Формування прямокутних імпульсів заданої тривалості

Формування імпульсів фронтом чи спаду вхідного сигналу здійснюється одновібраторами. Схеми таких формувачів, виконані на ЛЕ, представлені на рис. 5.2. Імпульси одновібраторів, зібраних за схемами 5.2 аі б, Створюються за рахунок власної затримки перемикання ЛЕ.

Рисунок 5.2 – Одновібратори із завданням тривалості імпульсу часом затримки ЛЕ

У схемі рис. 5.2 авихідний імпульс формується в момент появи позитивного перепаду сигналу на вході запуску та закінчується, коли через час n t з (n- непарне число послідовно включених інверторів, t з– час затримки перемикання одного ЛЕ) на другому вході елемента DD1.4Виникає рівень логічного нуля. Вихідний імпульс формується лише на рівні логічного нуля (негативний імпульс) і має тривалість n t з. Показана на рис. 5.2 бсхема із тригером покращує форму вихідного імпульсу. По перепаду сигналу на синхровході з 1 до 0 JK-Тригер встановлюється в одиницю. З виходу логічний нуль через елементи DD1…DDnнадходить на інверсний вхід асинхронної установки тригера 0 і повертає тригер у вихідний стан. Якщо створення затримки використовується непарне число ЛЕ, то вхід DD1слід підключити не до виходу, а до виходу Q.

Для формування імпульсів, тривалість яких значно перевищує час t з, використовують часозадачі RC-ланцюги та порогові властивості ЛЕ. Схеми таких формувачів на ЛЕ ТТЛ наведено на рис. 5.2 в, г.

Рисунок 5.3 – Одновібратори з RC-ланцюгами, що задають час.

Одновібратор, зібраний за схемою 5.3 а, запускається перепадом сигналу на вході з 1 до 0. Поки струм заряду конденсатора Зстворює на резисторі Rпадіння напруги, що перевищує граничну напругу одиниці ЛЕ, на виході формується негативний імпульс. У момент досягнення U досі, при тривалості вихідного імпульсу t і, що перевищує тривалість запуску, ЛЕ DD1.1і DD1.2виходить в активну область передавальної характеристики та схема за рахунок позитивного зворотного зв'язку перемикається у вихідний стан. Аналогічно працює одновібратор, виконаний за схемою 5.2 б, але тут перезаряд конденсатора походить від нульової напруги до напруги на вході DD1.2, що дорівнює пороговій напрузі нуля U досі. Тривалість вихідних імпульсів цих одновібраторів знаходяться як .

При побудові формувачів тривалості імпульсів з використанням часу, що задають RC-ланцюгів на ЛЕ КМОПТЛ за розглянутими схемами, між загальною точкою Rі Cі входом ЛЕ слід включити резистор опором 1...10 кW для обмеження струму через захисні діоди ЛЕ при відновленні заряду конденсатора після імпульсу.

Широкими функціональними можливостями генерації одиночних прямокутних імпульсів заданої тривалості мають спеціальні ІС одновібратори. Мікросхема К155АГ1, умовне позначення якої при запуску спадом імпульсу показано на рис. 5.4 являє собою одноканальний одновібратор.

Малюнок 5.4 – Мікросхема К155АГ1

Тривалість імпульсу, що генерується, задається RC-ланцюжком. Може використовуватись або внутрішній резистор R вн= 2 kW, або навісний резистор R, опір якого вибирається в межах R. Ємність навісного конденсатора Здо 10 μF, а якщо до стабільності вихідних імпульсів немає високих вимог, може досягати 1000 μF. При З 10 pF тривалість вихідних імпульсів описується формулою. Якщо навісні елементи відсутні, формуються імпульси t і- 30 ... 35 ns. Для відновлення одновібратора на початок наступного імпульсу період вхідних сигналів повинен відповідати умові t і 0,9 Т вхпри R= 40 k Wі t і 0,67 Т вхпри R= 2 кВ. Запуск одновібратора проводиться перепадами з 1 до 0 по входах А1і А2або з 0 до 1 по входу У. Режими роботи ІВ К155АГ1 наведено в табл. 5.1. Для впевненого запуску крутість фронтів на входах Амає бути не менше 1 V/μs, по входу Ущонайменше 1 V/s.

