Схема импульсного генератора на микросхеме

Генераторы импульсов на цифровых КМОП микросхемах.
Онлайн калькулятор расчёта элементов генераторов с симметричной формой выходного сигнала.

На сегодняшнем мероприятии, посвящённом Дню пивовара России, поговорим о радиоаппаратах с самовозбуждением, а конкретно — об устройствах, охваченных цепью положительной обратной связи и позволяющих выдавать на выходе периодические сигналы определённой колебательной природы.

А начнём с самого простого — генераторов прямоугольных импульсов с использованием цифровых КМОП микросхем.
Тема наболевшая: «Исследование разнообразных схемотехнических построений и характеристик генераторов на ИМС структуры КМОП».
О состоянии дел на участке генераторостроительного цеха и изыскании внутренних резервов «доложит нам начальник транспортного цеха».

Опишем несколько схемных решений генераторов прямоугольных импульсов, построенных на различных микросхемах серии К561, или каких-либо им подобным.
Все представленные схемы могут быть реализованы на элементах 2И—НЕ (ЛА7), 2ИЛИ—НЕ (ЛЕ5), триггерах Шмитта (ТЛ1), или инверторах (ЛН2).

В качестве докладчика выступил и поделился своими знаниями в журнале Радио №1 (2000г) господин С.Елимов — достойный сын столицы славной, города-героя Шупашкар (по-нашему — Чебоксары).

Генератор, изображённый на Рис.1 сохраняет работоспособность при снижении напряжения питания до 2В. При изменении значения Uпит от 5 до 15В уход частоты в сторону увеличения составляет примерно 10%.
Скважность импульсов близка к двум при любом напряжении питания.
В результате разогрева корпуса микросхемы частота несколько уменьшается (на 4% при 85°С).
С погрешностью, не превышающей 10%, можно вычислить частоту генерации данной схемы — F = 0,48/(R1×C1) .

Несколько лучшим параметром стабильности обладает генератор, выполненный на трех логических элементах и представленный на Рис.2.
Формула для вычисления частоты генерации данной схемы F = 0,54/(R1×C1) .

Обе схемы обладают весомыми величинами потребления тока, увеличивающимся с повышениями напряжения питания и частоты генерации. Значения эти находятся в диапазоне — от единиц до десятков мА.

Подобные по структуре генераторы можно выполнить и на одном элементе — триггере Шмитта (Рис.3).
При напряжении питания, близком к максимальному, они весьма стабильны по частоте.
Кроме того, они исключительно экономичны — при напряжении питания менее 6 В ток потребления составляет всего несколько десятков микроампер.
Частота генерации приведённой на Рис.3 схемы
F = 0,59/(R1×C1) .

Скважность импульсов приведённых генераторов близка к двум, однако из-за несимметричности входных защитных цепей некоторых типов микросхем возможно некоторое отклонение формы выходных сигналов от меандра.
Если требуется иметь на выходе идеально симметричные импульсы, то после схемы генератора следует поставить триггер — делитель частоты на 2, либо использовать симметричный мультивибратор (Рис.4).
Формула для вычисления частоты генерации данной схемы
F = 0,50/(R1×C1) .

Как не прискорбно, но это факт — стабильность колебаний RC генераторов невысока.

На Рис.5 показана схема простейшего LC-генератора. LC-цепь сдвигает фазу выходного сигнала элемента на 180°, в результате чего происходит самовозбуждение генератора.
Такие генераторы хорошо работают на повышенных значениях частоты, мягко возбуждаются и отличаются высокой температурной стабильностью.
Для устойчивой работы генератора величина волнового сопротивления LC-контура не должна быть менее 2кОм.
Частота генерации практически совпадает с резонансной частотой LC-контура и описывается стандартной формулой F= 1/2π√ LС .


Рис.1

Рис.2

Рис.3

Рис.4

Рис.5

Формулы для расчёта частоты рассматриваемых генераторов соответствуют напряжению питания 5В и температуре окружающей среды 25°С.
Нагрузочная способность генераторов такая же, как у элементов применяемых серий микросхем.
Нижний предел сопротивления резистора R1 соответствует приблизительной величине — не менее 1кОм, верхний — десятки МОм.

«Спасибо начальнику транспортного цеха! У нас есть вопросы к докладчику?»

