Одновибратор или ждущий моностабильный мультивибратор представляет собой генератор с одним устойчивым состоянием. После запуска генератора на его выходе формируется одиночный импульс.
Одновибратор на операционном усилителе можно построить, используя схему мультивибратора (рис. 2.1), в которой исключена возможность перезаряда конденсатора С. Это достигается путем шунтирования конденсатора С диодом VD1 (рис. 2.7).
Рис. 2.7
В представленной схеме имеются новые отличительные элементы, имеющие следующее назначение. Конденсатор Сд и резистор Rд образуют дифференцирующую цепочку, обеспечивающую высокую крутизну положительного импульса, поступающего на неинвертирующий вход. Диод VD2 пропускает только положительный импульс запуска ждущего мультивибратора, который по своей амплитуде должен превышать по модулю напряжение обратной связи Uос= –β·Umin (рис. 2.8), чтобы компаратор опрокинулся.
mах max
min
mах
mах min
Рис. 2.8
Рассмотрим работу одновибратора подробнее. В устойчивом состоянии, что обеспечивается неглубокой положительной обратной связью, отрицательное выходное напряжение одновибратора Uвых = Umin близко к напряжению питания. На неинвертирующем входе устанавливается напряжение Uос = – β·Umin. Для формирования положительного импульса необходимо создать условия для опрокидывания компаратора. Это возможно, если на неинвертирующем входе появится положительный импульс напряжения, амплитуда которого превзойдет величину напряжения обратной связи. Для гарантированного выполнения этого условия входной импульс подают на дифференцирующую цепочку СдRд, на выходе которой появятся два коротких большой амплитуды разнополярных импульса (рис. 2.8, напряжение Uвх). Отрицательный импульс не пропускается диодом VD2 и поэтому состояние схемы не изменится, а положительный заставит ждущий мультивибратор опрокинуться. На выходе ждущего мультивибратора появится положительное напряжение Umax, близкое к напряжению питания. Этим напряжением диод VD1 запирается, что позволяет конденсатору заряжаться полярностью, указанной на рис. 2.7, до величины Uc = β·Umax (рис. 2.8). Превышение напряжения на конденсаторе выше указанного приведет к возврату компаратора в начальное состояние. Таким образом, на выходе сформируется положительный импульс длительности tи. Исходя из процесса заряда конденсатора, рассчитаем величину длительности tи импульса в соответствии с уравнением:
Uc(tи) = β·Umax = Umax(1 – e– tи/ С·R1), (2.12)
в котором левая часть определяет напряжение на конденсаторе в конце импульса, а правая – уравнение заряда. Из (2.12) после преобразования получается:
tи=R1·C·ln(1–β)–1. (2.13)
Поскольку β = R3/(R3+R2), то после подстановки и упрощения уравнение (2.13) принимает вид:
tи=R1·C·ln(1 + R3/R2). (2.14)
Максимальная частота генерации импульсов зависит от суммарного времени заряда и разряда конденсатора. Если считать, что время разряда определяется приблизительно tразр » 3C·RоткрVD1, а cуммарное время Т = tи + tразр, то предельная частота генерирования импульсов или максимальная частота подачи запускающих импульсов вычисляется:
f £ 1/T = 1/(tи + 3С·RоткрVD1), (2.15)
где RоткрVD1 – сопротивление открытого диода.
Одновибраторы на логических элементах И-НЕ, ИЛИ-НЕ обладают определенными преимуществами перед аналогичными устройствами, выполненными на ОУ. Схемы одновибраторов строятся на базе элементов ТТЛ и КМОП-логики. Рассмотрим типовую схему на двух элементах И-НЕ ТТЛ микросхемы К555 ЛА3 (рис. 2.9а).
а) б)
Рис. 2.9
В исходном состоянии входной ток DD1.1 для микросхем серии К555, равный примерно Iвх » 0,25 мА, создает падение напряжения на резисторе R1, превышающее пороговое Uпор » 1,3 В. Это условие положено в основу расчета и выбора R1. Если на обоих входах DD1.1 поддерживается высокий уровень потенциала, то на выходе 1 DD1.2 также высокий потенциал. В момент t1 (рис. 2.9,б) запуска одновибратора импульсом низкого уровня напряжение на выходе 1 DD1.2 падает. Этот перепад напряжения через конденсатор С1 поступает на вход DD1.1 (точка А), снижая напряжение на нем. С этого момента изменение запускающего импульса на входе DD1.1 не нарушит начавшийся перезаряд конденсатора и, следовательно, не скажется на работе одновибратора. Перезаряд конденсатора С1 происходит по цепи: источник питания Uп – внутренний резистор RБ входного многоэмиттерного транзистора базового элемента И-НЕ DD1.1 – выход DD1.2.
