6.3. Генератори поодиноких імпульсів (одновібратори)

Одновібратори – це допоміжні цифрові елементи, призначені для генерації поодинокого прямокутного імпульсу напруги з заданими параметрами при дії на вході одновібратора сигналу запуску  короткого імпульсу високо U¹ або низького U⁰ рівнів чи перепаду напруги від U⁰ до U¹ або від U¹ до U⁰. В комп’ютерній електроніці одновібратори застосовують у пристроях управління і синхронізації для формування прямокутних імпульсів заданої тривалості й амплітуди та для затримки імпульсів на певний час.

Одновібратори будують на логічних елементах і інтегрувальних та диференціювальних RC-ланцюгах. Особливістю їх схем, як і у генераторах (мультивібраторах), є наявність позитивного зворотного зв’язку між виходом і входом схеми. Тому одновібратор по суті є мультивібратором, який знаходиться у режимі очікування, звідсіля друга його назва  загальмований мультивібратор.

Існують різноманітні схемотехнічні реалізації одновібраторів. Розглянемо деякі з них.

Рис. 6.10. Одновібратор на логічних елементах ІНЕ: а – схема; б – часові діаграми

На рис. 6.10а показана схема одновібратора на логічних елементах 2ІНЕ, в якій використовується диференціювальний RC-ланцюг. Запуск одновібратора відбувається коротким імпульсом низького рівня U⁰. Часові діаграми, що пояснюють принцип дії одновібратора наведені на рис. 6.10б. Для спрощення вони побудовані без урахування затримок логічних елементів.

Вільний вхід логічного елемента DD2 може бути використаний для керування роботою одновібратора. При наявності на ньому низького рівня напруги U⁰ (логічного „0”), який є активним сигналом для елементів ІНЕ, робота одновібратора блокується. Високий рівень напруги на цьому вході U¹ (логічної „1”) дозволяє роботу одновібратора.

У початковому стані на обох входах логічного елемента DD1 діють сигнали високого рівня U¹, тому на його виході сигнал низького рівня U⁰, і конденсатор С розряджений до напруги U⁰.

При надходженні на вхід схеми у момент часу t₀ сигналу низького рівня U⁰ (рис. 6.10б) на виході DD1 (точка В схеми) з’являється сигнал високого рівня напруги U¹ і конденсатор починає заряджатися. По ланцюгу  вихід DD1, конденсатор С, резистор R на землю (загальну шину) тече струм, який створює на резисторі R позитивну відносно землі напругу, що сприймається логічним елементом DD2 як рівень логічної одиниці. Елемент DD2 перемикається у стан низького рівня вихідної напруги U⁰, яка по зворотному зв’язку надходить на вхід елемента DD1 і утримує його у стані високого рівня U¹ навіть тоді, коли вхідний імпульс низького рівня вже закінчився (рис. 6.10б). Тому процес зарядження конденсатора С продовжується. Зазначимо, що при цьому діод VD зміщений у зворотному напрямку падінням напруги на резисторі R і тому не впливає на процес зарядження конденсатора. У момент часу t₁ падіння напруги на резисторі R (в точці А схеми) досягає порогового значення U_пор, що викликає перемикання DD2 у стан логічної „1” (високий рівень U¹). Формування вихідного імпульсу одновібратора завершується. Тепер на обидва входи елемента DD1 надходять логічні одиниці і він перемикається у стан логічного нуля. Починається розряд конденсатора по ланцюгу „+” обкладка С, відкритий вихідний транзистор елемента DD1, загальна шина, відкритий діод VD, „” обкладка С. Відкритий діод, завдяки малому електричному опору, прискорює розряд конденсатора, що сприяє швидкому переходу одновібратора у початковий стан.

Тривалість поодинокого імпульсу t_{і вих} = t₁  t₀ (рис. 6.10б), що генерує одновібратор, можна знайти на підставі співвідношення (6.13), отриманого раніше для диференціювального RC-ланцюга, якщо в нього підставити значення t = t₁, U_вих(t₁) = U_пор. Після нескладних перетворень для тривалості імпульсу одержимо наступний вираз:

. (6.25)

З (6.25) випливає, що тривалість імпульсу t_{і вих} можна змінювати шляхом зміни величини опору і (або) ємності RC-ланцюга. Величину опору R у (6.25) визначає не тільки опір RC-ланцюга але й вихідний опір логічного елемента DD1. Цим опором можна знехтувати, якщо він значно менший за величину опору RC-ланцюга. При побудові одновібраторів на мікросхемах ТТЛШ і КМОНТЛ вимоги до вибору опору резистора RC-ланцюга такі ж самі, як і для формувачів, розглянутих вище, тобто для мікросхем ЛЕ ТТЛШ величину опору обирають у інтервалі 300 Ом ≤ R ≤ 2 кОм, для КМОНТЛ  у інтервалі 10 кОм ≤ R ≤ 10 МОм .

Недоліком схеми одновібратора на рис. 6.10а є те, що для забезпечення її нормальної роботи повинне виконуватися певне співвідношення між тривалістю вхідного і вихідного імпульсів, а саме: t_{і вх} < t _{і вих.}. Такого недоліку не мають одновібратори керовані перепадами напруги від U⁰ до U¹ або від U¹ до U⁰. Такі одновібратори реалізують на основі синхронних DRS- та JKRS-тригерів з прямим і зворотним динамічним керуванням.

На рис. 6.11а показана схема одновібратора, який генерує прямокутний імпульс високого рівня U¹ по перепаду напруги від U⁰ до U¹. На рис. 6.11б наведені часові діаграми, що пояснюють принцип дії цього одновібратора.

