Генераторы импульсов на элементах ТТЛ, КМОП и ЭСЛ
В принципе, генератор электрических колебаний представляет собой один или несколько усилительных каскадов, охваченных обратной связью с частотно-зависимыми сопротивлениями, которые и обеспечивают генерацию на требуемой частоте. В качестве частотіно-задающих элементов генераторов используют RC, LC, RLC-цепи, а также пьезокерамические и кварцевые резонаторы.
Схема генератора с RC частотно-задающей цепью и временные диаграммы, поясняющие его работу, приведены на рис. 24. Принцип его работы основан на процессе зарядки-разрядки конденсатора С через резистор R. Через этот резистор осуществляется ООС по постоянному току, а через конденсатор—ПОС по переменному. Предположим, что в начальный момент конденсатор разряжен, на выходе элемента DD1.2 действует напряжение низкого уровня — начнется заряд конденсатора (рис. 24, участок а). По мере его зарядки напряжение на нем увеличивается, а на выходе элемента DDL1—уменьшается (рис. 24, участок б).
Когда напряжение на выходе элемента DD1.1 станет соответствовать низкому уровіню, выходное напряжение элемента DD1.2 начнет увеличиваться. Этот прирост напряжения через конденсатор поступает на вход элемента DD1.1, что приводит к резкому уменьшению его выходного напряжения, значит, к резкому увеличению выходного напряжения элемента DD1.2, что, в свою очередь, приводит к резкому уменьшению напряжения на выходе элемента DD1.1 и т. д. Таким образом, устройство скачком переключается в другое состояние — с напряжением высокого уровня на выходе элемента DD1.2 (рис. 24, участок в),
С этого момента начнется перезаряд конденсатора, в результате «его напряжение на входе элемента DDil.l уменьшается; а на его выходе — увеличивается (рис. 24, участок г). Когда напряжение на выходе элемента DD1.1 достигает напряжения высокого уровня, устройство скачком переключается в исходное состояние и процесс повторяется.
В таком генераторе можно использовать элементы ТТЛ, КМОП и ЭСЛ, но, в зависимости от конкретных элементов, на нее накладываются определенные ограничения.
Для элементов КМОП сопротивление резистора может быть от единиц килоом до десятков мегаом, а емкость конденсатора — от десятков пикофарад до сотен микрофарад, а вот для элементов ТТЛ сопротивление резистора ограничено более узкими рамками, о чем уже говорилось ранее.
Рис. 24. Генератор с RC частотно-задающей цепью (а) и графики (б), поясняющие его работу
Частоту , генерации можно определить по приближенной формуле
Учитывая, что элементы КМОП имеют ограничения по частотному диапазону, рекомендовать их можно для генераторов на частоты до 2…4 МГц. Для более высокочастотных генераторов следует применять элементы ТТЛ или ЭСЛ. Перестройку частоты генераторов можно осуществлять с помощью переменных резистора или конденсатора. Температурная стабильность таких генераторов невысока и для ее повышения используют конденсаторы с определенным ТКЕ.
Устройство, собранное по схеме рис. 24, генерирует прямоугольные импульсы со скважностью примерно равной 2 (скважность — отношение периода следования импульсов к их длительности).
Если же скважность импульсов необходимо изменять, сохраняя при этом частоту их следования, надо синхронно изменять цепи зарядки и разрядки конденсатора. Как это реализовать, показано на рис. 26. Здесь для регулировки скважности импульсов используют потенциометр R1. В среднем положении его движка, когда время зарядки и разрядки конденсатора СІ примерно одинаково, скважность близка к 2. При перемещении движка в ту или иную сторону время зарядки будет, например, уменьшаться, а разрядки — увеличиваться, это приведет к изменению скважности, при этом частота следования будет изменяться незначительно. В таком генераторе можно регулировать скважность примерно от 1,01 до 100.
