Генераторы примеры реализации

June 26, 2010 by admin Комментировать »

До сих пор мы рассматривали только два способа построения генераторов колебаний — один раз это был релаксационный генератор коротких импуль­сов на однопереходном транзисторе (см. рис. 10.3) для фазового управления тиристорами, второй раз — аналоговый генератор синусоидальных колеба­ний на ОУ (см. рис. 12.6). Был еще «зуммер» из реле, приведенный на рис. 7.3. Теперь рассмотрим релаксационные генераторы прямоугольных им­пульсов на логических микросхемах.

Подробности

Релаксационными, в отличие от гармонических, называются колебания в системах, где существенную роль играет рассеяние энергии, или, как гово­рят физики, ее диссипация. Типичными примерами систем с гармоническими колебаниями служат описанные в любом школьном учебнике физики колеба­тельный контур или механический маятник. В них энергия непрерывно пере­ходит из одной формы в другую, и если не учитывать потери на нагревание проводов в контуре или потери на трение в маятнике, то такие колебания могут продолжаться бесконечно без всякой подпитки извне. В отличие от та­ких систем, релаксационные генераторы без внешнего источника неработо­способны, в них энергия, запасенная в накопителе (например, конденсато­ре), не переходит в другую форму, а теряется — переходит в тепло. Для возникновения релаксационных колебаний обязательно требуется наличие нелинейного порогового элемента, меняющего свое состояние скачком, а также определенный характер обратных связей (о чем далее). Релаксацион­ные генераторы обычно выдают скачкообразный сигнал (прямоугольный, как в большинстве генераторов далее, или импульсный, как в генераторе на од­нопереходном транзисторе), но не всегда. Так, генератор синусоидальных колебаний из главы 12 также является релаксационным, но с помощью хит­ро подобранных характеристик цепей обратной связи сделано так, что фор­ма сигнала меняется по синусоидальному закону.

Но сначала рассмотрим такой генератор на ОУ (рис. 16.1, а). Работает он следующим образом. Мы помним, что в первый момент времени заряжаю­щийся конденсатор эквивалентен короткозамкнутой цепи. Поэтому после включения питания коэффициент усиления по инвертирующему входу бу­дет равен бесконечности, и на выходе ОУ будет фактически положительное напряжение питания. Конденсатор начнет заряжаться через резистор R1, но в силу большого коэффициента усиления ОУ напряжение на выходе оста­нется вблизи напряжения питания, пока потенциал на конденсаторе не дос­тигнет порога, заданного делителем R2/R3 — в данном случае половины положительного напряжения питания. Тогда выход ОУ скачком перебро­сится в состояние, близкое к отрицательному напряжению питания, и кон­денсатор начнет разряжаться через тот же резистор R1. Напряжение на не­инвертирующем входе окажется равным половине отрицательного напря­жения питания, и, чтобы привести схему в первоначальное состояние, конденсатору придется перезарядиться до этого напряжения. Затем все по­вторится сначала. Таким образом, на выходе мы получим меандр с периодом, который определяется параметрами RC-цепочки (см. формулу на рис. 16.1, а). На инвертирующем входе, между прочим, при этом будет напряжение, очень близкое к треугольной форме, которое можно где-нибудь использо­вать, если подключить потребителя через отдельный развязывающий по­вторитель на другом ОУ.

clip_image002

Рис. 16.1. Схема генератора на ОУ (а) и зуммера на реле (б)

Заметки на полях

Отметьте, что если исключить из рассмотрения интегрирующую цепочку R1C1, то остальная часть схемы есть упрощенный вариант компаратора с гистерези­сом, приведенного на рис. 12.10. Для того чтобы генератор работал от одного напряжения питания, придется неинвертирующий вход подключить в точности так же, как там — к искусственной средней точке. Подобные генераторы ранее были широко распространены, и поныне разными производителями выпуска­ется специальная микросхема, которая известна под названием «таймер 555» и может служить как в качестве генератора, так и одновибратора, то есть фор­мирователя однократных импульсов, в том числе большой длительности.

Теперь посмотрим, что нужно сделать, чтобы построить такой генератор на логике. Сначала обратимся к зуммеру на рис. 7.3 и перерисуем его в виде рис. 16.1,6. В таком виде в схеме легко узнать релейный инвертор (см. рис. 14.3, крайний элемент справа), у которого в данном случае выход управ­ляет входом. Не получится ли провести тот же самый фокус, если замкнуть вход с выходом у обычного инвертора в интегральном исполнении? К сожа­лению, нет — такое включение просто выведет инвертор в линейный режим, при котором на выходе установится половина питания. А почему? А потому, что логические элементы, грубо говоря, слишком быстродействующие.

Теория гласит, что для получения устойчивых колебаний необходимо, чтобы присутствовали обе разновидности обратной связи, причем действие отрица­тельной обратной связи (ООС) должно отставать от действия положительной (ПОС). Именно это и происходит и в схеме генератора на основе компарато­ра, за счет использования RC-цепочки, и в зуммере за счет механической инерции деталей. Действие только одной ПОС приведет к тому, что выход устройства «зависнет» в одном из крайних положений, а одной только ООС — к тому, что на выходе установится некое среднее состояние равнове­сия. Сравните поведение одйовибраторов, рассмотренных в этой главе далее, в которых наличествует только ООС, и RS-tpnrrepoB (в конце главы), в кото­рых присутствует только ПОС. А вот вместе они дадут то, что надо.