Вопросов к докладчику не имеем, можно переходить к таблице для расчёта номиналов элементов генератора, исходя из заданной частоты генерации.

Схему, приведённую на Рис.5, из калькулятора вычёркиваем по причине существования ранее разработанной таблицы ссылка на страницу, позволяющей рассчитать элементы резонансного LC-контура для высоких и низких частот. Там же высчитывается и величина волнового (оно же — характеристическое) сопротивления получившегося LC-контура.

Для остальных схем, для получения на выходе предсказуемой формы сигнала со скважностью близкой к двум, рекомендую выбирать значение сопротивления резистора R1 от 10к и выше.

ТАБЛИЦА РАСЧЁТА НОМИНАЛОВ ЭЛЕМЕНТОВ ГЕНЕРАТОРОВ НА КМОП МИКРОСХЕМАХ.

Выбор схемы генератора &nbsp

Сопротивление резистора R1 (кОм)

Частота генератора F Ёмкость конденсатора С1 Период повторения импульсов t

Все представленные характеристики генераторов получены в результате экспериментов вышеуказанного уважаемого автора с конкретными образцами микросхем. С другими экземплярами микросхем характеристики могут быть несколько отличными.

Скважность импульсов описанных генераторов близка к двум, ну а генераторы импульсов с раздельной установкой длительности импульсов и паузы между ними рассмотрим на следующей странице.

Источник

12 Схем RC-мультивибраторов на микросхемах, расчет их частоты

Во многих схемах, построенных на логических микросхемах есть источники прямоугольных импульсов, — мультивибраторы на логических элементах с заданием частоты RC-цепями.

Здесь пойдет речь о мультивибраторах на логических элементах КМОП-логики, представляющей собой цифровые микросхемы с низким потреблением энергии, и способностью работы в широком диапазоне напряжения питания.

К числу таких относятся микросхемы серий К561, К176, а также многочисленные зарубежные аналоги серий «. 40. » и «. 45. ».

Такие микросхемы построены по «полевой» технологии отличаются высоким, почти бесконечным входным сопротивлением Это значит то, что R-составляющая может быть весьма большой величины, -от килоома до десятков мегаом.

Схемы генераторов импульсов

На рисунке 1 показана, пожалуй, самая популярная схема мультивибратора на двух логических элементах.

Рис. 1. Схема мультивибратора на двух логических элементах.

Для создания мультивибратора по схеме на рисунке 1 нужно два логических инвертора. В данном случае показан вариант на двух элементах «2ИЛИ-НЕ» микросхемы К561ЛЕ5, К176ЛЕ5 или зарубежного аналога CD4001, переведенных в режим инверторов путем соединения вместе всех входов каждого логического элемента.

На рисунке 2 показана аналогичная схема мультивибратора на инверторах (элементах «НЕ») микросхемы К561ЛН2, а на рисунке 3 — для элементов «4И-НЕ» (микросхема К561ЛА9). Сколько бы входов у каждого элемента логики «И-НЕ» или «ИЛИ-HE» не было, для создания инвертора их соединяют вместе.

Рис 2. Схема мультивибратора на инверторах — элементах НЕ.

Рис. 3. Схема мультивибратора на элементах 4И-НЕ.

Частоту мультивибратора по схемам на рисунках 1, 2, 3 можно приблизительно рассчитать по формуле:

где F — в кГц, R — в кОм, С — в мкФ.

Почему приблизительно? Потому что многое зависит как от типа логических элементов и используемой микросхемы, кроме того есть зависимость и от напряжения питания, температуры. Например, для микросхемы К561ЛЕ5 более точная формула: F=0,46/(RC), а для К561ЛА7 формула:

F=0,52/(RC), для микросхемы К561ЛН2: F=0,48/(RC).

Еще и напряжение питания может внести погрешность до 10-15%. Ну а температура может оказать и большее влияние. Немного реже в радиолюбительской, а так же в справочной литературе и, чаще всего, в промышленной аппаратуре встречается схема, показанная на рис. 4. Здесь есть дополнительный резистор R2.

Он нужен для ограничения тока разряда конденсатора через диоды, имеющиеся внутри микросхемы, на входах логических элементов. Практически, резистор R2 делает схему более надежной, она работает более мягко, без пиковых перегрузок при заряде-разряде конденсатора.

