Одновибраторы и генераторы

Одновибраторы и генераторы вообще-то нельзя отнести к комбинационным микросхемам. Они занимают промежуточное положение между комбинационными микросхемами и микросхемами с внутренней памятью. Их выходные сигналы не определяются однозначно входными сигналами, как у комбинационных микросхем. Но в то же время они и не хранят информацию длительное время.

Одновибраторы ("ждущие мультивибраторы", английское название "Monostable Multivibrator") представляют собой микросхемы, которые в ответ на входной сигнал (логический уровень или фронт) формируют выходной импульс заданной длительности. Длительность определяется внешними времязадающими резисторами и конденсаторами. То есть можно считать, что у одновибраторов есть внутренняя память, но эта память хранит информацию о входном сигнале строго заданное время, а потом информация исчезает. На схемах одновибраторы обозначаются буквами G1.

В стандартные серии микросхем входят одновибраторы двух основных типов (отечественное обозначение функции микросхемы - АГ):

• Одновибраторы без перезапуска (АГ1 - одиночный одновибратор, АГ4 - два одновибратора в корпусе).
• Одновибраторы с перезапуском (АГ3 - два одновибратора в корпусе).

Разница между этими двумя типами иллюстрируется рис. 6.10. Одновибратор без перезапуска не реагирует на входной сигнал до окончания своего выходного импульса. Одновибратор с перезапуском начинает отсчет нового времени выдержки Т с каждым новым входным сигналом независимо от того, закончилось ли предыдущее время выдержки. В случае, когда период следования входных сигналов меньше времени выдержки Т, выходной импульс одновибратора с перезапуском не прерывается. Если период следования входных запускающих импульсов больше времени выдержки одновибратора Т, то оба типа одновибраторов работают одинаково.

Рис. 6.10. Принцип работы одновибраторов без перезапуска и с перезапуском

На рис. 6.11 приведены обозначения микросхем одновибраторов стандартных серий. Микросхемы АГ3 и АГ4 отличаются друг от друга только тем, что АГ3 работает с перезапуском, а АГ4 - без перезапуска.

Рис. 6.11. Микросхемы одновибраторов

Рис. 6.12. Варианты запуска одновибратора АГ1

Микросхемы имеют входы запуска, объединенные по И и ИЛИ, прямые и инверсные выходы, а также выводы для подключения внешних времязадающих цепей (резисторов и конденсаторов). Запускается работа всех одновибраторов по фронту результирующего входного сигнала. Использованная логика объединения входов микросхем позволяет запустить все одновибраторы как по положительному, так и по отрицательному фронту входного сигнала ( рис. 6.12 и 6.13).

Рис. 6.13. Варианты запуска одновибраторов АГ3 и АГ4

На неиспользуемые входы при этом надо подавать сигналы логического нуля или логической единицы. Можно также использовать остающиеся входы для разрешения или запрещения входного запускающего сигнала.

Одновибраторы АГ3 и АГ4 имеют также дополнительный вход сброса –R, логический нуль на котором не только запрещает выработку выходного сигнала, но и прекращает его. Вход –R можно также использовать для запуска одновибратора.

Таблица истинности одновибратора АГ1

Таблица истинности одновибраторов АГ3 и АГ4

Таблицы истинности одновибраторов приведены выше. Здесь инверсные входные сигналы обозначены –А, –А1, –А2, прямые входные сигналы - В, а прямой и инверсный выходные сигналы - соответственно, Q и –Q.

Стандартное включение одновибраторов предполагает подключение внешнего резистора и внешнего конденсатора (рис. 6.14).