Существует огромное количество схем мультивибраторов— то есть гене­раторов прямоугольных колебаний, реализующих эти теоретические положения. Если кому любопытно, то не меньше десятка разнообразных схем можно найти только в одной книге [6], и этим их многообразие далеко не исчерпывается. Я приведу только одну из них, выбранную из многих из-за минимального количества используемых компонентов, и два ее вари­анта, разница между которыми заключается в используемых элементах («И-НЕ» или «ИЛИ-НЕ»). ,

Схема по рис. 16.2, а базовая. При включении питания она начинает работать сразу и, как и остальные схемы подобного рода, выдает меандр с размахом от О до f/пит. Частота на выходе определяется параметрами R1 и С1: период Г« 2R1C1. Схема устойчиво работает при величине резистора R1 от нескольких килоом до 10 МОм, что составляет достаточный диапазон для того, чтобы избежать искушения при малых частотах использовать электролитические конденсаторы — напомним, что они очень нестабильны при работе во время­задающих цепях.

Резистор R2 в работе схемы почти не участвует и нужен только для того, чтобы оградить защитные диоды микросхемы от перегрузки током разряда конденсатора С1. Величина его может изменяться от сотен ом до нескольких килоом, при условии, что он много меньше R1. Его можно и вообще исклю­чить из схемы, отчего он показан пунктиром (о необходимости установки этого резистора мы будем говорить позже). Конденсатор С1 может приме­няться любой, с емкостью не меньшей нескольких десятков пикофарад. Ука­занные параметры элементов позволяют получить частоты от сотых долей герца вплоть до верхней границы рабочей частоты «классических» КМОП-микросхем в 1—2 МГц. Для получения более высоких частот целесообразно использовать быстродействующие серии КМОП, а не ТТЛ, так как для по­следней ограничения гораздо жестче— например, резистор R1 не должен выходить за пределы Т),5—2 кОм.

clip_image004

Рис. 16.2. Схемы мультивибратора на логических элементах: а — базовая схема на инверторах; б — схема на двухвходовых элементах с управлением; в — диаграмма состояний схемы на двухвходовых элементах «И-НЕ»; г — диафамма состояний схемы на двухвходовых элементах «ИЛИ-НЕ»

Если в схеме на рис. 16.2, б объединить входы логических элементов между собой, она превратится в схему по рис. 16.2, а. Но дополнительные входы можно и использовать для управления генерацией. Нередко возникает по­требность остановить генерацию на время и при этом обеспечить определен­ный логический уровень на выходе генератора. Эти задачи как раз и решают­ся с помощью дополнительных входов. Диаграммы состояния выхода в зависимости от состояния входов при использовании разных типов логиче­ских элементов приведены на рис. 16.2, виг. Запоминать эти диаграммы нет необходимости, если обратиться к рис. 15.8. Из него следует, что единица на входе «И-НЕ» и ноль на входе «ИЛИ-НЕ» являются разрешающими уровня­ми, следовательно, при этих уровнях на управляющих входах наша схема бу­дет функционировать, как если бы входы элемента были объединены. При запрещающих же уровнях на входе уровень на выходе будет устанавливаться так, как если бы никаких RC-цепочек не существовало.

clip_image006

Рис. 16.3. Схема звуковой сигнализации с динамиком на выходе

Простейшее применение схемы с управлением — решение задачи приоста­новки генератора на время переходных процессов при включении питания, для чего по управляющему входу нужно поставить интегрирующую RC-цепочку, как в схеме триггеров с предустановкой далее (см. рис. 16.9). Дру­гое применение — генерация пачек импульсов, если управляющий вход од­ного генератора присоединить к выходу другого, с меньшей частотой. На рис. 16.3 показана схема звуковой сигнализации на одной микросхеме 561ЛА7 и одном транзисторе. Это пример случая, когда требуется опреде­ленный логический уровень при выключенной генерации, чтобы избежать протекания постоянного тока через динамик и не ставить при этом раздели­тельный конденсатор.

Схема выдает сигнал около 500 Гц с периодом повторения около 0,5 с, если на управляющий вход подать сигнал высокого уровня. При сигнале низкого уровня на управляющем входе, на выходе также низкий уровень и постоян­ный ток через динамик не течет. Транзисторный каскад лучше питать неста-билизированным напряжением от входа стабилизатора питания микросхем, потому что тогда достаточно мощные импульсы тока через динамик будут фильтроваться стабилизатором и не окажут вредного воздействия на осталь­ные элементы схемы. Динамик можно заменить и на пьезоэлектрический звуковой излучатель, тогда мощный транзистор ставить необязательно (но вовсе без транзистора не обойтись, звук будет слишком тихим). А о пьезоэф-фекте мы сейчас подробнее и поговорим.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты