Одновибратор. Характеристики. Применение.

Одновибратор или моностабильный мультивибратор является разновидностью триггера, в котором выход одного из вентилей имеет емкостную связь со входом другого вентиля, в результате чего схема всегда возвращается в одно состояние. (Триггер иногда называют бистабильным мультивибратором).
 Если с помощью кратковременного входного импульса схему принудительно установить в другое состояние, то она вернется в исходное с задержкой, которая будет определяться величиной емкости и параметрами схемы (входным током и т. п.). Эта схема широко используется для формирования импульсов заданной длительности и полярности.
Одновибратор. Характеристики. Применение.

Построение одновибраторов на вентилях и RC-элементах представляет собой довольно сложную задачу. Здесь надо учитывать конкретное выполнение входных вентильных схем. Поскольку напряжение на емкости в одновибраторе может превышать напряжение питания. В реальных устройствах лучше всего использовать одновибраторы в интегральном исполнении. Создавать же схемы собственной конструкции имеет смысл лишь в случае крайней необходимости. Например, если на плате имеется свободный вентиль и нет ни одного места для дополнительной микросхемы. Однако, возможно, что это не имеет смысла даже в таком случае.

Основные характеристики одновибраторов

Входы. Одновибраторы срабатывают по положительному или отрицательному перепаду, который подан на соответствующие входы. Единственное требование к сигналу запуска состоит в том, что он должен обладать некоторой минимальной длительностью — обычно от 25 до 100 с. При этом он может быть как короче, так и длиннее выходного импульса.

Обычно в схеме предусматривается несколько входов. Это позволяет использовать для запуска схемы одновибратора несколько сигналов: один по отрицательному перепаду, другие по положительному. Отрицательный перепад означает переход с ВЫСОКОГО уровня на НИЗКИЙ, а не отрицательную полярность. Дополнительные входы могут также использоваться для запрета запуска. Разберем четыре примера одновибраторных схем.

Верхняя строка таблиц указывает, по каким входам происходит запуск. Стрелками в строках показаны направления перепадов на входах, при которых происходит запуск.
Например, 74121 запускается, когда на одном из входов А происходит перепад с ВЫСОКОГО уровня на НИЗКИЙ. При этом на входе В и на другом входе А действует ВЫСОКИЙ уровень.
Одновибратор 74121 имеет три входа, которые связаны с комбинацией вентилей И и ИЛИ. На входе В установлен триггер Шмитта, что позволяет снизить требования к скорости нарастания входного сигнала и к уровню помех. В состав одновибратора входит также не слишком хороший внутренний времязадающий резистор. Его можно использовать, если у вас нет желания подключать внешний резистор R. Схема 74221 представляет собой сдвоенный вариант схемы 74121
Одновибратор. Характеристики. Применение. 74121 схема
121 одновибратор. Таблица истинности.
Схема HC4538 представляет собой сдвоенный одновибратор с вентилем ИЛИ на входе. Если используется только один вход, то другой должен быть заблокирован, как показано в таблице. 
Пользователи КМОП-версий могут иметь только сдвоенные варианты схем.
Одновибратор. Характеристики. Применение. Одновибратор 4538 - схема
Одновибратор 4538 таблица истинности.
Популярная интегральная схема HC123 представляет собой сдвоенный одновибратор с вентилем И на входе. На неиспользуемые входы должны подаваться разрешающие сигналы. Заметим, в частности, что он срабатывает и по спаду сигнала на R-входе, если в этот момент на оба входа запуска поданы соответствующие сигналы. Это свойство не является для одновибраторов универсальным и может требоваться или не требоваться, в зависимости от конкретного случая.
Одновибратор. Характеристики. Применение.
таблица истинности одновибратор 123

Схема 74423 является той же самой схемой, что и 74123, но без этой «особенности».

На принципиальных схемах при изображении одновибраторов входной вентиль обычно не показывается. Это позволяет сэкономить место, но создает некоторую путаницу.