Если необходимо получить сигнал синусоидальной формы или повысить стабильность частоты, то в часготно-задающей цепи надо использовать LC-контур, который будет выполнять еще и фильтрующую функцию, подавляя гармонические составляющие высших порядков. Схема такого варианта генератора [8] приведена на рис. 26,а, его удобно использовать для частот более 3 .
.. 5 МГц. Сигнал снимают с катушки L2, он имеет синусоидальную форму. Катушка U1 имеет отвод от середины, а соотношение витков этих катушек должно быть как 1 :7. Схема генератора на элементе ТТЛ с частогно-задающей цепью на последовательном LC-контуре приведена на рис. 26,б [43].
Простой генератор на элементах КМОП и LC-контуре можно собрать по схеме рис. 27. В нем через резистор R1 и катушку индуктивности L1 осуществляется ООС ло постоянному току, благодаря чему при изменении питающего напряжения обеспечивается устойчивая работа генератора в широких пределах. Так как входное сопротивление элемента составляет сотни килоом — единицы мегаом, он слабо шунтирует контур C1L1C2, поэтому добротность контура будет достаточно большой, что обеспечивает хорошую форму сигнала. Чтобы нагрузка не оказывала существенного влияния на частоту генератора, связь с ней осуществляется через конденсатор C3 небольшой емкости.
Рис. 25. Принципиальная схема генератора с регулируемой скважностью импульсов
Общий недостаток описанных выше генераторов—сравнительно невысокая стабильность генерируемой частоты (10-3.
.. 10-4 1/град). Для повышения стабильности применяют пьезокерамические и кварцевые резонаторы, включая их, например, вместо конденсатора в цепи ПОС (см. рис. 24), чем обеспечивают мягкий режим самовозбуждения. Однако при таком способе включения резонаторов возможно возникновение генерации на частотах, отличных от собственной частоты резонатора. Чтобы этого не произошло, используют различные способы фазовой или амплитудной селекции нужной частоты.
На рис. 28 приведена схема генератора с кварцевой стабилизацией частоты в диапазоне 2 … 10 МГц [9, 10]. Здесь конденсаторы С1 и G2 служат для подавления возможной паразитной генерации на частотах, отличных от частоты кварцевого резонатора BQ1. Для устранения влияния нагрузки на частоту генератора применен буферный элемент DD1.3. Настройка заключается в установке генерируемой частоты с помощью подбора емкости конденсатора C3. В табл. 2 приведены данные элементов для разных диапазонов частот.
Рис. 26. Принципиальные схемы LC-генераторов на элементах ТТЛ
Для повышения добротности контура емкость конденсатора С2 следует выбирать в 2—4 раза больше емкости конденсатора С1.
Частоту генерации можно определить по формуле:
Рис. 27. Принципиальная схема генератора на LC-контуре и элементе КМОП
Рис. 28. Генератор на элементах ТТЛ с кварцевой стабилизацией частоты
Генератор с кварцевой стабилизацией частоты можно собрать всего на одном элементе КМОП (рис. 29). В нем резистор R1 выводит элемент DD1.1 на линейный участок передаточной характеристики. Резистор R2 выполняет одновременно несколько функций: обеспечивает дополнительный сдвиг фаз в цепи ООС по переменному току, предотвращает возможность паразитного самовозбуждения, снижает мощность, рассеиваемую на кварцевом резонаторе, что благотворно сказывается на стабильности частоты, а также ослабляет шунтирующее действие элемента на кварцевый резонатор, что также повышает стабильность частоты. Благодаря этому генератор на частоту 500 кГц, собранный на элементе микросхемы К176ЛА7, имеет нестабильность частоты не более ±0,1 … 0,5-10_6 при изменении напряжения источника питания в пределах ±10 %.
