3. Расширители импульсов

Расширители импульсов

В системах передачи информации для ослабления влияния случайных флуктуаций, а также для управления в устройствах автоматики нередко требуется из коротких импульсов получать более широкие, определенной длительности.
Эта задача легко реализуется с помощью ждущего мультивибратора (одновибратора). Одновибратор является триггерной схемой, которая генерирует одиночный импульс под действием внешнего управляющего сигнала. При этом
подразумевается, что формируемый импульс превышает длительность запускающего.

Рис. 1.9 Формирователь широкого импульса с использованием триггера Шмитта

Как правило, применяют один из двух методов формирования импульса:

аналоговый или цифровой. Наиболее простым является аналоговый — используется процесс перезаряда конденсатора. Пример такой схемы показан на рис. 1.9. Для правильной работы данного одновибратора необходимо, чтобы дли тельность входного запускающего импульса была достаточно большой, чтобы конденсатор успел полностью разрядиться. После окончания запускающего импульса конденсатор заряжается через резистор до величины напряжения питания. При этом, как только напряжение достигнет Uпор — элемент D2.1 переключится. В этом случае длительность выходного импульса (tи) зависит от номиналов установленных емкости и резистора во времязадающей цепи. Упрощенная формула позволяет ориентировочно рассчитать длительность импульса:

где Е — напряжение питания схемы;
Uпор — уровень используемого порога, рис. 1.10, для переключения элемента.

С учетом разброса значений напряжения порога переключения (Uпор) длительность импульса может принимать значения от tмин=0,4RC до tмax=1,11RC. Обычно в одновибраторах используются ЛЭ из одного корпуса (кристалла). В этом случае разброс Unop оказывается незначительным и можно принять tи=0,69RC. Это соотношение используется для определения длительности импульса в большинстве схем, рис. 1.11...1.18. Эпюры напряжения поясняют процессы формирования выходного импульса. Схемы, показанные на одном рисунке, являются аналогичными по логике работы и имеют ту же самую диаграм му напряжений в контрольных точках.

В отличие от простейшего варианта (рис 1.9) схемы, приведенные на рис. 1.11...1.14 не чувствительны к длительности входного импульса, из-за чего

Рис. 1.10. Области допустимых уровней сигнала на входе МОП микросхем

Рис. 1.11. Одновибратор с одной времязадающей цепью

Рис. 1.12. Одновибратор на основе RS-триггера

Рис. 1.13. Одновибратор по фронту входного сигнала

Рис. 1.14. Одновибратор

наиболее широко применяются в аппаратуре. Схемам, рис. 1.9, 1.15...1.17, присуще свойство перезапуска, т. е. если во время формирования выходного импульса появляется очередной запускающий, то отсчет длительности формируемого импульса начнется заново от момента окончания последнего запускающего.

Применяемые в схемах диоды ускоряют процесс перезаряда емкости, что уменьшает возможности возникновения импульсных помех на выходе ЛЭ.

Чтобы выходное сопротивление ЛЭ не сказывалось на точности расчета, а также не перегружался выход, резистор R1 должен быть номиналом не менее 10... 20 кОм. Чтобы пренебречь при расчетах емкостью монтажа, минимальная
емкость С1 может быть 200... 600 пФ. Для получения высокой температурной стабильности временного интервала номинал R1 должен быть < 200 кОм, а конденсатор не более 1, 5 мкФ. Использование электролитических конденсаторов увеличивает нестабильность временного интервала.

Для уменьшения влияния разброса значений Unop на длительность формируемого импульса можно воспользоваться схемами с двумя времязадающими цепями (рис. 1. 18). Если постоянные времени обеих времязадающих цепей

Рис. 1.15. Формирователи импульса после окончания действия
запускающего сигнала

одинаковы, то при максимальном разбросе значений Unop от 0, 33Uпит до 0,69Uпит изменение длительности формируемого импульса не превышает 9%.
Выполнение одновибраторов на RS-триггере, рис. 1. 19 и 1. 20, дает возможность иметь два раздельных входа запуска (по переднему фронту импульса), а также сразу получать на выходах прямой импульс и импульс с инверсией. Еще одним преимуществом одновибраторов на RS-триггерах является возможность осуществлять запуск от медленно меняющегося входного напряжения.

