Лекция 12. Релаксационные функциональные узлы

12.1. Основные положения

К релаксационным схемам обычно относят функциональные узлы, у которых значения выходных сигналов изменяются во времени по закону, определяемому внутренними параметрами узла. Это изменение является следствием периодического или непериодического переходного процесса. В описание функционирования подобных узлов время входит в явном виде. Эти схемы обеспечивают решение таких задач, как затягивание импульсов, контроль периодичности процессов, синтез частот, кратных опорной, синхронизация устройств по внешнему сигналу, генерация опорных сеток импульсов, продвижение информации в ЗУ с последовательным доступом, преобразование напряжение – частота.

Ниже будут рассмотрены одновибраторы, мультивибраторы, таймеры и другие формирователи импульсов, импульсных серий и систем, реализованные на аналоговых времязадающих цепях. Все они имеют дискретный по уровню выход, т.е. параметром выходного сигнала является только время (длительность импульса или паузы, сдвиг между импульсами по фазе, частота генерации и т.п.).

К ним примыкают функционально близкие узлы на цифровых пересчетных схемах. Эти узлы могут иметь как дискретный, так и аналоговый выход (цифровые генераторы сигналов специальной формы).

Как известно студентам из пройденных курсов электронных устройств, особенностью аналого-импульсных узлов являются простота их структуры и малый расход комплектующих. Эти свойства можно отнести к их преимуществам. Однако, студентам известны и недостатки таких узлов: необходимость введения дополнительных цепей для стабилизации параметров узла, сложность расчета выходных (временных) величин, неточность отработки расчетных значений в результате разброса параметров комплектующих и др. В то же время узлам на цифровых элементах при большей сложности схемных решений свойственны регулярность структуры, однозначность результатов проектирования, стабильность выходных параметров (частоты, формы сигнала, вида импульсной последовательности), гибкость в управлении этими параметрами.

Все сказанное обуславливает необходимость многофакторного анализа при выборе конкретных технических решений.

Формирователи импульсов малой длительности при приходе фронта, среза импульса или обоих этих событий рассмотрены выше. Ниже будут рассмотрены специализированные микросхемы для создания импульсов или преобразования их временнЫх параметров.

12.2. Одновибраторы

Одновибраторы – это схемы, которые при приходе фронта или среза запускающего сигнала формируют однократный импульс с длительностью, заданной конструктивными параметрами схемы. Обычно длительность этого импульса . Их называют еще моновибраторами, ждущими мультивибраторами (однако последнее наименование можно спутать с управляемым мультивибратором, то есть таким, который выдает серию импульсов на время действия входного импульса). Функциональное представление ОВ приведено на рис. 71.

Р

Рис. 71

азличают одновибраторы:

а) со сбросом, позволяющие прекратить выдачу выходного импульса при активном уровне сигнала на входе R, и без сброса;

б) перезапускаемые, позволяющие продлить выходной импульс, подавая следующий входной импульс до окончания выходного, и неперезапускаемые, "глухие" на ;

в) практически мгновенно восстанавливающиеся и с конечным временем восстановления после импульса;

г) допускающие и не допускающие .

а) – г) иллюстрировать графиками

Рис. 72

Рассмотрим несколько схем одновибраторов. На рис. 72 приведены схемы ОВ, в которых используются «пороговые» свойства стандартных логических элементов, входные сигналы имеют вид короткой паузы (1-0-1). Диод VD1 входит в структуру D1.2. Это неперезапускаемые одновибраторы без сброса с конечным временем восстановления и t_вх ≤ t_вых . Для анализа этих схем студентам следует изобразить развернуто активный выходной каскад D1.1, RC-цепочку и входной каскад D1.2 (см. рис. 6), а затем выполнить анализ самостоятельно. Учесть, что R" подобрано так, что в состоянии покоя U_R" ≥ 3 В, так что на выходе D1.2 – лог.0.

В основном же одновибраторы выполняют на специальных микросхемах, которые имеют кодировку АГ (АГ1, АГ3, АГ4, АГ5). На рис. 73 приведены УГО ОВ АГ1 и АГ3, а также

Рис. 73

примеры схем подключения времязадающих элементов. Пунктиром показана возможность использования внутреннего R_I = 2 кОм вместо внешнего резистора, последовательно или параллельно ему. АГ1 –неперезапускаемый одновибратор без сброса с конечным временем восстановления.

Одновибратор с повторным запуском, например, микросхема К155АГ3, отличается от АГ1 тем, что реагирует на запускающие переходы даже во время формирования выходного импульса. В этом случае на прямом выходе сигнал высокого уровня будет сохраняться сколь угодно долго, если время между запускающими переходами будет меньше, чем длитель­ность выходного сигнала, формируемого одиночным за­пускающим переходом с учетом времени восстановления одновибратора. Другим отличием является то, что данный одновибратор можно вернуть в исходное состояние в любой момент времени по входу сброса.

Обозначение сдвоенного одновибратора АГ3 приве­дено на рис. 73. Здесь верхний одновибратор изо­бражен развернуто, а нижний – упрощенно.

Таким образом, АГ3 – это перезапускаемый одновибратор со сбросом. Нельзя, однако, забывать, что переход сигнала на R-входе с нуля на единицу при активных уровнях на S-входах вызывает запуск одновибратора. Таблицу функционирования АГ3 можно представить в виде, приведенном ниже.

Повторный запуск для продления выходного импульса следует делать через τ ≥ 0,24·C, время восстановления t_восст = (1,2...2,4)·С (если С – в микрофарадах, время – в наносекундах).

Таблица 25

R	S1	S2	Q
0	x	x	0
x	1	x	0
x	x	0	0
1	0
1		1
	0	1

В отличие от него, сдвоенный одновибратор АГ4, входящий только в серию К555, не выполняет перезапус­ка в ходе формирования импульса и имеет триггеры Шмитта на всех входах. В остальном его функциониро­вание и распиновка совладают с АГ3. Длительность импульса на выводах 5, 13 или 4, 12 при запуске по выводам 1, 9 или 2, 10:

при С_ЕХТ = 80 пФ, R_ЕХТ = 2 кОм 70...150 нс

при С_ЕХТ= 0 пФ, R_ЕХТ = 2 кОм 20...70 нс

при С_ЕХТ= 100 пФ, R_ЕХТ =10 кОм 600...750 нс

при С_ЕХТ= 1 пФ, R_ЕХТ = 10 кОм 6_·10⁶...7,5_·10⁶ нс

В

Рис. 74

серию К555 введен также сдвоенный одновибратор АГ5 с перезапуском (рис. 74). Эффект запуска под действием сигнала R у него отсутствует, распиновка отличается от принятой для АГ3, АГ4.

Перезапускаемые ОВ являются основой сторожевых таймеров (WatchDog Timer) – устройств контроля периодичности каких-либо процессов, обычно цикличности управления оборудованием. Диаграмма процесса, контролируемого WDT, приведена на рис. 75 – проанализировать.

Рис. 75