Импульсные устройства на цифровых имс. Детерминированных сигналов

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советских

Социалистических

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий

А.В. Козлов (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ЗАДЕРЖКИ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ ИМПУЛЬСОВ

Изобретение относится к измери- . тельнОй и вычислительной технике и может быть использовано, в частности, в экстремальных корреляционных системах для определения скорости передвижения, в корреляционных расходомерах, в импульсных устройствах автоматики.

Известно устройство задержки импульсов, содержащее генератор импульсов, входной управляющий триггер, элемент И, управляемый делитель частоты (1 j.

Недостатком устройства является то, что при задержке импульсов не сохраняется их длительность.

Известно также устройство задержки импульсов, содержащее генератор импульсов, три элемента И, два управляющих триггера, реверсивный счетчик, управляемый делитель частоты, дешифратор нуля f 2 .

Однако устройство имеет достаточно сложную схему управления из-за применения реверсивного счетчика.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство задержки прямоугольных импульсов, содержащее генератор импульсов, регистр времени задержки,уп-, равляемый делитель частоты, состоящий из двоичного счетчика., схемы сброса и записи и двух элементов И, 5 первые и вторые входы которых соединены соответственно с выходами регистра времени задержки и первым выходом схемы сброса и установки, а выходы элементов подключены к установочным S-входам счетчика, первые и вторые элементы И и RS-триггеры, двоичный счетчик и схема сравнения, выход которой подключен к входам сброса RS-триггеров, а ее входы сое динены с информационными выходами двоичного счетчика и управляемого делителя частоты, выход которого соединен с установочным входом второго

RS-триггера, выход которого подключен к входу схемы сброса и записи и является выходом устройства, генератор импульсов через первые входы элементов И подключен к управляющим входам двоичного счетчика и управляемого делителя частоты, соответственно, входы сброса которых соединены с вторым выходом схемы сброса и записи, источник входного сигнала подсоединен к второму входу второго элемента И и к установочному входу первого R5, -триггера, выход которого сое1003321 динен со вторым входом первого элемента И (3).

Недостатком устройства является то, что оно не обеспечивает задержку входного импульса в случае, когда время между окончанием предыдущего входного импульса и началом следующего импульса меньше времени задержки, так как при этом условии устройство еще не сформировало задержанный предыдущий импульс и поэтому не может принять следующий входной импульс. Действительно, если формирование предыдущего задержанного импульса не окончено, то при поступлении на вход устройства следующего импульса он не изменит состояния первого ВБ-триггера, так как последний уже находится в состоянии "1", но откроет второй элемент И. При этом. в двоичный счетчик поступит от гене- Щ ратора количество импульсов, пропорциональное длительности этого входного импульса. Код двоичного счетчика станет пропорционален сумме длительностей предыдущего и последующе- 75 го входных импульсов,т.о. длительность сформированного:;ыходного импульса будет равна суммарной длительности, что является нарушением работы устройства задержки. Задача задержки импульсов с переменной длительностью при описанном выше условии возникает в экстремальных корреляционных системах измерения скорости, в корреляционных расходомерах и других импульсных устройствах. Названные устройства синхрониэируются перестраиваемой тактовой частотой.

В каждом такте формируется только один прямоугольный импульс, длительность которого определяет измеряе- 4О мый параметр в этом такте. Этот импульс требуется задержать на время одного т кта. При этом передний фронт импульса совпадает с началом такта, поэтому, чтобы задержать импульс на,45 такт необходимо и достаточно задерживать только задний фронт импульса, так как его передний фронт связан с началом такта и определяется импульсом тактовой частоты. Время между 50 двумя прямоугольными импульсами. в таких названных устройствах всегда меньше времени задержки, равного переоду тактовой частоты, поэтому ставится задача усовершенствования рас- 55 смотренного устройства задержки прямоугольных импульсов для выполнения указанного требования °

Цель изобретения — расширение функциональных возможностей устройст-6О ва задержки прямоугольных импульсов.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство задержки прямоугольных импульсов, содержащее генератор импульсов, управляемый делитель час- g5 тоты, два элемента И, два RS-триггера, регистр времени задержки, выход которого соединен с информационным входом управляемого делителя частоты, выход генератора импульсов соединен с первыми входами элементов И, выход первого RS-триггера соединен с вторым входом первого элемента И, выход которого соединен с управляющим входом управляемого делителя частоты, а выход второго RS-триггера является выходом устройства, введены коммутатор, формирователь, вход которого является входом устройства, а выход формирователя соединен с входом коммутатора, третий RS -триггер, выход которого подключен к второму входу второго элемента И, элемент ИЛИ, выход которого соединен с R-входом второго RS-триггера, второй и третий управляемые делители частоты, информационные входы которых оединены с выходом регистра времени задержки,выходы первого и второго управляемых делителей частоты подключены к входам элемента

HJIH ooT eT T e o K R-входам первого и третьего RS-триггеров, S-входы которых соединены с соответствующими выходами коммутатора, выход генератора импульсов соединен с управляющим входом третьего управляемого делителя частоты, выход которого подключен к управляющему входу коммутатора и

S-входу второго R 5 -триггера, выход второго элемента И соединен с управляющим входом второго управляемого делителя частоты.