Сопротивление резистора R1 может быть 0,1 … 20 МОм, причем при большем его сопротивлении увеличивается влияние паразитных наводок, а при меньшем — ухудшается стабильность частоты. Сопротивление резистора R2 может быть от единиц до десятков килоом. Конденсаторы С1 и С2 емкостью от нескольких пикофарад до долей микрофарады должны быть с минимально возможным ТКЕ. Для повышения стабильности іна выходе генератора полезно установить буферный каскад на элементе DD1.2.
Рис. 29. Генератор на элементах КМОП с кварцевой стабилизацией частоты
Литература: И. А. Нечаев, Массовая Радио Библиотека (МРБ), Выпуск 1172, 1992 год.
Простой генератор прямоугольных импульсов на логических элементах
4 ноября 2020 – Admin
Главная / Схемы / Генераторы
На рисунке приведена простейшая схема генератора на логических элементах. Ничего лишнего: времязадающая RC-цепочка и микросхемка.
Данное устройство собрано на микросхеме CD4011BE (отечественный аналог К561ЛА7).
Она содержит в себе 4 логических элемента 2И-НЕ. Сразу вспомним, что элемент 2И-НЕ имеет два входа, и сперва применяет к двум входным сигналам операцию И, а затем результат инвертирует (операция НЕ). Вот табличка логики:
| Вход 1 | Вход 2 | Выход |
| 0 | 0 | 1 |
| 1 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 |
Впрочем, на схеме входы элементов соединены друг с другом. Это значит, что нам от элемента нужна только операция НЕ. Один элемент инвертирует сигнал, то есть поворачивает его на 180 градусов. Значит, два последовательных элемента повернут сигнал на 360 градусов = 0 градусов. Это как раз и требуется: для работы генератора должна обеспечиваться положительная обратная связь, то есть сигнал с выхода должен попадать на вход в «фазе», чтобы поддерживать сам себя.
Принцип работы
Допустим, после включения питания на входе DD1.1 установился низкий уровень. Значит, на выходе будет высокий уровень, который попадает на вход DD1.2, на выходе которого, в свою очередь, будет опять низкий уровень. Конденсатор C1 разряжен. И он начинает заряжаться через резистор R1, который правым выводом подключён к выходу DD1.1 — к точке, где потенциал высокий.
Процесс заряда конденсатора C1
Вы вправе спросить: почему же этот ток не утекает на вход элемента DD1.1 – ведь на этом входе в данный момент низкий потенциал? Кажется, что логический элемент должен скушать весь ток, а конденсатору ничего не достанется. Ответ: дело в высоком входном сопротивлении элементов DD. На их входы ответвляется мизерная часть тока, которой можно пренебречь. Кстати, благодаря этому факту, сопротивление R1 может быть достаточно большим, несколько мОм, что позволяет получить довольно низкие частоты генерации.
Итак, постепенно напряжение на C1 растёт, и в какой-то момент на левой обкладке накопится достаточный “плюс”, который переключит DD1.
1 в состояние 1 на входе, 0 на выходе. Тут же и DD1.2 поменяет состояние на противоположное: 0 на входе, 1 на выходе. И процессы в RC-цепочке пойдут в обратную сторону, до тех пор, пока напряжение на конденсаторе снова не переключит DD1.1, а за ним DD1.2 и весь цикл повторится сначала. Описание несколько упрощённое (вблизи момента переключения там происходят чуть более сложные процессы), но достаточное для первоначального понимания.
Пробуем на практике
Как вы уже поняли, частота генератора определяется параметрами времязадающей RC-цепочки: от сопротивления резистора и ёмкости конденсатора будет зависеть, сколько времени будет длиться заряд/разряд конденсатора. Примерная формула такова:
Верхняя частота генератора ограничена скоростью переключения КМОП-элементов (условно, порядка 2 МГц). При этом и на низких частотах генератор работает уверенно:
- С1 . . . . . . . 1 мкФ
- R1 . . . . . . . 680 кОм
- f . . . . . . . . 1 Гц.
Схема собрана на макетной плате.