Таблиця 5.1

Входи	Виходи	Режим
А1	А2	B
x	x	x			Стійкий стан
х	х				Запуск

Мікросхема К155АГ3 містить два одновібратори з можливістю повторного перезапуску під час формування вихідного імпульсу.

Малюнок 5.5 – Мікросхема К155АГ3

Тривалість вихідного імпульсу визначається установкою зовнішніх резистора і конденсатора. Максимальна ємність конденсатора не лімітована, опір береться в межах . Якщо одновібратор працює в режимі перезапуску, то t uвідраховується від останнього імпульсу, що запускає. Для реалізації режиму роботи без перезапуску необхідно з'єднати вхід Аз виходом Qабо вхід Уз виходом Qтоді вихідні сигнали, що прийшли на входи Уабо Апід час формування імпульсу, не вплинуть на його тривалість. У всіх випадках формування імпульсу може бути перервано подачею 0 на вхід SR.

При необхідності отримати імпульси зі стабільною тривалістю від часток мікросекунд до сотень секунд з вихідними струмами до 200 мА і рівнями логічних змінних, узгодженими з рівнями ТТЛ і КМОПТЛ елементів, застосовують одновібратори на таймері типу 1006 ВІ1 із зовнішніми елементами, що задають час.

Рисунок 5.6 – Сигналізатор освітлення на таймері 1006ВІ1

На рис. 5.6 розглянуто застосування таймера як сигналізатора освітленості об'єкта. При малій освітленості опір фоторезистора R 3 великий і сигналізатор працює в режимі мультивібратора, виробляючи прямокутні імпульси тривалістю з паузою між ними. При великій освітленості на виході сигналізатора встановлюється напруга логічного нуля при вихідному опорі близько 10 W. Опір вибирають в межах 1 kW ... 10 МW з урахуванням того, щоб струм через транзистор VТ1не перевищував 100 мА. Місткість конденсатора повинна на кілька порядків перевищувати вхідну ємність, і не рекомендується встановлювати її менше 100 pF при формуванні точних часових інтервалів.

Опір R 2розраховують, виходячи із забезпечення на виведенні 4 таймера напруги, меншого 0,4 V при сильно освітленому фотоопір R 3. Щоб мультивібратор генерував коливання при великій освітленості фоторезистора, слід поміняти місцями резистори R 2і R 3.

Сигналізатор може бути використаний при інших типах датчиків, що виробляють безпосередньо рівні сигналів 0 і 1.

Поняття про перехідних процесах. Електричні ланцюги реальних радіотехнічних схем зазвичай містять опори, індуктивності та ємності. У таких ланцюгах зв'язок між напругою та струмом має складний характер. Пояснюється це тим, що ємність та індуктивність мають здатність накопичувати та віддавати електроенергію. Цей процес не може протікати стрибкоподібно. При зміні напруги в такому ланцюгу струм змінюється з деякою затримкою часу. Ці процеси, пов'язані зі зміною запасу енергії у ланцюгах з реактивними елементами при впливі імпульсу, називаютьсяперехідними.

Дія імпульсної напруги на ланцюг RС. Припустимо, що на вході цеді, що містить конденсатор і резистор R (рис, 164, а) діє послідовність прямокутних імпульсів (рис. 154,б). У момент появи на вході RC ланцюга переднього фронту імпульсу в ній потече найбільший струм I m = U m / R(Рис, 154, в).

У міру заряду конденсатора результуюча напруга у схемі u p =U m - u c зменшується, відповідно зменшується зарядний струм t a. Зменшення струму відбувається за експоненційним законом, Струм заряду iз створює на резисторі R падіння напруги(Рис. 154, г) . З зменшенням струму експоненційно знижується напруга на резисторі R. Напруга на конденсаторі u c у міру

його заряду експоненційно зростає (рис. 154,д ) і до деякого моменту досягає найбільшого значення U mпісля чого залишається постійним весь час дії плоскої вершини вхідного імпульсу. Час, протягом якого напружено С і R досягає амплітудного значенні, залежить від величини опору резистора R і ємності конденсатора С. Що менше ці величини, то швидше закінчується перехідний процес.

