2416

снизится до уровня напряжения Uоткр на тиристоре в открытом состоянии (Uоткр ≈1 В), после чего тиристор закроется, и процесс зарядки конденсатора постоянным током I=E/R повторится (рис. 10.51, б). Очевидно, для того чтобы операционный усилитель не входил в насыщение, необходимо выполнить условие Uоп< Uвых max.

Подобные генераторы широко применяются в аппаратуре связи, телевидении, радиолокации. Наиболее часто их используют для создания временной развертки луча в электронно-лучевых трубках осциллографов, телевизоров и т. п.

Другой важной областью применения этих генераторов является преобразование напряжения в частоту для точных измерений постоянных напряжений, так как измерение частоты может быть реализовано с наивысшей возможной точностью.

10.18.Мультивибраторы на транзисторах

Вимпульсной технике широко применяются генераторы релаксационных колебаний. Релаксационными называют периодические колебания несинусоидальной формы, в которых медленные изменения чередуются со скачкообразными. Форма колебаний может быть прямоугольной, пилообразной и т.д. Генераторы таких колебаний могут работать в автоколебательном или ждущем режиме и используются в качестве запускающих и переключающих устройств, для деления частоты и других целей. Одним из видов релаксационных генераторов является мультивибратор, вырабатывающий колебания практически прямоугольной формы. Мультивибратор является импульсным устройством, в котором усилительный элемент работает в ключевом режиме.

Основная схема автоколебательного мультивибратора на транзисторах типа p-n-p приведена на рис. 10.52.

Схема представляет собой двухкаскадный усилитель с емкостными связями. Выход каждого каскада соединен со входом другого, что обеспечивает глубокую, практически 100%-ную положительную обратную связь. Если транзисторы, конденсаторы и резисторы обоих плеч мультивибратора одинаковы, его называют симметричным.

Рассмотрение принципа работы мультивибратора начнем с мо-

мента t0, когда транзистор VT2 находится в состоянии насыщения, а транзистор VT1 – в состоянии отсечки. Конденсатор С1 разряжен, кон-

270

денсатор С2 заряжен до напряжения, почти равного напряжению источника питания.

Рис. 10.52. Основная схема автоколебательного мультивибратора (а) и диаграмма напряжений (б)

Насыщенное состояние VT2 обеспечивается соответствующим выбором сопротивления резистора Rб2 (Rб≤βRк), а состояние отсечки VT1 тем, что к его эмиттерному переходу через открытый транзистор VT2 приложено запирающее напряжение от С1. Начиная с момента t0, происходит относительно быстрый заряд С2 до напряжения –Ек и медленный перезаряд С1 по цепи –Ек-Rб1-С1-VT2, причем конденсатор С1 стремится перезарядиться от –Ек до +Ек. В процессе перезаряда запирающее напряжение для VT1 уменьшается. Когда оно станет близким к нулю, начинается процесс отпирания VT1. При отпирании VT1 конденсатор С2 положительным выводом подключается к базе VT2, что вызывает процесс его запирания. Благодаря положительной обратной связи, процесс развивается лавинообразно и заканчивается переходом мультивибратора в другое квазиустойчивое состояние: транзистор VT1 открыт, а VT2 – закрыт (момент времени. t1). После этого начинается процесс перезаряда С2, продолжающийся до момента времени t2, когда произойдет быстрый переход транзистора в прежнее состояние. В дальнейшем процессы повторяются.

Поскольку переход транзисторов из закрытого состояния в открытое происходит скачкообразно, напряжение на коллекторах имеет практически прямоугольную форму. Период колебаний мультивибратора определяется временем, в течение которого разряжаются кон-

271

Поскольку длительность периода Т складывается из равных продолжительностей импульса и паузы, то

Практические схемы автоколебательных мультивибраторов обычно содержат несколько дополнительных элементов, предназначенных для улучшения формы выходного напряжения и повышения стабильности работы.

10.19.Триггеры и триггерные устройства

10.19.1.Общие сведения

Как и мультивибратор, триггер является импульсным устройством, в котором усилительный элемент работает в ключевом режиме. Триггером называется устройство, обладающее двумя устойчивыми состояниями и способное скачком переходить из одного состояния в другое под воздействием внешнего управляющего сигнала.

Триггеры относятся к логическим устройствам, у которых состояние на выходе определяется состояниями на входах не только в данный момент времени, но и предыдущим состоянием.

Развитие полупроводниковой электроники привело к тому, что вместо триггера на дискретных элементах стали применяться триггеры, выполненные в виде интегральных микросхем.

