Лекция 9. Электронные генераторы и таймеры

ЛЕКЦИЯ 9. ЭЛЕКТРОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ И ТАЙМЕРЫ

Электронный генератор — это устройство, позволяющее производить сигналы определённой физической природы и характеризующихся различными параметрами и характеристиками (формой, энергетическими или статистическими характеристики, временными параметрами и т. д.).

Электронные генераторы, в отличие от электрических генераторов не преобразуют энергию из одного вида, например, механическую иди химическую в электрическую, а формируют электрическое напряжение или ток заданной формы и периодичности из постоянного напряжения. Т. о. обязательным атрибутом электронного генератора (далее просто генератора) является источник питания (как правило, это источник напряжения или э.д.с.)

Классификация генераторов

По форме выходного сигнала:

Генераторы синусоидальных, гармонических колебаний.

Генераторы импульсов.

Функциональные генераторы — генератор линейно-изменяющегося напряжения (ГЛИН), генераторы шумоподобных сигналов, генераторы более сложных сигналов, таких, как телевизионная испытательная таблица

По частотному диапазону:

Низкочастотные;

Высокочастотные;

Сверхвысокочастотные.

По виду используемых активных (усилительных) приборов.

Ламповые:

Транзисторные;

На операционных усилителях;

На элементах цифровой логики;

На полупроводниковых диодах с участком ВАХ с отрицательным сопротивлением

-на туннельных диодах;

-на диодах Ганна;

-на обращаемых диодах.

По виду пассивных компонент.

LC-генераторы

RC-генераторы

С трансформаторной обратной связью (блокинг-генераторы);

С использованием кварцевых резонаторов.

По назначению:

Генераторы радиоимпульсов.

Генераторы тактовых импульсов (синхроимпульсов) для цифровых устройств;

Гетеродины радиоприёмной аппаратуры;

Аудиогенераторы для музыкальных инструментов и синтезаторов;

Генераторы возбуждения радио и акустических излучателей;

Генераторы накачки лазеров;

Генераторы систем передачи сигналов по каналам связи;

 

Генераторы импульсов

Д ля использования в микропроцессорных системах наиболее широко используются генераторы импульсных сигналов или генераторы импульсов.

И́мпульс (лат. Impulsus — удар, толчок, побуждение). В физике - импульс — однократное, непродолжительное возмущение состояния какой-либо сущности;

Электрический импульс — кратковременный всплеск электрического напряжения или силы тока в определённом, конечном временном промежутке.

Кратковременный фрагмент синусоидального напряжения высокой частоты называют радиоимпульсом,

Кратковременный фрагмент постоянного напряжения произвольной амплитуды будем называть просто импульсом. Для такого импульса главными атрибутами являются его форма, достаточная величина амплитуды и сам факт появления. Импульс с амплитудой или длительностью заданной величины будем называть импульсным сигналом. Другими словами, сигнал - это импульс, являющийся носителем информации.

Генераторы импульсов можно разделить на:

- генераторы одиночных импульсов (одновибраторы).

- генераторы пакетов (или пачек) импульсов;

- генераторы периодических импульсных последовательностей (мультивибраторы);

- генераторы последовательности пакетов импульсов.

 

Виды и параметры импульсных сигналов

Раздел электроники, в котором описываются процессы и устройства генерации и использования импульсных напряжений и токов принято называть импульсной техникой.

И главным «действующим лицом» импульсной техники являются импульсы. Рассмотрим виды импульсов, используемых в электронике, импульсной и цифровой технике.

Одиночный импульс.

Главной характеристикой одиночного импульса является его форма. Различают идеальные импульсы, т.е. импульсы, с формой, которая определяется целью его генерации, и реальные импульсы, импульсы, которые существуют в ренальных физических условиях своего существования (генерации реальными генераторами и процессами передачи по электронным цепям).

Наиболее часто в радиотехнике и цифровых вычислительных устройствах используются прямоугольные импульсы (рис. 1 а). Такие импульсы формируются т.н. генераторами или формирователями одиночных импульсов или одновибраторами. Такие импульсы используются для пуска, сброса или установки в нужное состояние цифровых устройств. Часто одиночные импульсы создаются нажатием кнопок или срабатыванием устройств сигнализации.

