Генератор импульсов на цифровых микросхемах

Для проверки и настройки устройств на цифровых интегральных микросхемах транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) требуются генераторы прямоугольных им­пульсов. Ниже описывается генератор импульсов, выпол­ненный, всего на десяти микросхемах широко распро­страненной серии 155 и обладающий большими функцио­нальными возможностями. Изготовление и наладка его доступлы радиолюбителю средней квалификации.

Рис. 1. Принципиальная схема генератора

Принципиальная схема генератора приведена на рис. 1, а структурная — на рис. 2.

Генератор имеет два отдельных канала формирова­ния импульсов с общим задающим генератором. Импуль­сы, у которых параметры (длительность, полярность, сдвиг относительно задающей частоты) регулируются отдельно по каждому каналу, снимаются с разных выхо­дов: «Выход канала 1» — гнездо Х4 и «Выход кана­ла 2» — гнездо Х5. Кроме того, имеется «Общий вы­ход» — гнездо Х6, на который могут подаваться с по­мощью коммутатора импульсы с любого канала порознь или вместе. В последнем случае происходит сложение импульсов обоих каналов и имеется возможность полу­чать парные (сдвоенные) импульсы желаемой конфигу­рации.

(Продолжение рис. 1)

Частота генерируемых импульсов лежит в диапазоне от 20 Гц до 150 кГц, а их длительность — от 1 до 100 мкс. Сдвиг выходных импульсов осуществляется в пределах 95% длительности периода задающей частоты, но не более 1 мс.

Амплитуда выходных импульсов постоянна и соот­ветствует уровням ТТЛ-логики.

В генераторе предусмотрены возможность внешнего запуска и синхронизация генератора разовых импульсов внешними сигналами. Имеется гнездо Х2 выхода зада­ющих импульсов («Выход синхрониз.»). Сопротивление нагрузки должно быть не менее 200 Ом. Мощность, по­требляемая устройством от сети напряжением 220 В, не превышает 15 Вт.

Рис. 2. Структурная схема генератора

На рис. 3 приведены эпюры напряжений для устано­вившегося режима работы генератора.

Рассмотрим работу генератора. Импульсы прямо­угольной формы поступают с задающего генератора 1 (рис. 2) на вход первого формирователя 2, а с него на вход второго формирователя 3. Длительность выходных импульсов формирователей 2 и 3 постоянна и не зависит от длительности входных импульсов. Эти одновибраторы вырабатывают отрицательные импульсы длительностью 0,5 мкс на каждый положительный перепад напряжения на их входах. Такие импульсы в точке д необходимы для обеспечения устойчивой работы одновибраторов 4 и 8, входные импульсы которых должны быть короче вы­ходных.

Регулируемые одновибраторы 4 и 8 на каждый отри­дательный перепад напряжения на входе генерируют вы­ходной импульс той же полярности. Импульсы, посту­пающие с формирователя 2, ограничивают длительность выходных импульсов одновибраторов 4 и 8 до величины т = Т — 0,5 мкс, где Т — период задающих импульсов с узла 1. Это необходимо, так как при неправильной на­стройке в процессе эксплуатации (установке длительно­сти импульсов одновибраторов 4 и 8,больше длитель­ности периода Т) генератор начинает работать не­устойчиво.

Рис. 3. Эпюры напряжений в различ­ных точках генератора

Рис. 4. Эпюры напряжений формиро­вателя 2

Установленные далее формирователи 5 и 9, аналогич­ные формирователю 2, вырабатывают отрицательные импульсы фиксированной длительности на каж­дый положительный перепад напряжения на их входах, то есть по задним фронтам им­пульсов одновибрато­ров 4 и 8 соответст­венно.

По каждому отри­цательному перепаду на своем входе регули­руемые одновибраторы 6 и 10 генерируют от­рицательные импульсы, длительностью которых и определяется дли­тельность выходных сигналов генератора. Таким образом, начало выходных импульсов с узлов 6 и 10 совпадает по времени с окончани­ем отрицательных им­пульсов с узлов 4 и 8 соответственно. Поэто­му, изменяя длитель­ность последних, мож­но осуществлять сдвиг импульсов на выходах узлов 6 и 10 и, следо­вательно, на выходе генератора относитель­но импульсов с зада­ющего генератора 1 (и импульсов на выхо­де Х2-).

