Генераторы импульсов на цифровых КМОП микросхемах.
Онлайн калькулятор расчёта элементов генераторов с симметричной формой выходного сигнала.
На сегодняшнем мероприятии, посвящённом Дню пивовара России, поговорим о радиоаппаратах с самовозбуждением, а конкретно — об устройствах, охваченных цепью положительной обратной связи и позволяющих выдавать на выходе периодические сигналы определённой колебательной природы.
А начнём с самого простого — генераторов прямоугольных импульсов с использованием цифровых КМОП микросхем.
Тема наболевшая: «Исследование разнообразных схемотехнических построений и характеристик генераторов на ИМС структуры КМОП».
О состоянии дел на участке генераторостроительного цеха и изыскании внутренних резервов «доложит нам начальник транспортного цеха».
Опишем несколько схемных решений генераторов прямоугольных импульсов, построенных на различных микросхемах серии К561, или каких-либо им подобным.
Все представленные схемы могут быть реализованы на элементах 2И—НЕ (ЛА7), 2ИЛИ—НЕ (ЛЕ5), триггерах Шмитта (ТЛ1), или инверторах (ЛН2).
В качестве докладчика выступил и поделился своими знаниями в журнале Радио №1 (2000г) господин С.Елимов — достойный сын столицы славной, города-героя Шупашкар (по-нашему — Чебоксары).
|
Рис.1 |
|
Рис.2 |
|
Рис.3 |
|
Рис.4 |
|
Рис.5 |
Формулы для расчёта частоты рассматриваемых генераторов соответствуют напряжению питания 5В и температуре окружающей среды 25°С.
Нагрузочная способность генераторов такая же, как у элементов применяемых серий микросхем.
Нижний предел сопротивления резистора R1 соответствует приблизительной величине — не менее 1кОм, верхний — десятки МОм.
«Спасибо начальнику транспортного цеха! У нас есть вопросы к докладчику?»
Вопросов к докладчику не имеем, можно переходить к таблице для расчёта номиналов элементов генератора, исходя из заданной частоты генерации.
Схему, приведённую на Рис.5, из калькулятора вычёркиваем по причине существования ранее разработанной таблицы ссылка на страницу, позволяющей рассчитать элементы резонансного LC-контура для высоких и низких частот. Там же высчитывается и величина волнового (оно же — характеристическое) сопротивления получившегося LC-контура.
Для остальных схем, для получения на выходе предсказуемой формы сигнала со скважностью близкой к двум, рекомендую выбирать значение сопротивления резистора R1 от 10к и выше.
ТАБЛИЦА РАСЧЁТА НОМИНАЛОВ ЭЛЕМЕНТОВ ГЕНЕРАТОРОВ НА КМОП МИКРОСХЕМАХ.
Все представленные характеристики генераторов получены в результате экспериментов вышеуказанного уважаемого автора с конкретными образцами микросхем. С другими экземплярами микросхем характеристики могут быть несколько отличными.
Скважность импульсов описанных генераторов близка к двум, ну а генераторы импульсов с раздельной установкой длительности импульсов и паузы между ними рассмотрим на следующей странице.
Схема генератора импульсов 1Hz — 10KHz (4011)
Принципиальная схема самодельного генератора логических импульсов с частотой от 1 Гц до 10КГц, собран на микросхеме 4011 (К561ЛА7). При ремонте и налаживании схем на цифровых микросхемах может быть очень полезен генератор логических импульсов. В общем, это генератор прямоугольных импульсов, частоту которых можно регулировать в широких пределах.
Но нужно чтобы размах этих импульсов на выходе генератора соответствовал логическим уровням в той схеме, на которую их нужно подавать.
Если с ТТЛ все ясно, то величина напряжения логической единицы для МОП и КМОП логики может быть практически любой во всем допустимом напряжении питания микросхемы, определяясь величиной напряжения питания. Ведь, практически, логическая единица у КМОП-микросхемы, это немного меньше напряжения питания.