Схема 423 Одновибратор. Характеристики. Применение.
таблица истинности одновибратор 423
Перезапуск. Большинство одновибраторов, например, упомянутые ранее HC4538, HC123 и 74423, будут начинать новый цикл отсчета временного интервала, если за время действия выходного импульса на вход поступит новый запускающий импульс. Такие устройства называют одновибратором с перезапуском.
Выходной импульс одновибратора будет шире, чем обычно, если перезапуск схемы происходит во время действия выходного импульса. И выходной импульс закончится по истечении интервала номинальной длительности с момента поступления последнего запускающего сигнала. Одновибраторы 74121 и 74221 не имеют перезапуска. Во время действия выходного импульса они не воспринимают перепады на входе. Большинство перезапускаемых одновибраторов можно включить таким образом, чтобы они не перезапускались. Простой пример подобной схемы показан на рисунке.
Одновибратор. Характеристики. Применение.
одновибратор без перезапуска на hc423. Одновибратор. Характеристики. Применение.
Схемы одновибраторов без перезапуска

Сброс. Большая часть одновибраторов имеет вход сброса, который отменяет все остальные функции. Кратковременный сигнал по входу R обрывает выходной импульс. Этот вход может использоваться для предотвращения выработки выходного импульса в момент включения питания логической системы.

Длительность импульса. С помощью стандартных одновибраторов можно получать импульсы длительностью от 40 нс до нескольких миллисекунд (и даже секунд) за счет подключения внешнего конденсатора, обычно в сочетании с резистором. С помощью микросхемы 555 можно формировать импульсы и большей длительности, но его входные характеристики зачастую создают неудобства. Интервалы времени очень большой длительности лучше всего отсчитывать цифровым способом.

Пример схемы одновибратора

На рисунке показана схема генератора прямоугольных импульсов с независимой регулировкой частоты и скважности:
Самосинхронизирующийся генератор импульсов с внешним запуском. Одновибратор. Характеристики. Применение.
Самосинхронизирующийся генератор импульсов с внешним запуском

Схема позволяет с помощью внешнего сигнала закрывать выход по отрицательному перепаду выходного импульса. Токовое зеркало Т1-Т3 формирует на С1 нарастающее напряжение. Когда это напряжение достигает порога верхнего компаратора, равного 2/3U+, запускается одновибратор. Он, в свою очередь, вырабатывает положительный импульс длительностью 2 мкс и устанавливает n-канальный полевой транзистор Т4 в проводящее состояние и разряжает конденсатор. Таким образом, на С1 формируется пилообразный сигнал, нарастающий до значения +8 со скоростью, которая задается потенциометром R2.

Нижний компаратор из пилообразных импульсов вырабатывает прямоугольные импульсы со скважностью, которую с помощью потенциометра R5 можно линейно регулировать в пределах от 0,1 до 99%. Оба компаратора имеют гистерезис порядка нескольких милливольт (R8 и R9), наличие которого позволяет предотвратить многократные переходы, возникающие под действием помех. В схеме применен сдвоенный компаратор типа Lm393 с малым потреблением. Компаратор имеет на выходах схемы с открытым коллектором и диапазон синфазного сигнала на входе от нуля до напряжения питания.

Отличительное свойство этой схемы — ее способность синхронизироваться (работать в старт-стопном режиме) по внешнему управляющему сигналу. При наличии сигнала на входе ОСТАНОВ схема останавливает свой генератор по очередному отрицательному перепаду на выходе. Когда на входе ОСТАНОВ сигнал снова перейдет в состояние НИЗКОГО уровня, генератор сразу же начинает формировать полные периоды. Как если бы задний фронт возник в момент снятия сигнала ОСТАНОВ. Дополнительный 3-й вход схемы И-НЕ, который соединен с выходом компаратора, служит для того, чтобы схема не «застревала» при заряженной емкости С1. Длительность импульса на выходе одновибратора выбирается достаточно большой, чтобы за это время С1 мог полностью разрядиться.