Рис. 6.11. Одновібратор на DRS-тригері: а – схема; б – часові діаграми

Початковий стан тригера нульовий (Q = 0, = 1). Тому конденсатор С заряджений до високого рівня напруги U¹. На входах і рівні логічної одиниці U¹, які забезпечують синхронний режим роботи DRS-тригера (див. таблицю переходів на рис. 5.25). Тому коли в момент часу t₀ на вхід схеми (вхід C DRS-тригера) надходить перепад напруги від U⁰ до U¹ (рис. 6.11б), тригер перемикається в одиничній стан (Q = 1, = 0), оскільки на вході D прикладений високий рівень напруги U¹.

Позитивно заряджена обкладка конденсатора замикається на землю через резистор R і відкритий транзистор схеми тригера, увімкнений на виході . Починається розряд конденсатора С по електричному колу: позитивна обкладка С, R, відкритий вихідний транзистор схеми тригера, загальна шина, негативна обкладка конденсатора С. Діод VD не впливає на процес розряду конденсатора, оскільки він зміщений зворотно падінням напруги на резисторі R. Падіння напруги на конденсаторі (на вході тригера) зменшується у часі по закону, який описується формулою (6.7). Коли напруга на конденсаторі досягає рівня U_пор (момент часу t₁ (рис. 6.11б)), на асинхронних входах DRS-тригера з’являється комбінація логічних сигналів = 1, = 0 і тригер перемикається у нульовий стан. Формування імпульсу на виході одновібратора завершується. З моменту часу t₁ відбувається швидке зарядження конденсатора через відкритий діод VD, тобто швидке відновлення початкового стану схеми одновібратора.

Тривалість поодиноко імпульсу t_{і вих}, який генерує одновібратор (рис. 6.11а) можна знайти, якщо у співвідношенні (6.7) прийняти: t = t₁, t_поч = t₀, t_{і вих} = t₁ – t₀, U_вих(t₁) = U_пор, U_вих(t_поч) = U¹, U_вих(∞) = U⁰,  = RC:

. (6.26)

Вимоги до вибору величини опору R в схемі розглянутого одновібратора такі ж самі, як для формувачів та одновібратора розглянутих раніше.

Одновібратори входять як самостійні вироби до складу серій інтегральних мікросхем. Прикладом є мікросхеми: КР1533АГ3 (SN74ALS123), КР1561АГ1 (CD4098BE), 1564АГ3 (MM54HC123). Мікросхема 1564АГ3 містить два одновібратора. Її умовне графічне зображення і таблиця перемикань наведені на рис. 6.12.

	Входи Виходи Режим P A B Q 0   1 1  1  0 0   0 1 1 0 0 0 1 1 1 Стійкий стан Запуск
а	б
Рис. 6.12. Мікросхема 1564АГ3: а – умовне графічне зображення; б – таблиця перемикань

Одновібратор має три входи A, B, P і два взаємо інверсних виходи Q і . Всі входи мікросхеми мають захист від статичної електрики, який здійснюється за допомогою діодів, увімкнених між входом, шиною живлення і землею. Для підключення зовнішнього RC-ланцюга в мікросхемі призначені виводи C і R/C. Запуск одновібратора може здійснюватися по фронту (входи B і P) або по зрізу (вхід А) імпульсу вхідної напруги (див. рис. 6.12б).

Рис. 6.13. Схема підключення зовнішнього RC-ланцюга до одновібратора 1564АГ3

Ємність зовнішнього RC-ланцюга для мікросхеми 1564АГ3 не лімітована, а значення його опору R_зов може бути у межах 2 кОм ≤ R_зов ≤ 100 кОм. Для підключення такого ланцюга рекомендовано схему, наведену на рис. 6.13. Виводи мікросхеми 6 і 14, до яких підключається одна з обкладок конденсатора, з’єднуються з землею. Тривалість імпульсу t_{і вих} на виході одновібратора зв’яза-на з параметрами зовнішнього RC-ланцюга формулою: t_{і вих} = R_зовС_зов.

Параметри деяких інтегральних одновібраторів при температурі 25 ^оС наведені у таблиці 6.1.

Таблиця 6.1

Параметри мікросхем одновібраторів КМОНТЛ

Параметр	1564АГ3 (MM54HC123)	КР1561АГ1 (CD4098BE)	Одиниця виміру
Напруга живлення, Uсс	2 – 6	3 – 18	В
Мінімальний високий вихідний рівень напруги, U1min (UOH)	1,9 (2 В) 5,9 (6 В)	4,95 (5 В) 14,95 (15 В)	В
Максимальний низький вихідний рівень напруги, U0max (UOL)	0,1 (2 В) 0,1 (6 В)	0,05 (5 В) 0,05 (15 В)	В
Вхідний струм, IIH	0,1 (6 В)	0,1	мкA
Струм споживання, Icc	8,0 (6 В)	4 (15 В)	мкA
Максимальний час затримки поширення tзп0,1 (tPLH)	33 (5 В)	500 (5 В) 200 (15 В)	нс
Максимальний час затримки поширення tзп1,0 (tPHL)	42 (5 В)	500 (5 В) 200 (15 В)	нс
Мінімальна тривалість імпульсу на входах A, B, P, tі вх (tw)	26 (5 В)	140 (5 В) 40 (15 В)	нс
Мінімальна тривалість вихідного імпульсу, tі вих (tWQ)	400 (5 В; Сзов = 28 пФ; Rзов = 2 кОм)	500 (15 В; Сзов = 15 пФ; Rзов = 5 кОм)	нс
tі вих (tWQ)  тривалість вихідного імпульсу при заданих Сзов, Rзов	10 (5 В; Сзов = 1000 пФ; Rзов = 10 кОм)	1000 (15 В; Сзов = 0,02 мкФ; Rзов = 100 кОм)	мкс