Действительно, введение новых элементов и новых связей позволяет осуществлять задержку прямоугольных имб пульсов на время, равное периоду перестраиваемой тактовой частоты, при этом время между двумя задерживаемыми импульсами меньше времени задержки.

Для исключения влияния последующего импульса на формирование задержанного предыдущего импульса используются коммутатор, два RS-триггера, два элемента И, два управляемых делителя частоты. Коммутатор в каждый такт работы устройства подключает по очередности либо один, либо другой

RS-триггер, поэтому короткий импульс, соответствующий заднему фронту задерживаемого импульса, с выхода формирователя поступает по очереди на указанные RS- триггеры, и задержка импульсов осуществляется по очереди на первом и на втором управляемых делителях частоты. Это устраняет влияние последующего входного импульса на формирование предыдущего задержанного импульса и делает возможным задержку последующего импульса.

На фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемого устройства задержки прямоугольных импульсов; на

1003321 фиг. 2 — временные диаграммы, поясняющие работу устройства задержки.

Устройство содержит формирователь

1, коммутатор 2, генератор импульсов

3, R5 -триггеры 4 и 5, элементы И 6 и 7, управляемые делители 8-10 часто- 5 ты, регистр 11 времени задержки, элемент ИЛИ 12, выходной RS-триггер 13.

Вход формирователя 1 является входом устройства, а его выход соединен с входом коммутатора 2, выход которо- 10 (го соединен соответственно с S-входами R5 -триггеров 4 и 5, выход генератора импульсов 3 соединен с управляющим входом управляемого делителя

8 частоты и первыми входами элементов15

И б и 7, выходы которых подключены соответственно к управляющим входам управляемых делителей частоты 9 и

10, выходы которых соединены соответственно с R -входами R5-триггеров

4 и 5 и с входами элемента ИЛИ, выход которого подключен к R-входу

RS-триггера 13, выход регистра 11 времени задержки соединен с информационными входами управляемых делителей 8-10 частоты, выход управляемого делителя 8 частоты подключен к управляемому входу коммутатора 2 и к

5-входу RS-триггера 13, выход которого является выходом устройства задержки.

Формирователь 1 предназначен для формирования короткого импульса, который соответствует заднему фронту входного задерживаемого импульса, Ç5 поступаюшего на его вход. Коммутатор 2 по очереди подключает выход формирователя 1 к S -входам RS-триггеров 4 и 5. Импульсы с генератора 3, проходя через делитель 8, формируют 40 импульсы тактовой частоты, период которой равен времени задержки и определяется кодом регистра 11. Импульсы тактовой частоты подаются на управляющий вход коммутатора и S-вход45

RS-триггера 13, что обеспечивает коммутацию импульсов с выхода формирователя с частотой, равной тактовой частоте, и формирование переднего фронта задержанного импульса íà Выхо-50 де RS-триггера 13 по импульсу такто- вой частоты, т.е. с начала следуницего такта. Делители 9 и 10 формируют импульс, задержанный на период тактовой частоты, элемент ИЛИ 12 осуществляет операцию объединения выходов делителей 9 и 10, поэтому каждый задержанный импульс.с выходов делителей 9 и 10 поступает íà R-âõñä

RS-триггера 13, при этом на его выходе формируется задний фронт задер- 60 жанного импульса.

Устройство работает следующим образом.

Выходные импульсы тактовой частоты, формйрующиеся на выходе делите- g5 ля 8, синхронизируют работу не только устройства задержки, но и всего прибора, в котором используется данное устройство. На вход устройства задержки 1 поступают прямоугольные импульсы, которые необходимо задержать на время одного такта. Передние фронты всех импульсов совпадают с началом тактов, поэтому импульсы тактовой частоты подают на 5-вход RS триггера 13, при этом на его выходе формируются задержанные импульсы,передние фронты которых совпадают с началом тактов. Импульсы с выхода формирователя 1, проходя через коммутатор 2, поочередно, через такт, поступают на S-входы триггеров 4 и 5.