Рис. 4. Схема генератора импульсов на с дополнительным резистором.

Больше стабильность частоты в зависимости от напряжения питания и температуры дает схема мультивибратора на трех логических элементах, показанная на рисунке 5 (и рисунке 6 с токоограничительным резистором R2).

Рис. 5. Схема мультивибратора на трех логических элементах.

Рис. 6. Схема генератора импульсов на трех логических элементах с токоограничительным резистором.

Если сравнить схему на рис. 5 со схемой на рисунке 1 станет заметно, что правый по схеме вывод резистора R подключен, на рис 5, к выходу D1 2 через инвертор D1.3, а на рисунке 1 — к выходу D1 1.

То есть, логически рассуждая, разницы никакой нет. Но, сопротивление, включенное между входом и выходом одного логического элемента придает ему свойства аналогового усилителя.

На рисунке 5 же, в «линейке» между выводами R целых три элемента, а в результате более стабильный режим и как следствие меньшая зависимость частоты от напряжения питания микросхемы.

В этих схемах (рис 5. 6) выходом тоже может быть совсем не обязательно выход D1.3, но так же и выход D1.2, если нужно получить импульсы, противофазные импульсам на выходе D1.3.

В некоторых схемах весьма важна скважность импульсов, ширина полуволн, то есть, соотношение времени, в течение которого на выходе единица, ко времени, в течение которого на выходе ноль.

В таком случае используют схему, показанную на рисунке 7. Здесь есть два резистора, определяющих частоту — R1 и R3. причем работают они каждый в своей полуволне, а диоды VD1 и VD2 служат переключателем этих резисторов.

Рис. 7. Схема генератора импульсов с изменяемоц скважностью.

Изменяя соотношение сопротивления R1 к R3 можно поучить на выходе импульсы самой различной скважности. Длительность единицы можно определить по формуле: t1 = 0.8CR1.

Длительность нуля: t0 = 0.8CR3. Существуют логические элементы с эффектом триггера Шмитта, суть отличия в том. что у них есть некий гистерезис, разница напряжений на входе, при котором происходит переключение в логическую единицу и логический ноль.

Благодаря этому свойству мультивибратор с RC-цепью, задающей частоту импульсов можно сделать всего на одном таком логическом элементе. На рисунке 8 показана схема мультивибратора на логическом элементе микросхемы К561ТЛ1 (зарубежный аналог CD4093).

Рис. 8. Схема генератора импульсов на логическом элементе микросхемы К561ТЛ1 (зарубежный аналог CD4093).

Приблизительную частоту генерации для такого варианта можно определить по формуле:

где F — в кГц, R — в кОм, С — в мкФ.

В некоторых схемах требуется управлять мультивибратором, чтобы он генерировал импульсы не все время, пока подано питание, а только тогда, когда это нужно, согласно логике работы схемы.

На рисунках 9, 10, 11, 12 показаны варианты управления для схем мультивибраторов на ИМС К561ЛЕ5 и К561ЛА7. В схеме на рис 9 при подаче логической единицы на вход «управление» генерация прекращается, а на выходе устанавливается логическая единица.

Рис. 9. Схема варианта управления для мультивибратора.

В схеме на рис. 10 при подаче логической единицы на вход «управление» генерация прекращается, а на выходе устанавливается логический ноль. Совсем наоборот работают схемы на рис.11 и 12. Здесь чтобы прекратить генерацию нужно подать логический ноль, а не единицу. В схеме на рис.

11 при подаче логического нуля на вход «управление» генерация прекращается, а на выходе устанавливается логический ноль.

Рис. 10. Схема управляемого генератора импульсов.

Рис. 11. Управляемый генератор сигналов на логических элементах.

Рис. 12. Схема управляемого мультивибратора на микросхеме.

В схеме на рис 12 при подаче логического нуля на вход «управление» генерация прекращается, а на выходе устанавливается логическая единица.

Связана эта разница с различием логики работы примененных логических элементов В первом случае, это элементы «ИЛИ-HE», во втором «И-НЕ».

Как прекратить работу мультивибратора

Вообще, чтобы прекратить работу любого мультивибратора на логических элементах нужно один (или единственный) логический элемент его схемы зафиксировать в состоянии, когда уровень на его выходе не меняется от изменения уровня на его других входах.

