц"). Длительность развертки осциллографа в этом случае установите равной, например, 0,1 мс/дел. Период следования импульсов на этом диапазоне должен составить 0,5 мс, что соответствует частоте повторения 2000 Гц. Подстраивать в генераторе ничего не нужно, поскольку точность частоты на этом диапазоне особой роли не играет. В случае же значительного отклонения частоты от указанной ее можно изменить подбором конденсатора С2.

После этого переключите входной щуп осциллографа на зажим ХТ1 и проверьте действие регулятора амплитуды выходного сигнала - переменного резистора R3. Вы наверняка обратите внимание, что при установке движке переменного резистора в верхнее по схеме положение максимальная амплитуда импульсов будет несколько меньше, чем на мультивибраторе.Объясняется это действием эмиттерного повторителя, коэффициент передачи которого меньше единицы из-за падения части сигнала на эмиттерном переходе транзистора.

Генератор готов, можно проводить эксперименты. Начнем с проверки действия на импульс простых RC-цепей: дифференцирующей и интегрирующей. Сначала подключите к выходу генератора дифференцирующую цепь,составленную из конденсатора и переменного резистора (рис. 101). Движок резистора поставьте в нижнее по схеме положение, а на генераторе установите диапазон "50 Гц" и максимальную амплитуду выходного сигнала. При этом на экране осциллографе (он работает в ждущем режиме с синхронизацией от положительного сигнала, длительность развертки - 5мс/деп., чувствительность - 1 В/дел.) увидите изображение импульсов со скошенной вершиной (рис. 102, а). Нетрудно заметить, что импульс как бы опустился по линии спада, из-за чего увеличился размах изображения.

Искажения импульса будут расти, а размах изображения увеличиваться при перемещении движка переменного резистора вверх по схеме. Уже при сопротивлении резистора около 4 кОм размах практически достигнет удвоенной амплитуды импульса

(рис. 102, б), а при дальнейшем уменьшении сопротивления (до 1 кОм) от импульса останутся лишь остроконечные пики на месте фронта и спада. Иначе говоря, в результате дифференцирования из прямоугольного импульса удастся получить два остроконечных - положительный (по фронту) и отрицательный (по спаду).

Кроме того, дифференцирование позволяет "укоротить" импульс по времени - ведь длительность импульса измеряют по уровню 0,5 его амплитуды, а на этом уровне ширина импульса плавно изменяется при повороте ручки переменного резистора).

Дифференцирующие свойства цепи зависят от частоты повторения импульсов. Достаточно переставить переключатель диапазона генератора в положение "2 кГц" - и скос вершины практически пропадет. Импульсы, следующие с такой частотой, наше дифференцирующая цепочка пропускает практически без искажений. Чтобы получить тот же эффект, что и в предыдущем случае,емкость конденсаторе должна быть уменьшена до 0,01 мкФ.

А теперь поменяйте детали местами (рис. 103) - получится интегрирующая цепочка. Поставьте движок переменного резистора в крайнее левое по схеме положение, т. е. выведите сопротивление резистора. Изображение сигнала останется практически таким же, что и на выходе генератора до подключения цепочки. Правда, спад импульсов станет слегка изогнутым - результат разрядки конденсатора, успевающего зарядиться во время импульса.

Начинайте плавно перемещать движок резистора вправо по схеме, т. е. вводить сопротивление резистора. Сразу же фронт импульса и спад начнут скругляться (рис. 104, в), амплитуда сигнала падать. При максимальном сопротивлении резистора наблюдаемый сигнал стонет походить на пилообразный (рис. 104,б).

В чем суть интегрирования? С момента появления фронта импульса конденсатор начинает заряжаться, а по окончании импульса - разряжаться.Если сопротивление резистора или емкость конденсатора малы, конденсатор успевает зарядиться до амплитудного значения сигнала и тогда"заваливается" лишь фронт и часть вершины импульса (рис. 104, а). В этом случае можно сказать, что постоянная времени интегрирующей цепи(произведение емкости на сопротивление) меньше длительности импульса. Если же постоянная времени соизмерима или превышает длительность импульса, конденсатор не успевает зарядиться полностью во время импульса и тогда амплитуда сигнала на нем падает (рис. 104, б). Конечно, характер интегрирования зависит не только от длительности импульсов, но и частоты их повторения.

