Badanie generatora pojedynczego impulsu z obwodem RC.

Najprostszym elementem opóźniającym stosowanym w układach cyfrowych jest generator pojedynczego impulsu (GPI) z pojedynczym tranzystorem przedstawiony na rys. 1 niżej

Rys. 1 Schemat ideowy generatora pojedynczego impulsu oraz przebiegi czasowe :

napięcia wejściowego U_we, napięcia na bazie U_B, prądu bazy I_B,

napięcia wyjściowego U_wy.

W stanie spoczynku tranzystor jest nasycony i na jego kolektorze panuje napięcie U_CFN. Warunek nasycenia tranzystora

I_c < β_N I_B

(β_N - współczynnik wzmocnienia prądowego w stanie nasycenia)

sprowadza się do zależności

skąd przy założeniu U_CEN, U_BEN < < E_C otrzymujemy

R_B < β_N R_C

Podanie zbocza narastającego na wejście powoduje wymuszenie impulsu prądu bazy ograniczonego przede wszystkim przez rezystancję źródła, ponieważ rezystancja dynamiczna złącza E - B spolaryzowanego w kierunku przewodzenia jest niewielka i w czasie trwania zbocza

Podanie zbocza opadającego powoduje przeniesienie skoku napięcia na bazę tranzystora, ponieważ złącze E - B zostaje spolaryzowane wstecznie. Kondensator zacznie się przeładowywać, bo U_B będzie dążyć od wartości początkowej U_BEN - E_C ≈ - E_C do + E_C (wartość ustalona napięcia przy nieprzewodzącym złączu E - B). W trakcie przeładowywania

U_B (t) = − 2 E_C exp (- t / R_B C) + E_C

Czas trwania impulsu t_i wyznaczamy przyjmując U_B (t_i) = 0 (w rzeczywistości U_B(t_i) ≈ U_BEN)

U_B (t_i) = 0 = - 2 E_C exp (- t / R_B C) + E_C

t_i = R_B C ln 2

t_i = 0,69 R_B C

Zmianę wartości opóźnienia przeprowadza się zmieniając

1) Wartość pojemności C. Ten sposób służy do zmiany skokowej.

2) Wartość skoku napięcia wejściowego. Ten sposób służy do zmiany płynnej.

Rys. 2 Schemat ideowy układu do płynnej regulacji opóźnienia ( nie pokazano obwodu bazy tranzystora sterującego).

W tym układzie skok napięcia można zmieniać od 0 do wartości

przedstawione wyżej rozwiązanie GPI ma następujące wady :

skok napięcia na bazie -który polaryzuje wstecznie złącze E - B- powinien być mniejszy od
napięcia przebicia złącza E - B. Narzuca to ograniczenie na wartość E_C od góry - w przypadku krzemowych tranzystorów planarnych - do 5V,

w stanie spoczynku niewielkie oscylacje lub zakłócenia na wejściu mogą spowodować przejście tranzystora w stan w stan aktywny i generowanie paczek impulsów na wyjściu,

1. czas trwania zbocza opadającego jest proporcjonalny do czasu trwania impulsu, więc przy współpracy z elementami cyfrowymi może być potrzebne formowanie sygnału wyjściowego,

-1. czas trwania U (o) na wejściu musi być dłuższy od czasu trwania generowanego impulsu, gdyż pojawienie się zbocza narastającego na wejściu powoduje ponowne wejście tranzystora w stan przewodzenia.

Jednym z prostszych rozwiązań eliminujących pierwsze dwie wady jest układ przedstawiony na rys. 3.

Rys. 3 Schemat ideowy GPI o zwiększonej odporności na zakłócenia.

W stanie spoczynku, gdy U_we = U (1), dioda nie przewodzi ponieważ wartości R₁ i R₂ są tak dobrane, by U_A < U (1). Zakłócenia nakładające się na U_we nie powodują więc wysterowania tranzystora. W stanie U (0) na wejściu nasycony tranzystor sterujący zwiera zakłócenia do masy. Dioda wchodzi w stan przewodzenia przy przejściu U_we z U (1) na U (0), gdy U_we opadnie poniżej U_A o od tego momentu zmiana U_we przenosi się na bazę tranzystora. Na to by nie nastąpiło przebicie złącza E - B wartość U_A powinna być nie większa od napięcia przebicia.

Poprawę stromości zbocza opadającego można osiągnąć wprowadzając dodatnie sprzężenie zwrotne jak w układzie przerzutnika monostabilnego przedstawionego na rys. 4.

Rys. 4 Schemat ideowy przerzutnika monostabilnego.

W stanie spoczynku U_wy = U (0), bo tranzystor T₂ jest w stanie nasycenia w wyniku przepływu prądu bazy przez R”_B. Przyjmijmy U_we = U (0). Wówczas U_C1 = U (1), bo T₁ jest odcięty.

