Ждущий мультивибратор — одновибратор — формирователь импульсов.

Схемы формирователей импульсов на цифровых КМОП микросхемах, онлайн
расчёт времязадающих цепей и длительности выходных импульсов.

— Почему ждущий?
— Почему, почему? Потому что не спит ни днём, ни ночью — он на дежурстве, он ждёт!
И ожидает он не трамвая на остановке, а внешнего сигнала запуска для формирования одиночного выходного импульса фиксированной длительности, после чего возвращается в первоначальное состояние самопроизвольно, без каких-либо воздействий и утомительных уговоров.
— А почему одновибратор?
— Ну, так как, почему? Выдержан, характер нордический, в генерацию, подобно мультивибратору, не впадает, имеет одно устойчивое состояние. Говорили ж Вам — он на дежурстве, он ждёт!
— «Говорили ж бабы Вам, пиво с водкой, не для дам!». Второе-то состояние – неустойчивое!
— А тут уж, мил-человек, ничего не попишешь, в конце концов, он — одновибратор. У каждого свои недостатки.

Итак, определимся. Одновибраторы (они же, ждущие мультивибраторы) — это устройства, выполняющие функцию формирования импульсов определённой длительности, задаваемую внешними времязадающими резисторами и конденсаторами.

В зависимости от поставленной задачи и используемой схемотехники, одновибратор может выполнять функцию как укорачивающую, так и удлиняющую (расширяющую) по отношению к длительности поступающего на вход сигнала.

С укорачивающими формирователями, по большому счёту, всё понятно. После появления на входе управляющего сигнала — на выходе выскакивает укороченный импульс заданной длительности, передний фронт которого совпадает с началом (либо с концом) входного.

В расширяющих одновибраторах длительность входного импульса должна быть короче длительности формируемого импульса, и тут возникают варианты:

1. Ждущий мультивибратор не реагирует на входной сигнал до окончания своего выходного импульса — такое устройство называется одновибратором без перезапуска.

2. Ждущий мультивибратор запускается с каждым новым входным импульсом, независимо от того, возвратился ли он в первоначальное состояние после предыдущего срабатывания — такое устройство называется одновибратором с перезапуском. Если период следования входных импульсов меньше длительности, определяемой времязадающими цепями одновибратора, выходной импульс с перезапуском не прерывается.

Ну, а если период входных запускающих импульсов больше времени выдержки одновибратора, то оба типа одновибраторов работают одинаково.

Без баяна хрен разберёшься. Согласен, поэтому приведу поясняющие картинки.

Рис.1

Т — формируемая одновибраторами длительность, задаваемая внешними RC цепями.

В природе существует ряд разновидностей интегральных микросхем и таймеров, спроектированных специально для работы в качестве ждущих мультивибраторов и формирователей импульсов заданной длительности. Давайте забудем про них, а посвятим себя простым формирователям на логических КМОП элементах, которые, как правило, без труда отыскиваются в закромах радиолюбительского хозяйства.

Начнём с начала. УКОРАЧИВАЮЩИЕ ФОРМИРОВАТЕЛИ ИМПУЛЬСОВ.

Рис.2 Формирователь импульсов, построенный на основе логического элемента «Исключающее ИЛИ» и интегрирующей RC-цепи.
Начало выходного импульса соответствует переднему фронту входного сигнала.

Рис.3 Всё то же самое, что и в предыдущей схеме, за той лишь разницей, что:
начало выходного импульса соответствует заднему фронту входного сигнала.

Рис.4 Ещё более простая вариация предыдущих схем, формирует сразу два импульса:
первый — по переднему фронту входного сигнала, второй — по заднему.

Рис.5 Формирователь, выполненный на простых инверторах, выполняющих логическую функцию НЕ, и дифференцирующих RC-цепей.
Имеет два выхода и, соответственно, формирует 2 импульса по переднему и заднему фронту входного сигнала, с возможностью раздельной регулировки их длительностей.

Рис.6 Наиболее часто используемая схема укорачивающего формирователя импульсов, построенная на основе логического элемента «2И-HЕ» и интегрирующей RC-цепи.
Формирует импульс по переднему фронту входного сигнала.

Рис.7 Ещё одна не менее часто используемая схема, на базе логического элемента «2ИЛИ-HЕ» и интегрирующей RC-цепи.
Формирует импульс по заднему фронту входного сигнала.

С укорачивающими устройствами давайте закончим и перейдём к примерам, когда из коротких входных импульсов требуется получить более широкие — выходные, заданной длительности.