Чтобы убедиться в сказанном, вновь выведите сопротивление резистора,установите на генераторе диапазон "2 кГц" и соответственно измените длительность развертки осциллографа. На экране предстанет картина уже проинтегрированных импульсов (рис. 104, в). Это результат "взаимодействия" сопротивления эмиттерного повторителя и емкости конденсатора. Введите хотя бы небольшое сопротивление переменным резистором - и вы увидите на экране осциллографа сигнал треугольной формы (рис. 104, г). Амплитуда его мала, поэтому придется увеличить чувствительность осциллографа. Не правда ли, отчетливо видна линейность процесса зарядки и разрядки конденсатора?

В этом примере постоянная времени интегрирующей цепи немного превышает длительность импульса, поэтому конденсатор успевает заряжаться лишь до весьма малого напряжения.

Пришло время поговорить о практическом использовании прямоугольных импульсов, например, для оценки работы усилителя звуковой частоты. Правда, подобный способ пригоден для своеобразного экспресс-анализа и не дает всеобъемлющей картины амплитудно-частотной характеристики усилителя. Но он позволяет объективно оценивать способность усилителя пропускать сигналы тех или иных частот, устойчивость к самовозбуждению,а также правильность выбора деталей между каскадных связей.

Принцип проверки прост: на вход усилителя подают сначала прямоугольные импульсы с частотой следования 50 Гц, а затем - 2000 Гц, а на эквиваленте нагрузки наблюдают форму выходного сигнала. По искажениям фронта: вершины или спада судят о характеристике усилителя и его устойчивости работы.

Для примера можете исследовать усилитель ЗЧ с темброблоком (либо другой широкополосный усилитель). Его соединяют с генератором и осциллографом соответствии с рис. 105. Переключатель диапазонов генератора устанавливают положение "50 Гц", а выходной сигнал таким, чтобы при максимальном усилении усилителя и примерно средних положениях ручек регуляторов тембра амплитуда сигнала на эквиваленте нагрузки соответствовала номинальной выходной мощности, например 1,4 В (для мощности 0,2 Вт при сопротивлении нагрузки 10 Ом). Картина на экране осциллографа, подключенного к эквиваленту нагрузки, может соответствовать показанной на рис. 106, а, что будет свидетельствовать о недостаточной емкости разделительных конденсаторов между усилительными каскадами или конденсатора на выходе усилителя - через него подключена нагрузка.

Чтобы убедиться, скажем, в последнем предположении, достаточно перенести входной щуп осциллографа непосредственно на выход усилителя -до разделительного конденсатора. Если скос вершины уменьшится (рис.106, б), значит вывод верен и для лучшего воспроизведения нижних частот емкость конденсатора следует увеличить.

Аналогично просматривают изображения импульсов до и после разделительных конденсаторов между каскадами усилителя и обнаруживают тот, емкость которого недостаточна. Если усилитель вообще плохо пропускает низшие частоты, могут наблюдаться на экране осциллографа узкие пики на месте фронта и спада импульсов, как это было при сильном дифференцировании. Но более полная картина состояния усилителя получается при подаче на его вход импульсов частотой 2000 Гц. Считается, что фронт и спад отражают прохождение высших частот звукового диапазона, а вершина – низших.

Если в усилителе все в порядке и он равномерно пропускает сигнал в широкой полосе частот, то выходной импульс (сигнал на эквиваленте нагрузки) будет соответствовать по форме входному (рис. 107, а). В случае "завала" фронте и спада (рис. 107, б) можно считать, что на высших частотах уменьшилось усиление. Еще большее снижение усиления на этих частотах зафиксирует изображение, приведенное на рис. 107, а.

Возможны и многие другие варианты: падение усиления на низших частотах(рис. 107, г), некоторое повышение усиления на низших частотах (рис.107, д), падение усиления на низших и средних (провал в вершине)частотах (рис. 107, е), мала постоянная времени межкаскадных связей(рис. 107, ж) - обычно мала емкость переходных конденсаторов, подъем усиления на низших (рис 107, з) или высших (рис. 107, и) частотах,снижение усиления в каком-то узком диапазоне (рис. 107. к).

А вот два примера изображения выходного импульса (рис. 107, л, м), когда в усилителе есть резонирующие цепи.

Практически большинство этих изображений вам удастся наблюдать при изменении положений ручек регулировки тембра по низшим и высшим частотам. Одновременно с просмотром изображений неплохо было бы снимать амплитудно-частотную характеристику усилителя и сравнивать ее с "показаниями" импульсов.

И еще об одном примере использования прямоугольных импульсов - для настройки широкополосных делителей напряжения. Такой делитель,например, стоит в нашем осциллографе, он может быть в вольтметре или милливольтметре переменного тока. Поскольку полоса частот измеряемых сигналов может быть весьма широкой (от единиц до миллионов герц), делитель должен эти сигналы пропускать с одинаковым ослаблением, Иначе неизбежны ошибки измерении.

