Триггерные устройства и генераторы сигналов

В аналоговой технике широкое применение нашли устройства формирования импульсов заданной формы, а также генераторы различных сигналов. Генерация сигналов основана на свойстве положительной обратной связи, которая при определенных условиях поддерживает возникающие в цепи колебания. С использованием НОС реализуют также триггерные устройства, имеющие релейную проходную характеристику.

Триггерный эффект возникает в схеме с усилителем, охваченным резистивной положительной обратной связью (рис. 17.16, а).

Коэффициент передачи устройства характеризуется соотношением где К — коэффициент усиления ОУ на линейном участке характеристики; р = R/(R + R2) — передача цепи ПОС.

При рК > 1 имеющийся на входе сигнал усиливается в петле обратной связи до значения t/_BbIX = K_yU_BX, превышающего первона;

Рис. 17.16. Триггер Шмитта (а), его характеристика (б) и преобразование сигнала (в) чальный сигнал Г/_вх, и этот процесс продолжается скачкообразно. На проходной характеристике преобразователя появляется участок с отрицательным значением коэффициента передачи, создающий неустойчивый режим работы. Наличие областей ограничения на характеристике усилителя приведет к установлению на выходе одного из уровней насыщения V⁺ или V~ (рис. 17.16, б).

Если при и_вх = 0 усилитель находится в состоянии и_вых = Щ= -U_M, то напряжения на входах ОУ имеют значения и = -щ = рU_M. Это напряжение является уровнем отпускания устройства, так как для его перевода в другое состояние необходимо подать на вход напряжение и_вх = U2> U_OT. Аналогично получим, что уровень срабатывания устройства составит t/_cp = -pt/_M. Полученное пороговое устройство с релейной характеристикой называют триггером Шмитта (Schmitt trigger).

В аналоговых системах триггеры нашли применение для получения сигналов прямоугольной формы. Переход устройства из одного устойчивого состояния в другое происходит скачком за счет положительной обратной связи, что обеспечивает высокую скорость переключения и матую длительность фронтов получаемых импульсов. Триггер Шмитта часто применяют для преобразования синусоидального напряжения в последовательность прямоугольных импульсов. При подаче на вход синусоидального напряжения U (t) = [/_;«sinco? с амплитудой, превышающей уровень срабатывания триггера, на его выходе формируются импульсы, фронты которых совпадают с моментами равенства входного напряжения и уровней срабатывания и отпускания (рис. 17.16, в).

В совместных аналого-цифровых системах для целей преобразования длительностей прямоугольных импульсов часто применяют схемы на цифровых логических элементах. Для реализации триггера Шмитта на логических элементах следует последовательно соединить четное число инверторов и между выходом и входом включить резистор R₂ (рис. 17.17, а).

Рис. 17.17. Триггер Шмитта на ЛЭ (а) и его характеристика (б).

Полученное пороговое устройство с неинвертирующим входом имеет уровни срабатывания и отпускания.

определяемые напряжением U_n переключения ЛЭ. Ширина петли характеристики зависит от логического перепада U_cp — U_m = = ДU_nR/R₂ (рис. 17.17, б).

В микроэлектронике генераторы реализуют преимущественно на основе усилителей, охваченных цепями частотно-зависимых положительных обратных связей. Тип генератора зависит от вида и глубины ПОС, т. е. от соотношения вносимой и теряемой энергий.

В генераторах синусоидальных колебаний применяются частотно-избирательные цепи ПОС. На высоких частотах используют колебательные LC-контуры (рис. 17.18, а).

В генераторах звуковых и инфразвуковых частот вследствие сложности реализации методами интегральной технологии индуктивностей используют /?С-цепи (рис. 17.18, б). Коэффициент передачи цепи обратной связи.

на частоте о>о ⁼ 1/(7?С) имеет модуль р = 1/3 при нулевом фазовом сдвиге. Для возникновения режима генерации колебаний усилите;! ь на ОУ, охваченный резистивной ООС, должен обеспечить К¹' > 3. Для стабилизации режима усилителя наряду с положительной вводят цепь отрицательной обратной связи через г₂ — г,.

Рис. 17.18. LC- (а) и RC- (б) генераторы синусоидальных сигналов Генераторы релаксационных (разрывных) колебаний с контуром обратной связи, не обладающим резонансной характеристикой, работают в режиме нелинейных ограничений при глубокой ПОС, обеспечивающей большой уровень подводимой энергии. При этом выходной сигнал или его производные претерпевают скачки. Частота и форма колебаний определяются параметрами усилителя и цепи обратной связи. Релаксационные генераторы вырабатывают последовательности прямоугольных, треугольных, пилообразных, трапецеидальных и других импульсов. В информационных устройствах наиболее распространены генераторы прямоугольных и пилообразных импульсов.

Мультивибратор представляет собой генератор прямоугольных импульсов, для реализации которого используют транзисторные каскады, операционные усилители, логических элементы. Создано множество схем мультивибраторов на ОУ. Типичной является схема с интегрирующей ПОС и резистивной ООС (рис. 17.19, а).

Рис. 17.19. Схема мультивибратора (а), характеристика ОУ (б) и диаграммы работы (в) Наличие положительной ОС обеспечивает условия образования неустойчивого режима на усилительном участке проходной характеристики ОУ (рис. 17.19, б). При достижении напряжения и = и_с = ±[>'₁/(Г| + r₂)]U_m = ±pf/", происходит переход устройства в другой режим, т. е. переключение выходного напряжения щ, приводящее к перезаряду конденсатора. Если на конденсаторе в момент t = 0 было напряжение ис (0) = -рU_m, которое получено при щ —U_m, то в результате переключения на выходе установится напряжение щ = U_m. Перезаряд конденсатора на пологом участке характеристики ОУ описывается уравнением RC (du_c/dt) = -и_с + U_m, решение которого при заданных начальных условиях имеет вид.

