книги из ГПНТБ / Гутников, В. С. Интегральная электроника в измерительных приборах

времени тремя последовательно включенными инверторами. Как видно из диаграмм рис. 56, б, на выходе цепи логической равнозначности будут появляться импульсы, соответствующие как положительным, так и отрицательным перепадам входного напряжения.

Формирователи относительно длительных импульсов типа одновибратора («удлинители» импульсов) показаны на рис. 57.

Рис. 55. Вариант формирователя коротких импульсов (а) и диаграммы его работы (б)

В формирователе рис. 57, а исходно на выходе второго инвентора сигнал равен нулю, так как его вход через резистор присоединен к положительному полюсу источника питания. При подаче на вход первого инвертора узкого положительного им­ пульса возникающий на его выходе перепад единица — нуль передается через конденсатор на вход второго инвертора. На

Рис. 56. Удвоитель частоты (а) и диаграммы его работы (б)

выходе второго инвертора установится сигнал единица, который по цепи обратной связи будет удерживать первый инвертор в нуле, даже если входной импульс формирователя в это время закончится. Теперь на выходе формирователя сигнал возвра­ тится на уровень нуль только тогда, когда зарядится конденса­ тор в цепи связи между выходом первого и входом второго ин­ вертора. При этом выходной сигнал первого инвертора перехо­ дит из нуля в единицу.

С целью увеличения длительности выходного импульса фор­ мирователя постоянная времени межинверторной ^С-цепи связи может быть увеличена. Однако возможности увеличения сопортивелния резистора R (рис. 57,а) ограничены вследствие того, что этот резистор шунтируется входным сопротивлением второго инвертора. Уменьшить это шунтирование можно введе­ нием эмиттерного повторителя на входе второго инвертора.

108

В формирователе с эмиттерным повторителем, показанном на рис. 57, б, длительность выходного импульса может быть бо­ лее 10 сек [44]. Очевидно, использование повторителя на поле­ вом транзисторе или применение логических схем на МОПтранзисторах, имеющих высокое входное сопротивление, позво­ лит еще больше увеличить длительность выходного импульса подобного формирователя.

Еще одна разновидность формирователя импульсов большой длительности показана на рис. 57, в [44]. В этом формирователе

Рис. 57. Схемы формирователей относительно длительных импульсов на основе логических ИС

входной импульс опрокидывает элементарный триггер, собран­ ный на двух ячейках «НЕ — ИЛИ». При этом присоединенные к выходам этих ячеек транзисторы оказываются закрытыми и

чится настолько, что р — п — ^-транзистор Т2 откроется, триг­ гер сразу опрокинется в исходное состояние под воздействием положительного коллекторного напряжения транзистора Т2. Опрокидывание триггера приведет к открыванию транзистора 77, который в свою очередь разрядит конденсатор С. Таким образом, устройство возвратится в исходное состояние. Дли­ тельность выходного импульса формирователя рис. 57, в может превышать 1 мин [44].

Формирователи импульсов с запуском от механических кон­ тактов. При проектировании цифровых устройств довольно часто возникает задача формирования импульса от механиче­ ского переключателя, например от кнопки. Дело заключается в том, что срабатывание механического переключателя сопро­ вождается обычно дребезгом контактов (многократным перехо­ дом в течение короткого времени от замкнутого состояния к

109

разомкнутому и обратно). Это может привести к формированию пачки импульсов вместо желаемого одиночного импульса или перепада потенциала. На рис. 58 показаны формирователи' оди­ ночных импульсов с механическими переключателями.

Формирователь рис. 58, а представляет собой элементарный триггер на ячейках «НЕ—И» (схемы ДТЛ или ТТЛ). Сигнал нуль, прикладываемый с помощью переключателя к одному из входов этого триггера, опрокидывает его. Причем при каждом срабатывании переключателя триггер реагирует на первое же замыкание соответствующей контактной пары и последующий дребезг уже не изменяет его состояния. Подобное устройство, естественно, можно также реализовать и на ячейках «НЕ — ИЛИ».

Рис. 58. 'Схемы формирователей импульсов с запуском от механического переключателя

Аналогичная задача может быть решена также путем вклю­ чения конденсатора параллельно контактам кнопки (рис. 58,6). Благодаря малому контактному сопротивлению первое же за­ мыкание контактов кнопки разрядит конденсатор. Последующие же размыкания контактов при дребезге практически не увели­ чат напряжения на конденсаторе вследствие относительно боль­ шой постоянной времени его заряда.