РАСШИРЯЮЩИЕ ФОРМИРОВАТЕЛИ ИМПУЛЬСОВ.

По большому счёту, многие из расширяющих одновибраторов не чувствительны к длительности входного импульса и нормально могут трудиться и в качестве укорачивающих. Мы, естественно, об этом никому не скажем, но украдкой будем иметь в виду.

Рис.8

Рис.9

Рис.10

Рис.11

Схемы, приведённые на Рис.8-11 и построенные на основе логических элементов «2И-HЕ», либо «2ИЛИ-HЕ», не чувствительны к длительности входного импульса и наиболее широко применяются в радиоаппаратуре.
Данные ждущие мультивибраторы срабатывают по переднему фронту входного сигнала и не реагируют последующие его изменения до окончания своего выходного импульса, т.е. являются одновибраторами без перезапуска.

Рис.12

Рис.13

При необходимости получить одовибраторы, обладающие свойствами перезапуска, следует обратить внимание на схемы, приведённые на Рис.12-13.
Данные ждущие мультивибраторы срабатывают по заднему фронту входного сигнала.

Рис.14

Выполнение одновибраторов на D-триггере, Рис.14, даёт возможность иметь два раздельных входа запуска (по переднему фронту импульса), а также сразу получать на выходах прямой импульс и импульс с инверсией.
Длительность подаваемых на вход S запускающих импульсов должна быть меньше формируемого (режим, когда на входах S и R одновременно присутствует лог. «1», является запрещённым). На входе С длительность запускающего импульса может быть любой. В случае отсутствия потребности в двух раздельных входах запуска, S-вход триггера следует посадить на землю.
Данный ждущий мультивибратор является одновибратором без перезапуска.

Рис.15

Если требуется иметь перезапуск одновибратора, построенного на триггере, следует обратить внимание на схему, приведённую на Рис. 15.

ОБЩЕЕ ДЛЯ ВСЕХ ФОРМИРОВАТЕЛЕЙ.

Чтобы выходное сопротивление микросхем не оказывало влияние на точность расчета длительности выходного импульса, резистор R1 должен быть номиналом не менее 10. 20 кОм.
Чтобы пренебречь при расчётах ёмкостями монтажа и собственными ёмкостями ИМС, номинал конденсатора С1 выбирается значением — не менее 200-600 пФ.

Если перед разработчиком стоит задача получения высокой температурной стабильности длительности выходного импульса — номинал R1 должен быть выбран < 200 кОм, а ёмкость конденсатора С1 - не более 1, 5 мкФ. Использование электролитических конденсаторов увеличивает нестабильность временного интервала.

Длительность выходного импульса ждущего мультивибратора зависит как от скорости заряда (разряда) времязадающей цепи R1С1, так и от порога срабатывания логического элемента. Если заложиться 10-15% погрешностью в расчёте этого временного интервала, то можно принять Unop, равным половине напряжения питания микросхемы. В этом случае длительность формируемого импульса составит величину tи=0,69RC.

Ну и по традиции приведу незамысловатую таблицу.

РАСЧЁТ ДЛИТЕЛЬНОСТИ ВЫХОДНЫХ ИМПУЛЬСОВ ОДНОВИБРАТОРОВ НА ЛОГИЧЕСКИХ ИМС

Генераторы и формирователи импульсов

На базе логических элементов цифровых устройств могут быть сконструированы разнообразные генераторы импульсов. Вот несколько конкретных примеров.

Генератор по схеме на рисунке 1 (используются элементы 2И-НЕ с открытым коллектором) вырабатывает импульсы в широком диапазоне частот — от единиц герц до нескольких килогерц. Зависимость частоты f (кГц) от емкости конденсатора С1 (пФ) выражается приближенной формулой f»3*105/C1. Скважность импульсного напряжения практически равна 2. При снижении напряжения источника питания на 0,5 В частота генерируемых импульсов уменьшается на 20%.

Рисунок 1

В генераторе по схеме на рисунке 2 длительность импульсов можно регулировать переменным резистором R2 (скважность изменяется от 1,5 до 3), а частоту — резистором R1. Например, в генераторе с С1==0,1 мкф при исключении резистора R2 только резистором R1 частоту генерируемых импульсов можно изменять от 8 до 125 кГц. Для получения другого диапазона частот необходимо изменить емкость конденсатора С1.

