При необходимости в логическом устройстве сгенерировать импульсную последовательность, или сформировать управляющий импульс обычно используют мультивибратор, работающий в автоколебательном или ждущем режиме соответственно. Для естественного согласования логических уровней и временных параметров сигналов, а также для унификации элементной базы целесообразно использование логических элементов (ЛЭ) в качестве активных элементов для построения мультивибраторов.
При анализе схем мультивибраторов для определенности будем полагать, что в качестве элементной базы выбраны ЛЭ на комплементарных МОП транзисторах, имеющие Uв = E; Uн = 0; Uп = E/2; Rвх → ∞; Rвых → 0.
При построении схем на ЛЭ ТТЛ или ЭСТЛ принципы работы останутся неизменными, однако при определении временных характеристик сигналов необходимо учитывать специфику ЛЭ каждого типа.
Ждущий мультивибратор на ЛЭ с нарастающим хронирующим напряжением
В исходном состоянии считаем переходные процессы законченными, поэтому на входах первого ЛЭ и выходе второго ЛЭ действуют потенциалы Uв, а на выходе U1 потенциал Uн.
Запуск мультивибратора со входа E2 невозможен, его вывод подключен к напряжению питания Е, поэтому при подаче управляющего импульса (или группы импульсов при защите от дребезга контактов) в момент времени t0 на вход E1 происходит переключение выходов обоих ЛЭ в противоположное состояние. Сформированное состояние является квазиустойчивым, поскольку по цепи E – R1 – R2 – C происходит заряд конденсатора, потенциал в точке А и соответственно на верхнем входе первого ЛЭ, возрастает по экспоненциальному закону. В момент времени t1 напряжение достигает порогового уровня Uп , и оба ЛЭ переключаются в исходное устойчивое состояние.
Функции резистора R2 – ограничение выходного тока ЛЭ при разряде конденсатора через защитный диод VD, поэтому его номинал, как правило, не влияет на длительность формируемого импульса (R1» R2).
U_A(t)=E\cdot (1-e^{-\displaystyle\frac{t}{(R_1+R_2)\cdot C}}); U_A(t_И)=U^П=E/2,
тогда t_И\approx R_1\cdot C\cdot ln(2).
Работа схемы может быть проиллюстрирована моделированием в программе LTspice.
Ждущий мультивибратор на ЛЭ с убывакющим хронирующим напряжением
В исходном состоянии считаем переходные процессы законченными, поэтому на входах первого ЛЭ и выходе второго ЛЭ действуют потенциалы Uн, а на выходе U1 потенциал Uв
Запуск мультивибратора со входа E1 невозможен, его вывод подключен к напряжению питания Е, поэтому при подаче управляющего импульса (или группы импульсов при защите от дребезга контактов) в момент времени t0 на вход E2 происходит переключение выходов обоих ЛЭ в противоположное состояние. Сформированное состояние является квазиустойчивым, поскольку по цепи 0 – R1 – R2 – C происходит разряд конденсатора, потенциал в точке А и соответственно на верхнем входе первого ЛЭ, убывает по экспоненциальному закону. В момент времени t1 напряжение достигает порогового уровня Uп , и оба ЛЭ переключаются в исходное устойчивое состояние.
Учитывая что R1» R2, можно записать
U_A(t)=E\cdot e^{-\displaystyle\frac{t}{(R_1+R_2)\cdot C}}; U_A(t_И)=U^П=E/2,
тогда t_И\approx R_1\cdot C\cdot ln(2).
Работа схемы может быть проиллюстрирована моделированием в программе LTspice.
Автоколебательный мультивибратор на ЛЭ
Совмещение схем ждущих мультивибраторов позволяет реализовать устройство, способное формировать бесконечную импульсную последовательность – автоколебательный мультивибратор.
При низком уровне сигнала на управляющем входе Е оба ЛЭ имеют потенциал высокого уровня на выходах. Формирование колебаний невозможно.
При подаче разрешающего высокого уровня на управляющий вход Е происходит формирование импульсной последовательности.
В момент времени t0 на вход Е подается разрешающий потенциал высокого уровня, выход второго ЛЭ меняет потенциал на низкий уровень и через разряженный конденсатор верхний вход первого ЛЭ также приобретает потенциал Uн. Выход U1 при этом удерживается в состоянии Uв. Под действием напряжения U1 через резисторы R1 и R2 начинается заряд конденсатора С.
В момент t1 напряжение в точке А достигает порогового уровня, что приводит к переключению первого и соответственно второго ЛЭ в противоположное состояние. С момента времени t1 начинается стационарный процесс формирования импульсной последовательности. Причем на интервале t1 – t2 схема работает как мультивибратор с убывающим хронирующим напряжением, а на интервале t2 – t3 – как мультивибратор с нарастающим хронирующим напряжением.
Работа схемы может быть проиллюстрирована моделированием в программе LTspice.
Данный генератор – управляемый подачей потенциала высокого уровня на разрешающий вход.
На практике получил распространение вариант схемы с использованием трех инверторов, причем последний разделяет собственно генерирующую структуру и подключаемую нагрузку, для обеспечения стабильности частоты формируемых колебаний.
Работа схемы может быть проиллюстрирована моделированием в программе LTspice.
Относительная нестабильность частоты (допустимая девиация частоты ∆f/f) таких генераторов зависит от стабильности параметров пассивных элементов и редко бывает меньше 10-4. Для получения показателей стабильности на уровне 10-6…10-8 могут использоваться схемы генераторов с кварцевым резонатором.
Генератор на ЛЭ с кварцевой стабилизацией частоты
Кварцевый резонатор представляет собой резонансную электромеханическую систему, электрические свойства которой на нечетных гармониках эквивалентируются последовательным колебательным контуром с соответствующей резонансной частотой, а на четных гармониках – параллельным колебательным контуром с соответствующей частотой.
В целом частотная зависимость модуля внутреннего сопротивления кварцевого резонатора может быть представлена графической зависимостью.
С ростом частоты нечетных гармоник добротность эквивалентирующих контуров ухудшается, а эквивалентное сопротивление на резонансной частоте соответственно возрастает.
Схема генератора также использует три последовательно соединенных инвертора, два начальных при этом переводятся в активный усилительный режим введением отрицательных обратных связей резисторами R1, R2.
Кварцевый резонатор включен в цепь положительной обратной связи (с выхода второго инвертора на вход первого) и обеспечивает самовозбуждение генератора на основной частоте резонанса кварца. Третий инвертор выполняет функции буфера аналогично предыдущей схеме.
При необходимости кварц может быть возбужден на одной из высших нечетных гармоник, для чего цепь положительной обратной связи дополняется последовательным колебательным контуром с резонансной частотой соответствующей частоте желаемой гармоники возбуждения.
Работа схемы может быть проиллюстрирована моделированием в программе LTspice.