Получить относительно большую постоянную времени пере­ заряда конденсатора при малой величине его емкости позво­ ляют схемы, приведенные на рис. 58, в и г . При замыкании кнопки на выходе устройств рис. 58, в и г формируются соответ­ ственно положительный и отрицательный короткие импульсы. Это выгодно отличает эти формирователи от устройств рис. 58, а, б, которые обеспечивают получение на выходе перепадов, а не импульсов. Для получения коротких импульсов устройства рис. 58, а и б нужно дополнять формирователями типа одновибраторов.

23. Генераторы импульсов

Для построения генераторов импульсов можно применять мультивибраторы, выполненные на основе логических ИС. Про­ стейший вариант подобного мультивибратора содержит два

110

одновходовых инвертора, соединенных конденсаторами в кольцо. На входы этих инверторов подается от источника питания через резисторы постоянное смещение. Образованное таким образом устройство аналогично по своей схеме и работе обычным тран­ зисторным мультивибраторам с коллекторно-базовыми емкост­ ными связями. Подобный мультивибратор, равно как и соответветствующий транзисторный, имеет жесткое самовозбуждение и может «заснуть», если оба инвертора окажутся открытыми. На рис. 59, а приведена схема мультивибратора, в котором для устранения явления «засыпания» резисторы смещения присо­ единены не к источнику питания, а к выходу логической цепи,

Рис. 59. Схемы симметричных мультивибраторов на основе логических ИС

реализующей функцию «ИЛИ» для выходных сигналов инвер­ торов мультивибратора. Если вдруг оба инвертора окажутся открытыми, то дизъюнкция их выходных сигналов окажется равной нулю. Это приведет к тому, что подаваемое через рези­ сторы напряжение смещения на входах инверторов станет рав­ ным нулю, что в свою очередь вызовет увеличение выходного напряжения этих инверторов и возобновит режим автоколе­ баний.

Вход 5 в мультивибраторе рис. 59,а предназначен для бло­ кировки автоколебаний путем подачи сигнала 5= 1 .

Следует заметить, что для применения в формирователях импульсов и генераторах наиболее удобны логические ИС типа РТЛ или РСТЛ, поскольку входящие в них инверторы с рези­ сторами на входах имеют достаточно большое входное сопро­ тивление. При экспериментальном исследовании мультивибра­ тора по схеме рис. 59, а, построенного на инверторах, входящих в ИС серии К 114, устойчивые автоколебания наблюдались при изменении сопротивлений времязадающих резисторов от 130 ком

до 1,3 Мом.

В мультивибраторе, выполненном на логических схемах типа ДТЛ или ТТЛ, схема которого показана на рис. 59, б, устране­ ние явления засыпания достигается благодаря тому, что на­ пряжение смещения на входы инверторов подается через

111

резисторы непосредственно с выходов этих же инверторов (от­ рицательная обратная связь по постоянному току).

Управление частотой мультивибратора на ИС может осуще­ ствляться так же, как и при использовании дискретных элемен­ тов, путем изменения напряжения смещения. На рис. 59, в пока­ зана схема мультивибратора, собранного на инверторах типа ПТТЛ, в котором изменение управляющего напряжения от О до 7 в изменяет выходную частоту от 20 до 200 кгц [44]. По­ грешность нелинейности при этом не превышает 5%, темпера­ турный уход частоты составляет примерно 0,8% на 10° С.

Рис. 60. Генераторы импульсов на основе логических ИС

Мультивибраторы на основе логических ИС могут быть по­ строены также и с одной времязадающей емкостью. Подобные мультивибраторы показаны на рис. 60, а и б. В мультивибра­ торе рис. 60, а резистор, соединяющий вход и выход первого инвертора, обеспечивает за счет отрицательной обратной связи по постоянному току смещение транзисторов этого инвертора на линейный участок их характеристики. Если при этом также и второй инвертор выходит на линейный участок характери­ стики, то в устройстве осуществляется «мягкий» режим само­ возбуждения автоколебаний за счет положительной обратной связи по переменному току через конденсатор С.

Менее критична к величине резистора цепи отрицательной обратной связи по постоянному току схема, приведенная на рис. 60, б. Здесь три инвертора замкнуты в кольцо через ре­ зистор обратной связи R (отрицательная обратная связь по по­ стоянному току). За счет этого обеспечивается выведение ин­

112

верторов на линейный участок характеристики. С помощью конденсатора С вводится положительная обратная связь, охва­ тывающая первые два инвертора, что и обусловливает возник­ новение автоколебаний.

