Генератор на ттл логике

Специальные элементы цифровых устройств

В цифровой технике для выполнения обеспечивающих функций, например, формирования временных интервалов, увеличения и уменьшения длительности импульсов, согласования (преобразования) уровней и т. п. Применяются специальные элементы. Как правило, их стремятся выполнить с применением логических элементов. Для некоторых, наиболее часто используемых выпускаются микросхемы. В этой главе будут рассмотрены некоторые из них.

Автоколебательные генераторы используются в последовательностных цифровых устройствах для формирования временных интервалов, тактовых частот и т. п. Наиболее распространены генераторы, выполненные в виде мультивибратора на логических элементах с резисторно-емкостными обратными связями.

Рассмотрим простейшую схему симметричного мультивибратора, выполненную на двух ТТЛ ЛЭ И-НЕ. Его схема представлена на рис. 6.1.

Рис. 6.1. Схема электрическая принципиальная симметричного мультивибратора

Резисторы R1, R2 и конденсаторы C1, C2 являются время задающей цепью (ВЗЦ). При работе мультивибратора в авто колебательном режиме инверторы DA1:1 и DA1:2 поочередно находятся в единичном и нулевом состояниях. Время пребывания инверторов в нулевом или в единичном состояниях определяется временем заряда одного из конденсаторов. Если DA1:1 находится в единичном (), а DA1:2 – в нулевом состояниях() (t=0 на рис. 6.2 ), то конденсатор C1 заряжается током , протекающим через выходную цепь DA1:1 и резистор R2.

Рис. 6.2. Временные диаграммы напряжений мультивибратора

По мере заряда конденсатора входное напряжение на входе DA1:2 уменьшается по экспоненциальному закону с постоянной времени , стремясь к нулевому значению. Когда оно достигнет порогового значения , ниже которого начинается увеличение выходного напряжения DA1:2, в мультивибраторе развивается регенеративный процесс, при котором состояния элементов DA1:1 и DA1:2 изменяются на противоположные (на рис. 6.2). Скачкообразное уменьшение выходного напряжения () вызывает уменьшение входного напряжения , что приводит к быстрому разряду конденсатора C1 через открытые защитные диоды, подключенные параллельно входам внутри микросхемы, а затем его перезаряду входным вытекающим током DA1:2 и резистор R2 . Входное напряжение при этом возрастает до значения , определяемого моментом окончания процесса заряда конденсатора C2 в противоположной ветви мультивибратора (на рис. 6.2). Таким образом процессы периодически повторяются и на выходах DA1:1 и DA1:2 формируются два изменяющихся в противофазе импульсных напряжения с длительностями и .

Количественный анализ работы мультивибратора производится при принятой аппроксимации реальных проходных характеристик ТТЛ ЛЭ (рис. 6.3).

Рис. 6.3. Диаграммы работы мультивибратора

Так как на протяжении всего времени заряда конденсатора С2(С1) и перезаряда конденсатора С1(С2) ЛЭ DA1:1(DA1:2) должен находиться в единичном состоянии, его входное напряжение () не должно превышать порогового уровня , следовательно, сопротивления время задающих резисторов R1, R2 должно быть достаточно малым. При этом нужно выполнить условие , где — входное сопротивление ЛЭ. При этом рабочие точки обеих ЛЭ оказываются на динамических участках передаточных характеристик и, даже небольшое различие в коэффициентах передачи ЛЭ приводит к одному из квазиустойчивых состояний, когда на выходе одного устанавливается высокий уровень напряжение, а на выходе второго низкий. Режим самовозбуждения при этом будет мягким, т. е. после включения источника питания мультивибратор всегда переходит в автоколебательный режим (в отличие от жесткого, когда на обеих выходах после включения питания может оказаться или высокий или низкий уровень и самовозбуждение становится невозможным). Входное напряжение, например при перезаряде конденсатора С1 с постоянной времени , где — сопротивление параллельно включенных R2 и входного сопротивления ЛЭ, после запирания защитного диода изменяется по закону

.

Если за время , где — временной интервал, определяемый ВЗЦ R2, С2, напряжение превысит значение , то произойдет искажение формы импульса выходных сигналов, причем тем сильнее чем больше это напряжение превышает . Для устранения искажения необходимо чтобы входное напряжение не превышало пороговое. Длительность выходных импульсов определяется следующими приближенными формулами:

Скважность генерируемых импульсов определяется по формуле:

Рассмотренная схема мультивибратора используется редко потому, что требует тщательного подбора резисторов R1 и R2 для получения с одной стороны мягкого режима самовозбуждения, а с другой стороны неискаженной формы выходных импульсов.

