Юрий Ревич - Занимательная микроэлектроника

Генераторы прямоугольных колебаний

Генератор прямоугольных колебаний называют еще мультивибратором . Существует много схем мультивибраторов, в том числе на цифровой логике (признаюсь, что мне даже невдомек, зачем в пособиях их обычно приводится так много, если они все равно делают в принципе одно и то же). Мы рассмотрим одну из них, выбранную с точки зрения минимального числа компонентов, и два ее варианта с управлением, разница между которыми заключается в используемых элементах.

Схема по рис. 9.1, а — базовая. При включении питания она начинает работать сразу и выдает меандр с размахом от 0 до U пит. Частота на выходе определяется параметрами R1 и С1: период колебаний Т ~= 2R1C1. Резистор R2 в этом практически не участвует и нужен только для того, чтобы оградить защитные диоды микросхемы от перегрузки током разряда конденсатора С1. Величина его может изменяться от сотен ом до нескольких килоом. Величина же резистора R1 может изменяться от единиц килоом до 10 МОм, что позволяет избежать использования электролитических конденсаторов при малых частотах (напомним, что они очень нестабильны при работе во времязадающих цепях). Поэтому конденсатор С1 может применяться любой, с емкостью, начиная от нескольких десятков пикофарад, но только не электролитический. Практически указанные параметры элементов обеспечивают частоты от сотых долей герца до верхней границы рабочей частоты КМОП-микросхем в 1–2 МГц, а для быстродействующей КМОП-логики и выше, вплоть до 10 МГц и более.

Рис. 9.1. Схемы мультивибратора на логических элементах:

а— базовая схема на инверторах; б— схема на двухвходовых элементах с управлением; в— диаграмма состояний схемы на двухвходовых элементах «И-НЕ»; г— диаграмма состояний схемы на двухвходовых элементах «ИЛИ-НЕ»

Если в схеме рис. 9.1, б объединить входы логических элементов между собой, то она превратится в схему по рис. 9.1, а (чаще всего именно так базовую схему на практике и выполняют). Но нередко возникает задача остановить генерацию на время и при этом обеспечить совершенно определенный логический уровень на выходе генератора. Для этого предусматривают дополнительные входы. Диаграммы уровней на выходе в зависимости от состояния входов для разных типов логических элементов приведены на рис. 9.1, в и г .

Запоминать эти диаграммы нет необходимости, если обратиться к рис. 8.3, а . Из него следует, как описано в главе 8 , что единица на входе «И-НЕ» и ноль на входе «ИЛИ-HE» являются разрешающими уровнями , следовательно, при этом наша схема будет функционировать как при объединении этих входов, т. е. подобно схеме на рис. 9.1, а . При запрещающих же уровнях на входе уровень на выходе будет устанавливаться так, как если бы никаких RC-цепочек не существовало.

Простейшие применения схемы с управлением — решение задачи приостановки генератора на время переходных процессов при включении питания, для чего к управляющему входу нужно подключить простейшую интегрирующую RC-цепочку. На рис. 9.2 показан другой вариант— схема звуковой сигнализации на микросхеме 561ЛA7 и одном транзисторе. Это пример случая, когда требуется определенный логический уровень при выключенной генерации, чтобы избежать протекания постоянного тока через динамик и не ставить при этом разделительный конденсатор.

Схема выдает сигнал около 500 Гц с периодом повторения около 0,5 с, если на управляющий вход подать сигнал высокого уровня. При низком уровне сигнала на этом входе, на выходе всей схемы также будет низкий уровень и постоянный ток через динамик не потечет. Транзисторный каскад лучше питать отдельным напряжением (например, нестабилизированным от входа стабилизатора питания микросхемы), потому что тогда достаточно мощные импульсы тока через динамик будут фильтроваться стабилизатором и не окажут вредного воздействия на остальные элементы схемы. При питании цепи динамика и микросхемы от одного и того же источника лучше разделить их «развязывающим» RC-фильтром, как показано на рис. 9.2 пунктиром.

Рис. 9.2. Схема звуковой сигнализации с динамиком на выходе

Коллекторное напряжение насыщения транзистора КТ972 (это транзистор с «супербетой», см. главу 3 ) составляет около 1,5 В, поэтому при питании от источника 5 В звук может быть достаточно тихим. Вместо динамика можно поставить пьезоэлектрический звуковой излучатель, тогда подойдет маломощный транзистор с обычным коэффициентом передачи. А вот о пьезоэффекте мы сейчас подробнее и поговорим.

Кварцевые резонаторы

Точность поддержания частоты в схемах по рис. 9.1 невысока. Частота «уходит» примерно на 10–20 % при изменении напряжения питания от 5 до 15 В и в достаточно большой степени зависит от температуры (высокостабильные резисторы и конденсаторы здесь не помогут и потому нецелесообразны). Чтобы избавиться от этого, необходимо использовать кварцевый резонатор (в просторечии — просто кварц). На кварцах работают все бытовые электронные часы, и вообще в любом современном бытовом электронном устройстве вы обязательно найдете кварц и иногда не один.

Подробности

Вкратце принцип работы кварца заключается в следующем: если приложить к кварцевому параллелепипеду, выпиленному из целого кристалла в определенной ориентации относительно его осей, напряжение, то кристалл деформируется (очень не намного, но все же достаточно, чтобы на этом принципе даже делать прецизионные манипуляторы, например, для электронных микроскопов). Это т. н. обратный пьезоэффект, имеет место и прямой — если такой кристалл деформировать, то у него на гранях появляется разность потенциалов. Получается, что если мы включим такой кристалл в схему с обратной связью, то она начнет генерировать, причем частота генерации будет зависеть исключительно от размеров кристалла — и ни от чего больше!

Как, спросите вы, даже от температуры не будет зависеть? Да от нее же зависит вообще все на свете — и геометрические размеры в первую очередь! Вот именно— пьезоэлектриков, как называют вещества, ведущие себя подобно кварцу, много, но используют именно кварц, так как он, помимо пьезоэлектрических свойств, обладает еще и одним из самых низких температурных коэффициентов расширения. В результате кварцевые генераторы без каких-либо дополнительных ухищрений обеспечивают нестабильность частоты порядка 10 -5, т. е. уход часов с таким генератором составляет не более 1 секунды в сутки. Именно распространение кварцевых генераторов привело к тому, что все измерения сейчас стараются свести к определению интервалов времени. Причем природа преподнесла здесь и еще один подарок: поскольку сам кварц является полным изолятором, то токов никаких через него не течет, и кварцевые генераторы в сочетании с КМОП-микросхемами почти не потребляют энергии.