11.4. Антидребезговые формирователи одиночных импульсов и перепадов напряжения

Иногда возникает необходимость получения одиноч­ных импульсов или перепадов напряжения. Применение в таких случаях простых механических ключей (переклю­чателей, кнопок, тумблеров и т. п.) невозможно из-за наличия у них «дребезга» контактов, который проявля­ется в их многократных замыканиях и размыканиях. В результате «дребезга» контактов образуются импульс­ные помехи, нарушающие нормальную работу импульс­ных устройств, выполненных на цифровых (логических) ИМС. Для устранения влияния «дребезга» применяют специальные устройства.

На рис. 11.9, а показана схема антидребезгового фор­мирователя одиночного отрицательного импульса длитель­ностью около 0,7 мкс. При нажатии кнопки S в момент первого замыкания ее контактов конденсатор С быстро заряжается

Рис. 11.9. Схемы аитидребсзговых формирователей одиночных им­пульсов

через низкоомный резистор R2, и дальнейший «дребезг» контактов не влияет на U_вых, так как во время размыкания контактов разрядка конденсатора осуще­ствляется через резистор R2 и высокоомный резистор R1. Вследствие большой постоянной времени разрядки конденсатора напряжение на нем во время «дребезга» контактов практически не изменяется.

Если длительность выходного импульса должна опре­деляться временем нажатия кнопки, используется устрой­ство, схема которого показана на рис. 11.9, б. В таком устройстве колебания напряжения на входе триггера Шмитта* во время «дребезга» сглаживаются интегри­рующей цепью R2C. При замыкании контактов кнопки 5 начинается зарядка конденсатора. При u_С = U_cpб происхо­дит переключение триггера во второе устойчивое состоя­ние, в котором он будет находиться до отпускания кнопки. ""После отпускания кнопки кон­денсатор разряжается через резисторы R2 и R1. Когда на­пряжение на нем уменьшается до напряжения отпускания U_отп, триггер возвращается в перво­начальное состояние.

Рис. 11.10. Схема антидребезгового формирователи пе­репадов напряжения

Для формирования одиноч­ных перепадов напряжения можно использовать простей­ший RS-триггер (рис. 11.10). Уровень напряжения на сво­бодном входе такого триггера соответствует лигической еди­нице, а на замкнутом — ло­гическому нулю. В положении переключателя 5, пока­занном на рисунке, на нижнем входе ЛЭ DD2 имеется логическая единица, которая приводит к появлению логического нуля на выходе 2. В результате на обоих входах ЛЭ DD1 имеется логический нуль, а на выходе 1 — ло­гическая единица. При установке переключателя 5 в ниж­нее положение на верхнем входе ЛЭ DD1 появляется логическая единица, на выходе 1 устанавливается логи­ческий нуль, а на выходе 2 — логическая единица, т. е. на выходах триггера формируется перепад напряжения.

11.5. Генераторы линейно изменяющегося напряжения

Линейно изменяющимся или пилообразным напряжением называют электрические колебания (импульсы), содержащие участки, на которых напряжение изменяется практически по линейному закону, а затем возвращается к первоначальному уровню. Такое напря­жение используется для создания временной развертки электронного луча на экране ЭЛТ, получения временных задержек импульсных сигналов, модуляции импульсов по длительности в системах автоматического регулирования, измерительных приборах, ЭВМ непрерывного дей­ствия и т. п.

_____________________

*Принцип работы триггера Шмитта рассмотрен на с. 228 — 230.

Рис. 11.11. График линейно-изменяю­щегося напряжения

Параметры. Основными параметрами линейно изме­няющегося напряжения (рис. 11.11) является:

длительность прямого (рабочего) хода t_пр;

длительность обратного хода t_обр, или время восстанов­ления t_в исходного состояния;

амплитуда U_т;

период повторения Т;

начальный уровень U₀;

коэффициент нелинейности ε, характеризующий сте­пень отклонения реального пилообразного напряжения от напряжения, изменяющегося по линейному закону:

(11.7)

где V_max = du/dt при t = 0 и V_min = du/dt при t = t_пp — скорости изменения пилообразного напряжения соответ­ственно в начале и конце прямого хода.

Качество работы генератора линейно изменяющегося (ГЛИН), или пилообразного (ГПН), напряжения ха­рактеризуется параметром ξ, называемым коэффициентом использования напряжения источника питания:

.