Чтобы увидеть работу генератора, я подключил к его выходу светодиод через токоограничивающий резистор. Считается, что микросхема этого типа может выдерживать выходной ток до 6.8 мА, так что вполне способна засветить не очень мощный светодиод без дополнительного ключа на транзисторе. Вот что получилось:
Ну а вот как выглядит сигнал генератора на осциллограмме:
Осциллограмма выходного сигнала генератора
Улучшение схемы
Как можно было бы доработать эту схему? Вот некоторые соображения.
Частота такого генератора весьма нестабильна. Для исправления этого недостатка часто заменяют конденсатор на кварцевый резонатор нужной частоты, а также пропускают сигнал ещё через один-два элемента 2И-НЕ.
Для регулировки частоты можно постоянный резистор заменить на подстроечный, а также добавить переключатель и несколько конденсаторов, чтобы менять ёмкость.
Однако, как и в любой схеме, есть ограничения на номиналы деталей. Например, сопротивление R1 не может быть менее 1 кОм.
Более интересная задача — регулировка скважности. В приведённой схеме длительность импульса равна длительности паузы, скважность 50%. А что если мы хотим короткий импульс и длинную паузу, или наоборот? Тогда нужно последовательно с R1 прицепить примерно такую конструкцию:
Схема регулировки скважности
Здесь заряд и разряд конденсатора идут через разные плечи R2 благодаря диодам VD1 и VD2, так что соотношение импульса и паузы будет разное в зависимости от положения движка R2.
Поделиться в соцсетях:
Схема транзисторного кварцевого генератора» Electronics Notes
– простая схема кварцевого генератора на транзисторах и значения для разных частот.
Кварцевые генераторы используются во многих областях электроники. Использование схемы кварцевого генератора позволяет очень дешево и легко построить высокопроизводительный высокостабильный генератор.
могут использоваться в большом количестве приложений в электронике и радио. В некоторых случаях кварцевые генераторы могут использоваться для обеспечения дешевого тактового сигнала для использования в цифровой или логической схеме. В других случаях для обеспечения стабильного и точного источника радиочастотного сигнала может использоваться кварцевый генератор. В результате кварцевые генераторы часто используются радиолюбителями или радиолюбителями в схемах радиопередатчиков, где они могут быть особенно эффективными.
Что такое кристалл
Как следует из названия, они сделаны из кварца, естественной формы кремния, хотя большая часть того, что используется в электронике, в наши дни производится синтетическим путем. Компоненты полагаются на замечательные свойства кварца в своей работе. При помещении в электронную схему кристалл действует как настроенная схема очень высокого качества. В дополнение к этому они очень стабильны, и их резонансная частота не сильно зависит от времени или температуры.
Работа кристалла зависит от пьезоэлектрического эффекта. Этот эффект преобразует механическое напряжение в кристалле в напряжение и наоборот. Таким образом, пьезоэлектрический эффект преобразует электрические импульсы в механическое напряжение, которое подвергается механическим резонансам кристалла с очень высокой добротностью, и это, в свою очередь, снова включается в электрическую цепь.
Хотя это не компонент, который можно купить у любого продавца электроники, его можно купить у продавцов радиочастотных компонентов или непосредственно у производителя. Розетки есть в большинстве стран.
Кварцевый генератор Колпитца
Существует множество различных типов схем, которые можно использовать для кварцевых генераторов, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки. Одной из наиболее распространенных схем, используемых для кварцевых генераторов, является конфигурация Колпитца, как показано ниже.
В схеме используется цепь конденсаторных делителей, состоящая из C1 и C2, для обеспечения обратной связи, а выходной сигнал берется либо с эмиттера, как показано на рисунке.