На практике наиболее часто используется схема мультивибратора, приведенная на рис. 6.4.

В данной схеме используются ЛЕ И-НЕ с открытым коллектором, например К555ЛА8. Временные диаграммы работы этого устройства в точках a, b, c представлены на рис. 6.5.

При наличии низкого уровня на входе а происходит разряд конденсатора С1 через цепь, образованную частично открытым выходным каскадом DA1:2 и входную цепь этого же элемента (выходной каскад находится в частично открытом состоянии

потому, что ток разряда С1 создает отрицательную обратную связь). По достижении

входным напряжением DA1:3 , начинается процесс регенерации. При этом на

выходе DA1:3 устанавливается высокий уровень напряжения, а на выходе DA1:1 низкий и

Рис. 6.4. Схема мультивибратора на ЛЭ

Рис. 6.5. Временные диаграммы работы мультивибратора

начинается перезаряд С1 через открытый транзистор выходного каскада DA1:1 и входную цепь DA1:3. Временные характеристики этого мультивибратора определяются входными токами ЛЭ и величиной емкости С1.

Например, для ТТЛ микросхем типа К155ЛА8 частота генерируемых импульсов может быть рассчитана по формуле:

,

где С – емкость время задающего конденсатора в микрофарадах.

Скважность выходных импульсов примерно равна двум. Применение в такой схеме ЛЭ с полным выходом недопустимо потому, что в этом случае при перезаряде конденсатора С через верхние транзисторы выходного каскада протекает недопустимо большой ток, существенно увеличивающий потребляемую мощность и могущий привести к выходу из строя выходного каскада. Следует отметить, что рассмотренные схемы мультивибраторов не отличаются высокой стабильностью и используется там, где допустимая погрешность частоты составляет

10% от среднего значения. Это обстоятельство обусловлено существенной зависимостью входных токов ЛЭ от температуры.

Учитывая вышеизложенное, в устройствах, где требуется высокая точность отсчета временных интервалов используются генераторы импульсов с использованием кварцевых или пьезоэлектрических резонаторов во времязадающих цепях.

Для этого нужно кварцевый резонатор включить в цепь обратной связи. Схема мультивибратора с кварцевой стабилизацией частоты приведена на рис. 6.6.

При применении такой схемы кварцевого генератора следует учитывать, что кварцевый резонатор в ней работает на частоте последовательного резонанса. В схеме мультивибратора кварцевый резонатор используется в качестве узкополосного

Рис 6.6. Схема мультивибратора с кварцевой стабилизацией частоты.

фильтра в цепи обратной связи.

Эквивалентная схема кварцевого резонатора приведена на рис. 6.7 а, а характеристика зависимости сопротивления от частоты — на рис. 6.7 б.

Рис. 6.7. а — эквивалентная схема кварцевого резонатора; б — зависимость сопротивления кварцевого резонатора от частоты.

Обычно разность частот последовательного и параллельного резонансов составляет около 1 килогерца. В схеме мультивибратора возможно самовозбуждение генератора на частоте, далеко отстоящей от резонансной частоты кварцевого резонатора. Это обуславливается ёмкостью кварцедержателя, поэтому в схеме мультивибратора необходимо предусматривать специальные меры для борьбы с этим явлением:

— использование индуктивности, подключенной параллельно кварцевому резонатору, такой величины, чтобы резонансная частота контура, образованная этой индуктивностью и емкостью кварцедержателя, была близка к частоте последовательного резонанса;

— использование кварцевых резонаторов специальной конструкции с малой емкостью кварцедержателя (в практике используется наиболее часто).

Относительная стабильность частоты колебаний, вырабатываемых такой схемой существенно выше по-сравнению с ранее рассмотренным R-C мультивибратором и составляет

%. Иногда вместо кварцевых резонаторов используют более дешевые пъезокерамические резонаторы, имеющие на порядок худшую стабильность.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: На стипендию можно купить что-нибудь, но не больше. 9178 — | 7318 — или читать все.

91.146.8.87 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно

В принципе, генератор электрических колебаний представляет собой один или несколько усилительных каскадов, охваченных обратной связью с частотно-зависимыми сопротивлениями, которые и обеспечивают генерацию на требуемой частоте. В качестве частотіно-задающих элементов генераторов используют RC, LC, RLC-цепи, а также пьезокерамические и кварцевые резонаторы.

