12 Схем RC-мультивибраторов на микросхемах, расчет их частоты


Во многих схемах, построенных на логических микросхемах есть источники прямоугольных импульсов, - мультивибраторы на логических элементах с заданием частоты RC-цепями.

Здесь пойдет речь о мультивибраторах на логических элементах КМОП-логики, представляющей собой цифровые микросхемы с низким потреблением энергии, и способностью работы в широком диапазоне напряжения питания.

К числу таких относятся микросхемы серий К561, К176, а также многочисленные зарубежные аналоги серий «...40...» и «...45...».

Такие микросхемы построены по «полевой» технологии отличаются высоким, почти бесконечным входным сопротивлением Это значит то, что R-составляющая может быть весьма большой величины, -от килоома до десятков мегаом.

Схемы генераторов импульсов

На рисунке 1 показана, пожалуй, самая популярная схема мультивибратора на двух логических элементах.

Схема мультивибратора на двух логических элементах

Рис. 1. Схема мультивибратора на двух логических элементах.

Для создания мультивибратора по схеме на рисунке 1 нужно два логических инвертора. В данном случае показан вариант на двух элементах «2ИЛИ-НЕ» микросхемы К561ЛЕ5, К176ЛЕ5 или зарубежного аналога CD4001, переведенных в режим инверторов путем соединения вместе всех входов каждого логического элемента.

На рисунке 2 показана аналогичная схема мультивибратора на инверторах (элементах «НЕ») микросхемы К561ЛН2, а на рисунке 3 - для элементов «4И-НЕ» (микросхема К561ЛА9). Сколько бы входов у каждого элемента логики «И-НЕ» или «ИЛИ-HE» не было, для создания инвертора их соединяют вместе.

Схема мультивибратора на инверторах - элементах НЕ

Рис 2. Схема мультивибратора на инверторах - элементах НЕ.

Схема мультивибратора на элементах 4И-НЕ

Рис. 3. Схема мультивибратора на элементах 4И-НЕ.

Частоту мультивибратора по схемам на рисунках 1, 2, 3 можно приблизительно рассчитать по формуле:

F = 0,5/(RC),

где F - в кГц, R - в кОм, С - в мкФ.

Почему приблизительно? Потому что многое зависит как от типа логических элементов и используемой микросхемы, кроме того есть зависимость и от напряжения питания, температуры. Например, для микросхемы К561ЛЕ5 более точная формула: F=0,46/(RC), а для К561ЛА7 формула:

F=0,52/(RC), для микросхемы К561ЛН2: F=0,48/(RC).

Еще и напряжение питания может внести погрешность до 10-15%. Ну а температура может оказать и большее влияние. Немного реже в радиолюбительской, а так же в справочной литературе и, чаще всего, в промышленной аппаратуре встречается схема, показанная на рис. 4. Здесь есть дополнительный резистор R2.

Он нужен для ограничения тока разряда конденсатора через диоды, имеющиеся внутри микросхемы, на входах логических элементов. Практически, резистор R2 делает схему более надежной, она работает более мягко, без пиковых перегрузок при заряде-разряде конденсатора.

Схема генератора импульсов на с дополнительным резистором

Рис. 4. Схема генератора импульсов на с дополнительным резистором.

Больше стабильность частоты в зависимости от напряжения питания и температуры дает схема мультивибратора на трех логических элементах, показанная на рисунке 5 (и рисунке 6 с токоограничительным резистором R2).

Схема мультивибратора на трех логических элементах

Рис. 5. Схема мультивибратора на трех логических элементах.

Схема генератора импульсов на трех логических элементах с токоограничительным резистором

Рис. 6. Схема генератора импульсов на трех логических элементах с токоограничительным резистором.

Если сравнить схему на рис. 5 со схемой на рисунке 1 станет заметно, что правый по схеме вывод резистора R подключен, на рис 5, к выходу D1 2 через инвертор D1.3, а на рисунке 1 - к выходу D1 1.

То есть, логически рассуждая, разницы никакой нет. Но, сопротивление, включенное между входом и выходом одного логического элемента придает ему свойства аналогового усилителя.

