Формирователи, одновибраторы и мультивибраторы на интегральных микросхемах

В цифровой технике различные импульсные устройства (формирователи импульсов, одновибраторы и генераторы различных типов) предпочитают конструировать на активных логических элементах. При этом сокращается число деталей, повышается надежность и технологичность. В некоторых сериях микросхем имеются специализированные схемы для генерации и преобразования импульсов.

Формирователи — это преобразователи входных сигналов произвольной формы в нормализованные по амплитуде и крутизне фронтов прямоугольные импульсы для управления последующими микросхемами.

Для формирования кратковременных импульсов по срезу входных сигналов выпускаются специализированные микросхемы, например, КР134ХЛ2, XJI3. На рис. 5.46. представлены условное обозначение одного элемента микросхемы и временная диаграмма для микросхемы KP134XJI3. Здесь С — вход для преобразуемого сигнала, а V — вход для разрешающего сигнала. Выходной импульс нормированной длительности формируется по заднему фронту (срезу) входного информационного сигнала, поэтому такой формирователь может служить схемой выделения заднего фронта.

Простую схему формирователя, реагирующего на оба фронта входного сигнала, можно собрать на основе логического элемента «исключающее ИЛИ» — рис.5.47. Выходной сигнал положительной полярности формируется как при переднем, так и при заднем фронте входного сигнала. Длительность выходного импульса мала и определяется временем переходного процесса в микросхеме. Для увеличения длительности выходного импульса можно искусственно затянуть длительность переходных процессов, включив интегрирующую емкость на выход первого элемента. При необходимости получения выходных импульсов отрицательной полярности вместо повторителя используется инвертор.

На рис.5.48 показана схема формирования сигнала от кнопки выключателя или реле, точнее — схема устранения дребезга электромеханического контакта. Здесь два инвертора образуют симметричный триггер, запись в который производится низким уровнем.

Одновибраторы (ждущие мультивибраторы) предназначены для генерации под действием входных сигналов одиночных прямоугольных импульсов заданной длительности. От простых формирователей они отличаются наличием хронирующей (времязадающей) цепи, а часто и цепи обратной связи, обеспечивающей регенеративный (лавинообразный) характер переключения, а, следовательно — высокую крутизну фронтов формируемого импульса.

Примером простейшего одновибратора на микросхеме ТТЛ типа без цепей обратной связи является схема по рис. 5.49. Длительность выходного импульса зависит практически только от величины емкости конденсатора С. При С = 10 нФ длительность импульса примерно равна 1 мкс.

Очень широко используются одновибраторы на основе триггера, обеспечивающего высокую крутизну фронтов генерируемого импульса. На рис. 5.50 показана схема такого одновибратора, выполненная на ТТЛ логических элементах ИЛИ-НЕ. В исходном состоянии напряжение питания +Е через резистор R поступает на один из входов элемент D₂ вызывая появление на его выходе лог.0. Это в свою очередь устанавливает элемент D₁ в такое состояние, когда сигнал на его выходе будет равен лог. 1. Конденсатор С разряжен, так как на обеих обкладках существует почти один и тот же потенциал +Е.

При поступлении запускающего импульса, уровнем не менее величины лог.1, открывается элемент D₁, что вызовет заряд конденсатора С через резистор R. Импульс заряда переводит элемент D₂ в закрытое состояние на время заряда. После заряда элемент D₂ переходит в состояние лог.0, что устанавливает всю схему в исходное положение. Длительность импульса на выходе одновибратора:

где U₁ — уровень лог.1 на входе элемента. U_пор — уровень срабатывания элемента. После возвращения элемента D₁ в исходное положение конденсатор разряжается через резистор R. Для ускорения разряда резистор шунтируется диодом D.

Простейший одновибратор на логических элементах МОП типа показан на рис.5.51. Длительность выходного импульса оценивается величиной . Крутизна фронтов выходного импульса, особенно заднего, не велики. Хорошей крутизной фронтов выходного импульса обладает одновибратор, реализованный на триггере.

На рис. 5.52 показана схема одновибраторы на D-триггере К561ТМ2. В этом одновибраторе зарядный резистор должен находиться в пределах 20–100 кОм. Длительность выходного импульса определяется зависимостью:

U_пор зависит от напряжения питания: при Е = 10 B U_пор = 7В; при Е = 5В U_пор = 3,5В.

Многие серии цифровых микросхем содержат специализированные микросхемы одновибраторов. Одновибраторы совместимы по входам и выходам с другими микросхемами этого типа. Задание длительности выходного импульса осуществляется внешней времязадающей цепью, состоящей из конденсатора и резистора. Некоторые одновибраторы, например К155АГ1, в своем составе содержат триггер Шмитта, поэтому могут запускаться не только импульсами, но плавно нарастающим аналоговым сигналом при достижении им порогового уровня. Схема включения такого одновибратора показана на рис. 5.53. Здесь входы A₁, A₂ предназначены для подачи входных импульсов, при этом запуск одновибратора происходит по их отрицательному фронту. Вход B предназначен для подачи входного аналогового сигнала. Длительность выходного сигнала . Микросхему можно использовать и без наружных деталей R и С, но длительность τ в этом случае будет порядка 30–40 нс. Стабильность длительности выходного сигнала составляет 1% без учета стабильности R и С. Резистор рекомендуется выбирать в пределах 2–40 кОм, а конденсатор — 10 пф – 10 мкФ.

Мультивибраторы на микросхемах широко используются в качестве генераторов прямоугольных импульсов заданной частоты. Частота задается хронирующей цепью или кварцевым резонатором. В схемотехническом отношении отличаются большим разнообразием.

Типичная схема симметричного мультивибратора на логических элементах ТТЛ типа показана на рис.5.54. Мультивибратор имеет парафазный выход. При C₁= C₂; и R₁ = R₂ длительность импульсов и пауз равны. Температурная стабильность и диапазон регулирования скважности таких мультивибраторов хуже, чем в схемах на операционных усилителях.