С приходом такого импульса на этих триггерах (поочередно в каждом такте) при помощи элемента И 6 или 7 и делителя 9 или 10 формируются прямоугольные импульсы, длителъность которых равна периоду тактовой частоты, так как коэффициенты деления делителей 8-10 равны и определяются кодом регистра.11 времени задержки. Задние фронты этих импульсов совпадают с выходными короткими импульсами делителей 9 и 10, так как эти короткие импульсы поступают на R-входы RS-триггеров 4 и 5 и устанавливают на их выходах сигнал "0", прекращая.прохождение импульсов с генератора 3 поочередно в каждом такте через элементы

И б или 7 на входы делителей 9 или

10. Импульсы с выходов делителей и 10, проходя через элемент ИЛИ, суммируются и подаются на R -вход RQ— триггера 13, который до прихода этих импульсов в каждом такте находится в состоянии "1" .Поступающие íà R -вход импульсы переводят этот триггер в состояние ".0", формируя задний фронт задержанных импульсов. Таким образом, на выходе RS-триггера 13 формируется последовательность прямоугольных импульсов, задержанная на время одного такта по сравнению с последовательностью входных импульсов.

Пр длагаемое устройство задержки прямоугольных импульсов расширяет функциональные возможности прототипа, обеспечивая задержку импульсов при условии, что время между двумя входными импульсами меньше, чем требуемое время задержки, которое может изменяться с изменением кода регистра времени задержки. Оно может быть использовано в корреляционных измерителях скорости, расхода и других подобных импульсных устройствах ° При этом тактовая частота и генератор импульсов используются для синхронизации работы всего измерителя. Кроме того, схема задержки значительно упрощается, так как устраняются операции измерения, запоминания и восста.новления длительности задерживаемо1003321

Формула изобретения

ro входного импульса. Снижение затрат при использовании предлагаемого устройства в названных измерителях зависит от требуемой точности и дискретности изменения времени, задержки, определяемой количеством разрядов управляемых делителей частоты. В прототипе это требование влияет на количество разрядов двоичного счетчика, в котором фиксируется длительность задерживаемого импульса. Этот счетчик!О со схемой измерения длительности отсутствует в предлагаемом устройстве, которое возможно было бы заменить двумя схемами прототипа с дополнительными элементами в названных изме-15 рителях. Использование этого устройст. ва вместо двух схем прототипа позволяет сократить количество микросхем, что обеспечивает снижение затрат. (Также уменьшается в два раза погреш- gg ность задержки импульса, так как задерживается только задний фронт импульса, а передний совпадает с тактовыми импульсами, поэтому погрешность задержки импульсов опреде" 25 ляется только погрешностью задержки заднего фронта.

Устройство задержки прямоугольных импульсов, содержащее генератор импульсов, управляемый делитель частоты, два элемента И, два RS-триггера, регистр времени. задержки, выход которого соединен с информационным входом управляемого делителя частоты, выход генератора импульсов соединен с первыми входами элементов И, выход первого RS-триггера соединен со 40 вторым входом первого элемента И,выход которого соединен с управляющим входом управляемого делителя частоты, а выход второго k5 -триггера является выходом устройства, о т л и ч а ю— щ е е с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей устройства, в него введены коммутатор, формирователь, вход которого является входом устройства, а выход формирователя соединен с входом коммутатора, третий g5-триггер, выход которого подключен ко второму входу второго элемента И, элемент ИЛИ, выход которого соединен с

A-входом второго R5-триггера, второй и третий управляемые делители частоты, информационные входы которых соединены с выходом регистра времени задержки, выходы первого и второго управляемых делителей частоты подключены к входам элемента ИЛИ и соответственно к R -входам первого и третьего к3-триггеров, 5 -входы которых соединены с соответствующими выходами коммутатора, выход генератора импульсов соединен с управляющим входом третьего управляемого делителя частоты, выход которого подключен к управляющему входу коммутатора и.5-входу второго 95-триггера, выход второго элемента И соединен с управ" ляющим входом второго управляемого делителя частоты.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

Р 308499, кл. Н 03 К 5/1 3, 1969.

Р 396822, кл. Н 03 К 5/153, 1971.

Р 479234, кл. Н 03 К 5/153, 1973 (прототип).

ВНИИПИ Заказ 1588 44 Ти аж 934 Подписное е

Филиал ППП "Патент", г.Ужгород, Ул.Проектная,4

Понятие о переходных процессах . Электрические цепи реальных радиотехнических схем обычно содержат сопротивления, индуктивности и емкости. В таких цепях связь между напряжением и током имеет сложный характер. Объясняется это тем, что емкость и индуктивность обладают способностью накапливать и отдавать электроэнергию. Этот процесс не может протекать скачкообразно. При изменении напряжения в такой цепи ток изменяется с некоторой задержкой во времени. Эти процессы, связанные с изменением запаса энергии в цепях с реактивными элементами при воздействии импульса, называются переходными.