Після спаду вхідного імпульсу конденсатор розряджається через резистор R . Швидкість зміни розрядного струму i p (рис. 164, в) та напруги u n (рис. 154, г) така сама, як і при заряді, а на виході формується задній фронт (спад) імпульсу. Напрямок струму та полярність напруги на резисторі в цьому випадку стануть протилежними.

Оцінку тривалості перехідного процесу ведуть за допомогою постійного часу ланцюга

Мал. 155. Вплив прямокутного імпульсу на інтегруючий ланцюг: а-схема, б-форма імпульсу на вході, - те ж, на виході, г - залежність форми імпульсу від співвідношення τ 0 /t і

Зі збільшенням τ 0 Тривалість перехідних процесів зростає.

Практично перехідні процеси у схемі закопчуються після закінчення проміжку часу t = (2,3+3)τ 0 .

Форма вихідної напруги залежить від значенняτ 0 (рис. 154, г, е, ж). При τ 0 »t і (рис. 154,е) конденсатор за час дії вхідного імпульсу не встигає зарядитися, і форма вихідного сигналу лише незначно відрізняється від форми вхідного. З такими параметрами (τ 0 »t і) ланцюг часто використовують у схемах імпульсних пристроїв як розділову (перехідну) між підсилювальними каскадами. Приτ 0 ж).

Як очевидно з рис. 164,а, ланцюги елементів RC в різних комбінаціях можуть бути використані для перетворення форми імпульсів. Залежно від того, з якого елемента знімається сигнал (з R або С), ланцюг називаютьдиференціюючоюабо інтегруючою.

Диференціюючі ланцюги. Ланцюг, показаний на рис. 154 а називається диференціюючої, оскільки при τ 0

приклад. Тривалість імпульсу tі = 5 мкс. Розрахувати елементи диференціюючого ланцюга.

У диференційному ланцюгуτ 0 ≪tв. Приймемоτ 0 =RС=0,1 tта =0,1x5=0,5 мкс, тобто, tта ≫3τ 0 . Задаємося величиною R=10 кОм, тоді ємність

Інтегруючі ланцюги. Якщо в ланцюзі RC вихідна напруга знімається з ємності (рис. 155, а), то при τ 0 t і вихідний сигнал пропорційний інтегралу від вхідного, і такий ланцюг називаєтьсяінтегруючою. Якщо постійна часу RCланцюга обрана рівною або більшою тривалості прямокутного імпульсу (рис. 155,б) напруги на вході (τ 0 ≫ tі), то на виході RC ланцюга виникає імпульс із розтягнутим фронтом та спадом (рис. 155, в). При дії на вхід такого ланцюга короткочасного імпульсу напруги на виході утворюється ширший імпульс.

Інтегруючі ланцюги застосовують збільшення тривалості імпульсу. Крім того, їх використовують у схемах генерування пилкоподібної напруги, селекції імпульсів за тривалістю і т.д. Чим більше при незмінній тривалості вхідного імпульсу tі тим більше розтягнутий імпульс на виході (рис. 155 г). Амплітуда імпульсу у своїй зменшується, оскільки конденсатор не встигає повністю зарядитися під час дії вхідного імпульсу.

Диференціювання та інтегрування може здійснюватися за допомогою ланцюгів RL. Оскільки реактивна дія індуктивності протилежна ємності, то RL- ланцюгах при диференціюванні вихідний сигнал знімається з індуктивності (рис. 156 а), а при інтегруванні - з резистора (рис. 156 б). Ланцюги RLзастосовують порівняно рідко, оскільки вони містять дорогу моточну деталь.

Елементи синхронізації цифрових систем

Надійна робота будь-якої цифрової системи залежить від правильного вибору та розрахунку синхронізації, яка є невід'ємною частиною будь-якої керуючої системи.

Питання синхронізації включають:

Забезпечує затримки між певними керуючими сигналами.

Формування тактових імпульсів із заданим періодом прямування та тривалістю.

Забезпечення прив'язки тактових імпульсів до окремих сигналів запуску тощо.

