Регулировка скважности импульсов на логических микросхемах

Генератор на К561ЛА7 с регулировкой частоты

Цифровые микросхемы могут реализовывать не только математическую логику. Один из примеров альтернативного функционала – генераторы тактовых импульсов.

В самом простейшем виде генератор представляет собой ни что иное, как колебательный контур, собранный на базе конденсатора и сопротивления (так называемый RC-контур). Однако, такие схемы отличаются низким качеством выходного сигнала и нелинейностью формируемых импульсов.

Придать им правильную «квадратную» форму смогут микросхемы, реализующие простую логику «И-НЕ», такие как К561ЛА7 или аналоги. Но обо всем поподробнее.

Микросхема реализует логику четырёх независимых элементов «И-НЕ» (схема с цоколевкой ниже).

Номинальное напряжение для питания – 10 В, максимальное – не более 15 В.

Может работать практически при любой температуре (от -45 до +85°С), потребляет совсем немного тока (до 0,3 мкА) и имеет небольшое время задержки (80 нс).

К прямым аналогам можно отнести микросхему CD4011A. Однако, в описываемой задаче могут применяться также:

  • К176ЛЕ5 (допустима прямая замена без изменения схемы);
  • Микросхемы из серии К561;
  • К176ПУ2/или ПУ1;
  • А также другие микросхемы, реализующие логику четырёх или более независимых инверторов.

На всякий случай приведем таблицу истинности.

Рис. 2. Таблицу истинности

Простой генератор частоты

Схема, обозначенная ниже, будет формировать меандр (прямоугольные импульсы).

Рис. 3. Схема, которая будет формировать меандр

Фактически можно обойтись и без последнего блока D1.4.

Колебания задаются контуром C1R1, а логические элементы преобразуют синусоидальный сигнал в прямоугольный, отсекая фронты спада и подъема согласно логике инвертирования (есть сигнал на входе, превышающий пороговое значение – выдается на 0, отсутствует – выдается логическая единица).

Недостаток такого генератора – отсутствие возможности регулирования частоты (она фиксированная и определяется номиналом конденсатора с резистором) и влияния на время паузы, длительности импульса (или их соотношение – то есть скважность).

Схема, обозначенная ниже позволяет отдельно регулировать время паузы и длительность импульса.

Рис. 4. Схема, которая позволяет отдельно регулировать время паузы и длительность импульса

За эту логику отвечают настроечные резисторы R2 и R3. Частотный диапазон регулируется незначительно и потому для его кардинальной смены можно предусмотреть включение нескольких конденсаторов разной емкости (на замену C1), включаемых в схему попеременно.

Еще одна версия с возможностью регулирования скважности (основана на схеме все того же мультивибратора).

Рис. 5. Вариант схемы с возможностью регулирования скважности

Схема с различной формой сигнала

Можно назвать ее практически универсальной для различного рода экспериментов с ГТИ (генераторами тактовых импульсов).

Выглядит она следующим образом.

Рис. 6. Схема с различной формой сигнала

Номинал резисторов и конденсаторов не особо принципиален и может быть изменен под свои нужды.

Как видно выше, есть сразу три выхода с прямоугольным сигналом (меандром), треугольным и синусом.

Каждый из них может быть изменен соответствующими подстроечными резисторами.

Мнения читателей

Схема (3) , в которой использован конденсатор на 10мкф — это ЧТО? Издевательство над микросхемой? Ладно полярность конденсатора не указана (используем металлобумажный размером с кирпич?), так ведь токи переразрядки огромны для указанного типа микросхем!

