Справочное пособие по цифровой электронике - [9]
Глава 4
Таймеры
В цифровых схемах часто требуется источник импульсов с точно определенной длительностью. Обычно необходимы и одиночный импульс с заданной длительностью, и непрерывная последовательность импульсов с заданными частотой и коэффициентом заполнения. Первому требованию удовлетворяет моностабильная схема (см. гл. 3), а второму — астабильная схема. (Термин «астабильный» означает, что выход схемы не находится в стабильном или устойчивом состоянии, а непрерывно изменяется между низким и высоким уровнями, т. е. схему можно считать разновидностью генератора.)
Вместо проектирования схемы из традиционных логических элементов проще и экономичнее использовать одну из выпускаемых микросхем таймеров. Таймер может работать в обоих режимах, а для задания его рабочих параметров требуется очень мало внешних элементов.
До рассмотрения схемы типичного таймера уточним некоторые относящиеся к нему термины.
Частота повторения импульсов f импульсного сигнала характеризует число импульсов, приходящихся на заданный временной интервал, обычно на 1 с. Сигнал с частотой 1 кГц соответствует 1000 импульсам в секунду.
Период импульсов t импульсного сигнала — это время одного полного цикла импульса:
t = 1/f.
Период указанного выше импульсного сигнала составляет 1/1000 c, или 1 мс.
Коэффициент заполнения (КЗ), %, импульсного сигнала равен отношению t>вкл(высокий уровень) к сумме t>вкл и t>выкл (низкий уровень), т. е.
Сигнал, у которого t>вкл = 1 мс и >выкл = 1 мс, имеет коэффициент заполнения 50 %, т. е. собственно импульс действует в течение половины периода.
Коэффициент формы (КФ) импульсного сигнала равен отношению t>вкл (высокий уровень) и t>выкл (низкий уровень).
Ширина импульса прямоугольной формы равна временному интервалу, измеренному на уровне 50 % амплитуды, в течение которого сигнал имеет высокий уровень (включен).
Время нарастания (фронта) импульса равно временному интервалу между точками 10 и 90 % его амплитуды. Время нарастания «идеального» импульса равно нулю.
Время спада (среза)t>cимпульса равно временному интервалу между точками 90 и 10 % его амплитуды. Время спада «идеального» импульса равно нулю.
На рис. 4.1 представлен типичный импульсный сигнал и показаны рассмотренные параметры.
Рис. 4.1.Типичные параметры импульсного сигнала.
Микросхема таймера 555, по-видимому, является одной из наиболее универсальных микросхем. Она не только сочетает в себе комбинацию аналоговых и цифровых схем, но и широко применяется в области цифровых генераторов импульсов. Чтобы разобраться в работе микросхемы, остановимся на ее внутреннем устройстве.
Упрощенная схема таймера 555 приведена на рис. 4.2.
Рис. 4.2.Упрощенное внутреннее устройство таймера 555.
По существу, таймер состоит из двух операционных усилителей, используемых в качестве компараторов, и RS-триггера. Кроме того, предусмотрен инвертирующий выходной буфер, обеспечивающий достаточно высокую нагрузочную способность. Для быстрого разряда внешнего времязадающего конденсатора имеется транзисторный ключ TR1.
На рис. 4.3 показано включение стандартного таймера 555 в качестве астабильного генератора импульсов.
Рис. 4.3.Астабильная конфигурация таймера 555.
Предположим, что на Выходе (контакт 3) первоначально действует напряжение высокого уровня и транзистор выключен. Тогда конденсатор С начнет заряжаться от источника питания через резисторы R1 и R2.
Когда напряжение на входе Порог (контакт 6) превысит две трети напряжения питания, состояние на входе верхнего компаратора изменится, RC-триггер сбросится (0) и на выходе Q¯ появится напряжение высокого уровня, которое включает транзистор TR1. Из-за наличия инвертирующего буфера на Выходе (контакт 3) формируется напряжение низкого уровня.
Теперь конденсатор С будет разряжаться током, который протекает через резистор R2 и транзистор TR1.
Через некоторое время напряжение на входе Запуск (контакт 2) уменьшится до одной трети напряжения источника питания и нижний компаратор изменит свое состояние, возвратив триггер в исходное состояние (1). На выходе Q¯ образом, весь цикл работы таймера повторяется непрерывно.
Форма выходного сигнала схемы, показанной на рис. 4.3, аналогична сигналу на рис. 4.1. Основные параметры генератора рассчитываются следующим образом:
Для получения симметричного прямоугольного сигнала следует выбрать резистор R2 намного больше R1.
На рис. 4.4 показан стандартный таймер 555, работающий в моностабильном режиме. Для получения выходного импульса на входного импульса на вход Запуск подается спадающий
Рис. 4.4.Моностабильная конфигурация таймера 555.
Запуск подается спадающий фронт, т. е. осуществляется переход от 1 к 0. Когда действует этот сигнал и запускающее входное напряжение уменьшается ниже одной трети напряжения питания, на выходе нижнего компаратора появляется напряжение высокого уровня и триггер переводится в состояние 1. На выходе Q¯ триггера формируется напряжение низкого уровня, транзистор TR1 выключается, и на выходе схемы (контакт 3) появляется напряжение высокого уровня.
После этого конденсатор С заряжается от источника питания через резистор R до тех пор, пока напряжение