Схема генератора с RC частотно-задающей цепью и временные диаграммы, поясняющие его работу, приведены на рис. 24. Принцип его работы основан на процессе зарядки-разрядки конденсатора С через резистор R. Через этот резистор осуществляется ООС по постоянному току, а через конденсатор—ПОС по переменному. Предположим, что в начальный момент конденсатор разряжен, на выходе элемента DD1.2 действует напряжение низкого уровня — начнется заряд конденсатора (рис. 24, участок а). По мере его зарядки напряжение на нем увеличивается, а на выходе элемента DDL1—уменьшается (рис. 24, участок б). Когда напряжение на выходе элемента DD1.1 станет соответствовать низкому уровіню, выходное напряжение элемента DD1.2 начнет увеличиваться. Этот прирост напряжения через конденсатор поступает на вход элемента DD1.1, что приводит к резкому уменьшению его выходного напряжения, значит, к резкому увеличению выходного напряжения элемента DD1.2, что, в свою очередь, приводит к резкому уменьшению напряжения на выходе элемента DD1.1 и т. д. Таким образом, устройство скачком переключается в другое состояние — с напряжением высокого уровня на выходе элемента DD1.2 (рис. 24, участок в),

С этого момента начнется перезаряд конденсатора, в результате «его напряжение на входе элемента DDil.l уменьшается; а на его выходе — увеличивается (рис. 24, участок г). Когда напряжение на выходе элемента DD1.1 достигает напряжения высокого уровня, устройство скачком переключается в исходное состояние и процесс повторяется.

В таком генераторе можно использовать элементы ТТЛ, КМОП и ЭСЛ, но, в зависимости от конкретных элементов, на нее накладываются определенные ограничения. Для элементов КМОП сопротивление резистора может быть от единиц килоом до десятков мегаом, а емкость конденсатора — от десятков пикофарад до сотен микрофарад, а вот для элементов ТТЛ сопротивление резистора ограничено более узкими рамками, о чем уже говорилось ранее.

Рис. 24. Генератор с RC частотно-задающей цепью (а) и графики (б), поясняющие его работу

Частоту , генерации можно определить по приближенной формуле

Учитывая, что элементы КМОП имеют ограничения по частотному диапазону, рекомендовать их можно для генераторов на частоты до 2. 4 МГц. Для более высокочастотных генераторов следует применять элементы ТТЛ или ЭСЛ. Перестройку частоты генераторов можно осуществлять с помощью переменных резистора или конденсатора. Температурная стабильность таких генераторов невысока и для ее повышения используют конденсаторы с определенным ТКЕ.

Устройство, собранное по схеме рис. 24, генерирует прямоугольные импульсы со скважностью примерно равной 2 (скважность — отношение периода следования импульсов к их длительности). Если же скважность импульсов необходимо изменять, сохраняя при этом частоту их следования, надо синхронно изменять цепи зарядки и разрядки конденсатора. Как это реализовать, показано на рис. 26. Здесь для регулировки скважности импульсов используют потенциометр R1. В среднем положении его движка, когда время зарядки и разрядки конденсатора СІ примерно одинаково, скважность близка к 2. При перемещении движка в ту или иную сторону время зарядки будет, например, уменьшаться, а разрядки — увеличиваться, это приведет к изменению скважности, при этом частота следования будет изменяться незначительно. В таком генераторе можно регулировать скважность примерно от 1,01 до 100.

Если необходимо получить сигнал синусоидальной формы или повысить стабильность частоты, то в часготно-задающей цепи надо использовать LC-контур, который будет выполнять еще и фильтрующую функцию, подавляя гармонические составляющие высших порядков. Схема такого варианта генератора [8] приведена на рис. 26,а, его удобно использовать для частот более 3 . 5 МГц. Сигнал снимают с катушки L2, он имеет синусоидальную форму. Катушка U1 имеет отвод от середины, а соотношение витков этих катушек должно быть как 1 :7. Схема генератора на элементе ТТЛ с частогно-задающей цепью на последовательном LC-контуре приведена на рис. 26,б [43].

Простой генератор на элементах КМОП и LC-контуре можно собрать по схеме рис. 27. В нем через резистор R1 и катушку индуктивности L1 осуществляется ООС ло постоянному току, благодаря чему при изменении питающего напряжения обеспечивается устойчивая работа генератора в широких пределах. Так как входное сопротивление элемента составляет сотни килоом — единицы мегаом, он слабо шунтирует контур C1L1C2, поэтому добротность контура будет достаточно большой, что обеспечивает хорошую форму сигнала. Чтобы нагрузка не оказывала существенного влияния на частоту генератора, связь с ней осуществляется через конденсатор СЗ небольшой емкости.

