Придать импульсам фиксированную длительность можно с помощью функциональных элементов, называемых «генераторами одиночных импульсов» или «одновибраторами». В общем случае одновибратор есть электронная схема с одним устойчивым и другим временно-устойчивым состоянием. Длительность этого временно-устойчивого состояния определяется внутренними параметрами одновибратора. Как правило, эта длительность задаётся RC-цепью, называемой «времязадающей». Изменяя параметры времязадающей цепи, можно менять длительность выходного импульса одновибратора.
В сериях ИМС предусматриваются одновибраторы (генераторы одиночных импульсов). В частности, в серии ИМС ТТЛ (транзисторнотранзисторной логики) имеются одновибраторы, например Κ155ΛΓ3. В одной микросхеме содержатся два одновибратора, условное графическое обозначение (УГО) одного из них и схема его включения для формирования импульсов заданной длительности приведены на рис. 2.12,а.
Рис. 2.12. УГО одновибратора ΚΙ55ΑΓ3 (а), временные диаграммы работы (б)
Одновибратор имеет два выхода (прямой Q, инверсный Q ) и три входа. Если обозначить входные сигналы логическими переменными (показаны на рисунке), то условия запуска одновибратора можно описать следующим логическим выражением:
где символы логического умножения (конъюнкции) пропущены, а инверсия показана чертой сверху переменной d2. Согласно этому выражению f=1 только в том случае когда, сигналы по прямым входам равны лог. 1, а сигнал по инверсному входу равен лог.О. Причём указатель (короткая косая черта), стоящий на вертикальной разделительной линии левого дополнительного поля УГО, говорит о том, что активное воздействие будет оказывать изменение функции f с лог.0 на лог. 1 (прямой динамический вход). Другими словами, запуск одновибратора осуществляется не значением сигнала, соответствующего функции f, а его переходом
. Другой же переход (1→0) этого сиг
нала не будет оказывать влияния. При запуске на выходах одновибратора появится импульс длительностью, определяемой параметрами времязадающей RC-цепи (сопротивлением резисторов R1 и R2, ёмкостью конденсатора С). Ориентировочно длительность (в миллисекундах) выходного импульса можно рассчитать по формуле:
, где С ёмкость конденсатора в мкФ, R полное активное сопротивление времязадающих резисторов в кОм. Техническими условиями на указанные микросхемы допускается Rmах= 100кОм, а Сmах= 1000мкФ. Варьируя эти значения, можно сформировать выходные импульсы от десятков наносекунд до нескольких секунд, поэтому рассмотренные одновибраторы можно использовать в качестве формирователей импульсов как с малой, так и с большой длительностью, возникающих либо по переходу
либо по переходу 1→0 входного сигнала. На диаграммах (рис.2.12,б) как раз и отображен такой случай. Кроме того, на
Рис. 2.13. Схема формирования импульсов различной длительности
диаграммах показано, что соответствующие переменным d1 и d2 сигналы имеют длительности, превышающие длительность выходных импульсов. В принципе возможна настройка, при которой длительность выходных импульсов будет больше длительности входных импульсов. В таком случае одновибратор можно рассматривать как «расширитель» длительности импульсов.
На рис. 2.13 приведена схема, содержащая генератор импульсов (на реле 1Р и 2Р) и собственно формирователь длительности импульсов на реле РК. К обмотке реле РК через контакт К может быть подключен конденсатор. Известно, что параллельное подключение к обмотке реле ёмкости ведёт к увеличению его времени отпускания. Поэтому, когда контакт К замкнут и конденсатор С подключен к обмотке, у реле увеличивается время отпускания и на выходе будет сформирован импульс большей длительности. Сказанное иллюстрируется временными диаграммами, приведёнными на рис. 2.14.
Здесь момент t0 соответствует включению напряжения питания на схему. С этого момента начинает работать генератор импульсов и до момента t1 на выходе (точки 1-2 на схеме рис. 2.12) появятся два импульса малой длительности ТИ1 (см. диаграмму Uвых).
Рис. 2.14. Временные диаграммы к схеме рис. 2.13
Из диаграмм также следует, что моменты замыкания (t1) и размыкания (t2) контакта К (обмотка этого реле на рис. 2.13 не показана) должны быть синхронизированы с работой реле I Р. А именно: момент t должен находиться в интервале времени между моментами срабатывания реле 1P (на диаграмме эти моменты помечены точками); момент же t2 должен быть в интервале времени между моментами отпускания реле РК и до моментов срабатывания реле 1Р (на соответствующей диаграмме помечены точками). Иначе конденсатор (в схеме рис. 2.13) зарядится не полностью либо не успеет полностью разрядиться. Из-за этого длительность τи2 не будет постоянной.
