Принципы построения генераторов импульсов

1. Все генераторы основаны на использовании явления возникновения колебаний напряжения в усилительных схемах, охваченных положительной обратной связью. При этом, выходное напряжение или его часть подаётся на вход усилительной схемы без изменения фазы усиливаемого напряжения.

2. В качестве усилительной схемы могут использоваться схемы на основе электровакуумных приборов, транзисторные каскады, интегральные операционные усилители и компараторы, схемы цифровой логики, а также специальные виды диодов, имеющие на ВАХ участок с отрицательным сопротивлением.

3. В качестве времязадающих элементов используются пассивные компоненты: конденсаторы и резисторы (RC -генераторы), колебательные контуры (LC - генераторы), кварцевые резонаторы («кварцевые» генераторы

4. При выборе схем генераторов следует учитывать наличие большого количества специализированных микросхем генераторов самого различного назначения.

Генератор тактовых импульсов (ГТИ).

Рассмотрение схем генераторов начнём с наиболее часто используемых в цифровой электронике генераторов тактовых импульсов со схем

ГТИ предназначен для синхронизации различных процессов в цифровых устройствах — ЭВМ, электронных часах, таймерах и других. Он вырабатывает электрические импульсы (обычно прямоугольной формы) заданной или регулируемой частоты. Иногда частота следования импульсов используется как эталонная. Подавая такие импульсы на счётчик импульсов и подсчитывая их количество, можно, например, задавать или измерять временные интервалы, т.е. создавать т.н. таймеры.

В микропроцессорной технике один тактовый импульс, как правило, соответствует одной атомарной операции процессора. Обработка одной инструкции может производиться за один или несколько тактов работы микропроцессора, в зависимости от архитектуры и типа инструкции. Т. о., частота тактовых импульсов определяет скорость вычислений.

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).

На основе программируемой микросхемы тактового генератора

В современных материнских платах необходимо большое количество разных частот, помимо опорной частоты системной шины, которые, по возможности, не должны быть зависимы друг от друга. Хотя базовая частота всё же формируется кварцевым резонатором, она необходима лишь для работы самой микросхемы. Выходные же частоты корректируются самой микросхемой.

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.