Действие импульсного напряжения на цепь RС. Предположим, что на входе цеди, содержащей конденсатор С и резистор R (рис, 164, а), действует последовательность прямоугольных импульсов (pиc. 154,б). В момент появления на входе RC цепи переднего фронта импульса в ней потечет наибольший ток I m =U m /R (рис, 154,в).

По мере заряда конденсатора результирующее напряжение в схеме u p =U m -u c уменьшается, соответственно уменьшается зарядный ток t a . Уменьшение тока происходит по экспоненциальному закону, Ток заряда i з создает на резисторе R падение напряжения (рис. 154, г) . С уменьшением тока экспоненциально снижается напряжение на резисторе R . Напряжение на конденсаторе u c по мере

его заряда экспоненциально возрастает (рис. 154, д ) и к некоторому моменту достигает наибольшего значении U m после чего остается постоянным на все время действия плоской вершины входного импульса. Время, в течение которого напряженно на С и R достигает амплитудного значении, зависит от величины сопротивления резистора R и емкости конденсатора С . Чем меньше эти величины, тем быстрее заканчивается переходный процесс.

После спада входного импульса конденсатор разряжается через резистор R . Скорость изменения разрядного тока i p (рис. 164, в) и напряжения u n (рис. 154, г) такая же, как и при заряде, а на выходе формируется задний фронт (спад) импульса. Направление тока и полярность напряжения на резисторе в этом случае станут противоположными.

Оценку длительности переходного процесса ведут с помощью постоянной времени цепи

Рис. 155. Воздействие прямоугольного импульса на интегрирующую цепь:а- схема, б- форма импульса на входе, в - то же, на выходе, г - зависимость формы импульса от соотношения τ 0 /t и

С увеличением τ 0 длительность переходных процессов возрастает.

Практически переходные процессы в схеме закапчиваются по истечении промежутка времени t = (2,3+3) τ 0 .

Форма выходного напряжении зависит от значения τ 0 (рис. 154, г , е , ж). При τ 0 »t и (рис. 154,е) конденсатор за время действия входного импульса не успевает зарядиться, и форма выходного сигнала лишь незначительно отличает-ся от формы входного. С такими параметрами (τ 0 »t и) цепь часто используют в схемах импульсных устройств как разделительную (переходную) между усилительными каскадами. При τ 0 ж).

Как очевидно из рис. 164, а, цепи из элементов RC в различных комбинациях могут быть использованы для преобразования формы импульсов. В зависимости от того, с какого элемента снимается сигнал (с R или С), цепь называют дифференцирующей или интегрирующей.

Дифференцирующие цепи. Цепь, показанная на рис. 154, а называется дифференцирующей, поскольку при τ 0

Пример. Длительность импульса t и =5 мкс. Рассчитать элементы дифференцирующей цепи.

В дифференцирующей цепи τ 0 ≪t и. Примем τ 0 =RС =0,1 t и =0,1x5=0,5 мкс, т. е, t и ≫3 τ 0 . Задаемся величиной R =10 кОм, тогда емкость

Интегрирующие цепи. Если в цепи RC выходное напряжение снимается с емкости (рис. 155, а), то при τ 0 ≫t и выходной сигнал пропорционален интегралу от входного, и такая цепь называется интегрирующей. Если постоянная времени RC цепи выбрана равной или больше длительности прямоугольного импульса (рис. 155,б) напряжения на входе (τ 0 ≫t и), то на выходе RC цепи возникает импульс с растянутым фронтом и спадом (рис. 155, в). При воздействии на вход такой цепи кратковременного импульса напряжения на выходе образуется более широкий импульс.

Интегрирующие цепи применяют для увеличения длительности импульса. Кроме того, их используют в схемах генерирования пилообразного напряжения, селекции импульсов по длительности и т.д. Чем больше то при неизменной длительности входного импульса t и, тем больше растянут импульс на выходе (рис. 155, г). Амплитуда импульса при этом уменьшается, так как конденсатор не успевает полностью зарядиться за время действия входного импульса.

Дифференцирование и интегрирование может также осуществляться с помощью цепей RL. Поскольку реактивное действие индуктивности противоположно емкости, то в RL - цепях при дифференцировании выходной сигнал снимается с индуктивности (рис. 156, а), а при интегрировании - с резистора (рис. 156, б). Цепи RL применяют сравнительно редко, так как они содержат дорогую моточную деталь.

Схемы временной задержки импульсов обеспечивают задержку импульсных сигналов во времени и применяются для временной селек­ции, импульсных измерений, согласования работы импульсных устройся и т.д. Временная задержка может быть получена при помощи линий задержки, электронных схем задержки и фазовращателей.

Линии задержки подразделяются на электрические и ультразву­ковые.