Экспоненциальные импульсы формируются из прямоугольного импульса путём пропускания его через RC - цепочки различного вида. (сглаживающей либо укорачивающей), (рис. 1 б и рис. 2).

Пилообразные и (импульсы линейно нарастающего напряжения) используют в схемах развертки осциллографов и электронно-лучевых индикаторов, а также в схемах ШИМ (рис. 2 ).

Иногда в импульсной для создания прямоугольных импульсов управляемой длительностью используют импульсы треугольной формы (рис. 1 в).

В некоторых случаях в электрических цепях используют колоколообразные импульсы (рис. 1 г). Импульсы такой формы создают при передаче по линиям связи минимум помех.

Если внутри импульса происходят колебания напряжения радиочастоты, то этот импульс называется радиоимпульсом (рис. 1 д). Такие импульсы используют в радиолокаторах, а способ их получения называется импульсной модуляцией радиосигнала (импульс с высокочастотным заполнением).

Такие же импульсы, но звуковой частоты, используют в акустических локаторах для обнаружения и идентификации подводных объектов.

Иногда в импульсной технике при описании импульсов, создаваемых реальными схемами, импульсы напряжения описывают не как прямоугольны, а трапецивидные, характеризующиеся не только длительностью, но и конечным значением времени нарастания и напряжения и времени спада (рис. 3). Эти временные промежутки называются передним и задним фронтом импульса, или временем фронта t_ф и временем спада (или среза импульса) t_с.

 

Рис. 1. Импульсы различной формы: прямоугольный а), экспоненциальный апериодический б), треугольный в), колоколообразный г), радиоимпульс д)

Рис. 2. Импульсы ЛИН и укороченный экспоненциальный.

 

Рис. 3. Трапецевидный импульс.

 

Реальные импульсы.

В процессе перемещения по электрическим цепям (проводникам электронных устройств и линиям передачи сигналов (линиям и каналам связи) импульсы претерпевают изменения своей формы, которые называются искажениями. Импульсы приобретают вид реальны импульсов, который может сильно отличаться от идеального. На рис 4. представлен вид реальных прямоугольных импульсов, которые, как видите, становятся совсем не прямоугольными. Для описания формы таких импульсов вводятся различные параметры их формы, некоторые из которых приведены на рисунке 4.

 

 

 

Рис. 4. Вид реальных прямоугольных импульсов.

 

Типы генераторов

В зависимости от сложности устройства, используют разные виды генераторов.

RC - генератор

В несложных конструкциях, не критичных к стабильности тактового генератора, часто используется последовательное включение нескольких инверторов через RC-цепь. Частота колебаний зависит от номиналов резистора и конденсатора. Основной недостаток данной конструкции — низкая стабильность, достоинство — предельная простота.

Кварцевый

Микросхема генерации при подключении к её входам кварцевого резонатора будет выдавать на остальных выводах частоту, делённую или умноженную на исходную. Такой способ используется в часах, а также на старых материнских платах (где частоты шин были заранее известны, только внутренняя частота центрального процессора умножалась).

Управляемый напряжением

Генератор, управляемый напряжением (ГУН; англ. VCO) — электронный генератор, частота колебаний которого зависит от подаваемого на генератор управляющего напряжения. ГУН широко применяются в различных радиоэлектронных системах — аппаратуре радиосвязи, автоматического управления, электромузыкальных инструментах и др.

Схемы RC генераторов

RC генераторы — это генераторы в которых в качестве частотно задающего элемента используются сопротивления и конденсаторы. RC генераторы позволяют получить самые дешевые и малогабаритные генераторы. Кроме того, они могут перестраиваться по частоте в широких пределах. Это обусловило широкое распространение RC генераторов в цифровой технике.

В настоящее время большинство микроконтроллеров, вычислительных и сигнальных процессоров используют RC генераторы для своего тактирования. При этом они реализуются как в виде калиброванных генераторов на фиксированную частоту, так и как составляющая часть цепей фазовой автоподстройки частоты (PLL).

