Приветствую Вас, Гость! Регистрация RSS

Сайт "Cner"

Четверг, 24.09.2020
Главная » Статьи » Сборник статей

Формирователи коротких импульсов

Формирователи коротких импульсов (ФКИ)являются необходимыми функциональными узлами в импульсной, цифровой и вычислительной технике. ФКИ выполняют в схемах слелующие функции:

- сокращение длительности выходных импульсов по сравнению с входными;
- нормировку длительности выходных импульсов, т.е. обеспечивают постоянство выходных импульсов при изменении длительности входных импульсов в широком диапазоне;
- формирование выходных импульсов по положительному или отрицательному перепаду входного напряжения.

При этом иногда говорят об анализе фронта или спада импульса или о выделении его фронтов, поскольку формируемый короткий импульс индицирует временное положение анализируемого перепада напряжения.

Наиболее часто ФКИ используют для запуска импульсных генераторов или исполнительных устройств, например, тиристоров, а также для формирования сложных импульсных последовательностей, обеспечивающих синхронную работу отдельных узлов и блоков больших схем.

Одной из разновидностей ФКИ являются известные из импульсной техники укорачивающие цепи (УЦ), выполненные на основе пассивных компонентов (L,C,R). К настоящему времени большинство из них устарели, поскольку индуктивности, входящие в LR-цепи и в LCR-цепи, трудно изготовить, особенно в микроминиатюрных вариантах.

На Рис.1а показана укорачивающая RC-цепь и форма ее выходных импульсов Рис.1б, если на вход поступает прямоугольный импульс. По внешнему виду УЦ совпадает с разделительной межкаскадной цепью, но отличается от нее меньшей постоянной времени, обеспечивающей дифференцирование входных сигналов. В отличие от дифференцирующей RC-цепи, УЦ не используется для получения производной входного сигнала.

Укорачивающая RC-цепь реагирует как на положительный перепад входного напряжения, так и на отрицательный. Причем полярность выходных импульсов соответствует перепаду.

Экспоненциальная форма спада выходного импульса УЦ не имеет существенного значения, поскольку в дальнейшем его часто подвергают дополнительному формированию и преобразованию. На работу УЦ оказывают влияние выходное сопротивление источника сигнала, паразитная емкость нагрузки и конечная длительность фронта входного сигнала. Уменьшение выходного сопротивления источника сигнала Ri приводит к увеличению амплитуды выходного импульса УЦ и его длительности. Уменьшение емкости нагрузки Сн приводит к аналогичным результатам. Приблизительно длительность фронта выходного импульса Тф можно рассчитать:

Влияние конечной длительности фронта входного импульса имеет два крайних случая:
 - Тф << tи. В этом случае RC-цепь является укорачивающей для импульса в целом, но для его фронта работает как разделительная. Фронт входного импульса передается почти без искажений, поэтому уменьшение амплитуды сигнала при передаче незначительно. Влияние конечной длительности фронта входного сигнала сводится к тому, что фронт выходного сигнала тоже становится конечным (равным длительности фронта входного сигнала);

 - значения tи и Тф соизмеримы. Тогда амплитуда выходного импульса становится много меньше амплитуды входного, прямо пропорциональной постоянной времени УЦ и обратно пропорциональной длительности фронта входного сигнала.

Укорачивающая RC-цепь редко используется самостоятельно. Чаще всего она используется в составе ФКИ. На Рис.2 показаны схемы таких ФКИ на основе логического элемента (Рис.2а) и транзистора (Рис.2б). В обеих схемах формируются короткие отрицательные импульсы по положительному перепаду входного напряжения.

На Рис.3 показаны аналогичные схемы, но реагирующие на отрицательный перепад входного напряжения и формирующие при этом положительный выходной импульс. Это достигается подачей положительного смещения на вход активных элементов с помощью резисторов R1 (Рис.3а) и R3 (Рис.3б), которое суммируется с отрицательным импульсом УЦ. Получается нулевой уровень напряжения на входе активного элемента, что передается на его выход как положительный импульс. Поэтому схемы на Рис.3 требуют подбора режима.