Применение линий задержки (Л.З.) основано на использовании постоянства скорости распространения электромагнитных или акус­тических колебаний вдоль линии. Применение того или иного типа Л.З. зависит от требуемого времени задержки. Для задержки от до­лей до десятков микросекунд используют линии (кабель), искусствен­ные электрические линии с распределенными параметрами (спираль­ные)

(рис. 8.1, слайд 138, 21 ) и искусственные цепочечные линии ИЦЛ (рис. 8.2, слайды 22 ) (будут изучаться в дальнейшем).

Для задержки от единиц и сотен микросекунд до нескольких миллисекунд применяют акустические (ультразвуковые) линии задерж­ки. Их принцип работы основан на различии скорости распростране­ния электрических и механических колебаний.

Действие ультразвуковой Л.З. заключается в преобразовании электрического сигнала в звуковое колебание, распространяющееся по звукопроводу. В ультразвуковых линиях с пьезоэлектрическим преобразователями преобразование осуществляется пластиной кварца (рис. 8.3, слайды139, 23 ).

В качестве звукопровода применяется ртуть (t З = 6.7 мкс/см; затухание d = 0.083 дб/см), плавленый кварц (t З = 1.8 мкс/см; Б = 0,007 дб/см), магниевые сплавы (t З = 1.7 мкс/см; б = 0.01-0.2 дб/см).

Для увеличения задержки используется звукопроводы с многократными отражениями (рис.8.4, слайды 140, 24 ).

Электронные схемы задержки позволяют получить задержку от нескольких микросекунд до нескольких секунд. Достоинства таких схем – их простота и возможность регулирования задержки в широких пределах, недостаток – малая по сравнению с линиями стабильность. В качестве электронной схемы задержки можно использовать амплитудный компаратор с входным напряжением, изменяющимся по линейному закону. Изменением уровня сравнения регулируется время задержки. Временная нестабильность таких схем G = Dt З / t З может быть снижена до 0,1 – 0,05%.

Временная задержка может быть получена также при помощи спусковых схем (рис. 8.5, слайды 141,25 ) и фантастронов .

Для этой цели выходной импульс указанных схем дифференцируется. Импульс, полученный при дифференцировании среза, будет задержан относительно входного на величину t З = T U . Регулированием длительности импульса можно изменять время задержки. Нестабильность задержки спусковой схемы d= 1-5 %, фантастрона d = 0,1-1 %. Схемы задержки применяются для задержки запуска индикаторов с целью по­учения режима кольцевого обзора, а также для синхронизации работы ручных устройств.

Второй учебный вопрос.

Элементы синхронизации цифровых систем

Надежная работа любой цифровой системы во многом зависит от правильного выбора и расчета синхронизации, которая является неотъемлемой частью любой управляющей системы.

Вопросы синхронизации включают в себя:

Обеспечение задержек между определенными управляющими сигналами.

Формирование тактовых импульсов с заданным периодом следования и длительностью.

Обеспечение привязки тактовых импульсов к отдельным сигналам запуска и т. д.

Сначала рассмотрим формирователи.

Формирователи – устройства, преобразующие входные сигналы произвольной формы в нормализованные по амплитуде, крутизне фронтов прямоугольные импульсы для управления последующими микросхемами.

Формирование задержек

Для формирования задержек между импульсами порядка 10-20 мкс (относительно небольших задержек), применяют формирователи разомкнутого типа.

При небольших задержках порядка сотен наносекунд используют последовательные соединения инверторов.

Среднее время задержки:

Здесь n – количество последовательно соединенных инверторов;

–задержка распространения сигнала при переходе выхода из «1» в «0» и наоборот.

Большее время задержки получают с помощью интегрирующей RC-цепи, включаемой на вход инвертора.

Для КМОП ИС получим:

Время задержки определяется по формулам:

Здесь
– напряжение источника питания

–напряжение переключения инвертора.

Учитывая, что
, то время задержки можно определить по формуле:

При задержке более 20 мкс скорость изменения напряжения на емкости мала и форма выходного сигнала будет существенно отличаться от прямоугольной. В таких случаях целесообразно применять формирователь задержки на основе несимметричного триггера (триггера Шмитта).

Одновибраторы (ждущие мультиплексоры)

Одновибратор – устройство, предназначенное для формирования под действием входных сигналов одиночных прямоугольных импульсов заданной длительности.

Отличительной особенностью одновибраторов является наличие хронирующей (времязадающей) цепи и обратной связи, обеспечивающей регенеративные (лавинообразные) процессы переключения. Этим достигается большая крутизна фронтов выходных импульсов.

Длительность выходного импульса:

При

.

Для построения одновибраторов можно использовать триггеры различных типов:

Одновибратор работает следующим образом. При подаче на выход сигнала запуска, триггер устанавливается в единичное состояние, в котором начинается заряд емкости. При достижении на емкости напряжения переключателя
, триггер переходит в состояние 0 и начинает ускоренный разряд емкостичерез открытый диод
и низкоомные выходные сопротивления триггера.