В этой конфигурации кристалл работает в параллельном режиме. При работе в этом режиме кварц должен иметь нагрузочную емкость для работы на правильной частоте. Емкость нагрузки указывается вместе с кристаллом и обычно составляет 20 или 30 пФ. Схема кварцевого генератора будет спроектирована так, чтобы передавать эту емкость кварцу. Большую часть этого объема будут составлять два конденсатора C1 и C2, хотя оставшиеся элементы схемы обеспечат некоторую емкость.
Типовая схема кварцевого генератора на транзисторах Колпитца
Недостатком этой схемы является то, что цепочка смещения резисторов шунтирует последовательную комбинацию C1 и C2, а также кварц. Это означает, что для преодоления этого в схеме кварцевого генератора требуются дополнительный коэффициент усиления и ток, а также в некоторой степени может быть затронута стабильность.
Также очень часто к кристаллу помещают небольшой подстроечный конденсатор. Таким образом, частота кварцевого генератора может быть точно подогнана до требуемой частоты.
Оптимизация значения компонента кварцевого генератора
Состояние цепи в основном определяется конденсаторами C1 и C2, а также резисторами смещения R1 и R2 и эмиттерным резистором R3. Поскольку схема зависит от частоты, значения будут меняться в зависимости от рабочей частоты. Типичные значения приведены ниже.
| Диапазон частот МГц | С1 пФ | C2 пФ | R1 кОм | R2 кОм | R3 кОм |
| 1 – 3 | 330 | 220 | 33 | 33 | 6,8 |
| 3 – 6 | 220 | 150 | 33 | 33 | 6,8 |
| 6 – 10 | 220 | 150 | 33 | 33 | 4,7 |
| 10 – 20 | 150 | 100 | 33 | 33 | 2,2 |
Эти значения обеспечат хорошее решение для многих ситуаций.
Транзистор может быть BC109 или аналогичным транзистором общего назначения.
Усиление кварцевого генератора и уровень возбуждения
Чтобы получить наилучшие характеристики от кварцевого генератора, необходимо убедиться, что кварцевый генератор работает на правильном уровне. Если уровень возбуждения для кристалла слишком высок, могут возбудиться паразитные резонансы кристалла. В качестве альтернативы кварцевый генератор может даже работать на неправильной частоте. Кроме того, если уровень возбуждения слишком высок, характеристики фазового шума кварцевого генератора будут ухудшаться
Кроме того, кристалл может быть поврежден, если уровень привода слишком высок. В частности, миниатюрные типы подвержены повреждениям. Даже если не происходит необратимого повреждения, высокий уровень возбуждения в кварцевом генераторе увеличивает скорость старения и может вызвать сдвиг частоты. Поэтому важно обеспечить приблизительно правильный уровень возбуждения в цепи кварцевого генератора.
Ввиду необходимости обеспечения правильных условий работы самого кварцевого генератора необходимо оптимизировать схему по стабильности, усилению и уровню возбуждения. Это может привести к более низкому выходному уровню, но это можно преодолеть на следующих этапах.
Резюме
Описанная схема кварцевого генератора на транзисторах обеспечивает хороший стабильный опорный сигнал, который подходит для многих приложений. В некоторых случаях потребуются высокостабильные генераторы, и может потребоваться использование специально разработанного и изготовленного кварцевого генератора с управлением в печи (OCXO). Они значительно дороже, но предлагают очень высокий уровень производительности с точки зрения стабильности, точности частоты и фазового шума. Если они необходимы, то дополнительные расходы могут быть оправданы.
Дополнительные схемы и схемы:
Основы операционных усилителей
Схемы операционных усилителей
Цепи питания
Транзисторная конструкция
Транзистор Дарлингтона
Транзисторные схемы
схемы полевых транзисторов
Символы цепи
Вернитесь в меню проектирования схем .
. .
Кристаллы – Практические EE
Перейти к содержимому
Пьезоэлектрический эффект — это способность некоторых материалов генерировать электрический заряд при приложении механического напряжения и, наоборот, искажать форму при приложении электрического поля. Этот эффект был открыт Жаком и Пьером Кюри в 1880 году. Пьер Кюри был мужем физика Марии Кюри, которая провела новаторское исследование радиоактивности и стала первой женщиной, получившей Нобелевскую премию.