Рис 1.16 Формирователи импульсов

Рис 1.17 Формирователи импульсов

Длительность подаваемых на вход S запускающих импульсов должна быть меньше формируемого (режим, когда на входах S и R одновременно присутствует лог. "1", является запрещенным). На входе С длительность запускающего импульса может быть любой. Диод VD1 ускоряет разряд конденсатора через выход триггера и позволяет увеличить частоту запускающих импульсов (его применение уменьшает время восстановления схемы). Длительность формируемых им пульсов составляет приблизительно tи=0,69R1C1. Минимальное значение

Рис. 1.18 Одновибраторы с двумя времязадающими цепями

Рис. 1.19. Ждущие мультивибраторы:

а) на D-триггере; б) на JK-триггере,
в) с повышенной стабильностью при изменении питания

сопротивления R1 ограничено максимально допустимым выходным током триггера Его можно менять в пределах 20 кОм...10 МОм, при этом длительность импульса будет меняться в 500 раз. Одновременное изменение значений R1 и С1 позволяет регулировать длительности импульсов в пределах четырех порядков.

Рис 1 20. Ждущие мультивибраторы с увеличенной крутизной выходных
импульсов- а) на D-триггере; б) на JK-триггере

Рис 121. Ждущий мультивибратор с повышенной стабильностью

Схема на рис. 1.19в обеспечивает более стабильные импульсы при изменении питающего напряжения (аналогичную схему можно собрать и на JK-триггерах).

Для увеличения крутизны спадов выходных импульсов применяют схемы показанные на рис. 1.20, но в них конденсаторы С1 должны быть неполярными.
При этом длительность генерируемого импульса при тех же значениях RC-цепи, что и в схемах на рис. 1.18, получается примерно в 2 раза больше.

Лучшую стабильность при изменении напряжения питания по сравнению с представленными на рис. 1.19 вариантами обеспечивает схема одновибратора на двух триггерах, рис 1. 21. Кроме того, в этом случае подключение нагрузки не влияет на длительность генерируемых импульсов. Схема состоит из двух одновибраторов, имеющих общий вход запуска, но вырабатывающих на независимых выходах импульсы разной длительности. Импульсы на выходе 5 почти не будут зависеть от напряжения питания

Рис. 1. 22 Схемы формирователей задержанного импульса.

Ждущий универсальный одновибратор можно выполнить на специально предназначенной для этих целей микросхеме (рис 1. 22а). В одном корпусе 564АГ1 (1561АГ1) имеется два одновибратора, обладающих, в зависимости от комбинации управляющих сигналов на входе, свойством обычного запуска по переднему (вход S1) или заднему фронту (S2), а также при необходимости может перезапускаться. Вход R является приоритетным по отношению к осталь ным входам и устанавливает значение сигнала Q=0 (если вход R не используется, то подключается к +Uпит).

Длительность формируемого сигнала (tи, Q=1) задается соответствующей внешней RC-цепью: tи=0,5RC для С>0,01 мкФ. Более точно определить позволяет приводимая в справочнике [Л8] диаграмма.

Рис. 1. 23 Ждущий мультивибратор на триггере с возможностью перезапуска.

Рис. 1. 24 Ждущий мультивибратор с возможностью перезапуска.

Если требуется иметь перезапуск одновибратора на триггере, в случае прихода очередного входного импульса во время формирования интервала, то схема на рис. 1.23 позволяет увеличить длительность выходного импульса за
счет начала отсчета с момента окончания запускающего сигнала. Аналогичная схема приведена на рис. 1. 24. Когда на входе действует лог. "0", конденсатор заряжен до величины напряжения питания (лог. "1"). При поступлении запускающего импульса с длительностью, достаточной для разряда конденсатора, триггер перебросится и генерирует импульс. Длительность этого импульса, после окончания действия входного сигнала, определяется необходимым временем для заряда конденсатора до уровня лог. "1".