Длительность сформированного импульса:

.

Включая последовательно два одновибратора можно создать временной сдвиг выходного импульса относительно фронта пускового.

Цепочка
создает задержку выходного импульса на время, а цепочка
обеспечивает его длительность, равную.

В сериях интегральных микросхем имеются самостоятельные изделия-одновибраторы, которые представляют собой законченный функциональный узел, за исключением времязадающей цепи.

Например:

Формирование импульсов от механических контактов

При проектировании цифровых устройств часто возникает задача формирования четкого перехода (0,1 или 1,0) или короткого прямоугольного импульса при срабатывании реле, кнопки или другого механического контакта (например, клавиатура, мышь).

Сигнал, с помощью механического переключателя формируется путем замыкания-размыкания электрической цепи.

В исходном состоянии с выхода снимается потенциальный сигнал
(логич. «1»), а в момент касания контактов уровень становится равным «0».

еханического переключателя заключается в том, что его

срабатывание сопровождается дребезгом контактов (многократным переходом в течение короткого времени от замкнутого состояния к разомкнутому и обратно). Это приводит к формированию пачки импульсов вместо желаемого одиночного импульса или перепада потенциала.

Длительность дребезга обычно составляет 8-12 мкс.

Для устранения дребезга в получаемом сигнале на выходе механического переключателя устанавливают специальные формирователи.

Пример: использование RC-триггера (К155ТМ2).

Сигнал «0», прикладываемый к одному из входов триггера опрокидывает его. Причем, при срабатывании переключателя триггер реагирует на первое замыкание и последующие импульсы дребезга не изменяют его состояния.

Пример: исследование D-триггера (К155ТМ2).

Отличие данного формирователя состоит во временной привязке момента появления выходного сигнала с внутренними процессами устройства, для которого этот сигнал формируется, т. е. к его системе тактовых импульсов.

Для работоспособности формирователя необходимо, чтобы период следования тактовых импульсов был больше времени дребезга (
).

Мультивибраторы (генераторы прямоугольных импульсов)

Для построения мультивибраторов используют усилительные свойства инверторов. Для возникновения и существования устойчивых автоколебаний исходно выводят инверторы на линейных участках придаточной характеристики (между уровнями «1» и «0»), где инвертор работает как инвертирующий усилитель. Затем вводится положительная обратная связь с помощью одного или двух конденсаторов.

Простейшая схема мультивибратора на инверторах КМОП.

Резистор обратной связи выводит в усилительный режим
, а выходное напряжение этого инвертора должно удерживать в усилительном режиме второй инвертор
. Положительная обратная связь через конденсаторвызывает мягкое самовозбуждение.

Схема имеет два динамических состояния.

Период следования импульсов:

При
получаем упрощенную формулу:

Резистор
включается для ограничения тока через охранные диоды на входе инвертора
.выбираем из условия
(ком).

Для независимой регулировки длительности импульсов и интервала следованиявводятся раздельные цепи заряда и разряда конденсаторапри помощи двух диодов и резисторов различных номиналов.

Длительность импульса определяется выражением:

при
.

Интервал следования импульсов определяется выражением:

Поскольку второй инвертор не охвачен ООС по постоянному току, то устройство оказывается критично к значению сопротивления .

для инверторов ТТЛ.

для инверторов КМОП.

Для повышения устойчивости обратной связью охватывают второй инвертор.

Большей устойчивостью обладают мультивибраторы на трех инверторах.

Стабилизация работы по постоянному току обеспечивается за счет общей обратной связи через резистор , охватывающий три инвертора. Положительная ОС реализуется за счет конденсатора.

Часто в системах управления необходимо использовать генераторы с внешним запуском, у которого независимо от положения фронтов управляющего сигнала обеспечивается неискаженное по длительности формирования первого и последнего импульсов, причем начало первого импульса должно совпадать с началом управляющего импульса.

Подача управляющего сигнала обеспечивает синхронное появление импульса на входе генератора, т. е. начало генерации привязывается к моменту спада сигнала запуска. Кроме того, последний импульс имеет полную длительность независимо от момента снятия сигнала запуска.

Стабилизация частоты мультивибраторов

Точность и стабильность частоты генерируемых колебаний зависит от точности, временной и температурной стабильности элементов и. Нестабильность частоты генерируемых колебаний оценивается коэффициентом относительной нестабильности

Где – рабочая номинальная частота

–отклонение частоты от номинальной

RC-генераторы, для которых
обеспечивают
при начальной точности 5-10 %.

Применение кварцевых резонаторов позволяет обеспечить относительное изменение частоты, не превышающее
. Их обычно применяют на повышенных частотах, когда требуется получить колебания известной и стабильной частоты.

