Мультивибраторы

План

Мультивибраторы. Логические матрици

Лекция № 19

Мультивибраторы. Логические матрици

Лекция № 19

презинтацию подготовил

студент группы 4ФЕБ

Черепаха Юлия

1. Мультивибраторы на ЛЭ

1.1. Мультивибратор с двумя ЛЭ И-НЕ

1.2. Мультивибратор на двух ЛЭ с ограничительным резистором на входе

1.3. Мультивибратор с двумя ЛЭ И—НЕ и транзистором

2. Мультивибратор с тремя ЛЭ И—НЕ

2.1. Программируемые логические матрицы (ПЛМ)

2.2. Схемотехника ПЛМ

2.3. Подготовка задачи к решению с помощью ПЛМ

2.4. Программирование ПЛМ

2.5. Упрощенное изображение схем ПЛС

2.6. Пример ПЛМ

Автогенераторы прямоугольных импульсов, или, как их еще называют, автоколебательные мультивибраторы – наиболее распространенный класс импульсных генераторов. Мультивибраторы, в отличие от одновибраторов, характеризуются двумя чередующимися временно устойчивыми состояниями, чередующихся за счет периодического заряда и разряда конденсатора. Одному из них соответствует высокий уровень выходного напряжения, другому – низкий. Смена состояний происходит регенеративно (скачком) в течение очень короткого времени. В современной аппаратуре автогенераторы прямоугольных импульсов реализуют в основном на микросхемах, как специализированных, так и универсальных – цифровых и аналоговых, компараторах, таймерах, триггерах и других. В схемотехническом отношении эти устройства отличаются большим разнообразием. Некоторые повторяют решения, известные в транзисторной технике, другие построены с учетом специфических свойств микросхем.

Мультивибраторы на микросхемах по сравнению с транзисторными проще по конструкции, как правило, имеют лучшую стабильность частоты генерации при изменении напряжения питания и температуры, позволяют легко управлять частотой колебаний и скважностью импульсов, а также прерывать генерацию.

Частоту генерирования задают хронирующие (времязадающие) элементы: RC-цепь (одна или две), LC-контур или кварцевый резонатор. Возможность перестройки частоты определяется конкретным видом генератора. В мультивибраторах с RC-цепями подбирают конденсатор либо вводят переменные резисторы. В кварцевых генераторах частота колебаний неизменна и зависит от рабочей частоты резонатора. Распространены также генераторы, у которых частоту генерации задают входным напряжением. Это так называемые генераторы, управляемые напряжением (ГУН), а также генераторы, управляемые кодом (ГУК).

1.1. Мультивибратор с двумя ЛЭ И-НЕ

Мультивибраторы на логических элементах НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ, Исключающее ИЛИ находят широкое применение благодаря простоте и хорошим эксплуатационным характеристикам.

На рисунке 1.1(а) показана принципиальная схема мультивибратора на двух инверторах.

Наличие одной хронирующей цепи существенно упрощает конструкцию мультивибратора и облегчает перестройку частоты – переключением конденсатора или изменением сопротивления резистора.

После включения питания уровень напряжения на выходе и в точке А одинаков (поскольку конденсатор С1 разряжен) и противоположен уровню напряжения в точке Б. Если, например, в исходный момент в точке Б действует высокое напряжение, то через резистор R1 потечет ток, заряжающий конденсатор С1. Напряжение на входе инвертора DD1.1 по мере зарядки конденсатора будет возрастать, приближаясь к пороговому. Когда это произойдет, элемент DD1.1 переключится, напряжение в точке Б упадет до низкого уровня, а на выходе напряжение скачком возрастет. Скачок напряжения будет передан на вход элемента DD1.1. Напряжение, приложенное к конденсатору, изменит полярность, и начнется перезарядка конденсатора, в связи с чем напряжение в точке А будет убывать. Когда оно достигнет порогового значения, произойдет новое переключение элементов, после которого рассмотренные процессы повторятся.

Рис. 1.1 Мультивибратор на двух инверторах КМОП

а – принципиальная схема; б – временные диаграммы

Длительность периодов времени между переключениями:

(1)

(2)

(3)

В последних формулах знак минус указывает, что логарифмируемые числа в них всегда меньше единицы и, следовательно, сами логарифмы отрицательны.

Когда пороговое напряжение для конкретного экземпляра микросхемы неизвестно, достаточно допустить, что U_ПOP=0,5U_П, а падение напряжения на входных диодах отсутствует, и расчет периода колебаний вести по упрощенной формуле:

T» 1,4RC

Выбор конкретных значений компонентов RC-цепи ограничен: Rl = 20 кОм... 5 МОм; С1 = 100 пФ... 0,5 мкФ. Верхний предел емкости и нижний – сопротивления обусловлены максимально допустимыми значениями выходного тока микросхем. Управлять частотой генерации можно, сделав резистор R1 переменным. Использования конденсатора малой емкости следует избегать.

Изменение напряжения питания на ±10% вызывает уход частоты примерно на ±0,8%. Этот уход объясняется в основном влиянием охранных диодов на входе элемента DD1.1. Наличие в уравнениях (1), (2), (3) члена U_П + U_ПР указывает на то, что при изменении напряжения питания числитель и знаменатель уравнения (3) меняются по-разному, хотя пороговое напряжение изменяется пропорционально напряжению питания.