Проблемы применения одновибраторов

С одновибраторами связан целый ряд проблем, которые не встречаются в других цифровых схемах. Кроме того, существуют некоторые общие принципы, которыми необходимо руководствоваться при их использовании.
Длительность импульса. Для построения одновибраторов используется сочетание линейных и цифровых методов. Так как линейные схемы чувствительны к изменениям Uбэ и h21э от температуры и т.п., одновибраторы тоже реагируют на изменения температуры и напряжения питания. Это выражается дрейфом длительности выходного импульса. В типовых устройствах, например, HC4538, длительность выходного импульса колеблется в пределах нескольких процентов на изменение температуры в интервале 0-50°С и отклонении напряжения питания на ±5%. Кроме того, разброс параметров от устройства к устройству для интегральных микросхем данного типа составляет ±10%.

При рассмотрении чувствительности к изменениям температуры и напряжения питания важно помнить:

— кристалл (чип) микросхемы может обладать эффектом саморазогрева
— изменение напряжения питания во время действия выходного импульса может существенно повлиять на его длительность или вызвать ложный запуск (например, «всплески» питания).
Длинные импульсы. При формировании длинных импульсов емкость конденсатора может превышать несколько микрофарад, что приводит к необходимости использовать электролитические конденсаторы. В этом случае возникает проблема тока утечки. К тому же в большинстве одновибраторов во время действия выходного импульса к конденсатору прикладывается напряжение обоих полярностей. Величина тока утечки для конденсаторов малой емкости незначительна. Для разрешения проблемы утечки можно установить диод или транзистор. Либо можно перейти на цифровые методы формирования задержек с использованием тактовых импульсов и триггерных каскадов. Использование внешнего диода или транзистора повышает чувствительность к температуре и снижает точность задания длительности импульса. Это может также затруднить перезапуск.
Скважность. В некоторых схемах одновибраторов длительность выходного импульса при высокой скважности уменьшается. Типичным примером являются элементы серии ТТЛ 9600-9602, у которых при скважности 60% длительность выходного импульса постоянна, а при скважности 100% уменьшается приблизительно на 5%. Устройство 74121 в этом случае еще хуже, так как при высокой скважности вообще ведет себя не устойчиво.
Запуск. Если для сигнала одновибраторов используются слишком короткие сигналы, то они могут вырабатывать на входе нестандартные, или «дрожащие», импульсы. Для запускающего импульса задается минимальная длительность. Например, для CD4098 — 140 нс при напряжении питания ± 5 В и 40 нс при питании +15 В. При повышенном напряжении питания элементы КМОП имеют более высокое быстродействие и повышенную нагрузочную способность.
Помехоустойчивость. Так как в состав одновибраторов входят линейные элементы, их помехоустойчивость обычно хуже, чем у других цифровых схем. Одновибраторы очень чувствительны к емкостным связям вблизи внешних времязадающих элементов R и С. Кроме того, некоторые одновибраторы склонны к ложному запуску от «всплесков» на шине земли или U+.
Паспортные данные. Не забывайте, что характеристики одновибратора, такие как точность выдержки, времени, нестабильность по температуре и напряжению питания, могут значительно ухудшаться на краях рабочего диапазона. В паспортных данных на устройство обычно задается диапазон длительностей выходного импульса, в котором оно имеет хорошие характеристики. Это может ввести в заблуждение. Кроме того, могут наблюдаться различия в тех же самых номерах изделий, когда они выпускаются различными изготовителями. Читайте паспортные данные тщательно!
Развязка по выходу. Вообще, в любом цифровом устройстве, содержащем триггеры, выходы должны быть буферированы до того, как они поступят на кабель или внешний прибор.  Это достигают с помощью вентиля, инвертора, возможно, интерфейсной схемы типа линейного формирователя-возбудителя или драйвера. Если устройство типа одновибратора подключается к кабелю непосредственно, то его работа может стать неустойчивой. Всему виной влияния нагрузочной емкости и отражения сигналов в кабеле.
Общие соображения по применению одновибраторов. При использовании одновибраторов для формирования импульсной последовательности убедитесь в том, что на «концах» не будут вырабатываться дополнительные импульсы. Т. е. необходимо убедиться в том, что сигналы, разрешающие запуск одновибратора, сами не производят его запуск. Это легко сделать, если тщательно просмотреть таблицу истинности.
Не увлекайтесь применением одновибраторов. Хотя заманчиво ставить их везде, где только можно. Потом наблюдать, как импульсы от них разбегаются во все точки схемы. Схемы, содержащие большое число одновибраторов, свидетельствуют о неопытности разработчика. Кроме указанных проблем существуют еще и дополнительные сложности. Они связанны с тем, что схема, насыщенная одновибраторами, не допускает существенной регулировки тактовой частоты.   Все потому, что выдержки времени в схеме настроены на определенный порядок возникновения событий. Если есть возможность выполнить те же функции без применения одновибраторов, ею надо воспользоваться. Приведем пример.
Предположим, что требуется сформировать по спаду входного сигнала импульс, а затем еще один, задержанный по отношению к первому. Эти импульсы могут использоваться для предварительной установки схемы и запуска операций. Перед запуском этих операций требовалось выполнить некоторые предварительные действия, о завершении которых сообщает спад входного сигнала. Так как для управления остальной частью схемы скорее всего используются тактовые импульсы, будем предполагать, что сигнал на D-входе снимается синхронно с передним фронтом такта.
В схеме, изображенной ниже, на рисунке а входной перепад запускает первый одновибратор, который по концу своего выходного импульса запускает второй одновибратор.
В схеме на рисунке б то же самое делается при помощи D-триггеров, которые вырабатывают на выходе импульсы с длительностью, равной одному периоду тактовой частоты.
Задержка на нескольких одновибраторах. Одновибратор. Характеристики. Применение.
Рисунок а. Задержка на одновибраторах
Одновибратор. Характеристики. Применение. Цифровая задержка.
Рисунок б. Цифровая задержка
В отличие от асинхронной схемы, в которой триггеры включаются каскадно, данная схема является синхронной. По ряду причин, в частности связанных с помехоустойчивостью, предпочтительнее применять синхронные системы. Если необходимо формировать импульсы большей длительности, можно использовать ту же самую схему, но взяв при этом другую тактовую частоту.
Нужную частоту можно получить путем деления основной (высокочастотной) тактовой последовательности с помощью цепочки счетных триггеров. В этом случае основной тактовый сигнал может использоваться для тактирования D-триггеров. Как правило, в синхронных системах имеется несколько серий тактовых импульсов, образованных в результате деления основной частоты.

