18

Импульсные устройства.

Схемы приема внешних сигналов.

Импульсные схема отличается от цифрового устройства тем, что в ней главными являются не булева алгебра, или арифметика работы устройства, не коды на его выходах, а длительность формируемых этой схемой импульсов, образование на выходах фронтов, более коротких, чем на входе, задержки этих фронтов, их дифференцирование, ограничение и т.п.

Внешние сигналы можно разделить на:

1) Сигналы от кнопок, переключателей, контактов реле

2) Сигналы от аналоговых датчиков, генераторов и усилителей

3) Сигналы от удаленных на десятки и сотни метров источников двоичных данных

4) Сигналы от микросхем другого типа логики.

1) При замыкании контактов обычно имеется дребезги, т.е. контакт вибрирует от удара при замыкании. После первого касания контакт размыкается, затем снова замыкается, и так несколько раз. Частота коммутации при дребезге зависит от жесткости пружины и массы контакта и обычно лежит в пределах сотен герц – единиц килогерц.

При необходимости избавиться от дребезга ставят RS триггеры

2) У сигналов, поступающих от аналоговых датчиков, усилителей и генераторов могут быть фронты более пологие, чем допустимо для данных цифровых микросхем.

При этом на входных цифровых микросхемах могут возникнуть вспышки генерации на фронтах, эти вспышки генерации могут перегреть кристалл микросхемы, создают сильные помехи для работы других микросхем.

Чтобы независимо от крутизны фронтов входного сигнала получить чёткий и крутой фронт на выходе применяют триггеры Шмитта, которые имеют передаточную характеристику с гистерезисом.

Серия ИМС	ТТЛ				КМОП
	155	555	531	1006 ВИ1	564
	0,9	0,8	1,2		2,2	4,2	6
	1,7	1,6	1,8		2,85	5,2	7,3

Для ТТЛ эти формулы годны. Просто берут R₁=330; R₂ =2,2…3,3 кОм

За счёт положительной обратной связи триггер Шмитта переключается лавинообразно, обеспечивая этим крутые фронты сигнала на своем выходе (без вспышек генерации), а благодаря гистерезису – разности порогов срабатывания – он защищен от не очень больших помех.

3) Эти положительные свойства триггеров Шмитта обуславливают применение их на измене сигналов от удаленных источников данных, когда возможны выбросы, всплески на фронтах, звон из-за неидеального согласования сопротивлений передатчика, линии и приемника, искажение фронтов из-за неполного согласования спектра сигнала с частотной характеристикой линии.

Как известно все обычные микросхемы не допускают подачу на вход сигналов, напряжение которых выходит за рамки питания корпуса нуля. Это объясняется возможностью перегрузки диодов, входящих в состав этих микросхем либо с защитными или антизвонными целями, либо образующихся по технологии изготовлении микросхем. Если входной сигнал может выходить за пределы ноль- питания, то надо последовательно с входом ставить резистор, ограничивающий входной ток на уровне 10 mA, а если сигнал больше питания то у ТТЛ J_мaк.вх. < 1mA для 155 и 531серий и J_мак.вх. < 0,1mA 555,1531,1533.

Чтобы избежать перегрузок схем КМОП следует всегда подавать питающее напряжение на них раньше чем входные сигналы.

4) Для перехода от микросхем ТТЛ к КМОП при питании и тех и других от +5В можно использовать ТТЛ схемы со стандартным выходом, но для надежности рекомендуется между выходом ТТЛ и источником питания включать резистор величиной порядка 3,3 кОм. Если схемы КМОП питается напряжение больше 5В, то передающая ТТЛ схема должна иметь выходом с открытым коллектором, при этом выходной транзистор должен быть высоковольтным (U15В). Это схемы 155ЛА7, ЛА8, ЛА10, ЛА11, ЛА13, ЛА18, ЛН2, ЛН3, ЛН5.

Обратный переход от КМОП к ТТЛ сделать сложнее, т.к. большинство КМОП ИС имеют малые выходные токи и выходы их не могут быть нагружены даже на один ТТЛ вход серии 155. Но есть три обычные ИМС 561ЛН1, ЛН2(8) которые можно нагрузить на 2 входа 155 серии ТТЛ (J_{вых. КМОП}3,2 мА) и 564ЛА10 – на 10 ТТЛ входов 155 серии. Кроме них в КМОП сериях есть довольно много специализированных К преобразователей уровня: 176ПУ1, ПУ2, ПУ3, ПУ5, 561ПУ4, 564ПУ6,7,8.

Для перехода от “CK к ТТЛ и обратно надо обязательно пользоваться специальными микросхемами - преобразователями уровня, входящими в состав серий ЭСЛ (K500ПУ124, ПУ125).