Спочатку розглянемо формувачі.

Формувачі - пристрої, що перетворюють вхідні сигнали довільної форми в нормалізовані по амплітуді, крутизні фронтів прямокутні імпульси для керування наступними мікросхемами.

Формування затримок

Для формування затримок між імпульсами близько 10-20 мкс (щодо невеликих затримок) застосовують формувачі розімкнутого типу.

При невеликих затримках сотень наносекунд використовують послідовні з'єднання інверторів.

Середній час затримки:

Тут n – кількість послідовно з'єднаних інверторів;

-Затримка поширення сигналу при переході виходу з "1" в "0" і навпаки.

Більше часу затримки отримують за допомогою інтегруючого RC-ланцюга, що включається на вхід інвертора.

Для КМОП ІВ отримаємо:

Час затримки визначається за формулами:

Тут
- Напруга джерела живлення

-Напруга перемикання інвертора.

Враховуючи що
, той час затримки можна визначити за такою формулою:

При затримці більше 20 мкс швидкість зміни напруги на ємності мала і форма вихідного сигналу істотно відрізнятиметься від прямокутної. У разі доцільно застосовувати формувач затримки з урахуванням несиметричного тригера (тригера Шмитта).

Одновібратори (ждучі мультиплексори)

Одновібратор - пристрій, призначений для формування під дією вхідних сигналів одиночних прямокутних імпульсів заданої тривалості.

Відмінною особливістю одновібраторів є наявність хронуючого (часодавчого) ланцюга та зворотного зв'язку, що забезпечує регенеративні (лавиноподібні) процеси перемикання. Цим досягається велика крутість фронтів вихідних імпульсів.

Тривалість вихідного імпульсу:

При

.

Для побудови одновібраторів можна використовувати тригери різних типів:

Одновібратор працює в такий спосіб. При подачі на вихід сигналу запуску, тригер встановлюється в одиничний стан, в якому починається заряд ємності . При досягненні на ємності напруги перемикача
, тригер перетворюється на стан 0 і починає прискорений розряд ємності через відкритий діод
і низькоомні вихідні опори тригера

Тривалість сформованого імпульсу:

.

Включаючи послідовно два одновібратори можна створити тимчасове зсув вихідного імпульсу щодо фронту пускового.

Ланцюжок
створює затримку вихідного імпульсу на якийсь час , а ланцюжок
забезпечує його тривалість, рівну .

У серіях інтегральних мікросхем є самостійні вироби-одновібратори, які являють собою закінчений функціональний вузол, за винятком ланцюга, що задає час.

Наприклад:

Формування імпульсів від механічних контактів

При проектуванні цифрових пристроїв часто виникає завдання формування чіткого переходу (0,1 або 1,0) або короткого прямокутного імпульсу під час спрацьовування реле, кнопки або іншого механічного контакту (наприклад, клавіатура, миша).

Сигнал за допомогою механічного перемикача формується шляхом замикання-розмикання електричного ланцюга.

У вихідному стані з виходу знімається потенційний сигнал
(логіч. "1"), а в момент торкання контактів рівень стає рівним "0".

єханічного перемикача полягає в тому, що його

спрацьовування супроводжується брязкотом контактів (багатократним переходом протягом короткого часу від замкнутого стану до розімкнутого і назад). Це призводить до формування пачки імпульсів замість бажаного одиночного імпульсу чи перепаду потенціалу.

Тривалість брязкоту зазвичай становить 8-12 мкс.

Для усунення брязкоту в сигналі на виході механічного перемикача встановлюють спеціальні формувачі.

Приклад: використання RC-тригера (К155ТМ2).

Сигнал «0», що прикладається до одного з входів тригера, перекидає його. Причому при спрацьовуванні перемикача тригер реагує на перше замикання і наступні імпульси брязкоту не змінюють його стану.

Приклад: дослідження D-тригера (К155ТМ2).

Відмінність даного формувача полягає в тимчасовій прив'язці моменту появи вихідного сигналу з внутрішніми процесами пристрою, для якого цей сигнал формується, тобто до системи тактових імпульсів.