В соответствии с характером изменения пилообразного напряжения во время прямого хода различают два вида генераторов: генераторы линейно нарастающего и генера­торы линейно убывающего (падающего) напряжения. В обоих видах генераторов для получения пилообраз­ного напряжения используется зарядка или разрядка конденсатора во время прямого хода с последующим восстановлением исходного состояния во время обратного хода.

Принципы построения генераторов пилообразного (ли­нейно изменяющегося) напряжения. Независимо от прак­тической реализации все ГПН можно представить в виде единой эквивалентной схемы (рис. 11.12). В нее входят источник питания Е_п, зарядный резистор R_и, который можно рассматривать как внутреннее сопротивление источника пита­ния, конденсатор С — накопи­тель энергии, электронный ключ S и разрядный резистор R сопротивлением, равным внутреннему сопротивлению замкнутого ключа.

Рис. 11.12. Эквивалентная схема ГПН

В исходном состоянии ключ S замкнут и на конденса­торе устанавливается начальный уровень напряжения:

При размыкании ключа конденсатор начинает заря­жаться током i_{C зар} и напряжение на нем изменяется по экспоненциальному закону:

(11.9)

где τ₃ = R_иC — постоянная времени цепи зарядки кон­денсатора.

За время, равное длительности прямого хода t_пр, напряжение на конденсаторе увеличивается до амплитудного значения U_т и становится равным

(11.10)

Через время t = t_пp ключ замыкается, и конденсатор разряжается. Напряжение на конденсаторе при этом из­меняется по закону

где τ_р = RC — постоянная времени цепи разрядки кон­денсатора. Обычно R « R_и и τ_р « τ₃, поэтому восстанов­ление начального уровня напряжения на конденсаторе происходит за малое время по сравнению с длительностью прямого хода: t_обр < t_пр.

Простейшие ГПН. На рис. 11.13 показана схема про­стейшего ГПН на биполярном транзисторе.

В исходном состоянии транзистор, выполняющий роль ключа, открыт и насыщен. Напряжение U_{КЭ нас} и напряже­ние на конденсаторе и_С = и_вых близки к нулю. При по­ступлении на базу транзистора отрицательного импульса транзистор запирается, начинается зарядка конденсатора по цепи: + Е_п → R_к → С → –Е_п и формирование прямого хода пилообразного напряжения. Постоянная времени цепи зарядки τ₃ = CR_к.

После окончания действия входного импульса тран­зистор снова открывается, и конденсатор разряжается че­рез малое внутреннее сопротивление r_i, открытого насы­щенного транзистора. Происходит формирование обратно­го хода и восстановление начального (близкого к нулю) напряжения на конденсаторе. Постоянная времени цепи разрядки конденсатора τ_р = С r_i, значительно меньше, чем

τ₃, поэтому t_обр < t_пр.

Вместо транзисторного ключа можно использовать логический элемент. На рис. 11.14 показана схема простей­шего ГПН на логическом элементе И — НЕ. Зарядный резистор R и конденсатор С являются навесными элемен­тами ГПН. Физические процессы, происходящие при ра­боте данного ЛЭ, аналогичны физическим процессам рассмотренного транзисторного ГПН.

Рассмотренные простейшие ГПН надежны в работе, но имеют малые значения коэффициентов ε и ξ. Действи­тельно, скорость изменения напряжения на конденсаторе во время прямого хода определяется на основании (11.9) из выражения

Рис. 11.13. Схема ГПН на биполярном транзисторе

Рис. 11.14. Схема ГПН на логическом элементе И — НЕ

В начале прямого хода эта скорость будет макси­мальной:

а в конце — минимальной:

Подставив значения V_mах и V_min в выражение (11.7), определим коэффициент нелинейности пилообразного напряжения:

(11.11)

Обычно t_пр « τ₃, поэтому, раскладывая е^–tпр/τ3 в ряд и ограничиваясь его первыми двумя членами, выражение (11.11) можно записать в виде

(11.12)

Амплитуда пилообразного напряжения в соответствии с (11.10) и с учетом (11.11)

,

и коэффициент использования напряжения источника питания на основании (11.8)

(11.13)

Поскольку при зарядке конденсатора напряжение на нем увеличивается не по линейному, а по экспоненциаль­ному закону, то для получения пилообразного напряжения с удовлетворительной линейностью приходится использо­вать лишь начальный участок экспоненты. При этом U₀ « Е_п, и выражение (11.13) запишется в виде

.

При коэффициенте нелинейности ε = 1 % получаем ξ = 1 %. Следовательно, рассмотренная схема ГПН не позволяет получить большие амплитуду и коэффициент использования напряжения источника питания при малом коэффициенте нелинейности.

