Радиоконструктору
Времязадающая цепь
Времязадающие RC-цепи применяют во многих случаях. Когда требуется, чтобы время разряда конденсатора было много меньше времени его заряда, используют разрядный диод, включенный параллельно резистору (рис.1).
Соберем сначала схему без диода. Возьмем конденсатор емкостью 0,022 мкФ и 9-вольтовую батарею питания. Подключим осциллограф параллельно резистору R1. При замыкании кнопки SB1 наблюдаем на экране осциллографа импульс положительной полярности, а при размыкании кнопки импульс отрицательной полярности, равный по амплитуде напряжению питания. Тут вопросов нет, все по теории.
Теперь включим параллельно резистору диод VD1. При замыкании кнопки видим импульс положительной полярности, а при размыкании кнопки. снова импульс положительной полярности, правда, меньший по амплитуде, но равный по длительности импульсу при замыкании кнопки.
Это может вызвать сбои в работе схем. Например, если такую цепочку включить на вход сброса счетчика. Прошел положительный импульс сброса, счетчик обнулился, далее в него записалась информация (по информационным входам), а потом с этой цепочки снова пройдет неучтенный импульс сброса. Почему?
Для понимания возникающего эффекта учтем имеющуюся в схеме индуктивность монтажа (L1 на рис.2а). Она хоть и маленькая, но обязательно присутствует. Разобьем процесс коммутации на 4 этапа.
1 этап. Замыкаем кнопку SB1, и конденсатор С1 заряжается через резистор R1 до напряжения питания (полярности напряжений на индуктивности L1 и на конденсаторе С1 показаны на рис.2б). Индуктивностью L1 можно пренебречь, так как сопротивление R1 велико, и процесс — низкочастотный.
2 этап. Разомкнем кнопку SB1. И тут начинается интересное. Конденсатор С1 будет быстро разряжаться через диод VD1, который нужно рассматривать как нелинейное сопротивление и учитывать падение напряжения на его р-n переходе (при напряжении питания ниже 2 В этот эффект пропадает). Этот процесс—более быстродействующий (примерно на 3 порядка), и индуктивностью монтажа пренебречь нельзя. На этом этапе энергия, запасенная в конденсаторе, перекачивается в энергию индуктивности проводов (образуется последовательный колебательный контур).
3 этап. Ток в цепи конденсатора уменьшается, и энергия, запасенная в индуктивности монтажных проводов, переходит (естественно, с определенным КПД) снова в конденсатор. При уменьшении тока в цепи индуктивность пытается поддержать ток, при этом полярность напряжения на ней меняется на обратную, но диод для такой полярности включен в прямом направлении, и происходит очень быстрый заряд конденсатора в обратной полярности. Процесс на 3 этапе — также высокочастотный.
4 этап. На нем диод, как и на первом этапе, закрыт, и мы снова видим на осциллографе импульс положительной полярности, причем его длительность равна длительности импульса на 1 этапе. Амплитуда импульса будет меньше (надо учитывать КПД). Процесс — снова низкочастотный.
Вот какой интересный эффект можно получить. “Изюминка» кроется в том, что 2 и 3 этапы — быстродействующие. Их можно рассмотреть на осциллографе, но требуется внимательность. А без этого мы видим фокус, т.е. то, чего просто не может быть! Но достаточно в последовательный колебательный контур внести сопротивление потерь, равное 100 Ом (например, включив последовательно с диодом соответствующий резистор), и эффект исчезнет.
Ориентировочно можно считать, что на 1 м одиночного провода приходится распределенная индуктивность около 2 мкГн. Общая длина проводников в схеме — порядка 60. 80 мм, поэтому индуктивность проводов будет 0,1. ..0,15 мкГн.
Вывод. При ускорении процесса разряда емкости с помощью диода последовательно с ним обязательно нужно ставить токоограничительный резистор, чтобы процесс оставался низкочастотным. Для микросхем с полевыми транзисторами его величину выбирают в пределах 20. 30 кОм, чтобы не превышать нагрузочную способность выходов микросхем.
1. Гинкин Г.Г. Справочник по радиотехнике. — М.-Л.: Госэнергоиз-дат, 1948, С.208.
2. Б.Картер и Р.Манчини. Операционные усилители для всех. — М.: Додэка XXI, 2011, С.421.
Источник
1.5 Ждущие мультивибраторы и генераторы.
1.5. Ждущие мультивибраторы и генераторы
Как уже отмечалось выше, ждущие мультивибраторы и генераторы нельзя отнести ни к последовательностным, ни к комбинационным микросхемам, поэтому рассмотрим их отдельно.