Для працездатності формувача необхідно, щоб період проходження тактових імпульсів був більше часу брязкоту (
).

Мультивібратори (генератори прямокутних імпульсів)

Для побудови мультивібратор використовують підсилювальні властивості інверторів. Для виникнення та існування стійких автоколивань вихідно виводять інвертори на лінійних ділянках придаткової характеристики (між рівнями «1» та «0»), де інвертор працює як підсилювач, що інвертує. Потім вводиться позитивний зворотний зв'язок за допомогою одного або двох конденсаторів.

Найпростіша схема мультивібратора на інверторах КМОП.

Резистор зворотного зв'язку виводить у підсилювальний режим
а вихідну напругу цього інвертора має утримувати в підсилювальному режимі другий інвертор
. Позитивний зворотний зв'язок через конденсатор викликає м'яке самозбудження.

Схема має два динамічні стани.

Період проходження імпульсів:

При
отримуємо спрощену формулу:

Резистор
включається для обмеження струму через охоронні діоди на вході інвертора
.вибираємо з умови
(Кім).

Для незалежного регулювання тривалості імпульсів та інтервалу слідування вводяться роздільні ланцюги заряду та розряду конденсатора за допомогою двох діодів та резисторів різних номіналів.

Тривалість імпульсу визначається виразом:

при
.

Інтервал проходження імпульсів визначається виразом:

Оскільки другий інвертор не охоплений ООС по постійному струму, пристрій виявляється критично до значення опору .

для інверторів ТТЛ.

для інверторів КМОП.

Для підвищення стійкості зворотним зв'язком охоплюють другий інвертор.

Найбільшу стійкість мають мультивібратори на трьох інверторах.

Стабілізація роботи з постійного струму забезпечується за рахунок загального зворотного зв'язку через резистор , що охоплює три інвертори. Позитивна ОС реалізується за рахунок конденсатора .

Часто в системах управління необхідно використовувати генератори із зовнішнім запуском, у якого незалежно від положення фронтів сигналу, що управляє, забезпечується неспотворене за тривалістю формування першого і останнього імпульсів, причому початок першого імпульсу має збігатися з початком керуючого імпульсу.

Подача сигналу, що управляє забезпечує синхронне поява імпульсу на вході генератора, т. е. початок генерації прив'язується до спаду сигналу запуску. Крім того, останній імпульс має повну тривалість незалежно від моменту зняття сигналу запуску .

Стабілізація частоти мультивібраторів

Точність і стабільність частоти коливань, що генеруються, залежить від точності, тимчасової та температурної стабільності елементів. і . Нестабільність частоти коливань, що генеруються, оцінюється коефіцієнтом відносної нестабільності.

Де – робоча номінальна частота

-відхилення частоти від номінальної

RC-генератори, для яких
забезпечують
при початковій точності 5-10%.

Застосування кварцових резонаторів дозволяє забезпечити відносну зміну частоти, що не перевищує
. Їх зазвичай застосовують на підвищених частотах, коли потрібно отримати коливання відомої та стабільної частоти.

Мультивібратори з кварцовою стабілізацією частоти виконують зазвичай шляхом включення кварцового резонатора на місце ємності, що задає час.

Частоту кварцового резонатора в невеликих межах можна змінювати включенням послідовно з ним підстроювального конденсатора невеликої ємності
.

Приклад схеми кварцового генератора ІС КМОП К561ЛН2.

Точне значення частоти можна отримати шляхом підбору ємностей конденсаторів (16-18 пФ) та (16-150 пФ). Інвертор
необхідний формування стандартних прямокутних імпульсів.

Резистор (2,7-20 МОм) визначає глибину зворотного зв'язку, а (18…510 кОм) – навантаження елемента
.

Пристрій синхронізації

Пристрої синхронізації призначені для прив'язки командних сигналів моментів появи тактових імпульсів. При надходженні командного сигналу такий пристрій повинен виділити найближчий за часом черговий імпульс такої послідовності, який потім використовується як синхронізований командний імпульс.

Т. е. пристрій синхронізації здійснює прив'язку в приймальному пристрої всіх зовнішніх керуючих імпульсів (сигналів) до своєї системи таких імпульсів.