Сопротивление R, входящее в мультивибратор рис. 60, в, мо­ жет быть разделено на две части, одна из которых присоединя­

шения между этими двумя частями сопротивления можно осу­ ществлять изменение скважности выходных импульсов муль­ тивибратора [46].

Мультивибраторы с кварцевой стабилизацией частоты коле­ баний выполняются обычно путем включения кварцевого резо­ натора на место времязадающей емкости мультивибратора. Удобны в этом смысле схемы с одной времязадающей емкостью (рис. 60, а и б). Однако стабилизация частоты возможна и при замене резонатором одной из двух емкостей мультивибратора. Так, например, на рис. 60, в приведена схема генератора на двух инверторах типа ТТЛ [44], в которой выход первого ин­ вертора соединен со входом второго через конденсатор, а вы­ ход второго со входом первого через кварцевый резонатор. Вхо­ дящие в устройство резисторы обеспечивают смещение инвер­ торов по постоянному току. При использовании относительно низкочастотного кварцевого резонатора (10—100■кгц) рекомен­ дуется между входом первого инвертора и «землей» включать небольшую емкость, устраняющую паразитное высокочастотное самовозбуждение генератора.

В [25] описан подобный мультивибратор с кварцевой стаби­ лизацией частоты, в котором изменением постоянной времени разделительной цепи между выходом первого^ и входом вто­ рого' инвертора можно добиться устойчивых автоколебаний на десятой субгармонике резонатора, т. е. мультивибратор обеспе­ чивает колебания с частотой, в 10 раз более низкой, чем собст­ венная частота резонатора.

Ранее в § 6 говорилось о том, что среднюю задержку рас­ пространения логических ИС определяют по частоте автоколе­ баний в кольце, составленном из нечетного количества инвер­ торов. Естественно, что подобное устройство может использо­ ваться как генератор прямоугольных импульсов. Особенностью такого генератора является сдвиг напряжений на выходах раз­ личных инверторов кольца, что позволяет применять его в ка­ честве источника многофазных импульсных последователь­ ностей.

В том случае, когда желательно понизить частоту на выходе, подобного кольцевого генератора, можно использовать шунти­ рование выходов инверторов емкостями (рис. 60, г). Возможно также включение интегрирующих 7?С-цепей в межинверторных связях.

24. Некоторые применения последовательностных логических цепей

В предыдущих главах были рассмотрены комбинационные логические цепи и цепи, содержащие триггеры,— регистры и счетчики. Однако логические цепи, содержащие триггеры и часто называемые последовательностными цепями, находят при­ менение не только в регистрах и счетчиках. Ниже будут кратко описаны некоторые применения последовательностных логиче­ ских цепей, типичные для цифровых приборов.

Устройство выделения одного импульса из непрерывной по­ следовательности показано на рис. 61, а. По командному им-

а)

I

Рис. 61. Устройства выделения тактового импульса

пульсу, поступающему на вход /, производится выделение од­ ного импульса из тактовой последовательности Ст. Работает устройство следующим образом.

Исходно оба триггера находятся в состоянии нуль. На вход D первого триггера подан постоянный сигнал единица. Поэтому как только на входе / появится импульс, он сразу же переве­ дет первый триггер в состояние единица. Поскольку прямой выход первого триггера соединен со входом D второго триггера, то ближайший после этого тактовый импульс Ст опрокинет вто­ рой триггер в единицу. При этом с инверсного выхода второго триггера будет подан потенциал единица на вход нетактируемой установки в нуль R0i первого триггера. В результате пер­ вый триггер установится в состояние нуль и будет в нем удер­ живаться все время, пока второй триггер находится в единице. Так как опрокидывание в нуль первого триггера приводит к по­ явлению сигнала нуль на входе D второго триггера, то послед­ ний очередным тактовым импульсом также установится в со­ стояние нуль. Таким образом, устройство возвратится в исход­ ное состояние.

Как следует из описания работы устройства рис. 61,а, дли­ тельность положительного импульса на выходе Q2 будет равна одному периоду тактовых импульсов Ст. На выходе же ячейки «И», присоединенной ко второму триггеру, появится один так­ товый импульс Ст.