Коммутатор 11 осу­ществляет пропускание (с инвертированием) на вход генератора одиночных импульсов 12 импульсов с узлов 6 или 10. Коммутатор может также осуществлять логи­ческое суммирование этих сигналов.

Узел 12 пропускает либо все сигналы со своего входа на выход (с инвертированием), либо только те, которые поступают на него между двумя импульсами синхрониза­ции после нажатия кнопки S12 «Разовый импульс». Син­хронизация узла 12 может осуществляться как внутрен­ними сигналами (с выхода узла 3), так и внешними (с гнезда ХЗ «Внешняя синхрониз. разовых импуль­сов») при соответствующем положении переключателя

На всех выходах генератора установлены мощные вы­ходные каскады 7, 13 — 15 (16 — источник питания на­пряжением 5 В).

Для устранения возможных помех и наводок на пла­те с микросхемами между плюсом питания и «землей», необходимо установить развязывающие конденсаторы — один емкостью 1,0 мкФ у разъема платы и два-три не­посредственно у микросхем из расчета по 0,002 мкФ на каждую микросхему (С13 — С15 на рис. 1).

Рассмотрим работу отдельных узлов устройства.

Задающий генератор 1 собран на логических элементах Dl.l, D1.2, D1.3 и транзисторе VI. Задающий генератор может работать в режиме внешнего запуска с гнезда XI. Но сигналы эти должны соответствовать вход­ным логическим уровням ТТЛ-элементов. В режиме внешнего запуска цепь обратной связи разрывается, а вместо нее на вход элемента Dl.l переключателем S2 подается потенциал логической единицы.

При работе устройства в режиме внутреннего запуска имеется возможность внешними сигналами срывать или разрешать (последнее — уровнем логической 1) генера­цию импульсов, что иногда бывает необходимо при на­стройке логических устройств.

Формирователь 2 собран на логическом эле­менте D1.4 (аналогичные формирователи 5 и 9 — на эле­ментах D3.1 и D4.3 соответственно). При потенциале логического 0 на выходе формирователя (точка а) на входе элемента D1.4 имеется напряжение ниже порого­вого, а на выходе его (точка в) — логическая 1 (рис. 4). Когда же напряжение в точке а изменяется на логи­ческую 1, то этот положительный перепад напряжения проходит через конденсатор СЗ и на выходе элемента D1.4 получается логический 0. Конденсатор при этом начнет заряжаться в основном через выходное сопротивление элемента D1.3 и резистор R5_t а напряжение в точке б будет уменьшаться. Когда оно достигнет порога переключения U_a элемента D1.4, последний вернется, в исходное состояние.

При изменении сигнала в точке а на логический 0 конденсатор СЗ разряжается через выходное сопротивле­ние элемента D1.3 и диод V2, включенный в прямом на­правлении. Этот диод служит для ускорения разряда конденсатора СЗ и для уменьшения отрицательных вы­бросов напряжения на входе логического элемента D1.4 из-за прохождения через конденсатор отрицательных перепадов напряжения с выхода элемента D1.3.

Длительность выходных импульсов формирователя примерно равна т = С₃ R₅.

Формирователь 3 собран на элементах D2.1 и D2.2. Здесь длительность выходного импульса опреде­ляется временем разряда конденсатора С4. При входном сигнале, равном логическому 0 (точка в), конденсатор заряжается через выходное сопротивление элемента D2.1 и резистор R6 (последний ограничивает ток заря­да), и напряжение на входе элемента D2.2 (точка г) увеличивается (см. рис. 4). Но так как на другом входе этого элемента имеется логический 0, то на выходе его — логическая 1. При изменении входного сигнала: на одном входе элемента D2.2 логическая 1, а на другом напря­жение уменьшается по мере разряда конденсатора С4 через выходное сопротивление элемента D2.1 и резистор R6. Поэтому на выходе формирователя получается уро­вень логического 0, который вернется к логической 1, как только напряжение на конденсаторе (в точке г) умень­шится до порога переключения U_n логического эле­мента.