Fabio2005 / 08.08.2021 — 17:53

Для «величайшего умника» Александра. Откровенно говоря большего идиотизма за 40 лет работы с различными линейными и цифровыми схемами мне еще не приходилось читать. Никогда больше и нигде эту дурь не пишите. Кроме микросхем ЭСЛ все остальные работают в ключевом режиме- открыт/закрыт. Для вывода в линейный режим (усиление) вводят ОС. Однако этот режим не характерен и не описан в datasheet на элементы. Да и попробуйте заставить усиливать триггер или АЛУ. Микросхемы ЭСЛ изначально работают в линейном режиме обеспечивая высокое быстродействие (время задержки для серии 1500 менее 1 нс). Плата за это- большое потребление и тепловыделение.Советую прежде чем менторским тоном поучать других — по изучать не только основы цифровой техники, но и основы построения логических элементов, не помешает изучить соответствующую литературу

Александр / 29.04.2021 — 18:41

Пишу специально для умника ЕВГЕНИЯ, к вашему сведению в цифровой логике используются обычные усилители сигналов как синусоидальных, так прямоугольных, треугольных и всех остальных. если охватить логический элемент или последовательную цепочку логических элементов отрицательной обратной связью, то получим обычный усилитель с коэфициентом усиления определяемым этой оос. если обратной связи нет, то элемент работает на предельном усилении и при наличии небольшого превышения порогового сигнала на входе сразу усиливает его до логической единицы на выходе. так что перед тем как давать такие советы сначала сами изучите схемотехнику логических микросхем

Вам понравится:  Расчет сопротивления резистора по цветным полоскам

евгений / 03.04.2021 — 09:15

на схеме рис.3 вы пишете-логические элементы преобразуют синусоидальный сигнал в прямоугольный-чего в природе цифровых микросхем в априори не может быть на выходе всегда только прямоугольник. Прежде чем что то писать изучите сначала как работает тот или иной элемент, а не вводите людей в заблуждение

kowlok-239 / 01.12.2020 — 15:44

схема частотного приемника меандра без блока питания существует.

Ara / 21.03.2020 — 13:14

А как считать частоты, по каким формулам?

Вася / 29.02.2020 — 16:45

Виталий, правИльно. Что у Вас в школе по русскому было?

Виталий / 17.05.2019 — 16:50

Подскажите а как увиличить амплитуду сигнала если в первой схеме поставить с1 на 100п например?и как рассчитать правельно резистор?

Антон / 31.08.2018 — 22:04

Вы можете оставить свой комментарий, мнение или вопрос по приведенному выше материалу:

Источник

Генераторы импульсов на цифровых КМОП микросхемах.
Онлайн калькулятор расчёта элементов генераторов с несимметричной формой
сигнала и генераторов с изменяемой скважностью выходных импульсов.

Так, товарищи! Заканчиваем банкет, убираем рыбные закуски.
Не забываем, что на сегодняшнем мероприятии, посвящённом Дню пивовара России, мы обсуждаем наболевшее: «Исследование разнообразных схемотехнических построений и характеристик генераторов на ИМС структуры КМОП».

Развиваем сюжетную линию, плавно переходим к генераторам прямоугольных импульсов с несимметричной формой сигнала, а также генераторам с изменяемой скважностью выходных импульсов.

Для начала определимся — для чего, собственно, когда и с чем потреблять само понятие «скважность импульсного сигнала»?

Тут как нельзя всё просто: Скважность = Т/tи, где
Т-полный период колебаний,
tи — длительность импульса,
tп — длительность паузы.

При величине скважности, равной 2, импульсный сигнал имеет симметричную форму (меандр), во всех остальных случаях — несимметричную (не меандр).
Рис.1

Теперь также плавно, без рывков и резких падений, переходим с схемотехническим изыскам.

Отличие несимметричных генераторов от устройств, описанных на предыдущей странице, как правило, сводится к утяжелению схемы дополнительным резистором и парой диодов для разделения цепей заряда конденсатора разнополярными токами.

На Рис.2 приведена схема генератора импульсов с раздельной установкой длительности импульса и паузы между ними.
Параметры выходных импульсов генератора описываются следующими приблизительными формулами:

F = 0,77/((R1+R2)×C1))
Скважность импульсов = (R1+R2)/R1

Схема обладает весомым параметром потребления тока.
Значения этого параметра находятся в диапазоне от единиц до десятков мА, в зависимости от величин напряжения питания и частоты генерации.