МикросхемаК155АГ1 (рис. 146) — одиночный ждущий мультивибратор, имеет три входа запуска, три вывода С, RC и RI для подключения времязадающих цепей, прямой и инверсный выходы. Условие запуска мультивибратора — изменение входных сигналов, в результате которого появляется следующее сочетание — хотя бы на одном из
входов 3 или 4 — лог. 0, на входе 5 — лог. 1. Исходное состояние для запуска — любое, не соответствующее указанному требованию.
Несколько основных вариантов подачи входных сигналов, обеспечивающих запуск, показано на рис. 147. Для обеспечения запуска фронтом положительного импульса его следует подать на вывод 5, при этом хотя бы на
одном из входов 3 или 4 должен быть лог. 0 (рис. 147, а). Для запуска спадом положительного импульса можно использовать включение по схемам рис. 147 (б или в).
При запуске на прямом выходе генерируется импульс положительной полярности, на инверсном — отрицательной. Длительность импульса при основном варианте подключения времязадающей цепи, приведенном на рис. 148 (а), составляет приблизительно Т — 0,7R1C1. Размерности в этом формуле — килоомы, нанофарады, микросекунды или килоомы, микрофарады, миллисекунды.
Сопротивление резистора R1 может находиться в пределах 1.5. 43 кОм. Емкость конденсатора С1 может быть любой, конденсатор
даже может отсутствовать. В этом случае длительность генерируемого импульса составляет 30. 100 нс в зависимости от сопротивления времязадающего резистора. При применении оксидных конденсаторов их полярность должна соответствовать приведенной на рис. 148. Сопротивление резистора может быть и более 43 кОм, однако стабильность длительности импульса при этом ухудшается.
Микросхема содержит внутренний времязадающий резистор сопротивлением около 2 кОм, включенный между выводами RC и RI, что может обеспечить работу ждущего мультивибратора без внешнего резистора при включении по схеме рис. 148 (б). Внутренний резистор может использоваться как ограничительный при использовании в качестве времязадающего переменного резистора (рис. 148, в).
Если необходимо обеспечить большую длительность выходного импульса при малой емкости конденсатора, времязадающую цепь следует дополнить транзистором (рис. 148, г). В этом случае длительность генерируемого импульса определяется по приведенной выше формуле, однако сопротивление времязадающего резистора R1 может быть выбрано в h21э раз больше, чем указанные выше 43 кОм. При использовании транзисторов серии КТ3102 сопротивление времязадающего резистора может доходить до 20 МОм. Сопротивление ограничительного резистора R2 может находиться в пределах 1.5. 20 кОм.
Длительность генерируемого ждущим мультивибратором импульса не зависит от длительности запускающего импульса. Во время генерации выходного импульса ждущий мультивибратор нечувствителен к изменению входных сигналов. Повторно мультивибратор может быть запущен спустя время t > С1 после окончания генерируемого импульса (размерности в этой формуле те же, что и в предыдущей). Если интервал после окончания импульса меньше, сокращается длительность генерируемого импульса и даже возможен срыв запуска.
МикросхемаК155АГ3 (рис. 149) — сдвоенный ждущий мультивибратор. Каждый из мультивибра
торов микросхемы имеет два входа для запуска — А, В, вход сброса R, выводы С и RC для подключения времязадающих элементов, прямой и инверсный выходы. Условие запуска мультивибратора — изменение входных сигналов, в результате которого появляется следующее сочетание — лог. 0 на входе А, лог. 1 на входах В и R. Исходное состояние для запуска — любое, не соответствующее указанному требованию.
Несколько основных вариантов подачи входных сигналов, обеспечивающих запуск, показано на рис. 150. Для обеспечения запуска фронтом положительного импульса его необходимо подать на вход В (рис. 150, а) или R (рис. 150, б). Для запуска спадом положительного импульса следу-
ет использовать включение по схеме рис. 150 (в).
Различие между входами В и R в том, что лог. 0 на входе R прекращает генерацию импульса и принудительно устанавливает выходы мультивибратора в исходное состояние независимо от состояния других входов.
Ждущие мультивибраторы микросхемы К155АГЗ обладают способностью повторного запуска. Если во время генерации выходного импульса повторно выполнится условие запуска, длительность выходного импульса увеличится на интервал времени между запускающими импульсами (рис. 151). Однако для повторного запуска этот интервал должен удовлетворять требованию t > 0,224С, где размерности те же, что и в приведенных выше формулах.