С применением в вычислительной технике триггеров связано использование двоичной системы счисления. Триггер способен запоминать и хранить один бит информации (один разряд двоичного числа). Один выход триггера называется прямым Q , другой – инверсным Q .

Одно устойчивое состояние триггера, когда на прямом выходе низкий уровень напряжения, обычно принимают за «0», другое – за «1». Число входов зависит от структуры и функций, выполняемых триггером.

По способу записи информации триггеры делят на асинхронные и синхронизируемые (тактируемые). В асинхронных триггерах информация записывается непосредственно в момент изменения сигнала на его информационных входах. Синхронный триггер имеет синхронизирующий вход С. Такой триггер изменяет свое состояние лишь в

272

строго определенные (тактовые) моменты времени, соответствующие действию активного сигнала на его синхронизирующем входе С.

Тактируемые триггеры могут быть с потенциальным и динамическим управлением. У первых из них информация записывается в течение времени, при котором уровень сигнала С=1. В триггерах с динамическим управлением информация записывается только в течение перепада напряжения на входе синхронизации. Динамические входы изображают на схемах треугольником. Если вершина треугольника обращена в сторону микросхемы, то триггер срабатывает по фронту входного импульса, если от нее – по спаду. В схемах встречаются также обозначения «/» и «\». Первое обозначает фронт, второе – спад. В таком триггере информация на входе может быть задержана на один такт по отношению к входной информации.

Алгоритм функционирования триггеров обычно поясняется таблицами истинности, которые содержат информацию как о состоянии триггера Q(t) до поступления управляющих входных сигналов, так и о состоянии триггера Q(t+1) после подачи сигналов на входы.

Основные типы триггеров в интегральном исполнении носят следующие названия: RS-триггеры, D-триггеры, Т-триггеры и JK-триг- геры.

10.19.2. Триггеры на транзисторах

На рис. 10.53 приведена схема триггера на биполярных транзисторах типа p-n-p с коллекторно-базовыми связями.

Как и мультивибратор, триггер представляет собой двухкаскадный усилитель, у которого выход первого каскада соединен со входом второго, а выход второго – со входом первого (100%-ная положительная обратная связь). Однако в отличие от мультивибратора связь между каскадами не емкостная, а гальваническая. Обычно применяется симметричная схема, когда RК1=RК2, Rб1=Rб2, RЗ1=RЗ2, а транзисторы имеют одинаковые параметры. Такой триггер называется симметричным.

В первый момент после подачи питающего напряжения оба транзистора будут стремиться открыться, так как на их базы через Rб1 и RКб2 подаются отрицательные отпирающие напряжения. Однако такое состояние будет неустойчивым. В силу случайных причин изменение токов и напряжений на электродах транзисторов будет неодинаковым, в результате чего триггер обязательно окажется в одном из двух устойчивых состояний.

273

Рис. 10.53. Симметричный триггер с коллекторно-базовыми связями и раздельным запуском (а) и временные диаграммы его работы (б)

Допустим, что коллекторный ток VT2 по какой-либо причине уменьшился. Это приведет к увеличению напряжения на его коллекторе, а значит и к увеличению входного напряжения и тока VT1. Рост тока VT1 сопровождается понижением напряжения на его коллекторе, являющегося входным для VT2, а следовательно, дальнейшим снижением его тока. Это очень быстро приведет к тому, что VT1 окажется открытым, а VT2 закрытым. В таком состоянии триггер может находитьсся в течение сколь угодно длительного времени. Чтобы не произошло изменение состояния триггера вследствие случайных причин, на базу закрытого транзистора через резистор RЗ2 подается запирающее напряжение +Еб. В таком состоянии триггера на коллекторе VT1 напряжение близко к нулю, а на коллекторе VT2 практически рав-

но –Ек.

Чтобы перевести триггер в другое устойчивое состояние, необходим внешний запускающий сигнал. Различают три способа запуска триггера:

–раздельный запуск импульсами одной и той же полярности, в разное время на базы разных транзисторов;

–запуск импульсами чередующейся полярности, подаваемыми на базу одного из транзисторов;

274

– запуск импульсами одинаковой полярности одновременно на базы обоих транзисторов (счетный запуск).

Простейшей запускающей цепью является дифференцирующая RC-цепь, формирующая короткий импульс, который через диод поступает на базу транзистора.