Jeżeli na wejście podamy U (1), to T₁ zostanie wysterowany i wejdzie w stan nasycenia. Zbocze opadające z kolektora T₁ przeniesie się na bazę T₂, który zostanie odcięty. Na wyjściu pojawi się więc U (1), co z kolei zapewnia przepływ przez R₁ dodatkowego prądu wysterowującego T₁. Możliwe są teraz dwie sytuacje :

Stan U_we = U (1) trwa dłużej niż impuls odmierzany przez GPI złożony z C, R”_B, T₂, R”_C. W tej sytuacji przebieg impulsu wyjściowego jest taki jak dla GPI.

Stan U_we = U (1) trwa krócej, niż impuls odmierzany przez GPI. W tej sytuacji po przejściu U_we na U (0) nasycenie T₁ jest podtrzymywane przez prąd płynący od wyjścia przez R₁. W chwili gdy w wyniku przeładowywania kondensatora U_B2 przekroczy ok. 0,4 V, T₂ wejdzie w stan aktywny, popłynie prąd kolektorowy i U_C2 zacznie maleć, a więc zmaleje także prąd wysterowania T₁ dopływający przez R₁. Dopóki prąd ten będzie wystarczał do nasycenia T₁, nic się nie zmieni. Istotna zmiana nastąpi gdy T₁ wyjdzie ze stanu nasycenia i przejdzie do stanu aktywnego, w którym teraz będą już oba tranzystory. Związany z wyjściem T₁ z nasycenia wzrost U_C1 przeniesie się przez C na bazę T₂ powodując jego głębsze wysterowanie i szybsze opadanie U_C2. Od momentu wyjścia T₁ z nasycenia proces przełączania w wyniku działania dodatniego sprzężenia zwrotnego potoczy się lawinowo z szybkością ograniczoną tylko przez parametry dynamiczne tranzystorów a niezależną od R_B i C.

Wartość U_C2, przy której T₁ wychodzi ze stanu nasycenia, można wyznaczyć z zależności I_C1 = β_NI_B przy I_C1 ≈ E_C / R_C. Jest ona równa

jeżeli pominie się prądy odpływające przez rezystory R_B od bazy T₁. Jak widać, zależy ona silnie od β_N i jej rozrzut będzie taki sam jak rozrzut β_N. Na to by go zmniejszyć trzeba selekcjonować tranzystory na β_N albo dobierać R₁ indywidualnie do każdego tranzystora T₁. Jest to istotna wada z punktu widzenia produkcji seryjnej. Przerzutnik monostabilny eliminuje więc pozostałe dwie wady GPI ale wymaga selekcji elementów.

Generator pojedynczego impulsu o lepszych parametrach można zrealizować prościej przy użyciu obwodu scalonego NE 555, którego odpowiedniki funkcjonalne są produkowane przez szereg firm. Na rys. 5 przedstawiono schemat funkcjonalny oraz tablicę stanów.

U4	U2	U6	U3n
U(0)	X	X	U(0)
U(1)	<E/3	X	U(1)
U(1)	>E/3	>2E/3	U(0)
U(1)	>E/3	<2E/3	U3n-1

Rys. 5 Schemat funkcjonalny układu scalonego NE 555 i tablica stanów U_3n - wartość sygnału
na wyjściu 3 po ostatniej zmianie sygnałów wejściowych. U_{3 (n-1)} - wartość sygnału na
wyjściu 3 przed ostatnią zmianą sygnałów wejściowych.

Układ ma dwa wyjścia :

3 - wyjście mocy, przeznaczone do sterowania elementów zewnętrznych. U_wy = U (1) w
przypadku układu w wersji bipolarnej jest mniejsze od E o ok. 1,4 V.

7 - wyjście typu otwarty kolektor (tranzystor wysterowany, gdy U₃ = U (o)) przeznaczone
przede wszystkim do zwierania kondensatora w obwodzie odmierzania opóźnienia.

Wejścia układu :

4 - wejście cyfrowe, przeważające nad pozostałymi

Gdy U₄ = U (o), U₃ = U (o)

2 - wejście analogowe przeważające nad wejściem 6. Gdy U₂ < E / 3, ale U₄ = U(1),

U₃ = U (1)

6 - wejście analogowe. Gdy U₆ > 2 E / 3 (ale U₄ = U (1), U₂ > E / 3 ), U₃ = U (o).

Jak widać, przy U₄ = U (1), U₂ > E / 3, U₆ < 2 E / 3 stan wyjścia 3 jest nieokreślony, gdyż wszystkie wejścia nie są aktywne. U₃ pozostaje wówczas przy wartości jaką miało, gdy ostatnie z wyjść wyszło ze stanu aktywnego.

Najprostszy układ GPI z układem scalonym NE 555 przedstawiono na rys. 6.

Rys. 6 Schemat ideowy generatora pojedynczego impulsu z NE 555 oraz przebiegi czasowe :
napięcia wejściowego U_we napięcia za wejściowym układem różniczkującym C₁, R_A, R_B
napięcia na kondensatorze odmierzającym opóźnienie napięcia wyjściowego.