Подключение времязадающих цепей проиллюстрировано на рис. 152. В основном варианте включения, приведенном на рис. 152 (а), сопротивление резистора R1 может находиться в пределах 5,1. 51 кОм,
емкость конденсатора С1 — любая. Длительность генерируемого импульса приближенно может быть определена по формуле
Размерности в этой формуле те же, что и в формуле для микросхемы К155АГ1. При установке оксидного конденсатора во времязадающую цепь рекомендуется
устанавливать диод (рис. 152, б), в этом случае полярность включения конденсатора меняется. В отсутствие внешнего конденсатора С1 (рис. 152, в) ждущий мультивибратор генерирует импульсы длительностью примерно 50. 200 нс при сопротивлении резистора R1 соответственно 5,1. 51 кОм.
Так же, как и в случае применения микросхемы К155АГ1, емкость конденсатора может быть существенно уменьшена, если времязадающую цепь дополнить транзистором (рис. 152, г). Ограничения на резисторы этой схемы включения аналогичны ограничениям схемы рис. 148 (г).
Микросхема К555АГЗ — сдвоенный ждущий мультивибратор, схемы включения и условия запуска те же, что и микросхемы К155АГЗ. Длительность импульса при времязадающей емкости С > 1000 пФ рассчитывают по формуле Т = 0,45 RC. Времязадающий резистор может иметь сопротивление 3. 200 кОм. В отсутствие внешнего конденсатора и при сопротивлении времязадающего резистора 10 кОм длительность выходного импульса около 2 мкс. Диод во времязадающей цепи не нужен при любой емкости времязадающего конденсатора, полярность подключения оксидных конденсаторов должна соответствовать указанной на рис. 152 (б).
При изменении напряжения питания от 4,5 до 5,5 В длительность генерируемого импульса возрастает не более чем на 5%, имея максимум приблизительно при 5,25 В. Изменение температуры окружающего воздуха от минимальной до максимальной приводит к уменьшению длительности импульса приблизительно на 4%, причем более круто при повышении температуры более 20 °С.
Микросхема АГ3 удобна для построения различных генераторов импульсов. Для примера на рис. 153 приведена схема управляемого генератора импульсов. Если на вход «Запуск» подать лог. 0, генерация импульсов не происходит, на выходах обоих ждущих мультивибраторов лог. 0; если подать лог. 1, на входах ждущего мультивибратора DD1.1 возникнет условие запуска, на его выходе появится
положительный импульс, спадом которого запустится ждущий мультивибратор DD1.2, спадом выходного импульса последнего — жду-
щий мультивибратор DD1.1 и т. д.
Если лог. 0 на вход «Запуск» будет подан во время генерации ждущим мультивибратором DD1.1 выходного импульса, этот импульс будет укорочен, вслед за чем ждущий мультивибратор DD1.2 сформирует последний импульс (рис. 154). Если в качестве входа «Запуск» использовать
вход В DD1.1, а на его вход R подать постоянно лог. 1, указанного укорочения импульса не произойдет. Вместо соединения прямого выхода каждого ждущего мультивибратора с инверсным входом запуска А другого можно соединить инверсный выход с прямым входом В. Использование свободных входов ждущих мультивибраторов позволяет создавать различные варианты управляемых генераторов импульсов.
Повторный запуск ждущего мультивибратора можно заблокировать, если инверсный выход мультивибратора соединить с входом В или прямой — с входом А. В этом случае во время формирования выходного импульса условие запуска не может быть выполнено. Однако, если длительность запускающего импульса превышает длительность выходного, сразу после окончания выходного импульса происходит повторный запуск и ждущий генератор превращается в управляемый генератор (рис. 155). Такой генератор формирует на своем прямом выходе короткие импульсы отрицательной полярности, на инверсном — положительной (рис. 156). Длительность импульсов — примерно 50. 100 нс. Период импульсов определяется по последней из приведенных выше формул.
Естественно, что управляемые генераторы по схемам рис. 153 и 155 могут использоваться как автогенераторы, если на их входы «Запуск» постоянно подавать разрешающий генерацию уровень.
Микросхема К555АГ4 (рис. 149) — сдвоенный ждущий мультивибратор, по разводке выводов совпадает с АГ3. Каждый из мультивибраторов микросхемы имеет два входа для запуска — А, В, вход сброса R, выводы С и RC для подключения времязадающих цепей, прямой и инверсный выходы. Условие запуска мультивибратора — изменение
входных сигналов, в результате которого появляется следующее сочетание — лог. 0 на входе А, лог. 1 на входе В. Исходным состоянием на входах А и В может быть любое, не соответствующее указанному требованию, на входе R во время запуска должна быть лог. 1.