Для одновибратора АГ1 длительность выходного импульса можно оценить по формуле T = 0,7RC. Эта формула работает при величине сопротивления резистора в пределах от 1,5 кОм до 43 кОм. Емкость конденсатора может быть любой. Внутри микросхемы имеется внутренний резистор сопротивлением около 2 кОм, подключенный к выводу R, поэтому можно включать одновибратор без внешнего резистора, подключая вывод R к напряжению питания. Повторный запуск одновибратора невозможен сразу после окончания выходного импульса, до повторного запуска обязательно должен пройти интервал t = C (если емкость измеряется в нанофарадах, то временной интервал получается в микросекундах).

Рис. 6.14. Стандартные схемы включения одновибраторов

Для одновибраторов АГ3 и АГ4 длительность импульса можно оценить по формуле: T = 0,32C(R + 0,7), где сопротивление резистора измеряется в килоОмах. Сопротивление резистора может находиться в пределах от 5,1 кОм до 51 кОм, емкость конденсатора - любая. Перезапуск одновибратора возможен только в том случае, когда интервал между входными запускающими импульсами больше 0,224С (если емкость измеряется в нанофарадах, то временной интервал - в микросекундах).

Наиболее распространенные применения одновибраторов следующие (рис. 6.15):

1. увеличение длительности входного импульса;
2. уменьшение длительности входного импульса;
3. деление частоты входного сигнала в заданное число раз;
4. формирование сигнала огибающей последовательности входных импульсов.

Для увеличения или уменьшения длительности входного сигнала (а и б) надо всего лишь выбрать сопротивление резистора и емкость конденсатора, исходя из требуемой длительности выходного сигнала. В этом случае можно использовать одновибратор любого типа: как с перезапуском, так и без перезапуска.

Рис. 6.15. Стандартные применения одновибраторов

Для деления частоты входных импульсов в заданное число раз (в) применяется только одновибратор без перезапуска. При этом надо выбрать такую длительность выходного сигнала, чтобы одновибратор пропускал нужное количество входных импульсов. Например, если требуется разделить на 3 частоту входных импульсов f, то длительность выходного сигнала одновибратора надо выбрать в пределах от 2/f до 3/f. При этом одновибратор будет пропускать два входных импульса из каждых трех.

Для формирования огибающей входного сигнала (г) используется только одновибратор с перезапуском. При этом длительность его выходного импульса должна быть выбрана такой, чтобы каждый следующий входной сигнал перезапускал одновибратор. Если частота входного сигнала равна f, то длительность выходного сигнала одновибратора должна быть не меньше, чем 1/f.

Еще одно важное применение одновибратора состоит в подавлении дребезга контактов кнопки. Одновибратор с большим временем выдержки (порядка нескольких десятых долей секунды) надежно подавляет паразитные импульсы, возникающие из-за дребезга контактов, и формирует идеальные импульсы на любое нажатие кнопки ( рис. 6.16).

Рис. 6.16. Использование одновибратора для подавления дребезга контактов кнопки

Для этого можно использовать как одновибратор с перезапуском, так и одновибратор без перезапуска (на рисунке). Можно также подобрать время выдержки так, что одновибратор будет давать один импульс по нажатию кнопки, а другой импульс - по отпусканию кнопки. Иногда это бывает удобнее.

Одновибраторы можно также применять для построения генераторов (мультивибраторов) прямоугольных импульсов с различными значениями длительности импульсов и паузы между ними. При этом два одновибратора замыкаются в кольцо так, что каждый из них запускает другой после окончания своего выходного импульса (рис. 6.17). Один одновибратор формирует длительность импульса, а другой определяет паузу между импульсами. Изменяя номиналы резисторов и конденсаторов, можно получить нужные соотношения импульса и паузы.

Рис. 6.17. Генератор импульсов на двух одновибраторах

Таким образом, одновибраторы довольно легко позволяют решать самые разные задачи. Однако, применяя одновибраторы, надо всегда помнить, что длительность их выходных импульсов нельзя задать очень точно - ведь одновибратор имеет аналоговые цепи. На длительность выходного импульса одновибратора влияют разбросы номиналов резисторов и конденсаторов, температура окружающей среды, старение элементов, помехи по цепям питания и другие факторы. Поэтому применение одновибраторов нужно по возможности ограничивать только теми случаями, когда время выдержки можно задавать с не слишком высокой точностью (погрешность не менее 20–30%).