Длительность выходного импульса в некоторых пределах зависит от величины смещения. Используя это свойство ФКИ, можно управлять режимом работы, подав управляющий сигнал, который изменяет смещение. Эти схемы показаны на Рис.4.

Схемы ФКИ с транзистором содержат дополнительный резистор (R2 на Рис.4б), включенный последовательно с конденсатором, для увеличения входного сопротивления каскада. Включение этого резистора обеспечивает уменьшение влияния сопротивления нагрузки на работу УЦ. 

Описанные ФКИ можно соединять параллельно по входам и подсоединять к одному источнику сигнала, не превышая его нагрузочной способности. Пример такой схемы показан на Рис.5а. На Рис. 5б,в приведены временные диаграммы выходных сигналов для положительных и отрицательных входных. 

Выходные сигналы ФКИ также можно объединять, как это показано на Рис.6а. Временные диаграммы выходных сигналов показаны на Рис.6б,в.

Существует другой способ формирования коротких импульсов, основанный на использовании комбинации инвертированных и задержанных сигналов. Общий принцип построения ФКИ с помощью этого способа показан на Рис.7. Получаемые в этих схемах результаты зависят от вида использованного логического элемента DD2 (И-НЕ или же ИЛИ-НЕ) и элемента задержки DT1. В качестве DT1 чаще всего используются логические элементы, соединенные последовательно в цепочку, и интегрирующие RC-цепи. Объясняется это тем, что применять такие элементы просто. В случае необходимости можно применить специальные линии задержки или длинные линии.

На Рис.8 показаны элементы задержки на логическом элементе (ЛЭ). Временные диаграммы соответствуют Рис.7в. На схемах показан один ЛЭ, выполняющий одновременно функции задержки и инверсии, но можно устанавливать цепочки ЛЭ, включенные последовательно. Если используются инверторы, то их число должно быть нечетным, чтобы данная цепочка обеспечивала еще и инверсию сигнала.

Собственные задержки ЛЭ невелики (от единиц наносекунд для ТТЛШ до сотен наносекунд для ТТЛ и КМОП). Поэтому длительности выходных импульсов также невелики и могут изменяться только дискретно, в соответствии с количеством включенных логических элементов и суммой их собственных задержек. Увеличить задержку и, соответственно, длительность выходных импульсов можно, если включить на выход ЛЭ конденсатор (Рис.9). В цепочке последовательно включенных ЛЭ можно включать конденсаторы на выход каждого элемента.

Выходные каскады ЛЭ построены таким образом, что их максимальный выходной ток имеет конечное значение. В элементах ТТЛ и ТТЛШ он ограничен резистором, в элементах КМОП - конечным сопротивлением канала открытого полевого транзистора. Поэтому, применяя конденсатор на выходе ЛЭ, можно получить значительно большие времена задержки и, соответственно, длительности выходных импульсов, достигающие сотен микросекунд.

Временные диаграммы схем на Рис.9 похожи на диаграммы схем, показанных на Рис.10 и 11, за исключением меньшего времени зарядно-разрядных процессов. В этих схемах использовано в качестве зарядно-разрядного резистора интегрирующей цепи входное сопротивление ЛЭ.

В схеме на Рис.10а в отсутствие сигнала на выходе DD1.2 - "1". На выходе DD1.1 также "1" и конденсатор С1 заряжен таким образом, что правая обкладка имеет высокий потенциал, а левая - нулевой. При поступлении на вход положительного импульса (Рис.10б) диод VD1 закрывается входным напряжением, и на выходе DD1.2 появляется "0", поскольку на выходе DD1.1 сохраняется "1". Конденсатор перезаряжается через DD1.1, т.е. состояние ("1"-"0") на выходе DD1.1 меняется с задержкой, что приводит к формированию отрицательного выходного импульса. По окончании входного сигнала на входе снова "0", а на выходе DD1.1 появляется "1", что приводит к быстрому заряду конденсатора С1 через выход DD1.1 и диод VD1. Схема готова к поступлению следующего входного импульса.