Именно из-за этих соображений, рекомендуется собирать подобные схемы генераторов на цифровых микросхемах, представляющих собой триггер Шмитта (Рис.3).
Мало того, что они просты в реализации, так ещё и исключительно экономичны — при напряжении питания менее 6 В ток потребления составляет всего несколько десятков микроампер.
Частота генерации и скважность для приведённой схемы:

F = 0,86/((R1+R2)×C1))
Скважность импульсов = (R1+R2)/R1

В случае необходимости получить плавную регулировку скважности при неизменной частоте имеет смысл обратить внимание на схему, приведённую на Рис.4.
F = 0,77/((2*R1+R2)×C1))
Макс. скважность импульсов = R2/R1+2
Мин. скважность импульсов = 1+R1/(R1+R2)

Точно таким же образом реализуется плавная регулировка скважности для схем, построенных на триггере Шмитта (Рис.5).

F = 0,86/((2*R1+R2)×C1))
Макс. скважность импульсов = R2/R1+2
Мин. скважность импульсов = 1+R1/(R1+R2)


Рис.2

Рис.3

Рис.4

Рис.5

Формулы для расчёта частоты рассматриваемых генераторов соответствуют напряжению питания 5В и температуре окружающей среды 25°С.

Все представленные схемы могут быть реализованы на элементах И—НЕ, ИЛИ—НЕ, триггерах Шмитта, или инверторах.

Идём дальше к таблице для расчёта номиналов элементов генераторов, исходя из заданной частоты генерации и скважности выходных импульсов.

ТАБЛИЦА РАСЧЁТА НОМИНАЛОВ ЭЛЕМЕНТОВ ГЕНЕРАТОРОВ НА КМОП МИКРОСХЕМАХ БЕЗ ПЛАВНОЙ РЕГУЛИРОВКИ СКВАЖНОСТИ.

Бросив беглый взгляд на Рис.1, легко заметить, что значение скважности импульсов должно быть больше 1.
Теоретически величины сопротивлений резисторов R1 и R2 должны быть не менее 1кОм, однако на практике, для минимизации влияния выходного сопротивления микросхемы на частоту сигнала, рекомендуется выбирать значения сопротивления этих резисторов — не менее 10кОм. Поэтому послеживайте за рассчитанным значением R2, если оно не вписывается в нужный диапазон — повышайте номинал R1.

ТАБЛИЦА РАСЧЁТА НОМИНАЛОВ ЭЛЕМЕНТОВ ГЕНЕРАТОРОВ НА КМОП МИКРОСХЕМАХ C ПЛАВНОЙ РЕГУЛИРОВКОЙ СКВАЖНОСТИ.

R1 — не менее 1кОм, желательно — не менее 10кОм.
Пределы изменения длительности импульса — больше 1.

Источник

Регулировка скважности импульсов на логических микросхемах

Вариант простейшего генератора (мультивибратора) показан на рис. 1.30а. Схема имеет два динамических состояния. В первом из них, когда на выходе D1.1 состояние лог. «1» (выход D1.2 лог. «0»), конденсатор С1 заряжается. В процессе заряда напряжение на входе инвертора D1.1 возрастает, и при достижении значения Uпор=0,5Uпит происходит скачкообразный переход во второе динамическое состояние, в котором на выходах D1.1 лог. «О», D1.2 — «1». В этом состоянии происходит перезаряд емкости (разряд) током обратного направления. При достижении напряжения на С1 Unop происходит возврат схемы в первое динамическое состояние. Диаграмма напряжений поясняет работу. Резистор R2 является ограничительным, и его сопротивление не должно быть меньше 1 кОм, а чтобы он не влиял на расчетную частоту, номинал резистора R1 выбираем значительно больше R2 (R2 почти одинаковыми: tи=to=0,7R1C1. Полный период T=1,4R1C1. Резистор R1 и конденсатор С1 могут находиться в диапазоне 20 к0м. 10 МОм; 300 пф. 100 мкФ.

