Цифровая электроника

Одновибраторы и мультивибраторы

Наряду со схемами задержки широко используются схемы генераторов одиночных импульсов и последовательностей импульсов. К генераторам одиночных импульсов относится ждущий мультивибратор или одновибратор. Ждущий мультивибратор (одновибратор) – это устройство с одним устойчивым и одним неустойчивым состоянием, длительность которого определяется внутренними переходными процессами времязадающих реактивных цепей. После пребывания в неустойчивом состоянии ждущий мультивибратор снова возвращается в устойчивое состояние. Для перевода одновибратора в неустойчивое состояние на его вход подается запускающий импульс. Таким образом, при подаче на вход короткого запускающего импульса, одновибратор вырабатывает на выходе импульс фиксированной длительности.

Схема ждущего мультивибратора на двух логических элементах и RC-цепи представлена на рис. 3.7.

Рис. 3.7. Схема ждущего мультивибратора.

В состав ждущего мультивибратора входят логические элементы ЛЭ1, ЛЭ2 и RC-цепь. При этом, ЛЭ2 и RC-цепь образуют схему задержки на основе дифференцирующей цепи, рассмотренную выше. Источником входного импульса для нее является выход элемента ЛЭ1. Схема задержки формирует задержку входного импульса на величину t_зад. В устойчивом состоянии, поскольку на входе ЛЭ2 действует напряжение U_R0, меньшее U_пор, на выходе схемы присутствует логическая единица, которая одновременно подается на один из входов ЛЭ1. Если при этом на другой вход ЛЭ1 (U_вх) также подавать логическую единицу, то на выходе ЛЭ1 сохраняется логический нуль. Схема, таким образом, находится в устойчивом состоянии (рис. 3.8). Подав теперь на вход U_вх напряжение логического нуля, на выходе ЛЭ1 сформируется напряжение логической единицы, которое через конденсатор передастся на ЛЭ2. На входе ЛЭ2 напряжение возрастет до значения U_Rmax и на его выходе сформируется логический нуль. По мере заряда конденсатора, напряжение на входе ЛЭ2 будет стремиться к значению U_R0. В момент равенства напряжения на входе ЛЭ2 значению U_пор, на выходе ЛЭ сформируется логическая единица и схема вернется в устойчивое состояние. Длительность выходного импульса будет определяться длительностью задержки t_зад, задаваемой схемой задержки на элементе ЛЭ2, конденсаторе и резисторе.

Рис. 3.8. Временная диаграмма работы ждущего мультивибратора.

Выше было показано, что R должно удовлетворять условию R<2,2 кОм, на практике R_макс=1,6 кОм. Для увеличения t_зад можно увеличивать только емкость, что приводит к увеличению габаритов устройства. Чтобы увеличить t_зад за счет увеличения сопротивления зарядной цепи используют схему с эмиттерным повторителем, которая приведена на рис. 3.9.

Рис. 3.9. Схема ждущего мультивибратора с эмиттерным повторителем.

Имеем  кОм. Входное сопротивление транзисторной цепи определяется как

.

Типовое расчетное значение для  выбираем 100. Таким образом,

 кОм.

Выбираем , т.е. выбираем из стандартного ряда , тогда эквивалентное сопротивление выражается как сопротивление параллельной цепи из R и r_вх.тр

 кОм.

Таким образом, если без эмиттерного повторителя t_зад=3800?С, то в данном случае

,

т.е. t_зад увеличилась почти в 20 раз.

Если входы двух схем задержек на основе дифференцирующей RC-цепи и логического элемента замкнуть с выходами друг друга, то получится схема автоколебательного мультивибратора или просто мультивибратора (рис. 3.10), задача которого генерировать последовательность прямоугольных импульсов. В данной схеме можно выделить две схемы задержки: первая — на элементах ЛЭ1, R1 и C1, вторая — на элементах ЛЭ2, R2 и C2. Такая схема относится к классу релаксационных генераторов.

Рис. 3.10.Схема мультивибратора на двух логических элементах и дифференцирующих цепях.

