Курс лекций. - Микропроцессоры

Генераторы периодических сигналов


Дата последнего обновления файла
09.06.2005

Генераторы периодических сигналов.

При работе цифровых схем часто возникает задача синхронизации моментов изменения или записи сигналов. Для этого можно воспользоваться любым известным генератором сигналов, в том числе построенным на одиночном транзисторе или операционном усилителе. Однако в этом случае потребуется специальное устройство преобразования выходного сигнала генератора к цифровым логическим уровням, используемым в разрабатываемой схеме.

Намного проще использовать для построения генераторов цифрового сигнала логические элементы. Как известно из общей теории построения генераторов сигналов, для самовозбуждения генераторов необходимо выполнить два условия: баланс фаз и баланс амплитуд. Так как любые логические элементы обладают усилением, то для построения генераторов можно использовать как инверторы, так и схемы логического "И" и "ИЛИ". В некоторых случаях для построения генераторов используют даже триггеры.

Рассмотрим схему простейшего генератора. Для его реализации необходимо обеспечить баланс фаз на заданной частоте. Генератор может быть выполнен по схеме индуктивной или ёмкостной трёхточки. Такие схемы называются осцилляторными. В настоящее время обычно используется схема ёмкостной трёхточки как более дешёвый вариант. На рисунке 1 приведена подобная схема, выполненная на биполярном транзисторе.

 

Рисунок 1. Ёмкостная трёхточка, выполненная на биполярном транзисторе.

В этой схеме усилительный элемент включен в схему контура L1 C2 C3, резонансная частота которого и задаёт частоту генерации схемы. Глубина обратной связи задаётся соотношением ёмкостей этого контура и коэффициентом усиления транзистора на заданной частоте. Точно так же можно построить генератор и на основе логического инвертора. Схема LC генератора, построенного на основе логического инвертора, приведена на рисунке 2.

 



Рисунок 2.  Ёмкостная трёхточка, выполненная на логическом инверторе.

При реализации генераторов на логических элементах необходимо следить за тем, чтобы при запуске генератора логический элемент находился в активном режиме.
В обычном включении логический инвертор находится в режиме ограничения. В режиме ограничения осуществляется жесткий режим запуска генератора, поэтому для возникновения колебаний в такой схеме потребуется подать мощный импульс на вход инвертора. Для самопроизвольного возникновения колебаний в схеме генератора необходимо перевести логический элемент в усилительный режим. Для этого инвертор необходимо охватить отрицательной обратной связью по постоянному току. В приведённой на рисунке 2 схеме это осуществляется замыканием входа и выхода микросхемы через индуктивность L1. Второй инвертор требуется для доведения уровня генерируемого сигнала до цифровых логических уровней. То есть он используется в качестве развязывающего (буферного) усилителя.

Схема на одном инверторе чаще всего используется для построения кварцевых генераторов. В этом случае в ёмкостной трёхточке вместо индуктивности используется кварцевый резонатор. Схема кварцевого генератора на одном логическом инверторе приведена на рисунке 3. 

 



Рисунок 3.  Схема кварцевого генератора, выполненная на логическом инверторе.

Ёмкости в частотозадающей цепочке обычно выбираются в пределах от 10 до 30 пФ. Соотношение ёмкостей задаёт глубину обратной связи, а значит устойчивость запуска генератора в диапазоне температур. Кварцевый резонатор не пропускает постоянный ток, поэтому в кварцевом генераторе для обеспечения автоматического запуска генератора приходится использовать дополнительные резисторы. Именно соотношение этих резисторов определяет коэффициент усиления активного элемента генераторов. При использовании очень высокочастотных кварцевых резонаторов резистор R1 для облегчения самовозбуждения генератора может отсутствовать.

Достаточно часто возникает необходимость останавливать генератор для экономии потребления электроэнергии. В этом случае вместо логического инвертора можно использовать схему "И". Подобная схема приведена на рисунке 4. Именно такая схема используется внутри современных микросхем в качестве задающего тактового генератора.



 


Рисунок 4.  Схема кварцевого генератора, выполненная на элементе логического "И".

Мультивибраторы.

Еще одной распространённой схемой генераторов на логических элементах является схема мультивибратора. В этой схеме для реализации положительной обратной связи используется два инвертора. Схема мультивибратора приведена на рисунке 5.



Рисунок 5.  Схема мультивибратора, выполненная на двух логических инверторах.

В этой схеме возможна независимая регулировка частоты и скважности генерируемых колебаний. Длительность импульсов и длительность паузы между импульсами регулируется независимо при помощи RC цепочек R1 C2 и R3 C1. Если скважность генерируемых колебаний не важна, то можно упростить схему мультивибратора, использовав второй инвертор по прямому назначению. В этом случае схема мультивибратора примет вид, показанный на рисунке 6.



Рисунок 6.  Упрощённая схема мультивибратора.

В этой схеме возможно задавать только частоту генерируемых импульсов. Эта частота будет определяться произведением R1 C1. Скважность генерируемых импульсов будет зависеть только от соотношения токов нуля и единицы выбранного логического элемента.

Достаточно часто требуется возможность получить генератор, выходная частота которого могла бы изменяться в достаточно широких пределах. В этом случае в качестве частотозадающего элемента в генераторе может быть использован элемент с изменяемыми параметрами, например варикап или полевой транзистор. Схема такого генератора, управляемого напряжением, приведена на рисунке 7.



Рисунок 7.  Схема генератора, управляемого напряжением.

Учитывая, что сопротивление полевого транзистора может изменяться в пределах от 10 Ом до 10 МОм, генерируемая частота тоже может изменяться в десятки и сотни раз. Однако следует учесть, что такой генератор может быть использован только в цифровых схемах, так как его спектральные характеристики оставляют желать лучшего. Обычно такая схема используется в цепях умножения частоты внутри цифровых микросхем повышенной производительности.Примером специализированных микросхем - генераторов могут служить микросхемы 531ГГ1 и 564ГГ1.

В схеме на мультивибраторе можно использовать и кварцевую стабилизацию частоты. Для этого нужно кварцевый резонатор включить в цепь обратной связи. Схема мультивибратора с кварцевой стабилизацией частоты приведена на рисунке 8.



Рисунок 8.  Схема мультивибратора с кварцевой стабилизацией частоты.

[ Назад] [ Содержание] [ Вперёд]


Содержание раздела