А напряжение питания у многих КМОП микросхем может быть от 3 до 18V, соответственно и напряжение логической единицы будет в широких пределах для схем с разным напряжением питания. Поэтому, лабораторный генератор прямоугольных логических импульсов должен позволять регулировать не только их частоту, но и амплитуду согласно конкретному напряжению питания, которое присутствует в ремонтируемой или налаживаемой схеме.
Если с частотой все относительно понятно, то с амплитудой возникают некоторые вопросы, в частности с тем, что для «чистоты эксперимента» нужно регулировать не столько амплитуду, сколько уровни нуля и единицы.
Проще всего это решить, если генератор прямоугольных импульсов сделать по схеме мультивибратора на КМОП-микросхеме, например, К561ЛЕ5, а амплитуду регулировать не при помощи какого-то регулятора выходного напряжения этого мультивибратора, а путем изменения напряжения питания самой микросхемы, на которой сделан этот мультивибратор.
То есть, например, в схеме, на которую мы собирается подавать импульсы с этого генератора, напряжение питания 6V, то мы прост выставляем напряжение питания микросхемы генератора точно таким же 6V, и на выходе получаем совершенно «правильные» логические импульсы, именно такие, как они должны быть при 6-вольтом питании.
Принципиальная схема
Схема показана на рисунке. На элементах D1.1 и D1.2 микросхемы D1 собран мультивибратор. Он генерирует импульсы частотой от 1 Hz до 10 kHz в четырех диапазонах, — 1-10 Hz, 10-100Hz, 100-1000Hz и 1-10kHz.
Диапазоны переключаются переключателем S1, который переключает конденсаторы С1-С4, емкостной составляющей частотозадающей цепи. А плавно частота внутри каждого диапазона регулируется переменным резистором R2.
Ведь частота импульсов, генерируемых мультивибратором, построенным по такой схеме зависит от сопротивления между входом и выходом элемента D1.1 и емкости между входом D1.1 и выходом D1.2. Емкость меняется ступенчато при помощи переключателя S1, а сопротивление регулируется плавно при помощи переменного резистора R2.
Рис. 1. Принципиальная схема генератора импульсов 1Hz — 10KHz на микросхеме 4011.
Два других элемента микросхемы D1.3 и D1.4 служат только для исключения влияния выходных цепей на работу мультивибратора (ну, нужно же было нейти им применение). Амплитуда импульсов, а вернее, логический уровень, регулируется при помощи регулируемого стабилизатора напряжения питания на микросхеме А1.
При помощи этого стабилизатора напряжение питания микросхемы D1 регулируется в пределах от 3 до 16 V. Соответственно, и параметры выходного импульсного сигнала будут соответствовать логическим уровням при данном напряжении питания. Налаживание заключается в градуировке шкал сделанных вокруг переменных резисторов R2 и R4. Желательно чтобы эти резисторы были с линейным законом регулировки сопротивления.
При работе с прибором следует учесть, что с изменением логического уровня (напряжения питания микросхемы] несколько меняется и частота выходных импульсов.
Печатная плата
Монтаж выполнен на печатной плате, схема которой показана на рисунке выше. На рисунке печатных проводников дорожки показаны схематически, реально они шире.
Рис. 2. Печатная плата для схемы генератора импульсов.
Сначала несмываемым маркером рисуют точки пайки, а потом их соединяют между собой линиями. Как точки пайки, так и линии могут быть на много шире, чем на этом рисунке, важно только чтобы они не сливались между собой. После, плату травят в растворе хлорного железа.
Промывают бензином или спиртом чтобы смыть краску несмываемого маркера. После высыхания сверлят отверстия и переходят в монтажу.
Генератор прямоугольных импульсов на К561ЛА7
Микросхема к561ла7 в своё время была популярна и даже любима. Вполне заслуженно, так как в ту пору это был этакий «универсальный солдат», позволявший строить не только логику, но и различные генераторы, и даже усиливать аналоговые сигналы. Забавно, что и сегодня в поисковики отправляется много запросов типа описание микросхемы К561ЛА7, аналог к561ла7, генератор на к561ла7, генератор прямоугольных импульсов на К561ЛА7 и т.п.
К сожалению, не всё так просто с этой вобщем-то полезной микросхемой.