Следует отметить, что для тактирования цифровых устройств нужны генераторы прямоугольных импульсов. Кроме того, генератор желательно выполнить на логических элементах. В качестве подобной схемы RC генератора можно привести мультивибратор, принципиальная схема которого приведена на рисунке 10.

 

Рис. 10. Схема мультивибратора на логических элементах

 

В этой схеме частота выходных импульсов зависит от значений элементов R1, C1 и R2, C2. Соотношение между RC цепочками позволяет регулировать скважность выходных импульсов, однако в большинстве случаев соотношение между длительностью нулевого и единичного потенциала в выходном колебании не интересует разработчиков цифровой аппаратуры. Поэтому схему RC генератора можно упростить, как это показано на рисунке 2.

 

 

Рис.. Схема RC генератора тактовых импульсов для цифрового устройства

 

Временные диаграммы на входе и выходах логических инверторов RC генератора приведены на рисунке 11.

 

Рис. 11. Временные диаграммы сигналов на выводах инверторов мультивибратора

 

Переключение первого инвертора из единичного состояния в нулевое и наоборот будет происходить при достижении напряжения на входе значения половины питания. Это произойдет за время, описываемое следующим выражением:

0,5 U _п = U _п·e^{− t} ₁^{/ RC}

Отсюда можно выразить время половины периода колебания RC генератора:

t ₁ = − R·C ·ln(0,5) = 0,69· RC.

Полный период, соответственно будет равен:

T = t ₁+ t ₂= 1,4· RC,

что соответствует частоте выходных колебаний генератора:

f = 0,72/ R·C

Из данного выражения видно, что частота генератора определяется значением сопротивления R1 и конденсатора C1. Большую емкость трудно сделать в интегральном исполнении, поэтому обычно ее задают в пределах 30... 50 пФ. Конкретное значение частоты RC генератора будет определяться сопротивлением резистора R1. В интегральном исполнении в качестве этого резистора используют полевой транзистор.

На рисунке 12 представлена схема генератора, частоту импульсов которог можно менять с помощью переключателя.

 

Рис. 12. Схем генераторов с изменяемой частотой на ИС ИЛИ НЕ.

 

Кварцевый резонатор

Резонатор – (от лат. Resono– звучу в ответ, откликаюсь) – это микроэолектромеханическая система, которая способна совершать колебания с максимальной амплитудой, то есть резонировать, при воздействии внешней силы определенной частоты и формы. кварцевый резонатор в электронике, (иногда он называется просто “кварц”), – это радиоэлемент, который способен резонировать, если на него подать переменне напряжения определенной частоты и формы.

Кварцевые резонаторы выглядят так.

 

 

Рис. 13. Кварцевые резонаторы

 

Конструкция резонатора состоит и пластинки из пьезоэлетрика (пластины кварца), помещённого между двумя металлическими пластинами. А поскольку кварц является диэлектриком, конструкция одновременно будет обладать и свойствами конденсатора.

 

Рис. 14. Обозначение кварцевого резонатора на схемах.

 

Физический размер и толщина кварцевой пластинки внутри кварцевого резонатора строго должна соблюдаться, так как именно ее габаритные размеры влияют на основную частоту колебаний. Здесь правило такое: чем больше толщина пластинки, тем ниже рабочая частота кварца. Поэтому, самые высокие частоты, на которые делают кварцы, составляет не более 50 МГц. (минимальная толщина пластины ограничена хрупкостью кварца). Более высокие частоты получают с помощью специальных схем умножителей частоты.

Кварцевый генератор

Кварцевый генератор представляет из себя генератор фиксированной высокостабильной частоты и имеет в своем составе кварцевый резонатор. В основном кварцевые генераторы бывают двух видов:

- генераторы синусоидального сигнала

- генераторы прямоугольного сигнала, который чаще всего используется в цифровой электронике.

Схема Пирса

Самая простая схема для возбуждения кварца – это классический генератор Пирса, который состоит всего лишь из одного полевого транзистора и небольшой обвязки из четырех радиоэлементов:

 

Рис. 18. Схема Пирса

 

Как работает схема. В схеме есть положительная обратная связь, (сигнал из цепи стока подаётся через конденсатор С на кварцевый резонатор, находящийся во входной цепи), а положительная обратная связь, как известно, приводит к возникновению колебаний в усилительных схемах.