Мультивибраторы с кварцевой стабилизацией частоты выполняют обычно путем включения кварцевого резонатора на место времязадающей емкости.

Частоту кварцевого резонатора в небольших пределах можно изменять включением последовательно с ним подстроечного конденсатора небольшой емкости
.

Пример схемы кварцевого генератора на ИС КМОП К561ЛН2.

Точное значение частоты можно получить путем подбора емкостей конденсаторов (16-18 пФ) и(16-150 пФ). Инвертор
необходим для формирования стандартных прямоугольных импульсов.

Резистор (2,7-20 МОм) определяет глубину обратной связи, а(18…510 кОм) – нагрузку элемента
.

Устройство синхронизации

Устройства синхронизации предназначены для привязки командных сигналов к моментам появления тактовых импульсов. При приходе командного сигнала такое устройство должно выделить ближайший по времени очередной импульс такой последовательности, который затем и используется как синхронизированный командный импульс.

Т. е. устройство синхронизации осуществляет привязку в приемном устройстве всех внешних управляющих импульсов (сигналов) к собственной системе таковых импульсов.

Типичная схема устройства синхронизации имеет вид:

Исходно оба триггера находятся в состоянии «0». При появлении импульса управления
переходит в состоянии «1». Поэтому ближайший тактовый импульсопрокинет второй триггер в «1», сбросив
в нуль. Второй тактовый импульс сбросит
в «0» и устройство возвратится в исходное состояние.

Схемы задержки цифровых сигналов требуются для временно го согласования распространения сигналов по различным путям цифрового устройства. Временные рассогласования прохождения сигналами заданных путей могут привести к критическим временным состязаниям, нарушающим работу устройств. На время прохождения влияют параметры элементов, через которые передаются цифровые сигналы. Изменяя эти параметры, можно изменять время распространения сигналов. Для изменения времени задержки используют электромагнитные линии задержки, цепочки логических элементов, RC -цепочки. Используя такие элементы, можно получить сужение, расширение сигналов, сужение со сдвигом относительно фронта входного импульса и т. д.

Для изменения длительности и смещения импульса относительно фронта часто используют естественную инерционность логических элементов. Одна из схем, использующих инерционные свойства логических элементов, представлена на рис. 12.8. (Подобная схема приводилась на рис.3.25 в п.п. 3.2.3)

Рис. 12.8. Формирователь короткого импульса с задержкой относительно переднего фронта (а) и временная диаграмма (б)

Каждый логический элемент создает временную задержку, поэтому при появлении входного сигнала изменение уровня выходного сигнала после первого логического элемента U 1 происходит через время t зд.р. Аналогично, через интервал временной задержки изменяются выходные сигналы других инверторов (U 2 ,U 3). Изменение состояния четвертого элемента нужно анализировать с учетом того, что здесь входы раздельные. До поступления входного сигнала на верхнем входе логического элемента DD 4 была логическая 1, а на нижнем входе – логический 0. Поэтому в установившемся состоянии на выходе схемы был высокий потенциал (логическая 1).

После появления входного сигнала на нижнем входе элемента DD 4 устанавливается логическая единица, на верхнем также пока еще действует 1. Поэтому на выходе схемы через время t зд.р установится логический 0. Пройдя через три логических элемента, входной сигнал изменит значение U 3 c 1 на 0 (это верхний вход элемента DD 4). Выходное напряжение схемы с учетом t зд.р в элементе DD 4 снова станет равно 1. Следовательно, схема формирует из переднего фронта входного сигнала короткий импульс длительностью 3t зд.р со сдвигом относительно переднего фронта на t зд.р. Задний фронт входного сигнала изменения состояния схемы на выходе не вызывает, поскольку к моменту появления 1 на верхнем входе элемента DD 4 на нижнем уже существует 0. Поэтому 1 на выходе сохраняется до появления следующего входного импульса. Происходящие процессы без учета длительности фронтов импульсов представлены на временной диаграмме (рис. 12.8, б ). Формируемый схемой сигнал имеет низкий уровень.

Если конъюнктор DD 4 в схеме (рис. 12.8, а ) заменить на дизъюнктор, а число инверторов сделать четным, то схема будет расширять входные импульсы на временной интервал, равный nt зд.р, где n – число инверторов в цепи задержки. Схема расширителя импульсов и временная диаграмма его работы представлены на рис. 12.9.

Рис. 12.9. Схема расширителя импульсов (а ) и временная диаграмма (б )

Из временной диаграммы видно, что длительность выходного импульса больше длительности входного на 4t зд.р.

Рассмотрены кратко лишь несколько схем последовательных формирователей импульсов. Дополнительные сведения можно найти в .