Особенностью мультивибратора является то, что, хотя каждая из образующих его схем задержек имеет устойчивое состояние, целиком вся схема устойчивого состояния не имеет. Таким образом, логическая единица с выхода одного элемента (ЛЭ1) перебрасывает другой элемент (ЛЭ2) в противоположное состояние. Тот, в свою очередь, меняет на противоположное состояние первого элемента (ЛЭ1) и т.д., т.е. возникает колебательный процесс, незатухающий за счет наличия источника питания и активных элементов ЛЭ1 и ЛЭ2. Для элементов ТТЛ-типа временная диаграмма работы представлена на рис. 3.11. Длительности импульса и паузы, составляющие период колебаний, определяются величинами задержек первой и второй схем t_зад1 и t_зад2:

или при R₁=R₂=1,6 кОм

.

Рис. 3.11.Временная диаграмма работы мультивибратора на двух логических элементах и дифференцирующих цепях.

Для элементов КМОП-типа период колебаний можно найти из формулы

.

Для реализации автоколебательного мультивибратора на базе логических элементов КМОП-типа широко применяется схема, представленная на рис. 3.12.

Рис. 3.12.Схема мультивибратора на базе элементов КМОП-типа.

Рассмотрим принцип работы схемы. Пусть в исходном состоянии на входе ЛЭ1 — логический нуль, на выходе ЛЭ1 — логическая единица и на выходе ЛЭ2 — логический нуль. Напомним, что для элементов КМОП-типа характерно: ,  и . Тогда схему подключения RC-цепочки можно изобразить в виде, представленном на рис. 3.13,а.

а)  б)

Рис. 3.13.Эквивалентные схемы подключения RC-цепи в мультивибраторе на базе элементов КМОП-типа.

Напряжение на конденсаторе стремится к +E и в момент времени t₁ напряжение на конденсаторе, а значит и на входе ЛЭ1 достигает значения  (рис. 3.14). При этом на выходе ЛЭ1 появляется логический нуль, а на выходе ЛЭ2 — логическая единица. Исходная схема теперь вырождается в схему, представленную на рис. 3.13,б. При этом начальное напряжение на конденсаторе будет . Таким образом, значение напряжения на входе ЛЭ1 скачком возрастает до значения 1,5 ?E. После этого напряжение на R стремится к нулю. В момент t₂ напряжение на нем, а следовательно и на входе ЛЭ1 уменьшится до значения , что приведет к появлению на выходе ЛЭ1 логической единицы. На выходе ЛЭ2 соответственно появится логический нуль и схема снова примет вид, представленный на рис. 3.13,а. При этом конденсатор окажется подключенным в обратной полярности, т.е. . Через защитный диод на входе микросхемы КМОП-типа конденсатор быстро разряжается до нуля. Таким образом, начальное значение напряжения на конденсаторе принимается равным нулю. Далее конденсатор начинает заряжаться до значения E с постоянной времени . Очевиден колебательный процесс, для которого можно записать

,

,

.

Рис. 3.14.Временная диаграмма работы мультивибратора на базе логических элементов КМОП-типа.

Приведенные схемы мультивибраторов на базе логических элементов и RC-цепей характеризуются невысокой стабильностью частоты генерируемых импульсов. Связано это как с большим технологическим разбросом параметров резисторов, конденсаторов и логических элементов, так и с условиями эксплуатации схемы. Кроме того, существенное влияние оказывают и процессы старения элементной базы. Точность генерируемой частоты в таких схемах обычно не превышает 10 %, что объясняется относительной погрешностью входящих в схему элементов. В большинстве же случаев требуется высокая точность установки частоты и стабильность ее в процессе эксплуатации. Наиболее простым решением данной задачи является использование кварцевых резонаторов, разброс параметров которых может составлять тысячные доли процента.

Вариант одной из схем мультивибратора с кварцевой стабилизацией частоты приведен на рис. 3.15. В основе ее лежит уже рассмотренный мультивибратор на базе RC-цепи и логических элементов КМОП-типа. Частота генерируемых импульсов определяется частотой кварцевого резонатора G. Переменный конденсатор C позволяет в незначительных пределах подстраивать частоту. Резистор Rпрактически не влияет на частоту импульсов, но его номинал необходимо подбирать из условия надежного запуска мультвибратора. Кроме того, для более качественной формы выходных прямоугольных импульсов, в схему добавлен дополнительный буферный логический элемент ЛЭ3.

Рис. 3.15. Схема мультивибратора с кварцевой стабилизацией частоты.