Удивительно мне было обнаружить, что, например, Texas Instruments по-прежнему выпускают то, полным аналогом чего является к561ла7 — микросхему CD4011A. Для любопытных — вот ссылка на страницу с документацией или datasheet на CD4011A от TI .
Обратите внимание, что цоколёвка к561ла7 отличается от привычной раскладки 4х 2И-НЕ ТТЛ (к155ла3 и компания).
Микросхема действительно удобна:
- Пренебрежимо малый входной ток утечки — отличительная черта всей КМОП логики
- Ток потребления в статическом режиме — обычно доли микроампер
- Возможность работать от 3 до 15 вольт питающего напряжения
- Симметричная, хоть и небольшая (меньше миллиампера) нагрузочная способность выходов
- Микросхема была доступна даже в непростые советские времена. Сегодня же вообще — 3 рубля штучка, а то и дешевле.
Для того, чтобы быстренько смакетировать одно плечо моста бустера DCC, я привычно использовал к561ла7 для построения классического релаксационного генератора на КМОП логике.
Резистор R2 и конденсатор C1 задают частоту генерации, примерно равную 0.7/R2C1. Резистор R1 ограничивает ток разряда конденсатора C1 через защитные диоды на входе первого инвертора Q1.
Принцип работы генератора вкратце таков: конденсатор охватывает два инвертора положительной обратной связью, таким образом получается защёлка, триггер. Проделайте мысленный эксперимент: замените конденсатор и R1 проводником, при этом влиянием R2 можно пренебречь (но только ненадолго).
Через R2 на верхнюю по схеме обкладку конденсатора подаётся ток, перезаряжающий конденсатор «в другую сторону», тоесть не дающий нашей защёлке оставаться в одном состоянии бесконечно долго. Этот ток и определяет время перезаряда конденсатора, а, следовательно, и частоту генерации. Поскольку по ВЧ защёлка охвачена положительной обратной связью в точности как в мысленном эксперименте, только что проведённом — переключение в идеале должно происходить с максимально возможной для ключей скоростью: малейшее нарастание напряжения на выходе Q2 напрямую подаётся на вход Q1, что приводит к уменьшению напряжения на выходе Q1 и ещё большему нарастанию напряжения на выходе Q2.
Формы сигналов на входе и выходе Q1:
К сожалению, в данной схеме водятся паразиты. На частотах, по сути, предельных для данной микросхемы, в моменты переключения, когда оба элемента, Q1 и Q2 находятся в зоне аналогового усиления сигнала и совсем не похожи на логические элементы — за счёт задержки распространения сигнала создаются условия для возникновения автогенерации. На частоте, при которой сдвиг фазы, определённый этой самой задержкой, становится равен 2*π — схема возбуждается, поскольку петлевое усиление всё ещё больше единицы.
Вот как несимпатично всё выглядит на выходах Q1 и Q2:
Сигнал с такими чудесами на фронтах никак нельзя подавать на быстродействующую логику. Подавить возбуд можно намерянно снизив коэффициент усиления на частоте паразитного самовозбуждения, чтобы общее усиление оказалось меньше единицы и таким образом нарушить условие возникновения генерации.
В моём случае конденсатор C2 ёмкостью 2.2нФ, «подсадивший» на землю выход Q1, решил проблему. Сигнал был всё ещё с подсвистом, но амплитуды паразитного сигнала уже не хватало, чтобы следующий инвертор на него реагировал.
- R1 = 91 КОм
- R2 = 33 КОм
- C1 = 10 нФ
- C2 = 2.2 нФ
- F = 1.3 КГц
Для серьёзного дизайна я бы лично не стал пользоваться таким генератором прямоугольных импульсов. Даже простенький генератор на микросхеме КМОП 555 таймера обладает лучшей стабильностью и выдаёт весьма чистенький прямоугольник.
Пожалуйста, если вам этот материал помог в чём-либо, или даже просто вызвал приятные ностальгические воспоминания — поделитесь с другими. Для этого просто «кликните» на иконку сети, в которой вы зарегистрированы, чтобы ваши друзья получили ссылку на данную статью. Спасибо!
Источник