Можно, конечно, проконтролировать работу делителя снятием его амплитудно-частотной характеристики, которая подскажет, в какую сторону следует изменить номинал того или иного элемента. Но дело это значительно более трудоемкое по сравнению с методом анализа прямоугольными импульсами.

Взгляните на рис. 108, а - на нем приведена схема широкополосного компенсированного делителя напряжения. Если на низших частотах можно было бы обойтись только резисторами, сопротивления которых определяют коэффициент передачи (или коэффициент деления) делителя, то на высших частотах помимо резисторов в работе делителя участвуют конденсаторы в виде емкости монтажа, входной емкости, емкости соединительных проводников. Поэтому коэффициент передачи делителя на этих частотах может измениться значительно.

Чтобы этого не произошло, в делителе используют конденсаторы, шунтирующие резисторы и позволяющие компенсировать возможное изменение коэффициента передачи на высших частотах. Причем конденсатором С2 может быть емкость монтажа, достигающая иногда десятков пикофарад. Резистором же R2 может быть входное сопротивление устройства (осциллограф или вольтметр).

Компенсированным делитель станет в том случае, если будет обеспечено вполне определенное соотношение сопротивлений и емкостей делителя, а значит, будет равномерным коэффициент передачи делителя независимо oт частоты входного сигнала. К примеру, если применен делитель на 2, то должно соблюдаться условие R1* C1=R2*C2. При других соотношениях нарушится равномерность передачи сигнала разной частоты.

Принцип проверки компенсированного делителя с помощью прямоугольных импульсов аналогичен принципу проверки усилителя - подавая сигнал частотой 2000 Гц на вход делителя, наблюдают форму его на выходе. Если делитель скомпенсирован, форма (но, конечно, не амплитуда) сигналов будет одинаковой. В противном случае окажутся "заваленными" фронт и спад либо искажена вершина - свидетельства неравномерного пропускания делителем сигналов разных частот.

Если, к примеру, изображение сигнала будет таким, как показано на рис.108, б, значит, на высших частотах коэффициент передачи делителя падает из-за большого сопротивления на этих частотах цепочки R1C1. Следует увеличить емкость конденсатора C1. В случае появления искажений импульсов, показанных на рис. 108, в, придется, наоборот, уменьшить емкость конденсатора С1.

Попробуйте самостоятельно составить делители с разными коэффициентами деления (например, 2, 5, 10) из резисторов с высоким сопротивлением (100...500 кОм) и конденсаторов разной емкости (от 20 до 200 пФ) и добиться полной компенсации подбором конденсаторов.

В этой работе вы заметите влияние на результаты измерений самого осциллографа - ведь его входная емкость составляет десятки пикофарад, а

входное сопротивление около мегаома. Помните, что аналогичное влияние осциллограф оказывает на все высокоомные цепи, а также на частотозависимые. А это порою приводит либо к получению ошибочных результатов, либо вообще лишает возможности применить осциллограф, скажем, для анализа работы и измерения частоты радиочастотных генераторов. Поэтому в подобных случаях следует пользоваться активным щупом - приставкой к осциллографу, позволяющей сохранить высокое входное сопротивление его и в десятки раз уменьшить входную емкость.Описание такой приставки будет опубликовано в следующем номере журнала.

Вот теперь, когда вы познакомились с возможностью прямоугольного импульса подсказывать "диагноз" и контролировать "лечение", соберем еще одну приставку. Это делитель напряжения, с помощью которого осциллографом станет возможно контролировать цепи с напряжением до 600В, например, в телевизионных приемниках (как известно, осциллографОМЛ-2М допускает подачу на вход напряжения до 300 В).

Делитель образован всего двумя деталями (рис. 109), составляющими верхнее плечо предыдущей схемы. Нижнее же плечо сосредоточено а самом осциллографе - это его входное сопротивление и суммарная входная емкость, включая емкость выносного кабеля со щупами.

Поскольку нужно лишь вдвое уменьшить входной сигнал, резистор R1 должен быть такого же сопротивления, что и входное сопротивление осциллографа, а емкость конденсатора С1 соответствовать суммарной входной емкости осциллографа.

Делитель можно выполнить в виде переходника со щупом ХР1 на одном конце и гнездом XS1 на другом. Резистор R1 должен быть мощностью не менее 0,5 Вт, а конденсатор с номинальным напряжением не ниже 400 В.