Цифровые методы формирования задержек

Как уже подчеркивалось, существует целый ряд причин, по которым следует избегать применять одновибраторы в логических устройствах. На рисунке ниже изображена еще одна схема. Здесь триггер и счетчик заменяют одновибратор для формирования импульса большой длительности.
формирование длинных импульсов цифровым способом. Одновибратор. Характеристики. Применение.
Формирование длинных импульсов цифровым способом

Интегральная схема 4060 представляет собой 14-раз рядный двоичный счетчик (14 каскадов включенных триггеров) типа КМОП. Фронтом входного сигнала на выходе устанавливается высокий уровень, который разрешает работу счетчика. После отсчета 2n-1 импульсов на выходе Qn возникает ВЫСОКИЙ уровень, в результате чего триггер и счетчик сбросятся. Данная схема позволяет с высокой точностью вырабатывать импульсы большой длительности, причем последняя может изменяться с коэффициентом 2. В состав счетчика 4060 входит также внутренний генератор, который заменяет внешний источник тактовых импульсов. Есть мнение, что встроенный генератор имеет бедную частотную характеристику и может некачественно функционировать.

Можно использовать законченные интегральные схемы для задания временных интервалов с помощью счетчиков. Так, схемы 7240/50/60 имеют встроенные 8-разрядный и двухдекадный счетчики и необходимую логику для формирования задержек, эквивалентных накопленному числу счета (1-255 или 1-99). Устанавливать число можно либо с помощью перемычки, либо с помощью барабанных переключателей. Схема ICM7242 подобна им, но имеет счетчик с установленным жестко значением для деления на 128.

Смотрите также: