Генератор прямоугольных импульсов на операционном усилителе

Схема генератора на операционном усилителе (ОУ) изображена на рис. 13. Автоколебательный режим работы генератора обеспечивается за счет положительной обратной связи, которая образуется благодаря включению делителя R 2, R 3 между выходом и неинвертирующим входом операционного усилителя. Частота выходного сигнала зависит от параметров интегрирующей цепи R 1, C 1, которая связывает выход и инвертирующий вход ОУ. Операционный усилитель в схеме генератора фактически работает как компаратор, выполняя сравнение напряжений, подаваемых на его инвертирующий и неинвертирующий входы. Кроме этого ОУ выполняет функцию источника напряжения заряда и разряда конденсатора.

Рис. 13. Генератор прямоугольных импульсов на операционном усилителе

Предположим, что в процессе регенерации ОУ оказался в насыщении по положительной полярности и на его выходе присутствует максимальное положительное напряжение . При этом напряжение на неинвертирующем входе ОУ зависит от коэффициента передачи цепи положительной обратной связи и равняется . Под действием выходного напряжения ОУ происходит заряд конденсатора с постоянной времени , что приводит к увеличению напряжения на инвертирующем входе. Как только это напряжение достигает уровня , происходит переключение ОУ в режим насыщения по отрицательной полярности и на его выходе появляется напряжение . При этом на неинвертирующий вход через делитель R 2, R 3 подается напряжение . Отрицательное напряжение на выходе ОУ приводит к разряду и перезаряду с противоположной полярностью конденсатора С 1, что приводит к уменьшению потенциала на инвертирующем входе ОУ. Как только напряжение на конденсаторе достигает уровня , операционный усилитель снова переключается в режим насыщения по положительной полярности. Подобные процессы повторяются периодически. При этом на выходе ОУ формируется периодическая последовательность двухполярных прямоугольных импульсов.

Длительность выходных импульсов и пауз между импульсами определяется, прежде всего, постоянной времени интегрирующей цепи , а также зависит от коэффициента передачи делителя R 2, R 3

.

ТРИГГЕРЫ

Триггером называется бистабильное устройство, имеющее два длительно устойчивых состояния равновесия и обладающее способностью скачком переключаться из одного состояния равновесия в другое под действием внешнего импульсного сигнала. Способность формировать на выходе два устойчивых значения сигнала, которые могут поддерживаться без изменения сколь угодно длительный промежуток времени, позволяет использовать триггер в качестве элемента памяти.

Существующие типы триггеров можно классифицировать по различным признакам. Так по моменту реакции на изменение входных сигналов триггеры подразделяют на асинхронные и синхронные.

Асинхронный триггер изменяет свое состояние непосредственно в момент изменения сигнала на его информационных (управляющих) входах. Синхронный триггер изменяет свое состояние лишь в строго определенные (тактовые) моменты времени, соответствующие действию активного сигнала на его синхронизирующем входе, и не реагирует на любые изменения информационных сигналов при пассивном значении сигнала на синхровходе.

Наиболее часто триггеры классифицируют по типу используемых информационных входов. Различают следующие типы основных входов триггера:

R – вход сброса триггера;

S – вход установки триггера;

K – вход сброса универсального триггера;

J – вход установки универсального триггера;

T – счетный вход триггера;

D – информационный вход переключения триггера в состояние, соответствующее логическому уровню на этом входе;

C – вход синхронизации.

Некоторые триггеры могут иметь дополнительный управляющий вход V, с помощью которого блокируется работа триггера и он сколь угодно долго может сохранять свое состояние. Как правило, триггеры имеют два выхода: прямой (Q) и инверсный ().

В зависимости от типа используемых входов различают RS-, JK-, D-, T-, DV- и TV- триггеры.

RS-триггер содержит входы R (Reset) и S (Set). Активный уровень на входе R приводит к сбросу триггера (Q = 0), а активный уровень на входе S – к установке триггера (Q = 1). При двух неактивных сигналах триггер сохраняет предыдущее состояние. Комбинация из двух активных входных сигналов для RS- триггера является запрещенной. RS- триггеры могут быть как асинхронными, так и синхронными.

JK-триггер содержит вход сброса K и вход установки S. При неактивных входных сигналах триггер сохраняет предыдущее состояние, при двух активных сигналах – переключается в противоположное состояние. Такие триггеры также могут быть как асинхронными, так и синхронными. JK- триггер является универсальным, так как на его основе можно реализовать любой другой тип триггера.

D-триггер содержит информационный вход D и вход синхронизации C. При пассивном синхросигнале триггер сохраняет свое состояние, при активном синхросигнале – триггер переключается в состояние, соответствующее логическому уровню на входе D.

T-триггер (счетный триггер) содержит один счетный вход T. После каждого входного импульса триггер переключается в противоположное состояние. Таким образом, частота следования импульсов на выходе T- триггера в два раза ниже, чем частота входного сигнала.

Счетчики импульсов

Счетчиком называется последовательностное устройство, предназначенное для подсчета входных импульсов и фиксации их числа в двоичном коде. N -разрядный счетчик строится на основе N однотипных связанных между собой разрядных схем, каждая из которых в общем случае состоит из триггера и некоторой комбинационной схемы, предназначенной для формирования сигналов управления триггером.

В цифровых схемах счетчики могут выполнять следующие операции над кодовыми словами:

1) запись нулевого кода (сброс счетчика);

2) запись входной информации в параллельной форме (установка начального состояния счетчика);

3) хранение информации;

4) выдача хранимой информации в параллельной форме;

5) инкремент – увеличение хранящегося кодового слова на единицу;

6) декремент – уменьшение хранящегося кодового слова на единицу.

Основным параметром счетчика является модуль счета М (емкость счетчика), который характеризует максимальное число входных импульсов, при котором счетчик устанавливается в исходное состояние.

Счетчики могут классифицироваться по различным параметрам. Так по значению модуля счета счетчики подразделяются на:

двоичные, модуль счета которых равен целой степени числа 2 (М = 2 ^N);

двоично-кодированные, в которых модуль счета может принимать любое, не равное целой степени числа 2 значение. К такой категории относятся двоично-десятичные счетчики, емкость которых равна десяти.

По направлению счета счетчики подразделяют на:

суммирующие, выполняющие операцию инкремента над хранящимся кодовым словом;

вычитающие, выполняющие операцию декремента над хранящимся кодовым словом;

реверсивные, выполняющие над хранящимся кодовым словом либо операцию инкремента, либо декремента (в зависимости от значения управляющего сигнала).

По способу организации межразрядных связей счетчики делятся на:

счетчики с последовательным переносом, в которых переключение триггеров разрядных схем осуществляется последовательно один за другим;

счетчики с параллельным переносом, в которых переключение триггеров разрядных схем осуществляется одновременно по сигналу синхронизации;

счетчики с комбинированным последовательно-параллельным переносом, в которых используются различные комбинации способов переноса.

Счетчики импульсов выпускаются в виде отдельных интегральных микросхем малой и средней степени интеграции. Рассмотрим микросхему К555ИЕ6 (зарубежный аналог 74192), которая представляет собой реверсивный двоично-десятичный счетчик, выполненный по ТТЛ-Ш технологии (рис. 14). Такой счетчик имеет следующий выводы: D0-D3 – входы параллельной загрузки данных; PE – разрешение параллельной загрузки данных (при наличии логического нуля на этом входе данные со входов D0-D3 записываются в счетчик); R – вход сброса; +1 – вход суммирования (содержимое счетчика увеличивается на единицу по фронту импульса на этом входе); -1 – вход вычитания (по фронту импульса уменьшение содержимого счетчика на единицу); Q0-Q3 – выходы счетчика; ³ 9 – выход «перенос» (после поступления на вход +1 десятого импульса счетчик обнуляется, а на выходе переноса появляется логический ноль); £ 0 – выход «заём» (если при вычитании содержимое счетчика уменьшается до нуля, на данном выходе появляется логический ноль). Выходы «перенос» и «заём» позволяют увеличивать разрядность счетчика путем каскадного включения микросхем.

Рис. 14. Двоично-десятичный счетчик К555ИЕ6