Мультивибраторы

Еще одной распространённой схемой генераторов на логических элементах является схема мультивибратора. Она широко используется для внутренней синхронизации узлов микропроцессоров, систем цифровой обработки сигналов или ПЛИС. В этой схеме для реализации положительной обратной связи используется два КМОП инвертора. Каждый из усилителей осуществляет поворот фазы генерируемого сигнала на 180°. В результате реализуется баланс фаз, баланс амплитуд реализуется за счет усилительных свойств инвертора. Схема мультивибратора приведена на рисунке 1.

Схема RC генератора, выполненная на двух логических инверторах
Рисунок 1. Схема мультивибратора, выполненная на двух логических инверторах

Коэффициент усиления каждого из усилителей определяется соотношением номиналов 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 = tзар1 + tзар2,

где tзар1 = R2C2 ln(U1/Uпор);
    tзар2 = R4C1 ln(U1/Uпор).

Если скважность генерируемых колебаний не важна, то можно упростить схему мультивибратора, использовав второй инвертор по прямому назначению. Так как при реализации схемы генератора нас интересует максимальный петлевой коэффициент усиления, то последовательный резистор мы тоже можем исключить. Для обеспечения автоматического запуска генератора в схеме остается резистор, включенный с выхода на вход первого инвертора. В этом случае схема мультивибратора примет вид, показанный на рисунке 2.

Упрощённая схема RC генератора
Рисунок 2. Упрощённая схема мультивибратора

В этой схеме возможно задавать только частоту генерируемых импульсов. Она будет определяться произведением R1 и C1. Скважность генерируемых импульсов будет зависеть от соотношения токов нуля и единицы выбранного логического элемента.

Период Т импульсов, вырабатываемых мультивибратором, определяется в первом приближении постоянной времени t = RC (Т = а×t, где а обычно имеет значение 1 ... 2). Частоту следования импульсов можно оценить (с точностью до 10 %) из выражения:

f = 1/2.2RC.           (1)

Достаточно часто требуется получить генератор, выходная частота которого могла бы изменяться в достаточно широких пределах. В этом случае в качестве частотозадающего элемента в генераторе может быть использован элемент с изменяемыми параметрами, например варикап или полевой транзистор. Учитывая, что сопротивление полевого транзистора может изменяться в пределах от 10 Ом до 10 МОм, генерируемая частота тоже изменятется в миллион раз. Применение варикапа в таких генераторах не оправдано, так как его ёмкость может меняться только в 10 раз.

Схема RC генератора, управляемого напряжением (ГУН), приведена на рисунке 3.

Схема RC генератора, управляемого напряжением
Рисунок 3. Схема генератора, управляемого напряжением

Генератор получился простым и малогабаритным. Для его реализации достаточно пяти полевых транзисторов. Для доказательства раскроем схему цифровых инверторов. Получившаяся принципиальная схема приведена на следующем рисунке:

Схема ГУН на полевых транзисторах
Рисунок 4. Схема RC генератора на пяти полевых транзисторах

Однако следует учесть, что такой генератор может быть использован только в цифровых схемах, так как его спектральные характеристики оставляют желать лучшего. Обычно такая схема используется в цепях умножения частоты внутри цифровых микросхем повышенной производительности. Она же позволяет регулировать ток потребления КМОП микросхем. Примером специализированных микросхем — генераторов могут служить микросхемы 531ГГ1 и 564ГГ1.

В схеме на мультивибраторе можно использовать и кварцевую стабилизацию частоты. Для этого нужно кварцевый резонатор включить в цепь обратной связи. Схема мультивибратора с кварцевой стабилизацией частоты приведена на рисунке 5.

Схема мультивибратора с кварцевой стабилизацией частоты
Рисунок 5. Схема мультивибратора с кварцевой стабилизацией частоты

При применении такой схемы кварцевого генератора следует учитывать, что кварцевый резонатор в ней работает на частоте последовательного резонанса, которая отличается от частоты параллельного резонанса, используемого в осцилляторной схеме генератора (схеме Пирса).

Дата последнего обновления файла 08.12.2020


Понравился материал? Поделись с друзьями!


Литература:

  1. Микушин А.В., Сажнев А.М., Сединин В.И. Цифровые устройства и микропроцессоры. СПб, БХВ-Петербург, 2010.
  2. Угрюмов Е. П. Цифровая схемотехника. СПб, БХВ-Петербург, 2010.
  3. Шило В. Л. Популярные цифровые микросхемы. М, Радио и связь, 1987.
  4. Дж. Ф. Уэкерли Проектирование цифровых устройств. М, Постмаркет, 2002.
  5. Шило В. Л. "Популярные микросхемы КМОП" — М.: "Горячая Линия - Телеком" 2002
  6. "CMOS Power Consumption and Cpd Calculation" "Texas Instruments" 1997
  7. "Input and Output Characteristic of Digital Integrated Circuits" "Texas Instruments" 1996
  8. "LOGIC MIGRATION GUIDE" "Texas Instruments" 2004

Вместе со статьей "Мультивибраторы" читают:

Генераторы
https://digteh.ru/digital/gen.php

Осцилляторные схемы генераторов
https://digteh.ru/digital/Osc.php

Особенности кварцевой стабилизации частоты цифровых генераторов
https://digteh.ru/digital/KvGen.php

Одновибраторы
https://digteh.ru/digital/OdnVib.php


Автор Микушин А. В. All rights reserved. 2001 ... 2024

Предыдущие версии сайта:
http://neic.nsk.su/~mavr
http://digital.sibsutis.ru/

Поиск по сайту сервисом Яндекс
Поиск по сайту сервисом ГУГЛ
Об авторе:
к.т.н., доц., Александр Владимирович Микушин

Кандидат технических наук, доцент кафедры САПР СибГУТИ. Выпускник факультета радиосвязи и радиовещания (1982) Новосибирского электротехнического института связи (НЭИС).

А.В.Микушин длительное время проработал ведущим инженером в научно исследовательском секторе НЭИС, конструкторско технологическом центре "Сигнал", Научно производственной фирме "Булат". В процессе этой деятельности он внёс вклад в разработку систем радионавигации, радиосвязи и транкинговой связи.

Научные исследования внедрены в аппаратуре радинавигационной системы Loran-C, комплексов мобильной и транкинговой связи "Сигнал-201", авиационной системы передачи данных "Орлан-СТД", отечественном развитии системы SmarTrunkII и радиостанций специального назначения.

А.В.Микушин является автором 130 научных и научно-методических работ, в том числе 21 монография и 26 учебников и учебных пособий.

Top.Mail.Ru

Яндекс.Метрика