Генераторы Импульсов на логических элементах.

Большинство импульсных устройств на логических на логических элементах основано на том, что логические элементы это своего рода усилители с коэффициентом усиления 20…100 и с частотой среза у ТТЛ схем 5, а у КМОП f_среза 0,1…1 МГц. Аналогический расчет линейного режима цифровой микросхемы нецелесообразен, т.к. конкретные характеристики элементов могут существенно отличаться от типовых, ведь заводы изготовители эти характеристики не регламентируют. На практике нужный режим находят подбором сопротивления внешних резисторов или введением стабилизирующих ООС.

Для ТТЛ R1 выбирают R1=150…680 Oм, для КМОП R1=10 кОм…10 МГм. Резистор R1 выполняет две функции: смещает рабочую точку логического элемента 1 на крутой участок передаточной характеристики, обеспечивая этим мягкое самовозбуждение, и вместе с конденсатором CR1 служит времязадающим элементом. Длительность каждого полупериода колебаний Т1 и Т2 примерно равна 2R1C. Для ТТЛ микросхем этот процесс несколько ассиметричен, поскольку при входном напряжении ЛЭ1 большем, чем напряжение переключения U_{перекл.}, входной ток его не превышает десятков микроампер – это ток утечка закрыты эмиттером перехода МЭТ, значит среднее входное сопротивление ЛЭ1 здесь порядка 100 кОм. При входном напряжении меньшем чем напряжение переключения входной ток возрастает почти до 1 мА, следовательно среднее входное сопротивление здесь порядка 1 кОм и это низкое входное сопротивление ЛЭ, действуя параллельно времязадающему резистору R1, уменьшает время заряда конденсатора С в полупериод Т2 на 10 – 20% (по сравнению с Т1). Для выравнивания длительностей полупериодов Т1 и Т2 иногда параллельно резистору R1 подключают цепочку из диода D и резистора R2, где R2 выбирают в 5 и 10 раз большем чем R1.

В данном симметричном мультивибраторе нет отрицательной обратной связи для стабилизации рабочей точки ЛЭ на крутом участке переходной характеристики чтобы обеспечить мягкое самовозбуждение, как в предыдущей схеме.

В данной схеме прохождение постоянной составляющей входного тока ЛЭ через резистор 1 кОм создает на нем падение напряжения порядка 10,83 это и есть смещение рабочей точки на сравнительно крутой участок переходной характеристики. Не очень высокая стабильность рабочей точки приводит в некоторых эк такого генератора к нестабильному самовозбуждению.

Нестабильность частоты приведенных ранее выше генераторов имеет значение 10 – 20%. Несколько уменьшить нестабильность частоты можно если ввести между инверторами резисторы, которые фиксируют коэффициенты усиления каскадов и уменьшают влияние входного сопротивления и усиления каскадов на частоту генерируемых импульсов.

Ещё лучшей стабильностью частоты примерно 10^-3 обладают генераторы на основе линий задержки или колебательного контуров с катушкой индуктивности и конденсаторами.

Наилучшую стабильность частоты имеют генераторы генераторы с кварцевым резонатором вместо времязадающего конденсатора.

Резисторы R1и R2 выбирают как и для генератора с ёмкостью ПОС. Фильтрирующий С_ф ставят в ТТЛ схемах на частотах ниже 1 МГц для предотвращения звона на фронтах импульсов (против вспышек генерации частотой 30 МГц).

Переходной нденсатор С_пер. берут из расчёта на рабочей частоте .

Подстрочный конденсатор С_подср. позволяет точно подстроить частоту генератора в небольших пределах.

Обычные кварцевые резисторы имеют относительную нестабильность частоты резонанса порядка 10^-6. Основным дестабилизирующем фактором является зависимость частоты кварца от его температуры. Так очень распространенный в часах кварцевый резонатор РК72 на 32,786 кГц имеет допустимое относительное изменение частоты в диапазоне температур 1…50 ^оС (допустимое относительное изменение частоты колебаний за первый год 3*10^-6).

Это значит что часы, работающие с таким кварцем при температуре 0…50 ^оС, могут иметь неточность хода за сутки, т.е. за Т=24*60*60=86400 сек. Иметь сек.

Частотомеры обычно имеют более высокую стабильность частоты опорного генератора, порядка 10^-8 , поэтому во кварцевые резонаторы, а то и опорные генераторы целиком термостатируют, т.е. помещают в термостат – сосуд Дюара (термос) подогревают до температуры 60 ^оС и поддерживает эту температуру с точностью до 0,1…0,001 ^оС.