Одновібратор на логічних елементах

Одновібратори

Одновібратори призначені для формування імпульсів заданої тривалості й амплітуди під дією вхідних імпульсів синхронізації. Крім того, одновібратор застосовується для затримки імпульсів на заданий відрізок часу.

Одновібратор має один стійкий стан, у якому він може перебувати як завгодно довго. Під дією відносно короткотривалого імпульсу синхронізації, що діє на вході, одновібратор переходить у тимчасово стійкий (квазістійкий) стан. Тривалість перебування одновібратора у тимчасово стійкому стані визначається сталою часу, яка залежить від ємності конденсатора й опору резистора, через який цей конденсатор розряджається.

Перехід одновібратора зі стійкого стану у тимчасово стійкий, а також зворотній перехід відбувається за дуже короткий інтервал часу, практично миттєво, тому сформований одновібратором імпульс має круті фронти.

Для побудови одновібраторів використовуються дискретні елементи (транзистори, діоди, конденсатори, резистори), логічні елементи, операційні підсилювачі

Одновібратор на логічних елементах

Одновібратор складається з двох логічних елементів І-НЕ, один з яких увімкнений як інвертор (рис.8.15). Сигнал з виходу першого елемента DD1 на вхід другого передається через конденсатор С, а з виходу другого на вхід першого – безпосередньо. Одновібратор має один стійкий стан, у якому логічний елемент DD1 перебуває у стані логічного 0, а логічний елемент DD2 – у стані логічної 1. Стан логічної 1 елемента DD2 забезпечується тим, що вхідний струм елемента І¹_х2, що витікає з DD2 через резистор R на спільну шину, створює на цьому резисторі напругу U_R=І¹_х2 R , яка менша порогового рівня U_r логічного елемента_r і тому сприймається як логічний елемент 0.

Рис. 1

На один вхід логічного елемента DD1 надходить вхідний сигнал з рівнем логічної 1. Вихідний сигнал логічного елемента DD2, що має рівень логічної 1, надходить на другий вхід логічного елемента DD1, тому цей елемент утримується у стані логічного 0 з вихідним сигналом нижнього рівня. У такому стійкому стані одновібратор може перебувати як завгодно довго до надходження імпульсу запуску.

З надходженням на перший вхід елемента DD1 фронту імпульсу запуску, який сформований як перепад напруги із рівня U¹ логічної 1 до рівня U⁰ логічного 0, логічний елемент DD1 переходить від стану логічного 0 до стану логічної 1 і на його виході встановлюється сигнал високого рівня. Тривалість переходу t₀₁ залежить від типу логічного елемента.

Стрибок напруги з виходу елемента DD1 передається через конденсатор С на резистор R. Напруга на резисторі R у цей момент становить U_R=U¹R/(R+r₀₁), де r₀₁ – вихідний опір елемента DD1. Враховуючи, що вихідний опір логічного елемеНТП набагато менший за опір резистора R, можна вважати, що U_R≈U¹. Напруга на резисторі R, прикладена до входу елемента DD2, перевищує пороговий рівень U_r і тому елемент DD2 переходить із стану логічної 1 до стану логічного 0. Затримка t₁₀ вихідного сигналу відносно вхідного визначається інертністю елемента. Отже, через інтервал t_F=t₀₁+t₁₀ після надходження фронту вхідного імпульсу перехідні процеси в логічних елементах завершуються, одновібратор переходить у тимчасово стійкий стан і на виході одновібратора встановлюється рівень логічного 0. Тривалість T_ix вхідного імпульсу запуску має бути не меншою тривалості перемикання логічних елементів: T_ix≥t₀₁+t₁₀.

У тимчасово стійкому стані елемент DD2 утримується у стані логічного 0 напругою на резисторі R, а елемент DD1 у стані логічної 1 вихідною напругою нпжнього рівня логічного елемента DD1.

Конденсатор С, заряджений у попередньому стані до напруги U¹, розряджається через резистор R і вихідний опір r₀₁ елемента DD1. Напруга на резисторі R зменшується за експоненціальним законом зі сталою часу ф₁=С(R=r₀₁). У той момент, коли напруга на резисторі R, прикладена до входу логічного елемента DD2, зменшуючись, стане рівною пороговій напрузі U_r, елемент DD2 починає переходити у стан логічної 1. Тривалість перебування одновібратора у тимчасово стійкому стані, тобто тривалість вихідного імпульсу T_i, впродовж якого вхідна напруга елемента DD2 зменшується від рівня U¹_х2 до порогового рівня Ur, становитиме

.

Коли вхідна напруга елемента DD2, який переходить із стану логічного 0 у стан логічної 1, збільшуючись, перевищить пороговий рівень U_r, елемент DD1 починає переходити із стану логічної 1 у стан логічного 0. У цей перехідний період замикається петля додаткового зворотнього зв’язку, яка охоплює обидва елементи, прирости напруги взаємно підсилюються, процес лавиноподібно наростає і одновібратор стрибком перехоидть у стійкий стан.

Перехідний процес закінчується, коли напруга на виході DD1 досягне рівня логічного 0, а напруга на виході DD2 – логічної 1. Конденсатор С, який у тимчасово стійкому стані зарядився до напруги (U¹-U_r), починає заряджатися через вихідний опір r₀₁ елемента DD1 і діод VD. Напруга на конденсаторі негативної полярності прикладена до входу елемента DD2. Негативна напруга на вході логічного елемента є небажаною, оскільки може вивести цей елемент з ладу. Щоб зменшити негативну дію цієї напруги, на вході логічного елемента DD2 увімкнено діод VD, через який конденсатор швидко розряджається. Розрядившись до нуля, конденсатор починає заряджатися вхідним струмом І¹_х2 елемента DD2 від нульової напруги до напруги І¹_х2 R. Стала часу заряджання дорівнює . Через інтервал часу, при близько рівній 3_ф2, конденсатор зарядиться до усталеної напруги й у одновібраторі відновиться початковий стійкий стан, у якому він перебуватиме до надходження чергового імпульсу запуску.