При использовании в схеме (рис. 1.30б) двух инверторов микросхемы К561ЛН2 (они имеют на входе только один защитный диод) перезаряд конденсатора будет происходить от уровня Uпит+Unop. В результате чего симметрич-
ность импульсов нарушается tи=1,1R1C1, to=0,5R1C1, период T=1,6R1C1.

Рис. 1.30. Генератор импульсов на двух инверторах


Рис 1.31. Генератор импульсов с раздельной установкой длительности
импульса и паузы между ними

Рис. 1.32. Генератор импульсов на трех инверторах

Так как порог переключения логических элементов не соответствует точно половине напряжения питания, чтобы получить симметричность импульсов, в традиционную схему генератора можно добавить цепь из R2 и VD1, рис. 1.-Ов. Резистор R2 позволяет подстройкой получить меандр (tи=to) на выходе генератора.

Схема на рис. 1.31 дает возможность раздельно регулировать длительность и паузу между импульсами: tи=0,8C1R1, to=0,8C1R2. При номиналах элементов, указанных на схеме, длительность импульсов около 0,1 с, период повторения 1 с.

Более стабильна частота у генераторов, выполненных на трех инверторах (Рис. 1.32). Процесс перезаряда С1 в сторону уменьшения напряжения на левой обкладке начинается от напряжения Uпит+Unop, в результате чего на это уходит больше времени tи=1,1C1R2. Полный период колебаний составит

На рис. 1.33 приведены схемы аналогичных генераторов, которые позволяют раздельно регулировать длительность и паузу между импульсами или при неизменной частоте регулировать скважность импульсов. Мультивибратор на основе триггера Шмитта показан на рис. 1.34.

Если требуется получить на выходе приведенных выше схем генераторов симметричные импульсы без подстройки, то после схемы необходимо ставить триггер или же воспользоваться схемой на трех инверторах, рис. 1.35. Элемент
D1.1 используется для создания второй цепи отрицательной обратной связи, охватывающей инвертор D1.2 (главную цепь обратной связи для сигнала образует резистор R5) Элемент микросхемы D1 1 работает в режиме с низким
коэффициентом усиления при замкнутой обратной связи подобно операционному усилителю работающему в линейной части характеристики В результате этого инвертированное пороговое напряжение инвертора D1 1 может быть просуммировано с напряжением отрицательной обратной связи и подано на вход

Рис 133 Генератор пмпульсов с раздельнои регулировкой
а) длительности импульсов и паузы между ними б) скважности импульсов


Рис 1 34 Генератор перекрывающихся импульсов


Рис 1 35 Генератор с симметричными импульсами на выходе

элемента D1. 2. Если соотношение R2/R1 равно отношению R3/R5 может быть получена полная компенсация ошибок обусловленных изменением пороговых напряжении элементов D1.1 и D1. 2 При этом предполагается, что все элементы схемы расположены в одном корпусе и их пороговые напряжения фактически равны Частота импульсов такой схемы определяется из соотношения F=1/R5C1 (она будет примерно в два раза выше по сравнению со схемой, показанной на рис. 1.30)

Симметричный мультивибратор можно выполнить на основе RS-триггере, рис 1.36. Вариант схемы на рис 1.31в позволяет резисторы R1 и R2 выби

Рис1.36 Симметричные мультивибраторы
а) на RS триггере с двумя конденсаторами, б) с одним конденсатором ,
в) с резисторами соединенными с источником питания , г) на двух RS триггерах

рать более низкоомными, потому что диоды разделяют цепь заряда от выходов триггера. Вторым преимуществом этой схемы является то, что она позволяет легко и независимо регулировать в определенных границах период и скважность генерируемых импульсов. Скважность можно регулировать линейно, если R1 и R2 объединить в один потенциометр, а период — если общий конец R1 и R2 соединить с источником питания через потенциометр.

С целью уменьшения количества дискретных элементов предложена схема мультивибратора на двух RS-триггерах, рис. 1.36г.

