7.5 Одновибраторы

При работе с цифровыми устройствами достаточно часто требуется формировать одиночные импульсы определённой длительности. Эту задачу выполняют специальные устройства - формирователи импульсов. Такие устройства формируют импульс заданной длительности из произвольного входного импульса. Простейшие формирователи импульсов могут быть реализованы на логических элементах.

Укорачивающие одновибраторы.

В укорачивающих одновибраторах обязательным условием является то, что длительность входного импульса должна быть больше длительности формируемого импульса. Рассмотрим схему, приведённую на рисунке 7.13.

Рисунок 7.13 – Схема укорачивающего одновибратора

Временные диаграммы сигналов на входе и выходе инвертора, а также на выходе схемы "И" приведены на рисунке 7.14.

Рисунок 7.14 – Временные диаграммы укорачивающего одновибратора

Если бы логические элементы не обладали задержкой, то на выходе такой схемы постоянно присутствовал единичный логический уровень. Однако этого не происходит. Сигнал на выходе инвертора задержан по отношению к его входному сигналу. Как видно из приведенных временных диаграмм, одновибратор, схема которого приведена на рисунке 7.13, вырабатывает одиночный импульс по переднему фронту входного сигнала. Длительность импульса на выходе такой схемы будет равна времени задержки инвертора.

Если требуется длительность выходного импульса, большая времени задержки одиночного инвертора, то можно применить дополнительные элементы задержки на пассивных RC элементах. Пример подобной схемы приведён на рисунке 7.15, а временные диаграммы работы этой схемы приведены на рисунке 7.16.

Рисунок 7.15 – Схема укорачивающего одновибратора с использованием RC элементов задержки

Длительность выработанного формирователем импульса можно вычислить исходя из условия разряда конденсатора С. Действительно, пока конденсатор С разряжается до уровня порогового напряжения U, напряжение U2 воспринимается элементом "2И-НЕ" как уровень логической единицы и на его выходе поддерживается уровень логического нуля.

Рисунок 7.16 – Временные диаграммы укорачивающего одновибратора с использованием RC элементов задержки

С течением времени напряжение на конденсаторе C становится равным U_пор и на выходе элемента "2И-НЕ" появится уровень логической единицы. Если считать, что напряжение до начала разряда на конденсаторе было равно напряжению логической единицы U¹, то изменение напряжения U_C с течением времени можно представить как:

,

следовательно

.

Длительность импульса равна времени разряда конденсатора до порогового значения U_пор. Эту длительность можно определить, воспользовавшись следующей формулой:

Расширяющие одновибраторы.

В расширяющих одновибраторах длительность входного (запускающего) импульса должна быть короче длительности формируемого импульса. Схема расширяющего одновибратора приведена на рисунке 7.17. Он выполнен на двух логических элементах "2И-НЕ". Схема охвачена положительной обратной связью, так как выход второго элемента соединен с входом первого.

Рисунок 7.17 – Схема расширяющего одновибратора

Рисунок 7.18 – Временные диаграммы расширяющего одновибратора

В исходном состоянии на выходе элемента D2 имеется уровень логической единицы, а на выходе элемента D1 – уровень логического нуля, так как на обоих его входах присутствуют логические единицы. При поступлении на вход запускающего импульса с нулевым потенциалом на выходе первого элемента появится уровень логической единицы, который через конденсатор С поступит на вход второго элемента. Элемент D2 инвертирует этот сигнал и уровень “0” по цепи обратной связи подается на второй вход элемента D1. Теперь даже если на входе снова появится уровень логической единицы, на выходе элемента D1 будет сохраняться высокое напряжение.

На выходе элемента D2 уровень логического нуля будет присутствовать до тех пор, пока конденсатор C не зарядится до уровня U_c = U¹ – U_пор, а напряжение на резисторе R не достигнет порогового уровня U_пор (рисунок 7.18).

Длительность выходного импульса одновибратора может быть определена с помощью выражения:

,

где R_вых – выходное сопротивление первого элемента;

U_пор – пороговое напряжение логического элемента.

Использование одновибраторов.

Одновибраторы обычно используются для синхронизации цифровых устройств последовательностного типа, которые будут рассмотрены позднее. При помощи одновибраторов можно укорачивать и расширять импульсы синхронизирующего колебания, формируя тем самым заданную скважность колебания. С их помощью можно формировать многофазные синхронизирующие сигналы. Рассмотрим пример такой схемы. Пусть требуется сформировать последовательность импульсов, приведенную на рисунке 7.19.

Рисунок 7.19 – Двухтактная синхронизирующая последовательность

Для формирования такой последовательности воспользуемся укорачивающими одновибраторами, работающими по переднему и заднему фронту входного сигнала соответственно. Получившаяся схема тактовой синхронизации приведена на рисунке 7.20.

Рисунок 7.20 – Схема, формирующая двухтактную синхронизирующую последовательность