. Подобное устройство может найти применение, например, в цифровом частотомере для формирования измерительного ин­

114

то число, записанное в счетчике, будет пульсировать около одного уровня: очередной импульс частоты fl увеличивает это число на единицу, а приходящий вслед за этим импульс ча­ стоты fz снова восстановит прежнее число и т. д. Если же ча­ стота fi больше частоты f2, то на сложение будет приходить больше импульсов, чем на вычитание, и постепенно все триг­ геры счетчика установятся в состояние единица. При этом ин­ версный сигнал с выхода ячейки «И»1 запретит дальнейшее сложение и последующие «лишние» импульсы частоты (пре­ вышение числа импульсов h над числом импульсов f2) пройдут

последующие «лишние» импульсы частоты f2 будут направлены через ячейку «И»4 и на выход f2— f ь

Подобный вычитатель в принципе может быть построен и на одном триггере, иначе говоря, на основе одноразрядного ревер­ сивного счетчика. Однако увеличение количества разрядов ре­ версивного счетчика позволяет упростить последующие цепи при вычитании пульсирующих частот. Предположим, что произ­ водится вычитание двух равных в среднем, но пульсирующих

дов в счетчике на выход вычитателя не будут проходить тройки чередующихся импульсов. Если применить трехразрядный счет­ чик, то не будут пропускаться на выход пульсации в 7 импуль­ сов и т. д. Следовательно, всегда можно подобрать такое число разрядов, при котором вычитание близких по значению пуль­ сирующих частот приводило бы к появлению импульсов только на одном выходе вычитателя. Таким образом, реверсивный счет­ чик в данном случае выполняет функции фильтра нижних час­ тот для частотно-модулированных сигналов. Это дает возмож­ ность в ряде случаев устанавливать на выходе вычитателя для

116

подсчета импульсов разностной частоты простой суммирующий, а не реверсивный счетчик.

Для предотвращения сбоев в работе реверсивного счетчика, содержащегося в вычитателе рис. 62, б, необходимо предвари­ тельно устранить совпадающие импульсы частот /у и /2. Этоможно сделать, например, путем привязки импульсов частот Д и / 2 к двум последовательностям несовпадающих тактовых им­ пульсов. Подобное тактование может быть, в частности, произ­ ведено с помощью двух устройств, выполненных по схемам рис. 61, на тактовые входы которых подаются несовпадающие тактовые импульсы, а на информационные входы / — импульсы частот f1 и f2.

Следует обратить внимание на особенность примененного в данном случае реверсивного счетчика. В отличие от счетчи­ ков, описанных в § 18, у которых был один импульсный вход и две потенциальные шины управления направлением счета, здесь имеются только два импульсных входа. Это отличие, естественно, сказывается и на структуре счетчика. Сущность работы реверсивного счетчика, имеющего два импульсных входа (вход импульсов сложения и вход импульсов вычитания), заключается в том, что на счетный вход каждого последующего триггера пропускается очередной импульс сложения, если все предыдущие триггеры находятся в единице, и импульс вычита­ ния, если все предыдущие триггеры находятся в нуле. В соот­ ветствии с этим на входе каждого триггера устанавливается ло­ гическая цепь, реализующая функцию «И — ИЛИ», причем на одну ячейку «И», входящую в эту логическую цепь, подается импульс сложения и конъюнкция сигналов с прямых выходов предыдущих триггеров, а на вторую ячейку «И» — импульс вы­ читания и конъюнкция сигналов с инверсных выходов преды­ дущих триггеров.

Преобразователи код — частота (ПКЧ) находят широкое применение в частотно-цифровых приборах с обратной связью [23]. Рассмотрим структуры подобных устройств на интеграль­ ных схемах.

ПКЧ с двоичным синхронным счетчиком показан на рис. 63, а. Синхронный счетчик в данном случае содержит три //(-триггера и три ячейки «И» (эти ячейки расположены в верхней части рис. 63, а). На вход счетчика подана образцовая частота f0. К инверсному выходу каждого триггера счетчика присоединена ячейка «И» («И»1, «И»2, «И»3), сигнал на выходе которой мо­ жет быть равен единице только тогда, когда данный триггер нахо­ дится в нуле, а все предыдущие в единице. Как видно из рис. 63, а,

версному выходу первого триггера, будут появляться импульсы с частотой fo/2, на выходе ячейки «И»2, присоединенной ко вто­

117