На рисунке 5 же, в «линейке» между выводами R целых три элемента, а в результате более стабильный режим и как следствие меньшая зависимость частоты от напряжения питания микросхемы.

В этих схемах (рис 5. 6) выходом тоже может быть совсем не обязательно выход D1.3, но так же и выход D1.2, если нужно получить импульсы, противофазные импульсам на выходе D1.3.

В некоторых схемах весьма важна скважность импульсов, ширина полуволн, то есть, соотношение времени, в течение которого на выходе единица, ко времени, в течение которого на выходе ноль.

В таком случае используют схему, показанную на рисунке 7. Здесь есть два резистора, определяющих частоту - R1 и R3. причем работают они каждый в своей полуволне, а диоды VD1 и VD2 служат переключателем этих резисторов.

Схема генератора импульсов с изменяемоц скважностью

Рис. 7. Схема генератора импульсов с изменяемоц скважностью.

Изменяя соотношение сопротивления R1 к R3 можно поучить на выходе импульсы самой различной скважности. Длительность единицы можно определить по формуле: t1 = 0.8CR1.

Длительность нуля: t0 = 0.8CR3. Существуют логические элементы с эффектом триггера Шмитта, суть отличия в том. что у них есть некий гистерезис, разница напряжений на входе, при котором происходит переключение в логическую единицу и логический ноль.

Благодаря этому свойству мультивибратор с RC-цепью, задающей частоту импульсов можно сделать всего на одном таком логическом элементе. На рисунке 8 показана схема мультивибратора на логическом элементе микросхемы К561ТЛ1 (зарубежный аналог CD4093).

Схема генератора импульсов на логическом элементе микросхемы К561ТЛ1 (зарубежный аналог CD4093)

Рис. 8. Схема генератора импульсов на логическом элементе микросхемы К561ТЛ1 (зарубежный аналог CD4093).

Приблизительную частоту генерации для такого варианта можно определить по формуле:

F = 1.78/RC.

где F - в кГц, R - в кОм, С - в мкФ.

В некоторых схемах требуется управлять мультивибратором, чтобы он генерировал импульсы не все время, пока подано питание, а только тогда, когда это нужно, согласно логике работы схемы.

На рисунках 9, 10, 11, 12 показаны варианты управления для схем мультивибраторов на ИМС К561ЛЕ5 и К561ЛА7. В схеме на рис 9 при подаче логической единицы на вход «управление» генерация прекращается, а на выходе устанавливается логическая единица.

Схема варианта управления для мультивибратора

Рис. 9. Схема варианта управления для мультивибратора.

В схеме на рис. 10 при подаче логической единицы на вход «управление» генерация прекращается, а на выходе устанавливается логический ноль. Совсем наоборот работают схемы на рис.11 и 12. Здесь чтобы прекратить генерацию нужно подать логический ноль, а не единицу. В схеме на рис.

11 при подаче логического нуля на вход «управление» генерация прекращается, а на выходе устанавливается логический ноль.

Схема управляемого генератора импульсов

Рис. 10. Схема управляемого генератора импульсов.

Управляемый генератор сигналов на логических элементах

Рис. 11. Управляемый генератор сигналов на логических элементах.

Схема управляемого мультивибратора на микросхеме

Рис. 12. Схема управляемого мультивибратора на микросхеме.

В схеме на рис 12 при подаче логического нуля на вход «управление» генерация прекращается, а на выходе устанавливается логическая единица.

Связана эта разница с различием логики работы примененных логических элементов В первом случае, это элементы «ИЛИ-HE», во втором «И-НЕ».

Как прекратить работу мультивибратора

Вообще, чтобы прекратить работу любого мультивибратора на логических элементах нужно один (или единственный) логический элемент его схемы зафиксировать в состоянии, когда уровень на его выходе не меняется от изменения уровня на его других входах.

Например, на рисунке 9 подаем единицу на один из входов элемента D1 1. Но это элемент «2ИЛИ-НЕ», значит «главный» уровень для него единица. Теперь он зафиксирован в положении с нулем на выходе. А это приводит к остановке генерации.

Андреев С. РК-05-2019.


1 69 Тактовые генераторы ВЧ, НЧ
генератор импульсов генератор сигналов RC
Написать комментарий:

cashback