На рис. 10.53, а приведена схема с раздельным запуском, которая имеет два входа. При этом положительный запускающий импульс подается раздельно на вход uвх1 через дифференцирующую цепь Rвх1Свх1, диод VD1 на базу транзистора VT1 или на вход uвх2 через дифференцирующую цепь Rвх2Свх2, диод VD2 на базу транзистора VT2 (см. рис. 10.53, а, б).

Как установлено выше, триггер находится в одном из двух устойчивых состояний, при котором транзистор VT1 открыт, а транзистор VT2 закрыт. Чтобы перевести триггер в другое устойчивое состояние, необходимо подать положительный импульс на вход uвх1 через дифференцирующую цепь Rвх1Свх1, диод VD1 на базу открытого транзистора VT1, что приводит к его запиранию. Запирание VT1 вызовет описанный выше лавинообразный процесс, в результате которого VT2 будет открыт, а VT1 закрыт. Новое состояние в отсутствие внешних запускающих импульсов будет также устойчивым.

Если запускающий положительный импульс подать на базу закрытого транзистора, то состояние триггера не изменится. Если диоды включить в противоположном направлении, то на базы транзисторов будут поступать отрицательные импульсы, которые открывают транзисторы. На состояние открытого транзистора эти импульсы влиять не будут, а закрытый транзистор начнет открываться.

В практических схемах диоды включаются таким образом, чтобы запускающий импульс работал на закрывание транзистора, так как в этом случае потребляется меньший ток от источника импульса.

Симметричный триггер с раздельным запуском (рис. 10.50, а), представляет собой RS-триггер.

На рис. 10.54 приведена схема триггера с запуском импульсами чередующейся полярности, подаваемыми на базу одного транзистора. Так как импульсы имеют разную полярность, диод в цепи запуска такого триггера отсутствует.

На рис. 10.55 приведена схема триггера со счетным входом. Для получения такого триггера входные цепи триггера с раздельным запуском объединяются. Полученный общий вход называется счетным входом, или Т-входом. Сам триггер называется Т-триггером.

275

+Еб

Рис. 10.54. Триггер с запуском импульсами чередующейся полярности, подаваемыми на базу одного транзистора

RЗ1 RЗ2

+Еб

0

Свх1 Свх2 Т uвх

Рис. 10.55. Триггер со счетным входом

276

В этой схеме на катоды диодов через сопротивления Rб1, Rб2 подается высокое отрицательное напряжение, в результате чего один из диодов всегда будет закрыт. Запускающий импульс поступит через диод, подключенный к базе открытого транзистора, который начнет закрываться. Если, например, закрыт транзистор VT1, будет закрыт диод VD1, подключенный к базе VT1, запускающий импульс поступит на базу VT2, в результате чего триггер перейдет в другое устойчивое состояние, когда будет закрыт VT2.

Т-триггер является делителем частоты входных импульсов на 2.

10.19.3. Триггеры на интегральных микросхемах

RS-триггер

Асинхронный RS-триггер имеет два информационных входа R и S. Входы S и R названы по первым буквам английских слов set – установка и reset – сброс. При S=1 и R=0 на выходах триггера появляются сигналы: на прямом выходе Q=1, на инверсном Q =0. При S=0 и R=1

выходные сигналы триггера принимают противоположные состояния (Q=0, Q =1). Этот триггер не имеет тактового входа. Простейший RS-

триггер можно реализовать на логических элементах ИЛИ-НЕ и И-НЕ, как показано на рис. 10.56.

Рис. 10.56. RS-триггер, реализованный на логических элементах ИЛИ-НЕ (а) и И-НЕ (б)

Схемное обозначение и таблица истинности, поясняющая алгоритм функционирования асинхронного RS-триггера, приведены в табл. 10.3.

277

Таблица 10.3

Схемное обозначение

и таблица истинности асинхронного RS-триггера

RS-триггер не допускает одновременно наличие на входах активных сигналов «S=1, R=1». В этом случае не выполняется условие его функционирования, поскольку на выходах Q и Q логические уровни

перестают быть взаимно инверсными, состояние выхода оказывается неопределенным. Данные комбинации считаются запрещенными.

Режим «S=1, R=0» называют режимом записи «1», так как Q(t+1)=1; режим «S=0 и R=1» – режимом записи «0», так как Q(t+1)=0; режим «S=0, R=0» – режимом хранения информации, так как информация на выходе остается неизменной. Временная диаграмма асинхронного RS-триггера приведена на рис. 10.57.

R

t

S

t

Q

t

Рис. 10.57. Временная диаграмма асинхронного RS-триггера

Синхронный RS-триггер отличается от асинхронного наличием входа С для синхронизирующих тактовых импульсов. Переключение

278