По диаграммам (рис. 2.14) нетрудно определить указанные длительности через временные параметры реле (1P, 2Р и РК).
Селектор длительности импульсов на релейно-контактных элементах можно построить на реле с задержкой на срабатывание. Например, если выбрать реле со временем срабатывания больше длительности τи1 (см. рис. 2.14), но меньше длительности τи2, то такое реле будет реагировать только на импульсы с длительностью большей τи1. Такие селекторы называют селекторами импульсов большей длительности. Из-за тривиальности таких схем мы их рассматривать не будем.
На интегральных микросхемах могут быть построены селекторы большей длительности и селекторы импульсов на заданную длительность. В основу построения селекторов положены одновибраторы. Одновибраторы используются для задания «эталонной» длительности τэ, с которой сравнивается длительность τвх входных импульсов, а также для формирования коротких импульсов по фронту или спаду входного сигнала.
Селекторы импульсов большей длительности формируют на выходе сигнал (импульс) активного уровня, если длительность входного импульса (либо потенциального сигнала) превышает некоторое заданное значение, т. с. при условии τвх<τэ на выходе селектора сохранится сигнал неактивного уровня напряжения, а в противном случае появится сигнал (импульс) активного уровня. При этом длительность импульса (τвых) может быть равна разности длительностей входного и эталонного импульса (τвых=τвх-τэ) либо выходной импульс может иметь заданную длительность (τвых=Const). На рис. 2.15 приведены функциональная схема и временные диаграммы селектора первого варианта. Одновибратор D1.1 выполняет функции задатчика импульса эталонной длительности. Длительность Тэ можно регулировать, изменяя сопротивление резистора R3. Наличие интегрирующей RC-цспи объясняется необходимостью некоторой задержки (Δτ) фронта входного импульса, поступающего на первый вход элемента И. В свою очередь, эта задержка позволяет устранить короткий импульс, который возник бы из-за задержки сигнала лог.0 на выходе одновибратора на выходе селектора в моменты появления фронта входного импульса (t0 и t1). На диаграммах (рис. 2.15,б) задержки в изменении сигнала на выходе D1.1 не показаны. Требуемую величину Δτ (см. диаграмму сигнала в точке А, рис. 2.15,б) можно обеспечить выбором сопротивления резистора R и емкости конденсатора С" итерирующей цепи. Диаграммы (рис. 2.15,б) иллюстрируют два случая: когда длительность входного импульса
. В первом
случае импульс на выходе селектора отсутствует, а во втором - есть. Чтобы получить на выходе импульс постоянной длительности, необходимо в схеме рис. 2.15,а элемент И (D2) заменить одновибратором такого же типа, что и D1.1 и выбрать параметры времязадающей цепи постоянными. Тогда селектор можно построить на одной микросхеме - К155АГ3.
Рис. 2.15. Функциональная схема (а) селектора импульсов большей длительности, временные диаграммы его работы (б)
В селекторах на заданную длительность импульсов выходной импульс появляется, если входной имеет длительность, определяемую соотношением
где ∆τ — некоторый интервал времени, задающий погрешность селекции.
На рис. 2.16 приведены функциональная схема такого селектора и временные диаграммы его работы. Одновибратор D1.1 является задатчиком импульса эталонной длительности, регулировать которую можно резистором R1. Одновибраторы D1.2 и D2.1 выполняют роль формирователей импульсов малой длительности (Δτ) по спаду эталонного и входного импульсов соответственно. Длительности Δτ можно установить выбором параметров времязадающих цепей C3-R4 и C2-R3. Обратите внимание, у одновибратора D1.2 использован прямой выход, а у одновибратора D2.1 - инверсный. Эти выходы подключены соответственно к входам D1 и D2 одновибратора D2.2. Так как сигналы по указанным входам связаны конъюнктивно, то запуск одновибратора D2.2 произойдёт, когда по входу D1 установится сигнал лог.1, а по входу D2 - лог.0. Тогда на выходе возникнет импульс фиксированной длительности, определяемой параметрами времязадающей цепи C4-R5.
Рис. 2.16. Селектор импульсов заданной длительности:
схема функциональная (а); временные диаграммы работы (б)
На диаграммах (рис. 2.16,б) отображены два случая: когда на вход селектора поступает импульс длительностью
(в момент t0) и когда
длительность входного импульса равна
(момент t3). В первом
случае моменты возникновения импульсов на выходах D1.2 и D2 1 (соответственно t1 и t2) разнесены во времени и совпадения импульсов не происходит. Поэтому на выходе селектора импульс не возникает. Во втором же случае совпадение импульсов есть (моменты t4 и t5) и на выходе D2.2 появляется импульс фиксированной длительности τвых.