Напряжение на конденсаторе и в точке А повышается и когда оно достигнет порогового (момент t2), произойдет переключение обоих элементов и восстановление исходного состояния генератора за счет разряда конденсатора. Для недопущения перенапряжения в точке А, возникающего при переключениях логических элементов, используют диод VD1, который ограничивает потенциал (см. пунктир на рис. 2.9, б) на уровне источника питания.
Длительность tи генерируемого импульса, определяемого на выходе 2 DD1.1, рассчитывается по формуле:
где Rэкв = R1 êêRБ – параллельное соединение резисторов. Для серии К555 RБ = 20 кОм, а рекомендуемое R1 = 20 кОм, поэтому Rэкв = 10 кОм; U1вых = =3,6 В; U0вых = 0,2…0,4 В; Uэкв = (Uп – 0,7)R1/( R1 + RБ) – падение напряжения на резисторе R1 делителя R1–RБ за счет протекания тока через эмиттерный переход открытого входного транзистора; 0,7 В – это падение напряжения на открытом эмиттерном переходе; Uпор » 1,3 В.
Время восстановления одновибратора определяется по формуле:
tв = R1С1 ln[1 + (U1вых – U0вых)/ Uпор]. (2.17)
Рассмотренный одновибратор относится к классу расширяющих, то есть запускающий импульс должен быть короче выходного, иначе одновибратор не успеет вернуться в исходное состояние. Для укорочения входного запускающего импульса последний пропускают через дифференцирующую цепочку.
Одновибраторы на логических элементах ТТЛ обладают сравнительно хорошей нагрузочной способностью, но по стабильности временных параметров при изменении напряжения питания и температуры уступают элементам КМОП-логики.
Вариант построения одновибратора на логических элементах КМОП представлен на рис. 2.10,а. Схема реализуется на микросхеме К561ЛА7.
В исходном состоянии на обоих входах логического элемента DD1.1 напряжение высокого уровня: на верхнем – пусковом от источника сигнала, а на нижнем за счет обратной связи с выходного элемента DD1.2. На выходе DD1.1 – низкое напряжение и конденсатор С1 разряжен. С приходом запускающего импульса низкого уровня в момент t1 напряжение на выходе DD1.1 станет высоким и конденсатор начнет заряжаться по цепи: источник питания – открытый верхний транзистор выходного каскада DD1.1 – конденсатор С1 – резистор R1 – общая шина. Возникающий в тот же момент скачок положительного напряжения на выходе DD1.1 через конденсатор передастся на входы DD1.2 и переключит его в состояние логического нуля. Низкий уровень напряжения, поступающий с выхода 1 по цепи обратной связи на вход DD1.1, не изменит состояния одновибратора даже после снятия запускающего импульса.
а) б)
Рис. 2.10
По мере заряда конденсатора напряжение на резисторе R1 падает (точка А) и как только оно достигнет порогового, логический элемент DD1.2 переключится, на его выходе появится высокий уровень напряжения (логическая 1). Далее этот потенциал по цепи обратной связи поступит на вход DD1.1 и переключит его в нулевое исходное состояние. Конденсатор быстро разрядится через открытый нижний транзистор выходного каскада элемента DD1.1 и одновибратор окажется в состоянии ожидания очередного запускающего импульса. Резистор R2 необходим только для ограничения входного тока, который составляет единицы мА.
Выходной сигнал одновибратора, как и в предыдущем примере, предпочтительнее снимать с выхода 2, поскольку импульс имеет более контрастную форму.
Длительность формируемого импульса можно определить по формуле, описывающей процесс разряда конденсатора до порогового уровня напряжения: Uc(tи) = Uп ∙ e– tи /R1C1 = Uп – Uпор, откуда
tи = R1C1∙ln [Uп /(Uп – Uпор)], (2.18)
где Uпор – пороговое напряжение логического элемента DD1.2.
Так как пороговое напряжение конкретных экземпляров микросхем может быть неизвестно, а техническими условиями допускается его разброс от 0,3Uп до 0,7Uп, то при ориентировочных расчетах пороговое напряжение берут равным 0,5Uп. При таком допущении формула (2.18) упрощается и принимает вид:
