Генераторы импульсов на основе триггеров.

Для построения одновибратора на основе необходимо включить времязадающую цепь между одним из выходов и соответствующим входом. Второй вход триггера используется для возбуждения схемы. В одновибраторе (рис. 8.22) в качестве времязадающей используется интегрирующая цепь между единичным выходом -триггера и -входом установки в состояние «0». Поэтому устойчиво триггер может находиться только в состоянии , так как после установки в состояние «1» высокий потенциал обусловливает заряд конденсатора С через резистор .

Через время напряжение на конденсаторе сбрасывает триггер в устойчивое состояние . Таким образом, длительность выходного импульса определяется процессом заряда конденсатора С от некоторого начального значения до порогового напряжения с постоянной времени

Начальное напряжение на конденсаторе С для ИМС КМДП-типа , а для ТТЛ-типа определяется выражением

где — входное и выходное сопротивления триггера, соответствующие уровню логического «0».

Рис. 8.22.

Напряжение на конденсаторе нарастает асимптотически, стремясь к

Длительность выходного импульса

определяется с учетом выражений .

После сброса триггера в состояние схема восстанавливается: конденсатор С разряжается с постоянной времени (или происходит ускоренный разряд через подключенный параллельно резистору диод VD). Расчет схемы сводится к выбору сопротивления резистора R, на которое накладывается ограничение

— минимально допустимое сопротивление нагрузки триггера), и требуемой емкости конденсатора С.

Регулировка длительности импульса изменением сопротивления резистора R при использовании триггера на ТТЛ-типе малоэффективна, так как согласно (8.30) изменение за счет сопротивления R частично компенсируется изменением . Такая нежелательная компенсация отсутствует при использовании -триггеров на КМДП, которые для схемы на рис. 8.22 предпочтительнее.

Основной недостаток схемы рис. 8.22 — невысокая стабильность длительности импульса при изменении температуры окружающей среды. Это связано с температурным дрейфом порогового напряжения . Температурную стабильность можно существенно улучшить, если времязадающую -цепь включить между выходами триггера (рис. 8.23,а) [16]. Используемый в такой схеме триггер должен допускать значительные отрицательные выбросы входного напряжения (рис. ).

Рис. 8.23.

Длительность выходного импульса определяется процессом перезаряда конденсатора С с постоянной времени

от начального уровня

где

до порогового напряжения при асимптотическом приближении напряжения к уровню :

Более высокая стабильность одновибратора (рис. 8.23) обусловлена большей крутизной экспоненты в области порогового напряжения. Скол вершин выходных импульсов объясняется протеканием емкостной составляющей через выходные сопротивления и наблюдается преимущественно в генераторах на ИМС ТТЛ-типа. Если схему одновибратора на рис. 8.22 дополнить второй времязадающей цепью между инверсным выходом и входом S, получим автоколебательный мультивибратор (рис. ) с независимой регулировкой длительностей полупериодов и постоянными времени .

Длительности полупериодов приближенно определяются соотношениями

Рис. 8.24.

Разряд конденсаторов (рис. 8.24, б) протекает быстро через диоды с постоянными времени ( и не влияет на частоту генерации ).

Рис. 8.25.

Мультивибратор (рис. 8.24) можно реализовать как на ТТЛ, так и на КМДП ИМС. Он обладает тем же недостатком, что и одповибратор с заземленным конденсатором (рис. 8.22): температурная нестабильность частоты (длительности) генерируемых импульсов. Более высокой температурной стабильностью обладает мультивибратор на -триггере с одним времязадающим конденсатором (рис. ). При тех же длительностях импульсов амплитуда напряжения на входах приблизительно вдвое больше (рис. ), поэтому дрейф порогового напряжения при колебаниях температуры окружающей среды меньше влияет на частоту.