Налаживание делителя весьма упрощено благодаря использованию нашего генератора импульсов. Его сигнал подают на гнездо ХР1 делителя и "земляной" щуп осциллографа. Вначале устанавливают на генераторе диапазон "50 Гц", на осциллографе включают ждущий режим и открытый вход. Касаются входным щупом осциллографа щупа ХР1 делителя (или зажимаХТ1 генератора). Подбором чувствительности осциллографа и амплитуды выходного сигнала генератора добиваются размаха

изображения, равного, скажем, четырем делениям.

Затем переключают входной щуп осциллографа в гнездо XS1 делителя. Размах изображения должен уменьшиться ровно вдвое. Более точно коэффициент передачи делителя можно установить подбором резистора R1делителя.

После этого устанавливают на генераторе диапазон "2 кГц" и подбором конденсатора С1 (если это понадобится) добиваются правильной формы импульсов - такой, как и на входе делителя.

При пользовании таким делителем для проверки режимов работы блоков развертки телевизоров по приводимым в инструкциях и различных статьях изображениям сигналов чувствительность осциллографа устанавливают равной 50 В/дел., а проверку ведут при закрытом входе осциллографа. Как и прежде, отсчет ведут по шкале масштабной сетки, но результаты увеличивают вдвое.

Схемы задержки цифровых сигналов требуются для временно го согласования распространения сигналов по различным путям цифрового устройства. Временные рассогласования прохождения сигналами заданных путей могут привести к критическим временным состязаниям, нарушающим работу устройств. На время прохождения влияют параметры элементов, через которые передаются цифровые сигналы. Изменяя эти параметры, можно изменять время распространения сигналов. Для изменения времени задержки используют электромагнитные линии задержки, цепочки логических элементов, RC -цепочки. Используя такие элементы, можно получить сужение, расширение сигналов, сужение со сдвигом относительно фронта входного импульса и т. д.

Для изменения длительности и смещения импульса относительно фронта часто используют естественную инерционность логических элементов. Одна из схем, использующих инерционные свойства логических элементов, представлена на рис. 12.8. (Подобная схема приводилась на рис.3.25 в п.п. 3.2.3)

Рис. 12.8. Формирователь короткого импульса с задержкой относительно переднего фронта (а) и временная диаграмма (б)

Каждый логический элемент создает временную задержку, поэтому при появлении входного сигнала изменение уровня выходного сигнала после первого логического элемента U 1 происходит через время t зд.р. Аналогично, через интервал временной задержки изменяются выходные сигналы других инверторов (U 2 ,U 3). Изменение состояния четвертого элемента нужно анализировать с учетом того, что здесь входы раздельные. До поступления входного сигнала на верхнем входе логического элемента DD 4 была логическая 1, а на нижнем входе – логический 0. Поэтому в установившемся состоянии на выходе схемы был высокий потенциал (логическая 1).

После появления входного сигнала на нижнем входе элемента DD 4 устанавливается логическая единица, на верхнем также пока еще действует 1. Поэтому на выходе схемы через время t зд.р установится логический 0. Пройдя через три логических элемента, входной сигнал изменит значение U 3 c 1 на 0 (это верхний вход элемента DD 4). Выходное напряжение схемы с учетом t зд.р в элементе DD 4 снова станет равно 1. Следовательно, схема формирует из переднего фронта входного сигнала короткий импульс длительностью 3t зд.р со сдвигом относительно переднего фронта на t зд.р. Задний фронт входного сигнала изменения состояния схемы на выходе не вызывает, поскольку к моменту появления 1 на верхнем входе элемента DD 4 на нижнем уже существует 0. Поэтому 1 на выходе сохраняется до появления следующего входного импульса. Происходящие процессы без учета длительности фронтов импульсов представлены на временной диаграмме (рис. 12.8, б ). Формируемый схемой сигнал имеет низкий уровень.

Если конъюнктор DD 4 в схеме (рис. 12.8, а ) заменить на дизъюнктор, а число инверторов сделать четным, то схема будет расширять входные импульсы на временной интервал, равный nt зд.р, где n – число инверторов в цепи задержки. Схема расширителя импульсов и временная диаграмма его работы представлены на рис. 12.9.

Рис. 12.9. Схема расширителя импульсов (а ) и временная диаграмма (б )

Из временной диаграммы видно, что длительность выходного импульса больше длительности входного на 4t зд.р.

Рассмотрены кратко лишь несколько схем последовательных формирователей импульсов. Дополнительные сведения можно найти в .

Одновибраторы

Одновибраторы (ждущие мультивибраторы) относятся к группе регенеративных схем. Этот класс импульсных устройств осуществляет формирование интервалов времени заданной длительности из входного запускающего импульса неопределенной (но достаточно короткой) длительности (не больше длительности вырабатываемого импульса). Для реализации ждущего мультивибратора устройство с коэффициентом передачи больше единицы необходимо охватить регенеративной (положительной) обратной связью.