Рис. 25. Принципиальная схема генератора с регулируемой скважностью импульсов

Общий недостаток описанных выше генераторов—сравнительно невысокая стабильность генерируемой частоты (10-3. 10-4 1/град). Для повышения стабильности применяют пьезокерамические и кварцевые резонаторы, включая их, например, вместо конденсатора в цепи ПОС (см. рис. 24), чем обеспечивают мягкий режим самовозбуждения. Однако при таком способе включения резонаторов возможно возникновение генерации на частотах, отличных от собственной частоты резонатора. Чтобы этого не произошло, используют различные способы фазовой или амплитудной селекции нужной частоты.

На рис. 28 приведена схема генератора с кварцевой стабилизацией частоты в диапазоне 2 . 10 МГц [9, 10]. Здесь конденсаторы С1 и G2 служат для подавления возможной паразитной генерации на частотах, отличных от частоты кварцевого резонатора BQ1. Для устранения влияния нагрузки на частоту генератора применен буферный элемент DD1.3. Настройка заключается в установке генерируемой частоты с помощью подбора емкости конденсатора СЗ. В табл. 2 приведены данные элементов для разных диапазонов частот.

Рис. 26. Принципиальные схемы LC-генераторов на элементах ТТЛ

Для повышения добротности контура емкость конденсатора С2 следует выбирать в 2—4 раза больше емкости конденсатора С1. Частоту генерации можно определить по формуле:

Рис. 27. Принципиальная схема генератора на LC-контуре и элементе КМОП

Рис. 28. Генератор на элементах ТТЛ с кварцевой стабилизацией частоты

Генератор с кварцевой стабилизацией частоты можно собрать всего на одном элементе КМОП (рис. 29). В нем резистор R1 выводит элемент DD1.1 на линейный участок передаточной характеристики. Резистор R2 выполняет одновременно несколько функций: обеспечивает дополнительный сдвиг фаз в цепи ООС по переменному току, предотвращает возможность паразитного самовозбуждения, снижает мощность, рассеиваемую на кварцевом резонаторе, что благотворно сказывается на стабильности частоты, а также ослабляет шунтирующее действие элемента на кварцевый резонатор, что также повышает стабильность частоты. Благодаря этому генератор на частоту 500 кГц, собранный на элементе микросхемы К176ЛА7, имеет нестабильность частоты не более ±0,1 . 0,5-10_6 при изменении напряжения источника питания в пределах ±10 %.

Сопротивление резистора R1 может быть 0,1 . 20 МОм, причем при большем его сопротивлении увеличивается влияние паразитных наводок, а при меньшем — ухудшается стабильность частоты. Сопротивление резистора R2 может быть от единиц до десятков килоом. Конденсаторы С1 и С2 емкостью от нескольких пикофарад до долей микрофарады должны быть с минимально возможным ТКЕ. Для повышения стабильности іна выходе генератора полезно установить буферный каскад на элементе DD1.2.

Рис. 29. Генератор на элементах КМОП с кварцевой стабилизацией частоты

Литература: И. А. Нечаев, Массовая Радио Библиотека (МРБ), Выпуск 1172, 1992 год.

При конструировании устройств на цифровых микросхемах нередко возникает задача построения генератора прямоугольных импульсов с теми или иными характеристиками. Данная статья призвана помочь конструктору-любителю подобрать схему задающего генератора той или иной степени сложности и необходимых характеристик.

Схема, представленная на рисунке 1 собрана на трех элементах микросхемы 155 ЛА3 и работает в режиме автогенератора благодаря задержке распространения сигнала через элементы. Для простой логики серии 155 время задержки одного элемента равно 20 нс, следовательно частота генератора, собранного на трех элементах будет примерно равна 8 МГц.

Для уменьшения частоты генерации число элементов нужно увеличить, учитывая, что количество их должно быть нечетным. Вход Упр. служит для управления работой генератора (высокий уровень разрешает работу схемы, низкий запрещает). Если управление генерацией не требуется, то управляющий вывод нужно подключить к плюсу источника питания через резистор 1 Ком или соединить его со вторым входом этого же элемента (по схеме нижний вход D1.1).