Рисунок 2

Широкое изменение частоты генерируемых импульсов (около 50 тысяч раз) обеспечивает устройство, собранное по схеме на рисунке 3. Минимальная частота импульсов здесь около 25 Гц. Длительность импульсов регулируют резистором R1. Частоту следования можно определить по формуле:
f=1/(2R1C1)
f — частота Гц, R1 — сопротивление Ом, С1 — ёмкость фарад.

Рисунок 3

При реализации цифровых устройств различного назначения часто необходимо сформировать короткие импульсы по фронтам входного сигнала. В частности, такие импульсы используют для сброса счетчиков в качестве импульсов синхронизации при записи информации в регистры и т. д. На рисунке 4 изображены схема и временные диаграммы формирователя коротких отрицательных импульсов по положительному перепаду напряжения на его входе. При изменении напряжения Uвх от низкого уровня до высокого этот перепад без задержки поступает на вход 13 элемента DD1.4. В то же время на входе 12 элемента DD1.4 напряжение высокого уровня сохраняется, в течение времени распространения сигнала через элементы DD1.1-DD1.3 (около 75 нc). В результате в течение этого времени на выходе устройства сохраняется напряжение низкого уровня. Затем на входе 12 устанавливается напряжение низкого уровня, а на выходе устройства — высокого. Таким образом, формируется короткий отрицательный импульс, фронт которого совпадает с фронтом входного напряжения. Чтобы такое устройство использовать для формирования отрицательного импульса по срезу входного сигнала, его надо дополнить еще одним инвертором рисунок 4.

Рисунок 4

На рисунке 5 изображены схема и временная диаграмма работы формирователя импульсов по фронту и срезу входного сигнала. Длительность каждого сформированного импульса равна
tи1=tи2=nt1,0зд.р.+(n+1)t0,1зд.р.
Здесь n — четное число элементов, участвующих в задержке сигналов. Принцип работы этого формирователя аналогичен принципу работы описанных ранее формирователей коротких импульсов.

Широкое распространение получил формирователь коротких импульсов, схема и временная диаграмма работы которого изображены на рисунке 6. При напряжении низкого уровня на входе устройства конденсатор С1 заряжается через резисторы R1 и R2. При этом напряжение на выходе устройства имеет низкий уровень. При появлении на входе формирователя напряжения высокого уровня конденсатор С1 начинает разряжаться через резистор R2. До тех пор, пока напряжение на конденсаторе не уменьшится до низкого уровня, на обоих входах элемента DD1.2, а следовательно, и на выходе формирователя присутствуют напряжения высоких уровней. Как только напряжение на конденсоре станет меньше 0,4 В, уровень на выходе формирователя изменяется рисунок 6,б. Длительность импульса пропорциональна постоянной времени разрядки конденсатора и равна tи=3R2*С1.

Рисунок 5

Рисунок 6

Формирователи импульсов имеются и в составе микросхем серии К155. Так, микросхема К155АГ1 представляет собой одновибратор с тремя входами, прямым и инверсным, выходами и выводами для подключения внешних времязадающих цепей рисунок 7. Одновибратор может запускаться как положительным, так и отрицательным перепадами входных сигналов при определенном напряжении, не зависящем от длительности входных импульсов. Переключается одновибратор отрицательным перепадом входного сигнала, поданного на один из входов А, в то время как на вход В подано напряжение высокого уровня, или положительным перепадом, поданным, на вход В, если на одном из входов А или А1 присутствует напряжение низкого уровня.

Рисунок 7

Рисунок 8

При максимальном сопротивлении резистора Rвн=40 кОм длительность выходного импульса не должна превышать 0,9Т, где Т — период следования входных импульсов. Длительность выходного импульса зависит от сопротивления Rвн=(0-40) кОм и С=(0-1000) мкф и определяется формулой:
tи=RС1n2. Здесь R=2к+Rвн, 2к — сопротивление внутреннего резистора.

В состав серии К155 входит также микросхема К155АГЗ. В одном корпусе в ней содержатся два одновибратора. Варианты подключения внешних времязадающих элементов и временная диаграмма работы одновибратора изображены на рисунке 8. Одновибратор также запускается либо отрицательным (перепадом входного сигнала на входе А при высоком уровне на входах B и R, либо положительны перепадом положительным перепадом напряжения на входе В при низком уровне на входе А и высоком уровне на входе R. Длительность импульса tи1 определяется постоянной времени времязадающей цепи, но может быть уменьшена за счёт подачи на вход R напряжения низкого уровня при tи2