Если считать, что U_ПОР=0,5U_П, то выбросы напряжения в точке А на рисунке 1.1(б) симметричны относительно уровня U_ПОР, и, следовательно, для выходного напряжения коэффициент заполнения γ = 0,5 (скважность Q = 2) и не зависит от напряжения питания. Для реальных микросхем по техническим условиям допускается разброс порогового напряжения U_ПОР = (0,3...0,7)U_П. Из этого следует, что для отдельных экземпляров микросхем возможен разброс частоты генерации до 10,5% и коэффициента заполнения от 0,3 до 0,7.

1.2. Мультивибратор на двух ЛЭ с ограничительным резистором на входе

На рисунке 1.2 показана схема усовершенствованного мультивибратора на инверторах структуры КМОП. Резистор R2 ограничивает ток разрядки конденсатора С1 через «охранные» диоды на входе элемента DD1.1. Сопротивление резистора R2 довольно велико и поэтому в моменты переключения напряжение в точке А будет достигать предельных значений U_П + U_ПОР и U_ПОР - U_П. Другими словами, теперь перепады напряжения в точке А происходят в пределах от + U_П до -U_П относительно уровня U_ПОР, а значит, всегда симметричны, независимо от значений порогового напряжения и питания.

Если сопротивление резистора R2 мало, пики напряжения в точке А будут укорочены, слишком большое сопротивление может послужить причиной паразитных колебаний или выбросов на фронтах из-за влияния паразитной емкости C_ВХ1, создающей частото-зависимую обратную связь. Как дополнительное достоинство этого мультивибратора следует отметить более крутые фронт и срез выходных импульсов. Сопротивление резистора R2 выбирают в пределах 2R1≤R2≤10R1.

Рис. 1.2 Мультивибратор на двух инверторах КМОП с ограничительным резистором на входе

Рис. 1.3 Эпюра напряжения одного периода колебаний мультивибратора по схеме на рисунке 1.2

На рисунке 1.3 показана эпюра напряжения в точке А в течение одного периода. Участки t1 и t2 соответствуют интервалам t1 и t2 на рисунке 1.1(б). Появление участков tа и tb обусловлено приростом напряжения.

Поскольку с увеличением напряжения питания длительность участков tа и t2 увеличивается, а участков tb и t1 уменьшается, период (частота) колебаний, а также скважность импульсов самостабилизируются по напряжению питания.

Так как участки участков tа и t2 увеличиваются с увеличением порогового напряжения, а участков tb и t1 уменьшаются, период (частота) колебаний, а также коэффициент заполнения также имеют тенденцию к сближению для отдельных экземпляров микросхем с разными значениями порогового напряжения.

Когда R2≥R1, составляющие периода колебаний определяются следующими формулами:

, (4)

(5)

(6)

В уравнение (6) член U_ПР не входит, а это значит, что в данном случае период колебаний уже не зависит от падения напряжения на открытых входных диодах инвертора DD1.1. Если, как и в предыдущем случае, допустить, что U_ПОР = 0,5 U_П, то последняя формула упростится:

T = 2,2RC

Для организации описанных мультивибраторов могут быть использованы, естественно, не только инверторы, но и другие логические элементы, включенные как инверторы. Употребление этих микросхем создает, кроме того, дополнительные возможности, в частности управление режимом работы генератора без вмешательства в цепи, обеспечивающие самовозбуждение. В этих случаях один из входов логического элемента используют для генерирования, а другой (другие) – для управления.

1.3. Мультивибратор с двумя ЛЭ И—НЕ и транзистором

На рис. 1.4 показан вариант схемы мультивибратора, приведенной на рис. 1.1. Отличие состоит в том, что входы DD1подключены к точке соединения, кон­денсатора и резистора через транзистор р — п — р - типа (например, SFТ353), который играет роль эмиттерного повторителя с большим входным и ма­лым выходным сопротивлением. Поэтому возможно применение резисторов с большим сопротивлением, чем в предыдущем случае, и ограничительное условие имеет вид 240 Ом < R < ЗО кOм.

Период генерируемых импульсов определяется той же зависимостью, что и для схемы на рис. 1.1: Т ≈ 2,3R С. Форма выходных импульсов также отличается от прямоугольной (см. эпюры напряжения).

Мультивибратор имеет два выхода, напряжения на которых взаимно инверсны.

Рис. 1.4. Мультивибратор с двумя ЛЭ И-НЕ и транзистором

1.4. Мультивибратор с тремя ЛЭ И—НЕ

На рис. 1.5 приведена схема мультивибратора с тремя ЛЗ И—НЕ. Его также можно рассматривать как вариант мультивибратора, показанного на рис. 1.1. Отличие состоит в способе включения рези­стора R. Один из его выводов подключен к выходу DD3 вместо выхода DD1. Так как входы DD3 соединены с выходом DD2, то по принципу действия оба мультивибратора не различаются. Включение дополнительного ЛЭ имеет смысл, когда надо разнести точки, к которым подключают нагрузку и времязадающий резистор R.

Период генерируемых сигналов также определя­ется зависимостью Т ≈ 2,3R С. Ограничительное условие для выбора сопротивления 240 Ом < R < 1,5 кОм.

Рис. 1.5. Мультивибратор с тремя ЛЭ И-НЕ

Дата добавления: 2014-01-06