В схеме на Рис.11а в отсутствие входного сигнала на входе "0", на выходе DD1.1 - "1", а на выходе DD1.2 - "0". При поступлении на вход положительного импульса (Рис.11б) на выходе DD1.1 - "0", а на выходе DD1.2 сохраняется "0". Происходит быстрый перезаряд конденсатора С1 таким образом, что на левой обкладке оказывается высокий потенциал, а на правой - нулевой. По окончании входного импульса на входе - снова "0", а на выходе DD1.1 - "1". Диод VD1 закрыт, происходит медленный перезаряд конденсатора через входное сопротивление DD1.1. На правой обкладке конденсатора идет медленное увеличение потенциала, а DD1.2 тем временем формирует короткий положительный импульс по спаду входного. Конденсатор перезаряжается, и схема готова к поступлению следующего импульса.

Реализовать все возможные варианты работы ФКИ можно с помощью схем, показанных на Рис.12а,б и 13а,б поскольку в их структуре возможно разделение функций задержки и инверсии входных сигналов. На Рис.12в и 13в показаны временные диаграммы работы всех четырех вариантов этих схем.

Все описанные схемы ФКИ не могут формировать выходные импульсы длительнее чем входные. Это обусловлено тем, что для формирования выходных импульсов используются фронты входных, которые определяют характер происходящих в конкретной схеме процессов. На Рис.14 показана схема анализирующая как фронт положительного импульса так и его спад. 

В качестве ФКИ могут использоваться одновибраторы (ждущие или заторможенные мультивибраторы), требующие для генерации выходного импульса внешнего запускающего сигнала. Длительность формируемого импульса зависит от постоянной времени RC-цепи и может быть намного больше длительности входного, т.е. одновибраторы могут генерировать импульсы различной длительности. Кроме того, одновибраторы отличаются наличием памяти. Это означает, что входной запускающий сигнал может быть уже снят, а выходной импульс еще продолжается. 

Одновибраторы - хорошо известные импульсные устройства. Они выпускаются в интегральном исполнении и имеются в различных сериях интегральных микросхем. Подробную информацию об интегральных одновибраторах можно найти, например, в [3]. 

Обычно одновибраторы на ЛЭ запускаются коротким отрицательным импульсом (Рис.15). Если нужно запускать такой одновибратор от положительного входного импульса, то эту схему легко модифицировать тем же способом, который использован в схемах ФКИ, показанных на Рис.3. Схема такого модифицированного одновибратора представлена на Рис.16.

Главный недостаток рассмотренных схем одновибраторов - невысокая термостабильность выходного импульса. В случае необходимости её повышения можно использовать интегральный одновибратор или схему на Рис.17. 

В исходном состоянии конденсатор С1 заряжен, VT1 открыт, а ЛЭ DD1 закрыт. При поступлении на вход положительного импульса DD1 открывается, и на выходе появляется "0". Отрицательный перепад напряжения с выхода DD1 передается через конденсатор С1 на базу VT1 и закрывает его. Перезаряд С1 происходит через R1 и выход DD1. В течение этого времени на выходе DD1 - "0". Как только напряжение на базе VT1 станет равным напряжению открывания транзистора, он открывается, и на выходе DD1 появляется "1". На этом процесс формирования импульса заканчивается. Изменяя сопротивление R1, можно регулировать длительность выходного импульса одновибратора.

Следует заметить, что все описанные ФКИ допускают регулировку постоянной времени RC-цепи и, соответственно, длительности выходного импульса. Поэтому они могут работать с плавно регулируемой длительностью выходного импульса, что может оказаться очень полезным в различных схемах.

Литература

1. С.Бирюков. Универсальный тиристорный регулятор. - Радио, 1971, №12, с. 31.
2. Д.Приймак. Низковольтный тринисторный регулятор напряжения.- Радио, 1989, №5, с. 78. 
3. В.Л.Шило. Популярные цифровые микросхемы: Справочник.- М.: Радио и связь, 1987.

Источники публикации: Ж. Радиомир, 2007, №3, с. 26-27; №4, с. 28; №5, с. 24-25.

Автор:  Е. Солодовников
 

Примечание: Журнальный вариант статьи можно скачать по адресу:    http://cner.ucoz.net/load/formirovateli_korotkikh_impulsov/1-1-0-8# .

Категория: Сборник статей | Добавил: cner (22.04.2014)
Просмотров: 25841 | Рейтинг: 0.0/0