Классическая схема простейшего генератора с времязадающей цепью изображена на рис.2. Собрать его можно практически на любых элементах с инверсией (НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ), частота следования выходных импульсов зависит от емкости конденсатора С1 и сопротивления R1. Стоит учитывать, что при увеличении сопротивления R1 более 470 Ом, генерация будет неустойчивой. При номиналах R1= 300 Ом и С1=0.047 мкФ частота генерации будет составлять примерно 10 кГц.

Схема, изображенная на рис.3 содержит еще два элемента, один из которых (D1.3) служит для более устойчивой работы генератора, а другой (D1.4) используется в качестве буферного для улучшения формы выходного сигнала. При указанных на схеме номиналах R1 и емкости конденсатора 0.047 мкФ частота следования импульсов будет равна 10 КГц.

Частоту генерации мультивибратора на ТТЛ микросхемах несложно изменять не только номиналами сопротивления и емкости, но и изменением напряжения. На схеме, представленной на рис.4 управляющее напряжение подается на вход Упр. и может изменяться от нуля до напряжения питания микросхемы. При увеличении напряжения на входах у элементов быстрее наступает порог срабатывания в процессе перезаряда конденсаторов, а значит и увеличивается частота генерации.

Во всем диапазоне изменения напряжения зависимость «управляющее напряжение/частота» практически линейная. При емкости частотозадающих конденсаторов С1 и С2 равной 0.1 мкФ, частоту мультивибратора можно регулировать в диапазоне 1-8 кГц, а при 1000 пФ – 120 – 750 кГц. Скважность сигнала несложно изменять разницей в номиналах конденсаторов. Сигалы на выходах 1и 2 будут в противофазе, здя улучшения формы сигнала имеет смысл добавить на выходы еще по одному инвертору ( к примеру, неиспользуемые элементы D1.3 и D1.4).

Схема генератора, частоту и скважность которого можно оперативно менять с помощью переменных резисторов, изображена на рис. 5. При указанных на схеме номиналах резисторов и емкости конденсатора С1=0.1 мкФ скважность можно изменять от 1.5 до 3 (резистором R2), а частоту от 8 до 25 кГц (R1). Для другого диапазона частот придется изменить емкость конденсатора С1.

Особенность управляемого генератора импульсов, изображенного на рис.6 состоит в том, что длительность последнего генерируемого импульса не зависит от времени окончания управляющего сигнала. Когда бы сигнал Упр. не исчез, генератор в любом случае отработает период до конца. Достигнуто это тем, что один из входов управляющего элемента D1.1 подключен к выходу мультивибратора, собранного на элементах D1.2 – D1.4.

Запускается мультивибратор низким уровнем на входе Упр. и если в процессе работы генератора этот сигнал пропадет (станет высоким), то благодаря обратной связи (выход D1.4 – вход D1.1) мультивибратор остановится только тогда, когда отработает период полной длительности и уровень на его выходе не станет низким. В дополнение частоту генератора можно плавно изменять переменным резистором R2 (при указаных на схеме номиналах от от 4 до 25 кГц).

Обычно при построении генераторов на ТТЛ микросхемах используются резисторы небольшого номинала и потому емкости времязадающих конденсаторов получаются относительно большими, а диапазон регулировки частоты невелик. Увеличить диапазон регулировки до 200 раз можно, включив во времязадающую цепь транзистор с достаточно большим входным сопротивлением, как изображено на рис.7. При изменении емкости времязадающего конденсатора от 10 мкФ до 20 пФ, среднюю частоту генератора можно изменять от долей герца до нескольких МГц.

Еще одна схема, но уже с полевым транзистором, позволяет с помощью резистора R1 изменять частоту генератора в 50 000 раз (рис.8). Кроме того, высокое входное сопротивление затвора полевого транзистора позволяет получать низкую частоту генерацию при относительно небольшой емкости времязадающего конденсатора. К примеру, при указанных на схеме номиналах и максимальном значении R1 частота генерации составит примерно 0.5 Гц. Вполне очевидно, что для плавного изменения частоты в таком большом диапазоне, желательно, чтобы резистор R1 был многооборотным.

Все вышеописанные мультивибраторы не отличаются высокой стабильностью частоты, которая зависит от напряжения питания, температуры окружающей среды и еще целого ряда факторов, поэтому в случаях, когда к стабильности генерируемой частоты предъявляются высокие требования, в схему вводятся кварцевые резонаторы, работающие на необходимой частоте (рис.9). Строя подобные генераторы, следует иметь в виду, что приближение генерируемой частоты к граничной частоте переключения элементов, ухудшает форму сигнала, приближая ее форму к синусоидальной.