8.3. Кварцевый генератор

Когда требуется генератор импульсов, у которого изменение частоты под воздействием внешних факторов не должно превышать  0,01 %, например, для генератора электронных часов или устройств синхронизации систем телемеханики, применяется кварцевая стабилизация частоты. В качестве частотозадающего элемента такого генератора применяется кварцевый резонатор, у которого частота последовательного резонанса определяется геометрическими размерами кварцевой пластины.

Схема генератора импульсов (кварцевого генератора), частота которого стабилизирована кварцевым резонатором, представлена на рис. 8.5.

Рис. 8.5. Кварцевый генератор

Кварцевый резонатор ZQ включается вместо времязадающего конденсатора. На частоте последовательного резонанса получается минимальное сопротивление, и положительная обратная связь с выхода DD2 на вход DD1 через ZQ вызывает генерацию. Резистор R, как и в схеме генератора с одной времязадающей RC-цепью, охватывает ООС один инвертор, выводя его на линейный участок передаточной характеристики для выполнения условия баланса амплитуд. Для исключения влияния на частоту генерации других элементов схемы выход генератора к внешней нагрузке может подключаться через буферные элементы (инверторы).

Существуют специальные микросхемы (например, К176ИЕ12), применяемые в электронных часах, внутри которых собрана схема генератора. К микросхеме подключается внешний кварцевый резонатор, частота которого точно делится на 2ⁿ. Чаще всего используется кварцевый резонатор на частоту 32768 Гц (2¹⁵). Поскольку при массовом производстве затруднительно обеспечить абсолютно одинаковые геометрические размеры кварцевых пластин, в схеме предусмотрено включение корректирующих конденсаторов, с помощью которых частота генерации устанавливается при настройке.

Применение кварцевого резонатора исключает влияние изменения напряжения питания и порога переключения элементов на генерируемую частоту. Однако под воздействием изменения температуры геометрические размеры кварцевой пластины также изменяются, что приводит к снижению точности установки частоты. В прецезионных генераторах для исключения влияния температуры кварцевый резонатор помещают в термостат, где поддерживается неизменная температура. Изменение частоты в таком генераторе не превышает  0,001 %.

8.4. Ждущий мультивибратор (генератор одиночных импульсов)

Генераторами одиночных импульсов (одновибраторами, ждущими мультивибраторами) называют логические устройства с одним устойчивым состоянием. Под воздействием внешнего импульса управления одновибратор переходит в квазиустойчивое состояние и формирует на выходе один импульс. Любой мультивибратор можно перевести в ждущий режим и получить одновибратор. Схема ждущего мультивибратора, выполненного на базе схемы симметричного мультивибратора, представлена на рис. 8.6.

Рис. 8.6. Ждущий мультивибратор (одновибратор)

Чтобы создать ждущий мультивибратор, необходимо выделить вход управления схемой «Упр». Для этого схема построена на элементах 2И-НЕ. В исходном состоянии на оба входа элемента DD2 поступают сигналы логической 1: один через R2 от источника питания схемы, другой на вход «Упр» из цепи управления. На выходе DD2 уровень логического 0. На входе элемента DD1 также уровень логического 0, обеспечиваемый условием (для микросхем ТТЛ) или пренебрежимо малым входным током (для микросхем КМОП). Следовательно, конденсатор С2 разряжен. На выходе элемента DD1 логическая 1, следовательно, конденсатор С1, включённый между двумя точками с уровнями логической 1, также разряжен. Это – устойчивое состояние схемы.

Временная диаграмма работы схемы ждущего мультивибратора представлена на рис. 8.7. Когда на схему поступает управляющий импульс, элемент DD2 переключается, и на его выходе появляется сигнал логической 1. Этот сигнал через разряженный конденсатор С2 поступает на объединённые входы элемента DD1, который тоже переключается. На выходе DD1 появляется сигнал логического 0, который через разряженный конденсатор С1 поступает на верхний вход элемента DD2 и блокирует его. Это – квазиустойчивое состояние схемы. В таком состоянии схема пребывает до заряда конденсаторов С1 и С2 через резисторы R1 и R2. Длительность импульса будет , то есть аналогичной длительности импульса обычного мультивибратора.

Когда конденсаторы зарядятся, на объединённых входах элемента DD1 будет логический 0, а на входе элемента DD2 – логическая 1. Элементы DD1, DD2 переключатся, формирование импульса одновибратора закончится. Конденсаторы начнут разряжаться через резисторы R1, R2. Время разряда будет практически таким же, как и время заряда. Из вышеприведённых рассуждений можно сделать два вывода:

- длительность импульса управления не должна быть больше, чем длительность импульса одновибратора;

- следующий импульс управления нельзя подавать раньше, чем закончится процесс разрядки конденсаторов, иначе на выходе получится импульс укороченной длительности.

Рис. 8.7. Временная диаграмма работы схемы ждущего мультивибратора

Также недостатком схемы является наличие двух времязадающих цепей, хотя для формирования импульса вполне достаточно одной.