Длительность выходного импульса примерно равна т=С₄ (Re + 20), где 20 Ом — выходное сопротивление ТТЛ-элемента при логическом 0 на его выходе.

Одновибраторы с транзистором 4 и S (см. рис. 2) собраны соответственно на элементах D2.3, D2.4 и D4.1, D4.2. Они должны формировать импульсы большой длительности (до 1 мс). В них используются эмиттерные повторители на транзисторах КТ315А (V4 и V7).

Рассмотрим работу одновибратора 4. В начальный момент на его входе (точка д) потенциал логической 1, конденсатор С5 разряжен, на выводе 13 элемента D2.4 (точка ж) — логический 0 (напряжение на выводе 12 элемента D2.4 будем считать равным логической 1).

Когда в точке д установится потенциал логического О, положительный скачок напряжения с выхода элемента D2.3 проходит через конденсатор С5 на базу транзисто­ра V4. На эмиттере транзистора напряжение тоже скач­ком повышается и на выходе одновибратора получается потенциал логического 0, который по цепи обратной свя­зи поступает на вход элемента D2.3 и поддерживает его в состоянии с логической 1 на выходе и после окончания входного сигнала (с элемента D2.2). Конденсатор С5 при этом начинает заряжаться в основном через выходное сопротивление элемента D2.3 и резисторы R7, R8, R9. По мере его заряда напряжение на базе и, соответствен­но, эмиттере транзистора уменьшается. Когда оно в точке ж достигнет порога переключения элемента D2.4, тот вернется в исходное состояние, а конденсатор начнет разряжаться через выходное сопротивление элемента D2.3 и диод V3, включенный в прямом направлении. Этот диод служит для тех же целей, что и диод V2.

Рис. 5. Эпюры напряже­ний одноввбратора 6

При длительности выходного импульса одновибрато­ра т > Т (где Т — период задающих импульсов, на­пример, в точке д) генератор может работать неустойчи­во и его выходная частота будет меньше частоты зада­ющего генератора 1. Для устранения этого примерно за 0,5 мкс до поступления отрицательного импульса на вход одновибратора на вывод 12 элемента D2.4 подается от­рицательный импульс с выхода элемента D1.4 (выход формирователя 2). Если т < Т, то этот импульс не вли­яет на работу устройства (так как на другом .входе эле­мента D2.4 также потенциал логического 0); если т > Т, то таким сигналом выходной импульс одновибратора обрезается, элемент D2.3 устанавливается в положение с логическим 0 на выходе и конденсатор С5 начинает разряжаться. Таким образом устраняются возможные обои генерации из-за неправильной настройки величины сдвига импульсов генератора резисторами R8 и R9 (со­ответственно R16 и R17) при эксплуатации прибора.

Одно вибраторы 6 и 10 состоят из двух логи­ческих элементов D3.2 — D3.3 и D4.4 — D5.1 соответ­ственно и формируют выходной отрицательный импульс, длительность которого приближенно определяется формулой т= RC (при 1 мкс < т < 100 мкс), где R = — R12 + R13 (или R20 + R21), а С = С7 или С8. Работа одновибратора поясняется эпюрами напряжений, приве­денными на рис. 5.

В целях обеспечения устойчивой работы одновибрато­ра входной импульс должен быть короче выходного.

В противном случае происходит затягивание заднего фронта выходного импульса. Сопротивление резисторов невелико, так как падение напряжения на них при от­ключенном конденсаторе должно быть меньше порога переключения ТТЛ-элементов. Поэтому для получения больших длительностей выходных импульсов приходится использовать конденсаторы большой емкости.

Чтобы получить выходные импульсы различной по­лярности, сигналы одновибратора могут дополнительно инвертироваться элементом D3.4 (или D5.2 для другого одновибратора). Переключение полярности осуще­ствляется переключателями S6, S9. Резисторы R13 и R21 служат для плавной регулировки длительности вы­ходных импульсов.