Типова схема пристрою синхронізації має вигляд:

Вихідно обидва тригери перебувають у стані «0». З появою імпульсу управління
переходить у стані "1". Тому найближчий тактовий імпульс перекине другий тригер в «1», скинувши
на нуль. Другий тактовий імпульс скине
у «0» і пристрій повернеться у вихідний стан.

Схеми затримки цифрових сигналів потрібні для часу ого узгодження поширення сигналів по різних шляхах цифрового пристрою. Тимчасові неузгодженості проходження сигналами заданих шляхів можуть призвести до критичних тимчасових змагань, що порушують роботу пристроїв. На час проходження впливають параметри елементів, якими передаються цифрові сигнали. Змінюючи ці параметри можна змінювати час поширення сигналів. Для зміни часу затримки використовують електромагнітні лінії затримки, ланцюжки логічних елементів, RC-ланцюжки. Використовуючи такі елементи, можна отримати звуження, розширення сигналів, звуження зі зсувом щодо фронту вхідного імпульсу тощо.

Для зміни тривалості та усунення імпульсу щодо фронту часто використовують природну інерційність логічних елементів. Одна із схем, що використовують інерційні властивості логічних елементів, представлена ​​на рис. 12.8. (Подібна схема наводилася на рис.3.25 у п.п. 3.2.3)

Мал. 12.8. Формувач короткого імпульсу із затримкою щодо переднього фронту (а) та часова діаграма (б)

Кожен логічний елемент створює тимчасову затримку, тому з появою вхідного сигналу зміна рівня вихідного сигналу після першого логічного елемента U 1 відбувається через час tзд.р. Аналогічно через інтервал тимчасової затримки змінюються вихідні сигнали інших інверторів ( U 2 ,U 3). Зміну стану четвертого елемента потрібно аналізувати з урахуванням того, що тут окремі входи. До надходження вхідного сигналу на верхньому вході логічного елемента DD 4 була логічна 1, але в нижньому вході – логічний 0. Тому у стані на виході схеми був високий потенціал (логічна 1).

Після появи вхідного сигналу на нижньому вході елемента DD 4 встановлюється логічна одиниця, на верхньому також поки що діє 1. Тому на виході схеми через час tзд.р встановиться логічний 0. Пройшовши через три логічні елементи, вхідний сигнал змінить значення U 3 з 1 на 0 (це верхній вхід елемента DD 4). Вихідна напруга схеми з урахуванням tзд.р в елементі DD 4 знову стане рівним 1. Отже, схема формує з переднього фронту вхідного сигналу короткий імпульс тривалістю 3 tзд.р зі зрушенням щодо переднього фронту на tзд.р. Задній фронт вхідного сигналу зміни стану схеми на виході не викликає, оскільки на момент появи 1 на верхньому вході елемента DD 4 на нижньому існує 0. Тому 1 на виході зберігається до появи наступного вхідного імпульсу. Процеси, що відбуваються, без урахування тривалості фронтів імпульсів представлені на часовій діаграмі (рис. 12.8, б). Формований схемою сигнал має низький рівень.

Якщо кон'юнктор DD 4 у схемі (рис. 12.8, а) замінити на диз'юнктор, а число інверторів зробити парним, то схема розширюватиме вхідні імпульси на часовий інтервал, що дорівнює ntзд.р, де n- Число інверторів в ланцюзі затримки. Схема розширювача імпульсів та часова діаграма його роботи представлені на рис. 12.9.

Мал. 12.9. Схема розширювача імпульсів ( а) та тимчасова діаграма ( б)

З часової діаграми видно, що тривалість вихідного імпульсу більша за тривалість вхідного на 4 tзд.р.

Розглянуто коротко лише кілька схем послідовних формувачів імпульсів. Для отримання додаткових відомостей див.

Одновібратори

Одновібратори (що чекають на мультивібратори) відносяться до групи регенеративних схем. Цей клас імпульсних пристроїв здійснює формування інтервалів часу заданої тривалості з вхідного імпульсу, що запускає невизначеної (але досить короткої) тривалості (не більше тривалості виробляється імпульсу). Для реалізації мультивібратора, що чекає, пристрій з коефіцієнтом передачі більше одиниці необхідно охопити регенеративною (позитивною) зворотним зв'язком.