Увеличение напряжения на конденсаторе происходит до уровня и с < Р при котором вновь происходит переключение выходного напряжения (рис. 17.19, в). Этому соответствует момент времени t = RCln[(l + Р)/(1 — Р)]. В предположении идеальной модели.

Рис. 17.20. Схема мультивибратора на ЛЭ (а) и диаграммы работы (б).

ОУ переключение осуществляется мгновенно и процесс перезаряда конденсатора повторяется с периодом В аналого-цифровых устройствах мультивибраторы реализуют на базе логических элементов. Симметричная схема мультивибратора содержит два инвертора с резистивно-емкостной обратной связью (рис. 17.20, а).

Если в начальный момент t = 0 на выходе инвертора D имеется высокое напряжение U = U¹, то конденсатор С, перезаряжается и его ток создает высокое напряжение на резисторе R-> (входе инвертора [)?>). В силу низкого значения напряжения на выходе инвертора Г)₂ ток через конденсатор С₂ практически отсутствует, что обеспечивает низкий уровень напряжения на входе инвертора D. По мере разряда конденсатора С ток его уменьшается и напряжение и₂о снижается. При его равенстве напряжению переключения (и₂о ⁼ С7ц) в момент t происходит смена состояния инвертора D₂ и установление на выходе высокого напряжения и₂ = U¹. Перепад напряжения с выхода через конденсатор С₂ передается на вход инвертора D, вызывая его переключение. Далее происходит процесс перезаряда конденсатора С₂ до следующего переключения в момент t₂. Период повторения импульсов Т = t_n + t_n для симметричного мультивибратора = R₂ = R и С = С₂ = С при небольшом выходном сопротивлении инвертора г_вых < R определяется соотношением Разработано множество вариантов схемных реализаций генераторов последовательностей импульсов разной формы, которые получают соответствующим выбором цепей положительной и отрицательной обратных связей. Например, импульсы треугольной формы можно получить с помощью триггера Шмитта и интегратора (рис. 17.21, а).

На вход интегратора поступает напряжение щ = ±U_m с выхода триггера. В результате интегрирования на выходе образуется ли;

Рис. 17.21. Схема генератора (а) и диаграммы работы (б).

нейно спадающее или нарастающее напряжение и₂ = +U_mt/(RC). При достижении порога срабатывания триггера V или V₂ происходит его переключение и знак линейного изменения напряжения становится противоположным (рис. 17.21, б). Период колебаний генератора Т~ 4RC (R_t/R₂) практически не зависит от порогов срабатывания триггера.

В микроэлектронных устройствах нашли применение многофункциональные ИМС генераторов импульсов. Универсальная схема таймера содержит набор элементов, необходимых для построения различных генераторов (рис. 17.22, а). В структуру таймера входят два компаратора 1) и D₂, /^'-триггер, разрядный транзистор Т и буферный усилитель (инвертор). Для получения автоколебаний заданной формы необходимо подключить к таймеру источник напряжения V и внешние компоненты R, R₂n С (рис. 17.22, б).

Рис. 17.22. Структура таймера (а), схема блока (б) и диаграммы работы (в) Внутренний резистивный делитель задает на входах компараторов уровни напряжений и_а = V/3 и Ир= 2V/3.

В момент включения электропитания конденсатор С разряжен (м₂ = 0) и высокое выходное напряжение компаратора D, поданное на вход R триггера, обеспечивает его состояние Q = 0 и соответственно высокое напряжение на выходе (щ= f/¹). При этом транзистор Тзакрыт и конденсатор С заряжается от источника V через последовательно соединенные резисторы R и R₂. u₂(t) = V (1 — е где = (R + R₂)C (рис. 17.22, в). В момент времени t при выполнении условия u₂(t) = 2 V/3 напряжение на неинвертирующем входе компаратора D₂ достигнет уровня срабатывания и на его выходе появится высокое напряжение, которое вызовет опрокидывание триггера и отпирание транзистора Т. Конденсатор будет разряжаться через открытый транзистор и резистор R₂: u₂(t) = (2V/3)e~^r/x'², где т₂ = R₂C. Процесс разряда продолжается до момента времени t₂, когда u₂(t₂) = V/3, и триггер возвращается в исходное состояние. Режим перезаряда конденсатора приводит к периодическому переключению триггера и изменению уровней напряжения на выходе.

Подбирая внешние компоненты, можно получить колебания различной формы в широком частотном диапазоне.

Контрольные вопросы и задания

• 1. Дайте определение обратной связи и перечислите ее виды.
• 2. Как изменяются параметры усилителя при введении отрицательной обратной связи?
• 3. Каковы структура и основные параметры операционного усилителя (ОУ)?
• 4. Какие параметры обычно используют при построении макромодели ОУ?
• 5. Какие линейные преобразователи реализуют на основе ОУ, охваченных отрицательными обратными связями?
• 6. Поясните принцип действия аналогового перемножителя сигналов.
• 7. Каковы структура и принцип функционирования аналоговых генераторов?
• 8. Что представляет собой релаксационный генератор?
• 9. При каких условиях электрическая система вырабатывает синусоидальные сигналы?