Одновибраторы

Одновибраторы (ждущие мультивибраторы) относятся к группе регенеративных схем. Этот класс импульсных устройств осуществляет формирование интервалов времени заданной длительности из входного запускающего импульса неопределенной (но достаточно короткой) длительности (не больше длительности вырабатываемого импульса). Для реализации ждущего мультивибратора устройство с коэффициентом передачи больше единицы необходимо охватить регенеративной (положительной) обратной связью.

Одна из возможных схем одновибраторов приведена на рис. 12.10, а . Одновибратор построен на двух элементах логики типа 2И-НЕ путем введения положительной обратной связи (выход второго элемента соединен с входом первого).

В исходном состоянии на выходе элемента DD 2 имеется уровень 1, а на выходе элемента DD 1 – логический 0, так как на обоих его входах имеется 1 (запускающие импульсы представляют отрицательный перепад напряжения). При поступлении на вход запускающего отрицательного перепада напряжения на выходе первого элемента появится уровень 1. Положительный перепад через ёмкость С поступит на вход второго элемента. При этом ёмкость С начнёт заряжаться через резистор R. Элемент DD 2 инвертирует этот сигнал, и уровень 0 по цепи обратной связи подается на второй вход элемента DD 1. На выходе элемента DD 2 поддерживается уровень 0 до тех пор, пока падение напряжения на резисторе R не снизится до величины U пор в процессе заряда конденсатора С (рис. 12.10, б ). Длительность выходного импульса одновибратора может быть определена с помощью выражения

Рис. 12.10. Схема одновибратора (а ) и временная диаграмма (б )

t и = C (R + R вых)ln (U 1 /U пор),

где R вых – выходное сопротивление первого элемента; U пор – пороговое напряжение логического элемента.

Рассмотренная схема может быть реализована как на микросхемах ТТЛ, так и на КМОП-структурах. Однако специфика каждого вида логики накладывает свои условия. Для построения одновибраторов можно использовать триггеры, имеющие дополнительные входы S а и R а для принудительной установки их в единичное и нулевое состояния.

Одновибраторы выпускаются в виде самостоятельных микросхем. В составе ТТЛ-серий имеется несколько микросхем ждущих и управляемых мультивибраторов. Преимущество одновибраторов в микросхемном исполнении состоит в меньшем количестве навесных деталей, в большей временной стабильности и более широких функциональных возможностях. К таким микросхемам относятся одновибраторы К155АГ1 и К155АГ3, в составе КМОП-серий – 564АГ1, 1561АГ1. Работа подобных микросхем подробно описана в литературе .

Для получения импульсов заданной длительности можно использовать счетчики. На основе счетчиков строят цифровые одновибраторы. Их применяют, когда временной интервал должен быть очень большим или предъявляются высокие требования к стабильности формируемого интервала. В этом случае минимальная получаемая длительность ограничена только быстродействием используемых элементов, а максимальная длительность может быть любой (в отличие от схем, использующих RC -цепи).

Принцип работы цифрового одновибратора основан на включении триггера входным сигналом и отключении через временной интервал, определяемый коэффициентом пересчета счетчика. На рис. 12.11 показан пример схемы для получения импульса заданной длительности с помощью счетчика.

Работу одновибратора поясняют диаграммы, на рис. 12.11, б . В исходном состоянии триггер DD 2 на инверсном выходе имеет высокий уровень, который по входу R устанавливает счетчик DD 1 в нулевое состояние. После прихода входного (запускающего) импульса U вх = 1 в момент t 1 триггер устанавливается в единичное состояние. На его инверсном выходе, при этом, установится низкий уровень, который разрешит счет импульсов программируемому счетчику DD 1. Счет импульсов от генератора G продолжается до значения, которое установлено по входам программирования. После подсчета заданного числа импульсов на выходе счетчика формируется сигнал высокого уровня U CT (момент t 2) , который вернет триггер DD 2 в нулевое состояние. При этом на инверсном выходе триггера снова установится высокий уровень, а счетчик вернется в исходное состояние.

Рис. 12.11. Структурная схема (а ) и временные диаграммы

(б ) цифрового одновибратора

Общим недостатком подобных схем является случайная погрешность, связанная с произвольностью фазы задающего генераторав момент запуска. Погрешность может составлять до периода тактовой частоты и уменьшается с увеличением частоты генератора. Устранить этот недостаток позволяют схемы с управляемым запуском генератора (генератор включается при появлении запускающего импульса).

Использование в составе одновибратора счетчиков с программируемым коэффициентом деления позволяет получить импульс любой длительности. Микросхема 564ИЕ15, например, состоит из пяти вычитающих счетчиков, модули пересчета которых программируются параллельной загрузкой данных в двоичном коде. Более высокая стабильность длительности выходного импульса обеспечивается применением кварцевого генератора тактовой частоты.