Два основных варианта подачи входных сигналов, обеспечивающих запуск, показаны на рис. 150 (а, в). Для запуска фронтом положительного импульса его необходимо подать на вход В (рис. 150, а), для запуска спадом положительного импульса следует использовать включение по схеме рис. 150 (в).
Подача лог. 0 на вход R предотвращает запуск или прекращает генерацию импульса и принудительно устанавливает выходы мультивибратора в исходное состояние независимо от состояния других входов.
Ждущие мультивибраторы микросхемы К555АГ4 в отличие от АГЗ не обладают способностью повторного запуска. Если во время генерации выходного импульса повторно выполнится условие запуска, длительность выходного импульса не изменится.
Подключение времязадающих цепей проиллюстрировано на рис. 152 (а, в, г), полярность включения конденсаторов всегда такая, как на рис. 152 (а). В основном варианте включения, приведенном на рис. 152 (а), сопротивление резистора R1 может находиться в пределах 1,4. 100 кОм, емкость конденсатора С1 — любая. Длительность генерируемого импульса приближенно может быть определена по формуле Т = 0,7 R1C1. Размерности в этой формуле — килоомы, нанофарады, микросекунды или килоомы, микрофарады, миллисекунды. В отсутствие внешнего конденсатора С1 (рис. 152, в) ждущий мультивибратор генерирует импульсы длительностью 20. 70 нс при сопротивлении резистора R1 = 2 кОм.
Если необходимо обеспечить большую длительность выходного импульса при малой емкости конденсатора, времязадающую цепь следует дополнить транзистором (рис. 152, г). В этом случае длительность генерируемого импульса определяется по приведенной выше формуле, однако сопротивление времязадающего резистора R1 может быть выбрано в h21э раз больше, чем указанные выше 100 кОм.
При использовании транзисторов серии КТ3102 сопротивление времязадающего резистора может доходить до 20 МОм. Сопротивление ограничительного резистора R2 может находиться в пределах 1,5. 100 кОм.
При использовании микросхем К155АГ1, АГЗ и К555АГ4 следует помнить, что они легко запускаются как от помех по цепи питания, так и по входным цепям. Для исключения ложных запусков рекомендуется в непосредственной близости от микросхем устанавливать по цепи питания блокировочные керамические конденсаторы емкостью не менее 0,033 мкФ, а проводники входных и времязадающих цепей выполнять минимальной длины. Монтажная емкость точки соединения времязадающих конденсатора, резистора и вывода микросхемы К155АГЗ не должна превышать 50 пФ.
Следует также иметь в виду, что приведенные выше формулы для расчета длительности генерируемого импульса приближенные и дают заниженный результат при емкости времязадающего конденсатора менее 1000 пФ.
МикросхемаКР531ГГ1 (рис. 157) — два генератора импульсов. Частота генерируемых колебаний определяется или кварцевым резонатором, подключаемым к выводам С1 и С2, или конденсатором, подключаемым вместо резонатора. В последнем случае частоту можно регулировать в некоторых пределах, изменяя напряжение на двух управляющих входах, один из которых обычно называют диапазонным Uд, другой — входом управления частотой Uч. При увеличении напряжения
на входе Uч частота увеличивается, при увеличении напряжения на входе Uд — уменьшается. Рекомендуемый интервал изменения напряжения на входе Uд от 2 до 4. 4.5 В. В зависимости от напряжения на входе Uд меняется диапазон изменения частоты при изменении напряжения на входе Uч. При Uд=2 В и при изменении напряжения на входе Uч от 1 до 5 В частота может быть изменена приблизительно на 15%, а при Uд= 4 В примерно в 4 раза (рис. 158).
Зависимость частоты f0 генератора при Uд=Uч=2 В от емкости конденсатора приведена на рис. 159, максимальная частота генерации — около 80 МГц. При изменении температуры от -0 до +70 «С частота изменяется в пределах примерно от 107 до 91% частоты при 25 °С, а при колебаниях напряжения питания +-5% частота изменяется примерно на ±2,5%.
На выходах генераторов микросхемы установлены ключи, которыми можно перевести вь1ходы в состояние 1 подачей на входы Е лог. 1. Сигналы генераторов проходят на выход при лог. 0 на входе Е.
Цепи питания (выводы 16 и 15) и общего провода (9 и 8) цифровой и аналоговой частей микросхемы для уменьшения влияния генераторов друг на друга разделены. Несмотря на это, существует взаимное влияние генераторов, поэтому одновременная работа двух управляемых напряжением генераторов не рекомендуется.
Источник