Коммутатор И выполнен на логическом элемен­те D7.1 2И-2ИЛИ-НЕ. Такой элемент обеспечивает ин­версное прохождение на его выход входных сигналов при совпадений по времени положительных сигналов на обо­их входах любой входной схемы совпадений И. Путем переключения тумблеров S7 — канал 1 на общий выход и S8 — канал 2 на общий выход на генератор одиночно­го импульса можно подавать сигналы любого канала отдельно или вместе. (Проходят сигналы того канала, тумблер которого подает на вход микросхемы D7.1 поло­жительный потенциал.)

Генератор одиночных импульсов (ГОИ) 12 состоит из трех RS-триггеров и трех схем совпадений и собран на элементах D5.3, D5.4, D9 и D10. Генератор одиночных импульсов имеет два режима работы, а вы­бор необходимого осуществляется тумблером S11. «Общий выход: 1 импульс — оо». Когда с помощью это- го тумблера вывод 3 элемента D9.2 заземляется, на вы­ходе элемента D9.2 и, соответственно, на выводе 4 элемента D10.2 будет высокий логический потенциал. При этом элемент D10.2 передает на выход ГОИ (с ин­вертированием) все сигналы, поступающие по шине Н, независимо от состояния кнопки S12 «Разовый импульс» и сигналов синхронизации.

Рассмотрим режим разового импульса. В этом ре­жиме на выводе 3 элемента D9.2 положительный по­тенциал. Будем называть состояние триггера единичным или нулевым, если на выходе его нижнего элемента (по схеме рис. 1) соответственно единичный или нулевой ло­гический потенциал.

Триггер ТгЗ (элементы D5.3 и D5.4), служащий для устранения нежелательного влияния «дребезга» контак­тов кнопки (то есть возникновения при ее нажатии пачки импульсов), в исходный момент находится в единичном состоянии и нулевой потенциал с элемента D5.3 удержи­вает триггеры Тг1 (элементы D9.2 и D9.3) и Тг2 (эле­менты D10.3 и. D10.4) также в единичном состоянии. При нажатии кнопки S12 триггер ТгЗ изменяет свое состоя­ние и подает высокий логический потенциал на триггеры Тг1, Тг2 и схему совпадений D9.1. Пришедший затем положительный импульс синхронизации пройдет только через элемент D9.1 (так как на выводе 2 элемента D10.1 — нулевой потенциал триггера Тг2) и изменит состояние триггера Тг1 на нулевое. На вход элемента D10.2 поступит положительный потенциал, который раз­решит прохождение на выход ГОИ импульсов по шине Н.

После этого первый же положительный импульс на этой шине изменит состояние триггера Тг2 на нулевое.

Рис. 6. Принципиальная схема блока питания

Импульсы по шине Н будут проходить (с инверсией) на выход ГОИ до прихода следующего импульса син­хронизации, который пройдет через элемент D10.1 и вер­нет триггер Тг1 в исходное единичное состояние. При этом на вывод 4 элемента D10.2 поступит нулевой потенциал, прекращающий прохождение сигналов с его вывода 5 на выход.

В таком состоянии ГОИ будет находиться (незави­симо от следующих импульсов синхронизации) до отпус­кания кнопки «Разовый импульс». Тогда триггер ТгЗ вернется в исходное единичное состояние и вернет в это состояние и триггер Тг2.

Таким образом, на выходе ГОИ после нажатия кноп­ки и прихода импульса синхронизации до следующего синхроимпульса будут формироваться одиночные им­пульсы отрицательной полярности, инверсные относи­тельно поступающих по шине Н.

Мощные выходные каскады представляют собой элементы К.1ЛБ557 с открытым коллектором, сила тока через которые может быть до 40 мА.

Источник питания. Принципиальная схема источника приведена на рис. 6. Его коэффициент стаби­лизации более 80. При номинальном напряжении сети пульсации на выходе источника (при полной нагрузке) не более 5 мВ. При изменении напряжения сети на ±20% величина пульсаций практически не меняется. Трансформатор Т1 намотан на сердечнике УШ 16 X 32. Первичная обмотка содержит 1980 витков провода ПЭВ-1 0,1, вторичная — 90 витков провода ПЭВ-1 0,45. Площадь радиатора транзистора V7 — не менее 100 см².