Одна із можливих схем одновібраторів наведена на рис. 12.10, а. Одновібратор побудований на двох елементах логіки типу 2І-НЕ шляхом введення позитивного зворотного зв'язку (вихід другого з'єднаний елемент з входом першого).

У вихідному стані на виході елемента DD 2 є рівень 1, а на виході елемента DD 1 - логічний 0, так як на обох його входах є 1 (запускають імпульси представляють негативний перепад напруги). При надходженні на вхід негативного перепаду напруги, що запускає, на виході першого елемента з'явиться рівень 1. Позитивний перепад через ємність Знадійде на вхід другого елемента. При цьому ємність почне заряджатися через резистор R. Елемент DD 2 інвертує цей сигнал, і рівень 0 ланцюга зворотного зв'язку подається на другий вхід елемента DD 1. На виході елемента DD 2 підтримується рівень 0 доти, доки падіння напруги на резисторі Rне знизиться до величини Uпір у процесі заряду конденсатора З(рис. 12.10, б). Тривалість вихідного імпульсу одновібратора може бути визначена за допомогою виразу

Мал. 12.10. Схема одновібратора ( а) та тимчасова діаграма ( б)

tі = C (R + Rвих) ln(U 1 /Uпір),

де Rвих – вихідний опір першого елемента; Uпір – порогова напруга логічного елемента.

Розглянута схема може бути реалізована як на мікросхем ТТЛ, так і на КМОП-структурах. Проте, специфіка кожного виду логіки накладає свої умови. Для побудови одновібраторів можна використовувати тригери з додатковими входами. Sа і Rа для примусової установки їх у одиничний та нульовий стани.

Одновібратори випускаються як самостійних мікросхем. У складі ТТЛ-серій є кілька мікросхем чекаючих і керованих мультивібраторів. Перевага одновібраторів у мікросхемному виконанні полягає у меншій кількості навісних деталей, у більшій часовій стабільності та ширших функціональних можливостях. До таких мікросхем відносяться одновібратори К155АГ1 та К155АГ3, у складі КМОП-серій – 564АГ1, 1561АГ1. Робота подібних мікросхем докладно описана у літературі.

Для отримання імпульсів заданої тривалості можна використовувати лічильники. На основі лічильників будують цифрові одновібратори. Їх застосовують, коли часовий інтервал повинен бути дуже великим або пред'являються високі вимоги до стабільності інтервалу, що формується. У цьому випадку мінімальна тривалість, що отримується, обмежена тільки швидкодією використовуваних елементів, а максимальна тривалість може бути будь-який (на відміну від схем, що використовують RC-ланцюги).

Принцип роботи цифрового одновібратора заснований на включенні тригера вхідним сигналом та відключення через часовий інтервал, що визначається коефіцієнтом перерахунку лічильника. На рис. 12.11 показаний приклад схеми отримання імпульсу заданої тривалості з допомогою лічильника.

Роботу одновібратора пояснюють діаграми, на рис. 12.11, б. У вихідному стані тригер DD 2 на інверсному виході має високий рівень, який по входу Rвстановлює лічильник DD 1 у нульовий стан. Після приходу вхідного (що запускає) імпульсу Uвх = 1 на момент t 1 тригер встановлюється в одиничний стан. На його інверсному виході, при цьому, встановиться низький рівень, який дозволить рахунок імпульсів лічильнику, що програмується. DD 1. Рахунок імпульсів від генератора Gпродовжується до значення, яке встановлено за входами програмування. Після підрахунку заданої кількості імпульсів на виході лічильника формується сигнал високого рівня U CT(Момент t 2) , який поверне тригер DD 2 у нульовий стан. При цьому на інверсному виході тригера знову встановиться високий рівень, а лічильник повернеться у вихідний стан.