Пьер Кюри (1859-1906) Жак Кюри (1855-1941) Кристаллы кварца представляют собой пьезоэлектрический материал и колеблются с определенной частотой при воздействии соответствующей формы волны напряжения. Кристалл искажается при приложении напряжения, а когда электрическое поле снимается, возвращается к своей прежней форме и генерирует электрическое поле, которое может создавать потенциал напряжения. Кристаллы используются для генерации тактовых сигналов для синхронной цифровой логики и используются во многих других приложениях.
Ниже приведен символ схемы, используемый для кристаллов, и модель схемы кристалла. S означает последовательный, а P означает параллельный. В схемах мы используем буквы Y или XTAL для условного обозначения кристалла.
Символ и модель кристаллаРеализация кристаллов
Обычно кристаллы реализованы в так называемом генераторе Пирса, где каждый вывод кварца подключен к входному контакту XTAL на цифровой микросхеме, а конденсатор также подключен между каждым выводом кварца и землей. Внутри цифровой ИС находится схема возбуждения, состоящая из инвертора, управляющего резистивной нагрузкой. Конденсаторы на землю – это то, что обеспечивает элементы синхронизации для настройки схемы инвертора для создания формы волны колебательного напряжения, которая резонирует с основной частотой кристалла или ее гармоникой.
Кварцевый осциллятор (генератор Пирса) При реализации кварца в конфигурации с осциллятором Пирса необходимо определить значение C1 и C2 на основе спецификации емкости нагрузки кварца (C L ).
Значения для C1 и C2, как правило, очень низкие (порядка 10 пФ), поэтому необходимо принимать во внимание емкость дорожки для цифровой ИС и емкость ее выводов для выводов XTAL, поскольку они также имеют такой же порядок значений. . Суммируйте емкость дорожек и емкость выводов для обеих дорожек и обоих выводов, и это называется паразитной емкостью C БЕЗУМНЫЙ . Выводы обычно 1-2 пФ, трасса зависит от ее длины, но если вы сделаете трассу короткой, она может быть еще 1-2 пФ. Таким образом, быстрое эмпирическое правило состоит в том, чтобы использовать 6 пФ для паразитной емкости. C1 и C2 обычно выбираются так, чтобы они имели одинаковое значение, и в этом случае можно использовать приведенную ниже формулу.
Эмпирическое правило: C
Блуждающие = 6 пФ, если дорожки короткие.C
L = Спецификация емкости нагрузки кристалла из таблицы данных Определив значение C1 и C2, найдите следующее ближайшее стандартное значение конденсатора и внедрите его.
Если значения конденсатора немного отличаются, в результате частота кристалла будет немного смещена. Обычно это не такая проблема, как для часов микроконтроллера, но некоторые приложения, такие как сохранение точного времени, требуют очень точной частоты.
Поскольку емкость, настраивающая кварцевую схему, очень мала, емкости пробников осциллографа, даже активных, достаточно, чтобы изменить сигналы.
Пример
Вы реализуете микроконтроллер, которому требуется кристалл 24 МГц. Вы идентифицируете кристалл, который вам нравится, со спецификацией C L 12 пФ.
C1 = C2 = 2 * 12 пФ – 2 * 6 пФ = 12 пФ.
Реализуйте колпачки 12 пФ.
Кварцевые генераторы
Кварцевые генераторы — это компоненты, содержащие кристалл с пьезоэлектрическим эффектом, но также содержащие схему генератора и обеспечивающие выходной тактовый сигнал, принадлежащий к определенному логическому семейству. Таким образом, вы можете получить кварцевые генераторы, которые выдают прямоугольную волну CMOS, или LVTTL, или LVDS, и они бывают разных частот.