Частота генерации мультивибратора определяется двумя процессами перезаряда конденсатора С. В каждом из них ток перезаряда протекает от выхода триггера, на котором установился высокий уровень , через резистор , конденсатор С, диод к выходу триггера, имеющему низкий уровень U. Эти процессы характеризуются постоянными времени соответственно

где — сопротивлении прямо смещенных диодов соответственно.

Рис. 8.26.

С учетом формул (8.31), (8.32) длительности выходных импульсов приближенно находят из соотношений

где — падение напряжения на открытом диоде.

Обе рассмотренные схемы мультивибраторов на основе -триггеров обладают мягким самовозбуждением, т. е. не требуют внешнего запуска, поэтому при использовании синхронных -триггеров на них можно просто построить генератор пачек импульсов, управляемых потенциалом на тактовом входе. Выбором сопротивлений резисторов и/или конденсаторов можно обеспечить режим генерирования с требуемой частотой и скважностью .

Если мультивибратор должен обеспечить только заданную частоту генерации , а скважность импульсов не существенна, целесообразно воспользоваться схемой простейшего мультивибратора на основе триггера Шмитта (рис. 8.26). Триггер Шмнтта входит в состав развитых серий ИМС, и, поскольку он имеет один вход и часто один (инверсный) выход, в одном корпусе содержится до шести триггеров. Передаточная характеристика триггера Шмитта (рис. ) имеет явно выраженный гистерезисный характер. На ней выделяются два пороговых напряжения переключения выходного напряжения соответственно .

Простейший мультивибратор на основе триггера Шмитта получается включением интегрирующего -звена между инвертирующим выходом и входом (рис. ). В момент подключения источника питания конденсатор С разряжен, , на инверсном выходе триггера устанавливается высокий уровень , который обусловливает заряд конденсатора через резистор R с постоянной времени . Входное напряжение экспоненциально нарастает, стремясь асимптотически к уровню . В момент сравнения входного напряжения с (рис. 8.26, а) выходное напряжение скачком переключается до низкого уровня , что влечет за собой разряд конденсатора С через резистор R и выходное сопротивление с постоянной времени . Напряжение экспоненциально падает, стремясь в пределе к .

Рис. 8.27.

В момент, когда сравнивается с , триггер переключается в новое состояние с высоким уровнем на выходе, и начинается новый цикл заряда. Таким образом, мультивибратор самовозбуждается и генерирует прямоугольные импульсы, длительность и паузы которых определяются соотношениями

Выражения (8.33) и (8.34) позволяют рассчитать частоту генерации мультивибратора и скважность Q выходных импульсов. Величина сопротивления R ограничена соотношением (8.16), поэтому требуемая частота генерации зависит от емкости конденсатора С. Коррекцию скважности можно выполнить заменой резистора R нелинейным двухполюсником . 8.26,г, резисторы которого R, должны иметь сопротивления, удовлетворяющие условию (8.16).

Стабильность частоты мультивибратора (рис. 8.26) невысока, поскольку разность пороговых напряжений мала и температурный дрейф каждого из них существенно влияет на длительности . Для улучшения стабильности частоты в схему включают дополнительный инвертор (рис. 8.27), который приводит схему к конфигурации рис. 8.20.

Длительности полупериодов в таком мультивибраторе на ИМС ТТЛ-типа определяются выражениями

При использовании ИМС на основе КМДП, имеющих большое входное сопротивление и допускающих выбор сопротивления радиатора R значительно большими, чем из условия (8.16), выражения (8.35), (8.36) упрощаются

Скважность импульсов в схеме рис. 8.27 также можно корректировать выбором резисторов R, нелинейного двухполюсника (см. рис. 8.26,г). В этом случае в выражении , а в выражении (8.38) .

Сколы высоких , и низких уровней выходных сигналов определяются величиной емкостной составляющей выходных токов ИМС и наблюдаются в основном в мультивибраторах на ИМС ТТЛ-типа, в которых токи перезаряда конденсатора обусловлены относительно небольшими сопротивлениями резистора .