W stanie spoczynku U₃ = U (o) i wewnętrzny tranzystor zwiera pojemność C_o.
Podanie zbocza opadającego na wejście powoduje obniżenie napięcia na wejściu 2 poniżej E/3, uaktywnienie tego wejścia i przejścia U₃ na U (1). Wewnętrzny tranzystor zostaje odcięty i kondensator C_o zaczyna ładować się wykładniczo przez R_o do napięcia E. Gdy po czasie
1,1R_o C_o U₆₇ przekroczy 2E/3, uaktywnia się wejście 6, U₃ przechodzi na U (o) (impuls się kończy), a wewnętrzny tranzystor znowu zwiera pojemność C_o.

Układ NE 555 można także wykorzystać do opóźniania jednego lub obu zboczy impulsu wejściowego. Schemat ideowy przedstawiono na rys. 7.

Rys. 7 Schemat ideowy układu opóźniającego zbocza sygnału wejściowego.

W stanie spoczynku układ realizuje funkcję negacji. Po zmianie stanu na wejściu kondensator C_o przeładowuje się ze stałą czasową R_o C_o do nowej wartości U_we. Po czasie 1,1 R_o C_o osiąga próg zadziałania komparatora, który do tej pory nie był aktywny, po czym następuje zmiana stanu na wyjściu.

Włączenie diody D₁ likwiduje opóżnienie po zboczu opadającym U_we a włączenie diody D₂ likwiduje opóźnienie po zboczu narastającym. Przebieg ładowania kondensatora przez rezystor ma charakter wykładniczy.

W przedstawionym niżej przekaźniku programowym o nastawnym czasie opóźnienia potrzebna jest liniowa zależność opóźnienia od położenia suwaka potencjometru. Aby ją osiągnąć wprowadzono ładowanie kondensatora przez źródło prądowe. Schemat ideowy układu wraz z przebiegami przedstawiono na rys. 8.

Rys. 8 Schemat ideowy przekaźnika programowego. K_a.. K_n - komparatory z wyjściem typu
otwarty kolektor.

W stanie spoczynku U₃ = U (o) i tranzystor wewnętrzny zwiera kondensator C_o. Pojawienie się zbocza opadającego na wejściu powoduje zmianę stanu na wyjściu i ładowanie kondensatora C_o prądem I_o. Napięcie U₆₇ narasta liniowo :

W chwili, gdy osiągnie wartość nastawioną na P₁ następuje zmiana stanu komparatora K_a, a po osiągnięciu U _n zmienia stan K_n. Gdy U₆₇ osiągnie wartość 2 E / 3, U₃ przechodzi na U (o),
Co zostaje zwarty przez wewnętrzny tranzystor i program się kończy.

Generator pojedynczego impulsu. Układy monostabilne (zasilanie 5 V).

W ramach realizacji ćwiczenia należy:

A. Generator pojedynczego impulsu sterowany z negacji :

R_B = 20 kΩ R_C = 2 kΩ C₁ = 47 nF

- zaobserwować przebieg na bazie T₂, wyjaśnić, sprawdzić zgodność z teoretycznym,

- określić opóźnienie czasowe.

B. Generator pojedynczego impulsu sterowany z wtórnika :

R_E = 2 kΩ

- zaobserwować przebieg na bazie T₂, wyjaśnić, sprawdzić zgodność z teoretycznym

- określić opóźnienie czasowe.

C. Przerzutnik monostabilny :

- podać na wejście napięcie z wyjścia A. Sprawdzić czy na wyjściu C pojawia się impuls,

- zaobserwować i wyjaśnić przebiegi w poszczególnych punktach układu,

- określić opóźnienie czasowe, sprawdzić zgodność z wyznaczonym teoretycznie.

D. Generator pojedynczego impulsu z NE 555 (C₂ = 510 pF) :

- sprawdzić przebieg na wejściu 2, sprawdzić zgodność z wyznaczonym teoretycznie,

- określić opóźnienie czasowe, sprawdzić zgodność z wyznaczonym teoretycznie.

E, F. Układy realizujące opóźnienie przy narastającym lub opadającym zboczu fali
prostokątnej :

- nastawiając odpowiednio częstotliwość G 2 określić opóźnienia realizowane przez oba
układy,

- obserwować przebiegi na połączonych wejściach 2, 6 jednocześnie z napięciem G 2.

G. Przekaźnik programowy :

- podać na wejście napięcie z wyjścia E przy niskiej częstotliwości G 2. Obserwować przebieg
na połączonych n. 6. 7. Za każdym zboczem opadającym z wyjścia E powinien pojawiać się
przebieg piłokształtny,

- obserwować przebiegi na wyjściach G 1 i G 2.

H. Przekaźnik podczęstotliwościowy :

- podać na wejście falę prostokątną z wyjścia E. Zmieniając częstotliwość obserwować
przebieg na C₅ i na wyjściu H,

- określić częstotliwość, poniżej której na wyjściu pojawiają się pulsy.

---