Нелинейность возрастания напряжения на конденса­торе при его зарядке вызвана уменьшением тока зарядки. Если же ток зарядки сделать стабильным, то напряжение на конденсаторе будет изменяться по линейному закону. Это позволит при малом коэффициенте нелинейности увеличить амплитуду пилообразного напряжения и коэф­фициент использования источника питания.

ГПН с повышенной линейностью. В настоящее время ГПН с малым значением коэффициента нелинейности (ε < 1 %) и его незначительной зависимостью от сопро­тивления нагрузки создаются на основе интегральных ОУ.

В ГПН на ОУ (рис. 11.15) высокая линейность пило­образного напряжения достигается действием положительной ОС в цепи зарядки конденсатора С.

Рис. 11.15. Схема ГПН на базе интегрального ОУ

Во время действия на входе положительного импульса транзистор VT открыт и насыщен. Происходит формирование обрат­ного хода пилообразного напряжения, во время которого конденсатор разряжается через малое сопротивление на­сыщенного транзистора практически до нулевого уровня. В паузах между входными импульсами транзистор закрыт и конденсатор заряжается током i₁ от источника Е₁ через резистор R3.

Напряжение и_С, образуемое на конденсаторе, посту­пает на неинвертирующии вход ОУ, работающего в линейном режиме с коэффициентом усиления по неинвертирующему входу К⁽⁺⁾_и = 1 + (R2/R1). В результате на выходе ОУ создается напряжение и_вых = и_С К⁽⁺⁾_и , а на резисторе R4 — напряжение, равное и_R4 = и_вых – и_С = и_С К⁽⁺⁾_и – и_C = u_CR2/R1 = и_С К^(–)_и. Напряжение и_R4 = u_CR2/R1 создает ток i₂, который протекает через кон­денсатор С в том же направлении, что и ток i₁. Следова­тельно, ток зарядки конденсатора в паузах между вход­ными импульсами

.

По мере зарядки конденсатора ток i₁ уменьшается, а напряжения на конденсаторе и на выходе ОУ увеличи­ваются. Если К^(–)_и = R2/R1 > 1, то напряжение на ре­зисторе R4 и протекающий через него ток i₂ при увеличе­нии и_С также увеличиваются. Увеличение тока i₂ при со­ответствующем подборе коэффициента усиления может полностью компенсировать уменьшение тока i₁, и зарядка конденсатора будет происходить постоянным током. Таким образом обеспечивается высокая линейность пилообраз­ного напряжения.

ГПН на ОУ часто выполняются на основе интегра­тора (рис. 11.16, а).

До поступления входного импульса выходное напря­жение потенциометром R_n устанавливается на заданном уровне U_вых0 (рис. 11.16, б). Конденсатор С заряжается до напряжения U_С0 = 0 — U_вых0. При поступлении на вход

Рис. 11.16. Схема интегратора, применяемого в качестве ГПН (а), и графики

изменений входного и выходного напряжений (б)

положительного импульса начинается перезарядка кон­денсатора через резистор R и выходное сопротивление ОУ. Принимая U₀ ≈ 0, получаем, что ток перезарядки i_С =

= u_вх / R и u_вых = – и_С = . Если входное напряжение представляет собой прямоугольный импульс с амплитудой U_m, то

т. е. выходное напряжение изменяется по линейному за­ кону, который обеспечивается действием отрицательной ОС, стабилизирующей ток перезарядки конденсатора. Действительно, при уменьшении тока i_c увеличивается напряжение на инвертирующем входе ОУ (и^(-)_вх = u_вх – i_i R). Это вызовет уменьшение напряжения на выходе ОУ и увеличение напряжения на конденсаторе (так как и_С = и^(-)_вх – –и_вых), которые приводят к увеличению тока i_С.

После прекращения действия входного импульса кон­денсатор С разряжается через диод VD и выходное сопротивление ОУ. Поскольку выходное сопротивление ОУ достаточно велико (сотни Ом или единицы кОм), то для уменьшения длительности обратного хода пилообразно­го напряжения параллельно конденсатору можно подклю­чить электронный ключ S, который открывается управ­ляющими импульсами на время формирования обратного хода (рис. 11.17).

Рис. 11.17. Схема ГПН с малой длительностью обратного хода

Ключ не должен обладать утечкой тока в закрытом состоянии, так как это может привести к уменьшению амплитуды пилообразного напряжения и ухудшению его линейности. В качестве ключа часто ис­пользуются полевые транзисторы и тиристоры.