Любую функцию одновибратора может выполнить синхронное тактируемое устройство (на основе кварцевого генератора, триггеров, регистров, счетчиков), причем выполнить гораздо точнее и надежнее. И ему не нужно никаких дополнительных времязадающих элементов (резисторов и конденсаторов). Количество одновибраторов, использованных в схеме, как правило, обратно пропорционально уровню мастерства разработчика этой схемы.

Задержки запуска одновибраторов примерно в два–три раза превосходят задержку логического элемента. Точные величины задержек надо смотреть в справочниках.

Помимо одновибраторов, в стандартные серии включены также специализированные генераторы ("мультивибраторы", англ. "мultivibrator"). Обозначаются они на схемах буквой G. В отечественных сериях этот тип микросхемы кодируется буквами ГГ. Например, микросхема ГГ1 представляет собой два генератора в одном корпусе.

Микросхемы генераторов используют довольно редко, чаще применяют генераторы на инверторах или на триггерах Шмитта, описанные в лекциях 3, 4. Однако в некоторых случаях генераторы ГГ1 не могут быть заменены ничем. Дело в том, что они допускают изменение частоты выходных импульсов с помощью уровней двух входных управляющих напряжений. Поэтому они называются также "генераторы, управляемые напряжением" или ГУН. Эффект изменения частоты можно использовать, например, в системах автоподстройки частоты (АПЧ) или в устройствах с частотной модуляцией (ЧМ).

Рис. 6.18. Схема включения генератора ГГ1

Стандартная схема включения генератора ГГ1 приведена на рис. 6.18. Генератор имеет выводы для подключения внешнего конденсатора С1 и С2, к которым можно также подключать кварцевый резонатор, но при этом уже нельзя управлять частотой. Имеется два входа управления частотой U1 и U2, а также вход разрешения –Е, при подаче на который логической единицы генерация прекращается и на выходе F устанавливается единица.

Один из входов управления (U1) обычно называется диапазонным или U_д, а другой (U2) - входом управления частоты или U_ч. При увеличении напряжения U_ч частота увеличивается, при увеличении напряжения на входе U_д - уменьшается. Рекомендуемый диапазон изменения напряжения U_д составляет от 2 до 4,5 В, а диапазон изменения U_ч - от 0 до 5 В. В зависимости от напряжения U_д , меняется диапазон изменения частоты из-за изменения напряжения U_ч. Например, при U_д = 2 В и изменении U_ч от 1 до 5 В частота изменяется примерно на 15%, а при U_д = 4 В - приблизительно в 4 раза.

Частота выходного сигнала ГГ1 определяется также внешним конденсатором, например, при U_д = U_ч = 2 В и при С = 1 мкФ частота будет около 100 Гц, а при С = 100 пФ - порядка 10 МГц. Максимально возможное значение частоты генератора составляет около 80 МГц. В справочниках приводятся графики зависимости частоты выходного сигнала ГГ1 от уровней управляющих напряжений и от величины внешнего конденсатора. Однако точно определить значение частоты по этим графикам невозможно, в любом случае требуется подстройка. К тому же наличие в схеме аналоговых узлов делает генератор ГГ1 чувствительным к разбросу номиналов конденсаторов, к изменению температуры окружающей среды, к старению элементов, к помехам по цепям питания и к другим факторам. Именно поэтому использование этих генераторов крайне ограничено.

И последнее. В микросхеме ГГ1 существует взаимное влияние двух генераторов друг на друга, хотя в ней и приняты меры по снижению этого влияния. Поэтому не рекомендуется использовать одновременно два генератора одной микросхемы в режиме генерации частоты, управляемой напряжением.