Например, на рисунке 9 подаем единицу на один из входов элемента D1 1. Но это элемент «2ИЛИ-НЕ», значит «главный» уровень для него единица. Теперь он зафиксирован в положении с нулем на выходе. А это приводит к остановке генерации.

Источник

Генераторы импульсов на элементах ТТЛ, КМОП и ЭСЛ

В принципе, электрических колебаний представляет собой один или несколько усилительных каскадов, охваченных обратной связью с частотно-зависимыми сопротивлениями, которые и обеспечивают генерацию на требуемой частоте. В качестве частотіно-задающих элементов генераторов используют RC, LC, RLC-цепи, а также пьезокерамические и кварцевые резонаторы.

Схема генератора с RC частотно-задающей цепью и временные диаграммы, поясняющие его работу, приведены на рис. 24. Принцип его работы основан на процессе зарядки-разрядки конденсатора С через резистор R. Через этот резистор осуществляется ООС по постоянному току, а через конденсатор—ПОС по переменному. Предположим, что в начальный момент конденсатор разряжен, на выходе элемента DD1.2 действует напряжение низкого уровня — начнется заряд конденсатора (рис. 24, участок а). По мере его зарядки напряжение на нем увеличивается, а на выходе элемента DDL1—уменьшается (рис. 24, участок б). Когда напряжение на выходе элемента DD1.1 станет соответствовать низкому уровіню, выходное напряжение элемента DD1.2 начнет увеличиваться. Этот прирост напряжения через конденсатор поступает на вход элемента DD1.1, что приводит к резкому уменьшению его выходного напряжения, значит, к резкому увеличению выходного напряжения элемента DD1.2, что, в свою очередь, приводит к резкому уменьшению напряжения на выходе элемента DD1.1 и т. д. Таким образом, устройство скачком переключается в другое состояние — с напряжением высокого уровня на выходе элемента DD1.2 (рис. 24, участок в),

С этого момента начнется перезаряд конденсатора, в результате «его напряжение на входе элемента DDil.l уменьшается; а на его выходе — увеличивается (рис. 24, участок г). Когда напряжение на выходе элемента DD1.1 достигает напряжения высокого уровня, устройство скачком переключается в исходное состояние и процесс повторяется.

В таком генераторе можно использовать элементы ТТЛ, КМОП и ЭСЛ, но, в зависимости от конкретных элементов, на нее накладываются определенные ограничения. Для элементов КМОП сопротивление резистора может быть от единиц килоом до десятков мегаом, а емкость конденсатора — от десятков пикофарад до сотен микрофарад, а вот для элементов ТТЛ сопротивление резистора ограничено более узкими рамками, о чем уже говорилось ранее.

Рис. 24. Генератор с RC частотно-задающей цепью (а) и графики (б), поясняющие его работу

Частоту , генерации можно определить по приближенной формуле

Учитывая, что элементы КМОП имеют ограничения по частотному диапазону, рекомендовать их можно для генераторов на частоты до 2. 4 МГц. Для более высокочастотных генераторов следует применять элементы ТТЛ или ЭСЛ. Перестройку частоты генераторов можно осуществлять с помощью переменных резистора или конденсатора. Температурная стабильность таких генераторов невысока и для ее повышения используют конденсаторы с определенным ТКЕ.

Устройство, собранное по схеме рис. 24, генерирует прямоугольные импульсы со скважностью примерно равной 2 (скважность — отношение периода следования импульсов к их длительности). Если же скважность импульсов необходимо изменять, сохраняя при этом частоту их следования, надо синхронно изменять цепи зарядки и разрядки конденсатора. Как это реализовать, показано на рис. 26. Здесь для регулировки скважности импульсов используют потенциометр R1. В среднем положении его движка, когда время зарядки и разрядки конденсатора СІ примерно одинаково, скважность близка к 2. При перемещении движка в ту или иную сторону время зарядки будет, например, уменьшаться, а разрядки — увеличиваться, это приведет к изменению скважности, при этом частота следования будет изменяться незначительно. В таком генераторе можно регулировать скважность примерно от 1,01 до 100.