Мал. 12.11. Структурна схема ( а) та тимчасові діаграми

(б) цифрового одновібратора

Загальним недоліком подібних схем є випадкова похибка, пов'язана з довільністю фази генератора, що задає момент запуску. Похибка може становити до періоду тактової частоти та зменшується зі збільшенням частоти генератора. Усунути цей недолік дозволяють схеми з керованим запуском генератора (генератор включається при появі імпульсу, що запускає).

Використання у складі одновібратора лічильників із програмованим коефіцієнтом розподілу дозволяє отримати імпульс будь-якої тривалості. Мікросхема 564ІЕ15, наприклад, складається з п'яти лічильників, що віднімають, модулі перерахунку яких програмуються паралельним завантаженням даних у двійковому коді. Вища стабільність тривалості вихідного імпульсу забезпечується застосуванням кварцового генератора тактової частоти.

Схеми затримки цифрових сигналів потрібні для часу ого узгодження поширення сигналів по різних шляхах цифрового пристрою. Тимчасові неузгодженості проходження сигналами заданих шляхів можуть призвести до критичних тимчасових змагань, що порушують роботу пристроїв. На час проходження впливають параметри елементів, якими передаються цифрові сигнали. Змінюючи ці параметри можна змінювати час поширення сигналів. Для зміни часу затримки використовують електромагнітні лінії затримки, ланцюжки логічних елементів, RC-ланцюжки. Використовуючи такі елементи, можна отримати звуження, розширення сигналів, звуження зі зсувом щодо фронту вхідного імпульсу тощо.

Для зміни тривалості та усунення імпульсу щодо фронту часто використовують природну інерційність логічних елементів. Одна із схем, що використовують інерційні властивості логічних елементів, представлена ​​на рис. 12.8. (Подібна схема наводилася на рис.3.25 у п.п. 3.2.3)

Мал. 12.8. Формувач короткого імпульсу із затримкою щодо переднього фронту (а) та часова діаграма (б)

Кожен логічний елемент створює тимчасову затримку, тому з появою вхідного сигналу зміна рівня вихідного сигналу після першого логічного елемента U 1 відбувається через час tзд.р. Аналогічно через інтервал тимчасової затримки змінюються вихідні сигнали інших інверторів ( U 2 ,U 3). Зміну стану четвертого елемента потрібно аналізувати з урахуванням того, що тут окремі входи. До надходження вхідного сигналу на верхньому вході логічного елемента DD 4 була логічна 1, але в нижньому вході – логічний 0. Тому у стані на виході схеми був високий потенціал (логічна 1).

Після появи вхідного сигналу на нижньому вході елемента DD 4 встановлюється логічна одиниця, на верхньому також поки що діє 1. Тому на виході схеми через час tзд.р встановиться логічний 0. Пройшовши через три логічні елементи, вхідний сигнал змінить значення U 3 з 1 на 0 (це верхній вхід елемента DD 4). Вихідна напруга схеми з урахуванням tзд.р в елементі DD 4 знову стане рівним 1. Отже, схема формує з переднього фронту вхідного сигналу короткий імпульс тривалістю 3 tзд.р зі зрушенням щодо переднього фронту на tзд.р. Задній фронт вхідного сигналу зміни стану схеми на виході не викликає, оскільки на момент появи 1 на верхньому вході елемента DD 4 на нижньому існує 0. Тому 1 на виході зберігається до появи наступного вхідного імпульсу. Процеси, що відбуваються, без урахування тривалості фронтів імпульсів представлені на часовій діаграмі (рис. 12.8, б). Формований схемою сигнал має низький рівень.

Якщо кон'юнктор DD 4 у схемі (рис. 12.8, а) замінити на диз'юнктор, а число інверторів зробити парним, то схема розширюватиме вхідні імпульси на часовий інтервал, що дорівнює ntзд.р, де n- Число інверторів в ланцюзі затримки. Схема розширювача імпульсів та часова діаграма його роботи представлені на рис. 12.9.

Мал. 12.9. Схема розширювача імпульсів ( а) та тимчасова діаграма ( б)

З часової діаграми видно, що тривалість вихідного імпульсу більша за тривалість вхідного на 4 tзд.р.

Розглянуто коротко лише кілька схем послідовних формувачів імпульсів. Для отримання додаткових відомостей див.