Схема (рис. 1.25), в отличии от вышеприведенной, позволяет получить более крутые фронты у сигнала на выходах триггера Второе преимущество этой схемы заключается в том, что по окончании вырабатываемого импульса конденсатор быстро разряжается через диод от уровня Uпор вместо дозаряда до уровня питания (Е) Из-за этого следующий запускающий импульс может быть значительно короче, при сохранении нулевого времени восстановления

Рис. 1.25 Ждущий мультивибратор с повышенной крутизной фронта
выходных импульсов.

Второй метод получения импульса нужной длительности связан с использованием счетчиков — цифровых одновибраторов Их применяют, когда временной интервал должен быть очень большим или предъявляют высокие требования к стабильности формируемого интервала В этом случае минимальная получаемая длительность ограничена только быстродействием используемых элементов, а максимальная длительность может быть любой (в отличие от схем, использующих RC-цепи).

Принцип работы цифрового одновибратора основан на включении триггера входным сигналом и отключении через временной интервал, определяемый коэффициентом пересчета счетчика. Использование в одновибраторе счетчи-
ков с переключаемым коэффициентом деления, рис. 1.26, позволяет получить импульс любой длительности. Микросхема 564ИЕ 15 состоит из пяти вычитающих счетчиков, модули пересчета которых программируются параллельной загрузкой данных в двоичном коде. На загрузку чисел в счетчики требуется три такта, поэтому можно устанавливать коэффициент деления N>3 [Л2].

В таблице 1.2 приведены максимально возможные коэффициенты деления в зависимости от значения М. При значениях М=0 счет запрещен. Сигнал на входе S управляет режимом периодического (0) и однократного (1) счета. Двоичный код для разных значений модуля М берется из таблицы 1.3 (# — запрет счета, х — любое состояние, лог. "О" или "1"). Общий коэффициент деления микросхемы определяется по формуле

N=M(1000P1+100P2+10P3+P4)+P5 .

При работе цифрового одновибратора с кварцевым автогенератором тактовой частоты обеспечивается более высокая стабильность длительности выходного импульса, что позволяет их применять в измерительных приборах.

Рис. 1. 26 Цифровой одновибратор на программируемом счетчике.

Таблица 1.2.

Таблица 1.3.

На рис. 1.27 показан пример простейшей схемы для получения импульса с помощью счетчика. Работу одновибраторов поясняют диаграммы, показанные на рисунках. Общим недостатком приведенных на рис 1.27 и 1.28 схем является случайная погрешность, связанная с произвольностью фазы задающего генераторав момент запуска. Погрешность может составлять до периода тактовой частоты и уменьшается с увеличением частоты генератора и коэффициента пересчета счетчика. Устранить этот недостаток позволяет схема на рис. 1.28
(генератор включается при появлении запускающего импульса).

Рис. 1.27. Цифровой одновибратор с повышенной стабильностью
временного интервала

Рис. 1.28. Цифровой одновибратор

В исходном состоянии на выходе счетчика D2/3 (4) присутствует напряжение лог. "1", что запрещает работу автогенератора на D1.1, D1.2. Запускающий импульс обнуляет счетчик D2, и на его выходе D2/3 будет лог. "0" до момента, пока он не досчитает до появления на D2/3 лог. "1". Поскольку формирование выходного импульса всегда начинается из одного и того же состояния задающего генератора, то исключена случайная погрешность длительности импульса, но эта схема имеет другой недостаток: при включении питания она формирует на
выходе импульс неопределенной длительности (в пределах заданного интервала). Схеме присуще свойство перезапуска в случае, если во время формирования выходного импульса появляется очередной запускающий (отсчет длительности формируемого импульса начинается заново).

Рис 1.29. Одновибратор с синхронизацией длительности выходного импульса
с частотой тактового генератора

Схема, показанная на рис 1.29 в момент поступления на вход запускающего импульса, обеспечивает на выходе сигнал, длительность которого равна периоду тактовой частоты (T=1/fт). При кварцевой стабилизации частоты генератора (fт) схема может использоваться в качестве высокостабильного одновибратора.