Если необходимо получить сигнал синусоидальной формы или повысить стабильность частоты, то в часготно-задающей цепи надо использовать LC-контур, который будет выполнять еще и фильтрующую функцию, подавляя гармонические составляющие высших порядков. Схема такого варианта генератора [8] приведена на рис. 26,а, его удобно использовать для частот более 3 . 5 МГц. Сигнал снимают с катушки L2, он имеет синусоидальную форму. Катушка U1 имеет отвод от середины, а соотношение витков этих катушек должно быть как 1 :7. Схема генератора на элементе ТТЛ с частогно-задающей цепью на последовательном LC-контуре приведена на рис. 26,б [43].

Простой генератор на элементах КМОП и LC-контуре можно собрать по схеме рис. 27. В нем через резистор R1 и катушку индуктивности L1 осуществляется ООС ло постоянному току, благодаря чему при изменении питающего напряжения обеспечивается устойчивая работа генератора в широких пределах. Так как входное сопротивление элемента составляет сотни килоом — единицы мегаом, он слабо шунтирует контур C1L1C2, поэтому добротность контура будет достаточно большой, что обеспечивает хорошую форму сигнала. Чтобы нагрузка не оказывала существенного влияния на частоту генератора, связь с ней осуществляется через конденсатор СЗ небольшой емкости.

Рис. 25. Принципиальная схема генератора с регулируемой скважностью импульсов

Общий недостаток описанных выше генераторов—сравнительно невысокая стабильность генерируемой частоты (10-3. 10-4 1/град). Для повышения стабильности применяют пьезокерамические и кварцевые резонаторы, включая их, например, вместо конденсатора в цепи ПОС (см. рис. 24), чем обеспечивают мягкий режим самовозбуждения. Однако при таком способе включения резонаторов возможно возникновение генерации на частотах, отличных от собственной частоты резонатора. Чтобы этого не произошло, используют различные способы фазовой или амплитудной селекции нужной частоты.

На рис. 28 приведена схема генератора с кварцевой стабилизацией частоты в диапазоне 2 . 10 МГц [9, 10]. Здесь конденсаторы С1 и G2 служат для подавления возможной паразитной генерации на частотах, отличных от частоты кварцевого резонатора BQ1. Для устранения влияния нагрузки на частоту генератора применен буферный элемент DD1.3. Настройка заключается в установке генерируемой частоты с помощью подбора емкости конденсатора СЗ. В табл. 2 приведены данные элементов для разных диапазонов частот.

Рис. 26. Принципиальные схемы LC-генераторов на элементах ТТЛ

Для повышения добротности контура емкость конденсатора С2 следует выбирать в 2—4 раза больше емкости конденсатора С1. Частоту генерации можно определить по формуле:

Рис. 27. Принципиальная схема генератора на LC-контуре и элементе КМОП

Рис. 28. Генератор на элементах ТТЛ с кварцевой стабилизацией частоты

Генератор с кварцевой стабилизацией частоты можно собрать всего на одном элементе КМОП (рис. 29). В нем резистор R1 выводит элемент DD1.1 на линейный участок передаточной характеристики. Резистор R2 выполняет одновременно несколько функций: обеспечивает дополнительный сдвиг фаз в цепи ООС по переменному току, предотвращает возможность паразитного самовозбуждения, снижает мощность, рассеиваемую на кварцевом резонаторе, что благотворно сказывается на стабильности частоты, а также ослабляет шунтирующее действие элемента на кварцевый резонатор, что также повышает стабильность частоты. Благодаря этому генератор на частоту 500 кГц, собранный на элементе микросхемы К176ЛА7, имеет нестабильность частоты не более ±0,1 . 0,5-10_6 при изменении напряжения источника питания в пределах ±10 %.

Сопротивление резистора R1 может быть 0,1 . 20 МОм, причем при большем его сопротивлении увеличивается влияние паразитных наводок, а при меньшем — ухудшается стабильность частоты. Сопротивление резистора R2 может быть от единиц до десятков килоом. Конденсаторы С1 и С2 емкостью от нескольких пикофарад до долей микрофарады должны быть с минимально возможным ТКЕ. Для повышения стабильности іна выходе генератора полезно установить буферный каскад на элементе DD1.2.

Рис. 29. Генератор на элементах КМОП с кварцевой стабилизацией частоты

Литература: И. А. Нечаев, Массовая Радио Библиотека (МРБ), Выпуск 1172, 1992 год.

Источник

Вам понравится:  Схема подключения осмо по воде
Поделиться с друзьями
Радиолюбительские схемы
Adblock
detector