Рис. 1.37 Автогенератор на основе двух логических элементов


Рис. 1 38. Автогенератор на двух одновибраторах

Симметричный мультивибратор можно выполнить на двух ЛЭ, рис. 1 37 или одновибраторах, рис. 1.38. Это также позволяет иметь раздельную регулировку длительности импульсов и интервала между ними.

Простейшие схемы симметричных мультивибраторов приведены на рис. 1.39. При этом, если R1=R2, R3=R4, С1=С2, полный период определяется из соотношения Т=1,4RC.

Генератор с малым потреблением энергии можно выполнить на двух ключах микросхемы К561КТ-, рис. 1.40. После включения напряжения питания оба ключа разомкнуты. Конденсатор С1 разряжен, поэтому напряжения на нем нет

Рис 1 39 Симметричные мультивибраторы

-арядный ток от источника питания протекает через последовательно включенные резисторы R1 и R2. Так как R1>R2, напряжение на резисторе R2 не достигнет порога срабатывания ключа D1.2, а в дальнейшем, по мере уменьшения зарядного тока, это напряжение стремится к 0. В то же время по мере накопления заряда на конденсаторе напряжение на выводе D1/12 экспоненциально возрастает. Когда оно достигнет порога срабатывания ключа D1.1, соединится цепь между выводами 11 и 10, что приведет к срабатыванию ключа D1.2. Сразу пос-
ле замыкания обоих ключей нижняя обкладка конденсатора С1 подключается к шине «+» питания. -аряд, накопленный ранее на конденсаторе, не может измениться мгновенно, поэтому напряжение на D1/12 скачком возрастает до уровня, превышающего Uпит на величину, равную порогу срабатывания ключа D1.1. После этого напряжение на С1 начинает уменьшаться с постоянной времени, равной C1R1R3/(R1+R3), и стремится достичь уровня, задаваемого делителем напряжения на резисторах R1, R3. В процессе перезаряда конденсатора напря-
жение на С1 уменьшится до порога размыкания ключа D1.1. В результате развивается лавинообразный процесс размыкания обоих ключей. Для защиты

Рис. 1.40. Генератор импульсов с повышенной нагрузочной способностью

Рис. 1.41. Простейшие схемы мультивибраторов с кварцевой
стабилизацией частоты

ключа D1.2 от отрицательного выброса напряжения в схему вводится диод. После размыкания ключей конденсатор начинает заряжаться через последовательно включенные резисторы R1 и R2 — описанные выше процессы повторяются.

При заданной емкости конденсатора длительность паузы t2 между импульсами регулируется резистором R1, однако изменение длительности паузы подбором резистора R1 приводит и к изменению длительности импульса t1. По-
этому, чтобы установить нужную длительность импульса, не меняя паузу, необходимо воспользоваться резистором R3. Регулирование параметров импульсов осуществляется в широких пределах, при этом отношение t1/t2 может быть как меньше, так и больше 1.

Относительно всех автогенераторов на МОП микросхемах можно отметить, что если схема мультивибратора не симметрична, то возрастает ее чувствительность к изменению питающего напряжения (для микросхем 561-ой
серии период может меняться на 35% при изменении Uпит от 3 до 15 В), поэтому расчетные соотношения справедливы для максимального напряжения питания.

Рис. 1.42. Схемы обеспечивающие повышенную стабильность частоты при
изменении окружающей температуры в широком диапазоне

При стабилизированном питании, изменение длительности импульсов мультивибраторов и частоты в генераторах на RC-цепях обычно не лучше 1% на 15 ° С (в случае применения термостабильных конденсаторов). Большую стабиль-
ность частоты можно получить, используя кварцевую стабилизацию. На рис. 1.41 и 1.42 приведены типовые схемы построения таких генераторов. Для небольшой подстройки частоты иногда последовательно с кварцевым резонато-
ром устанавливают конденсатор 10. 100 пФ. Частота импульсов и их стабильность в этом случае у генератора задается параметрами кварцевого резонатора.

Источник

Поделиться с друзьями
Радиолюбительские схемы
Adblock
detector