Схема Колпитца

Это также довольно распространенная схема.

 

Рис. 20. Схема Колпитца

 

Резисторы R1 и R2 устанавливают рабочую точку для транзистора. Резистор R_E устанавливает уровень выходного напряжения.

Плюсы кварцевых генераторов

Плюсы кварцевых генераторов частоты – это высокая частотная стабильность. В основном это 10^-5– 10^-6от номинала или, как часто говорят, ppm (от англ. parts per million) — частей на миллион, то есть одна миллионная или числом 10^-6. Отклонение частоты в ту или иную сторону в кварцевом генераторе в основном связано с изменением температуры окружающей среды, а также со старением кварца. При старении кварца, частота кварцевого генератора стает чуточку меньше с каждым годом примерно на 1,8х10^-7 от номинала. Если, скажем, я взял кварц с частотой в 10 Мегагерц (10 000 000 Герц) и поставил его в схему, то за год его частота уйдет примерно на 2 Герца в минус!

 

«Кварцованные» генераторы импульсов на основе логических микросхем.

На рис. 22 приведена схема использования кварцевого резонатора в генераторе на основе микросхем И-НЕ.

 

 

Рис. 22. Схема генератора на основе ИС ИЛИ -НЕ.

 

А на рисунке 23 - схема на основе микросхем И-НЕ.

 

 

Рис. 23 Схема на основе ИС И-НЕ.

 

Управляемые генераторы

Генератор, управляемый напряжением (ГУН; англ. VCO) — электронный генератор, частота колебаний которого зависит от подаваемого на генератор управляющего напряжения. ГУН широко применяются в различных радиоэлектронных системах — аппаратуре радиосвязи, автоматического управления, электромузыкальных инструментах и др.

На рисунке 25 приведена схема транзисторного ГУН, частота колебаний которого изменяется с помощью варикапа.

Рис. 25. Принципиальная схема LC-генератора, перестраиваемого напряжением (схема Клаппа).

 

На рисунке 26 приведена схема ГУН на основе операционных усилителей.

 

 

Рис. 26. Схема аудио - ГУН на основе ОУ

 

Генератор пачек импульсов.

Часто возникает потребность генерации пачек импульсов, либо генераторов периодических последовательностей пачек. На рисунке 31 приведена схема RC-генератора пачек импульсов на основе использования логических схем И-НЕ.

 

 

Рис. 31. Генератор пачек импульсов на основе микросхемы К581ЛА7.

 

При подаче на управляющий вход генератора он начинает генерировать импульсы с заданной частотой (в данном случае, с частотой 1 кГц). Количество импульсов в пачке определяется частотой работы генератора и длительностью управляющего импульсы напряжения. Очевидно, что подавая на управляющий вход этого генератора импульсную от тактового генератора с частотой, например, 100 Гц, мы получим последовательность пачек по 10 импульсов.

ЛЕКЦИЯ 9. ЭЛЕКТРОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ И ТАЙМЕРЫ

Электронный генератор — это устройство, позволяющее производить сигналы определённой физической природы и характеризующихся различными параметрами и характеристиками (формой, энергетическими или статистическими характеристики, временными параметрами и т. д.).

Электронные генераторы, в отличие от электрических генераторов не преобразуют энергию из одного вида, например, механическую иди химическую в электрическую, а формируют электрическое напряжение или ток заданной формы и периодичности из постоянного напряжения. Т. о. обязательным атрибутом электронного генератора (далее просто генератора) является источник питания (как правило, это источник напряжения или э.д.с.)

Классификация генераторов

По форме выходного сигнала:

Генераторы синусоидальных, гармонических колебаний.

Генераторы импульсов.

Функциональные генераторы — генератор линейно-изменяющегося напряжения (ГЛИН), генераторы шумоподобных сигналов, генераторы более сложных сигналов, таких, как телевизионная испытательная таблица

По частотному диапазону:

Низкочастотные;

Высокочастотные;

Сверхвысокочастотные.