Генераторы импульсов на элементах ТТЛ-ИС

При реализации различных устройств цифровой схемотехники часто возникает необходимость тактирования различных процессов, а также вопросы формирования импульсов определенной длительности, расширение длительности коротких импульсов и т.п. Для этого, как правило, применяются ждущие или автоколебательные генераторы, реализованные по той или иной схеме на логических элементах с применением дополнительных навесных сопротивлений и конденсаторов. Подбирая для каждого конкретного случая значения сопротивлений и конденсаторов, можно получать импульсы необходимой длительности. В развитии микросхем средней степени интеграции в составе серий ТТЛ появились несколько микросхем, выполняющих функции ждущих генераторов импульсов, со сложной логикой управления и выводами для подключения внешних RC-элементов. В данной лабораторной работе мы рассмотрим некоторые реализации ждущих и автоколебательных генераторов как на основе логических элементов, так и на основе микросхем К155АГ3, содержащих два ждущих мультивибратора со сложной логикой управления.

Генераторы импульсов на основе логических ИС

При рассмотрении ждущих генераторов на логических элементах канонической можно считать схему, представленную на рис. 2.1.

Для рассмотрения функционирования схемы необходимо определить устойчивое состояние, в котором она находится до прихода запускающего импульса на вход запуска. Здесь оно однозначно: элемент 1 закрыт (на выходе уровень "1"), элемент 2 открыт (на выходе уровень "0"), емкость C практически разряжена (в действительности на ней имеется некоторое начальное напряжение указанной полярности), на входе запуска неактивный сигнал – "1".

Отрицательный входной импульс переводит схему во временноустойчивое состояние, длительность которого и определяет выходной импульс. Элемент 2 закрывается, что приводит к открыванию элемента 1 и появлению выходного "0". Конденсатор C начинает заряжаться через выходное сопротивление элемента 2 и резистор R. Это происходит до тех пор, пока на входе элемента 1 напряжение не перейдет порог переключения элемента. После чего элемент 1 закрывается (на выходе появляется "1"), что в свою очередь приводит к открыванию элемента 2 и быстрому разряду конденсатора C через цепи защитных антизвонных диодов входного каскада элемента 1 и малое выходное сопротивление открытого элемента 2.

По условию t_И1 < t_И2, т.е. запускающий импульс должен быть короче вырабатываемого.

Формула для расчета длительности импульса:

(2.1)

при этом:

(2.2)

Условие (2.2) накладывает ограничение на величину R сверху. Кроме того, величина под знаком логарифма в формуле (2.1) должна быть больше единицы (условие открывания элемента 1 в момент начала формирования импульса на выходе). Это накладывает дополнительное ограничение на R снизу. Так что получаем двухстороннее ограничение:

(2.3)

Во всех формулах:

– выходное напряжение закрытого элемента (2,4 – 4,3 В)

– входное пороговое напряжение элемента (1,2 – 1,7 В). В системе Micro-Cap это напряжение составляет 1,4 В.

– входное сопротивление элемента ( )

– выходное сопротивление закрытого элемента (100 – 800Ом).

Изменять длительность импульса ввиду ограничения на величину R мы можем, изменяя значение емкости конденсатора C.

На основе данной схемы ждущего генератора мы можем построить автоколебательную схему (рис. 2.2). Рассмотрим ее функционирование. Пусть в исходном состоянии элемент 1 закрыт, элемент 2 открыт, емкость C₁ разряжена, емкость C₂ заряжена. Быстрый разряд емкости C₂ происходит через цепь антизвонного диода входа элемента 1. По мере заряда емкости C₁ уменьшается потенциал входа элемента 2. При в схеме происходит регенерация, и схема оказывается во втором временноустойчивом состоянии: элемент 1 открыт, элемент 2 закрыт, емкость C₁ заряжена, емкость C₂ разряжена. Длительности временноустойчивых состояний определяются аналогично длительности импульса в схеме ждущего генератора, при тех же ограничениях на величину R.

Выбирая значения емкостей C₁ и C₂, мы можем получать импульсы разной скважности, т.к. при этом будут различны длительности импульса и паузы. При этом существует ограничение на соотношение емкостей, а следовательно и на скважность импульсов. Пусть C₁<C₂. Тогда большая емкость C₁ должна успеть разрядиться за время заряда меньшей. Поэтому максимальное значение скважности не превышает 20.

Для данной схемы автоколебательного генератора присущ нештатный режим, который получил название режим "жесткого" самовозбуждения. При этом обе емкости (C₁ и C₂) заряжены и оба элемента – закрыты. Это состояние устойчивое, следовательно, генерации в схеме не возникает. Для исключения такого состояния вводят элементы 3 и 4 (рис. 2.2, пунктир). Наличие их гарантирует запуск генерации при нажатии кнопки, т.к. при этом принудительно открывается элемент 2 на время разряда емкости C₂.