5.Генераторы

5.1 Генераторы периодических сигналов

При работе цифровых схем часто возникает задача синхронизации моментов изменения или записи сигналов. Для этого можно воспользоваться любым известным генератором периодических сигналов.

Генератор, в принципе, может быть построен на любом усилительном элементе, охваченном положительной обратной связью. Обобщённая схема генератора незатухающих колебаний приведена на рисунке 1.1.

  Рисунок 1.1 Схема генератора.

Для самовозбуждения колебаний в такой схеме необходимо выполнить два условия:

1. Баланс фаз

2. Баланс амплитуд

Баланс амплитуд выполняется в случае, когда произведение коэффициента усиления усилителя K и коэффициента передачи цепи обратной связи b будет больше единицы:

Баланс фаз выполняется, если сумма фазового сдвига усилителя a и фазового сдвига цепи обратной связи j будет равным нулю или 360°:

В качестве усилительного элемента можно использовать любое устройство, обладающее усилением, в том числе транзистор или операционный усилитель. Однако в этом случае потребуется специальное устройство преобразования выходного сигнала генератора к цифровым логическим уровням, используемым в разрабатываемой схеме.

Намного проще было бы использовать для построения тактовых генераторов логические элементы. Так как любые логические элементы обладают усилением, то для построения генераторов можно использовать как инверторы, так и схемы логического "И-НЕ" и "ИЛИ-НЕ". В некоторых случаях для построения генераторов используют даже триггеры. Так как от параметров усилительного элемента в значительной степени зависят параметры генератора, то рассмотрим логический инвертор с точки зрения усилительных параметров.

5.3 Мультивибраторы

Еще одной распространённой схемой генераторов на логических элементах является схема мультивибратора. В этой схеме для реализации положительной обратной связи используется два инвертора. Каждый из усилителей осуществляет поворот фазы генерируемого сигнала на 180°. В результате реализуется баланс фаз. Схема мультивибратора приведена на рисунке 3.1.

  Рисунок 3.1. Схема мультивибратора, выполненная на двух логических инверторах.

Коэффициент усиления каждого из усилителей определяется соотношением резисторов R2/R1 и R4/R3. В этой схеме возможна независимая регулировка частоты и скважности генерируемых колебаний. Длительность импульсов и длительность паузы между импульсами регулируется независимо при помощи RC цепочек R1 C2 и R3 C1. Период следования импульсов Т определяется как сумма двух времен заряда конденсаторов:

Т = t_зар1 + t_зар2,

где t_зар1 = R2C2 ln(U¹/U_пор);     t_зар2 = R4C1 ln(U¹/U_пор).

5.4 Особенности кварцевой стабилизации частоты цифровых генераторов

При разработке кварцевого генератора следует обращать внимание, что кварцевый генератор на основе мультивибратора работает несколько по другим принципам по сравнению с осцилляторной схемой. Если в осцилляторной схеме кварцевый резонатор используется в качестве индуктивности, входящей в колебательный контур резонатора, то в схеме мультивибратора кварцевый резонатор используется в качестве узкополосного фильтра в цепи обратной связи. Это приводит к тому, что один и тот же резонатор, включённый в схему мультивибратора и осцилляторную схему, будет генерировать различные частоты!

Для того, чтобы разобраться с этим явлением, вспомним эквивалентную схему кварцевого резонатора и характеристику зависимости сопротивления кварцевого резонатора от частоты. Эквивалентная схема кварцевого резонатора приведена на рисунке 4.9 а, а характеристика зависимости сопротивления от частоты - на рисунке 4.9 б.

   Рисунок 4.9. а - эквивалентная схема кварцевого резонатора; б - зависимость сопротивления кварцевого резонатора от частоты.

В схеме мультивибратора используется последовательный резонанс кварцевого резонатора (собственные колебания кристалла), а в осцилляторной схеме генерация производится на частоте, близкой к параллельному резонансу контура, образуемого индуктивностью резонатора и ёмкостью кварцедержателя. Эти частоты близки, но не могут совпадать по определению. В результате частоты генерируемых колебаний будут отличаться между собой. Обычно разность частот последовательного и параллельного резонансов составляет около 1 килогерца. Настолько же будут отличаться и частоты кварцевых генераторов, построенных по схеме мультивибратора и схеме ёмкостной трёхточки.

Так как генератор, собранный по схеме мультивибратора возбуждается на собственной частоте кварцевого кристалла, то стабильность кварцевого мультивибратора будет выше по сравнению с осцилляторной схемой, так как на частоту последовательного резонанса кварцевого резонатора не влияют внешние паразитные ёмкости. Однако в этой схеме возможно самовозбуждение генератора на частоте, далеко отстоящей от резонансной частоты кварцевого резонатора. Это обуславливается ёмкостью кварцедержателя, поэтому в схеме мультивибратора необходимо предусматривать специальные меры для борьбы с этим явлением.

При построении схем генераторов следует отметить, что они являются мощными источниками помех, поэтому эти генераторы обычно экранируют. Цепи питания микросхем, на которых реализуются генераторы обязательно содержат фильтрующие высокочастотные конденсаторы. Часто для лучшей фильтрации по цепи питания кроме конденсаторов используются фильтрующие дроссели.

Для уменьшения помех используются и конструктивные меры. Например, рядом с цепью генерируемого сигнала прокладывают корпусные проводники. Таким образом фактически образуется полосковая (или волноводная) линия передачи.