Одна из возможных схем одновибраторов приведена на рис. 12.10, а . Одновибратор построен на двух элементах логики типа 2И-НЕ путем введения положительной обратной связи (выход второго элемента соединен с входом первого).

В исходном состоянии на выходе элемента DD 2 имеется уровень 1, а на выходе элемента DD 1 – логический 0, так как на обоих его входах имеется 1 (запускающие импульсы представляют отрицательный перепад напряжения). При поступлении на вход запускающего отрицательного перепада напряжения на выходе первого элемента появится уровень 1. Положительный перепад через ёмкость С поступит на вход второго элемента. При этом ёмкость С начнёт заряжаться через резистор R. Элемент DD 2 инвертирует этот сигнал, и уровень 0 по цепи обратной связи подается на второй вход элемента DD 1. На выходе элемента DD 2 поддерживается уровень 0 до тех пор, пока падение напряжения на резисторе R не снизится до величины U пор в процессе заряда конденсатора С (рис. 12.10, б ). Длительность выходного импульса одновибратора может быть определена с помощью выражения

Рис. 12.10. Схема одновибратора (а ) и временная диаграмма (б )

t и = C (R + R вых)ln (U 1 /U пор),

где R вых – выходное сопротивление первого элемента; U пор – пороговое напряжение логического элемента.

Рассмотренная схема может быть реализована как на микросхемах ТТЛ, так и на КМОП-структурах. Однако специфика каждого вида логики накладывает свои условия. Для построения одновибраторов можно использовать триггеры, имеющие дополнительные входы S а и R а для принудительной установки их в единичное и нулевое состояния.

Одновибраторы выпускаются в виде самостоятельных микросхем. В составе ТТЛ-серий имеется несколько микросхем ждущих и управляемых мультивибраторов. Преимущество одновибраторов в микросхемном исполнении состоит в меньшем количестве навесных деталей, в большей временной стабильности и более широких функциональных возможностях. К таким микросхемам относятся одновибраторы К155АГ1 и К155АГ3, в составе КМОП-серий – 564АГ1, 1561АГ1. Работа подобных микросхем подробно описана в литературе .

Для получения импульсов заданной длительности можно использовать счетчики. На основе счетчиков строят цифровые одновибраторы. Их применяют, когда временной интервал должен быть очень большим или предъявляются высокие требования к стабильности формируемого интервала. В этом случае минимальная получаемая длительность ограничена только быстродействием используемых элементов, а максимальная длительность может быть любой (в отличие от схем, использующих RC -цепи).

Принцип работы цифрового одновибратора основан на включении триггера входным сигналом и отключении через временной интервал, определяемый коэффициентом пересчета счетчика. На рис. 12.11 показан пример схемы для получения импульса заданной длительности с помощью счетчика.

Работу одновибратора поясняют диаграммы, на рис. 12.11, б . В исходном состоянии триггер DD 2 на инверсном выходе имеет высокий уровень, который по входу R устанавливает счетчик DD 1 в нулевое состояние. После прихода входного (запускающего) импульса U вх = 1 в момент t 1 триггер устанавливается в единичное состояние. На его инверсном выходе, при этом, установится низкий уровень, который разрешит счет импульсов программируемому счетчику DD 1. Счет импульсов от генератора G продолжается до значения, которое установлено по входам программирования. После подсчета заданного числа импульсов на выходе счетчика формируется сигнал высокого уровня U CT (момент t 2) , который вернет триггер DD 2 в нулевое состояние. При этом на инверсном выходе триггера снова установится высокий уровень, а счетчик вернется в исходное состояние.

Рис. 12.11. Структурная схема (а ) и временные диаграммы

(б ) цифрового одновибратора

Общим недостатком подобных схем является случайная погрешность, связанная с произвольностью фазы задающего генераторав момент запуска. Погрешность может составлять до периода тактовой частоты и уменьшается с увеличением частоты генератора. Устранить этот недостаток позволяют схемы с управляемым запуском генератора (генератор включается при появлении запускающего импульса).

Использование в составе одновибратора счетчиков с программируемым коэффициентом деления позволяет получить импульс любой длительности. Микросхема 564ИЕ15, например, состоит из пяти вычитающих счетчиков, модули пересчета которых программируются параллельной загрузкой данных в двоичном коде. Более высокая стабильность длительности выходного импульса обеспечивается применением кварцевого генератора тактовой частоты.