Управляемые генераторы вообще и одновибраторы в частности радиолюбители чаще всего выполняют на типовых микросхемах групп АГ и ГГ. Между тем нестандартные реализации таких генераторов, кроме оптимизации конструкции, подчас предопределяют появление ряда новых интересных эффектов и свойств того или иного устройства в целом. Однако публикаций на эту тему в "Радио" и другой популярной литературе очень немного. Автор этой статьи делится опытом в освоении управляемых одновибраторов, построенных по нетривиальной схеме.
Описанный в [1] (схема - на рис. 8,а) одновибратор на триггере обладает довольно широкими возможностями, однако ему присущи и некоторые недостатки. Во-первых, зарядка конденсатора С1 происходит через выходное сопротивление триггера. На рис. 1 ,а показан фрагмент схемы этого одновибратора с времязадающими цепями, выходное сопротивление Rвых условно показано вне триггера. Изменение Rвых влияет на длительность формируемого импульса. Во-вторых, велико (относительно длительности формируемого импульса) время восстановления напряжения на конденсаторе до заданного уровня. В-третьих, отсутствует функциональная возможность электронного управления длительностью выходного импульса, что сужает область применения узла.
Рассмотрим цепи зарядки и разрядки конденсатора С1 в одновибраторе. На этапе формирования временного интервала Tо конденсатор заряжается от 0 (точнее, от остаточного напряжения) до порогового напряжения Uпор по цепи: плюсовой вывод источника питания- Rвых-R1-С1-общий провод.
На этапе восстановления конденсатор разряжается от Uпор до 0 сначала через диод VD1 и выходное сопротивление Rвых, а в конце, когда закрывается диод VD1, - через резистор R1.
Диод практически полностью закрывается при уменьшении напряжения на нем ниже 0,5...0,6 В, и конденсатор заканчивает разрядку с такой же постоянной времени, как и при формировании временного интервала. Таким образом, при ужесточении требований к остаточному напряжению на конденсаторе время восстановления увеличивается, ограничивая допустимую частоту следования импульсов при заданной погрешности восстановления.
Конечно, время восстановления может быть существенно уменьшено для приведения конденсатора в исходное состояние применением дополнительного
разрядного транзистора, однако это усложнит и удорожит конструкцию. Оказывается, уменьшить время восстановления одновибратора и расширить его функциональные возможности можно без усложнения довольно простым путем.
В одновибраторе по схеме на рис. 1 ,б деталей столько же, но правый вывод резистора R1 подключен к плюсовому проводу питания. Здесь выходное сопротивление триггера не влияет на длительность зарядки конденсатора С1.
Конденсатор С1 заряжается от напряжения Uд на диоде VD1 до Uпор по цепи: плюсовой провод питания-резистор R1-конденсатор С1-общий провод, а разряжается - от Uпор до Uд через диод VD1-выходное сопротивление Rвых.
Таким образом, в одновибраторе по схеме на рис. 1 ,б, во-первых, отсутствует влияние выходного сопротивления триггера на формируемый временной интервал, и, во-вторых, исключена вторая часть этапа восстановления (разрядка конденсатора через резистор), увеличивающая общее время восстановления. Действительно, диод после завершения формирования одновибратором заданного промежутка времени остается открытым током, протекающим через резистор R1. Сопротивление диода остается малым, что и обеспечивает быстрое восстановление исходного напряжения на конденсаторе. Правда, это несколько увеличивает расход мощности одновибратором в режиме ожидания.
На рис. 2 показаны диаграммы напряжения на входе R триггера на этапе восстановления для одновибратора по схеме рис. 1 ,а (кривая 1) и рис, 1 ,б (кривая 2). В обоих случаях разрядка конденсатора до напряжения закрывания диода Uд (для кремниевого диода - около 0,5...0,6 В) практически заканчивается к моменту t1. Для второго случая восстановление на этом практически заканчивается, поэтому время восстановления близко к t1-t0.
В первом же случае конденсатор должен разрядиться почти до нуля, но из-за того, что после момента t1 диод закрыт, разрядка затягивается и даже через время R1-C1 напряжение на конденсаторе будет равно 0,6/е = 0,2 В (е - основание натурального логарифма). Поэтому время восстановления здесь существенно больше.
Одновибратор по схеме рис. 1 ,б обладает еще одним существенным преимуществом - на вывод резистора R1 может быть подано напряжение не с плюсового провода питания, а например, от источника с регулируемым напряжением, чем достигается возможность управления длительностью импульса электронным способом изменением напряжения на выводе резистора. Схема управляемого одновибратора изображена на рис. 3, а характеристики управления - на рис.4,кривая 1.
Отметим, что при равенстве значений постоянной времени RC-цепи одновибраторов по рис. 1,а и 3 и Uynp = Uпит длительность То выходного импульса второго несколько меньше, чем первого. Причина этого состоит в том, что конденсатор С1 второго одновибратора заряжается не от нуля, а от некоторого начального напряжения Uд, поэтому конденсатор зарядится до Uпор за меньшее время.
Интервал значений управляющего напряжения должен удовлетворять условию: Uпор< Uупр< Uпит (1), что соответствует кривой 1 на рис.4.
В случаях, когда такой интервал окажется неудобным, его можно расширить до 0 < Uупр < Uпит (2) введением еще одного резистора-R2-примерно такого же номинала, как показано на рис. 5. Характеристика управления для этого случая показана на рис. 4, кривая 2. Если одновибратором управляет операционный усилитель, выбором R1=3R2 интервал управления можно расширить до -Uпит<Uупр<+Uпит (3) - этот вариант иллюстрирует кривая 3 на рис. 4.
Если необходимо сделать управляемым уже готовый одновибратор, выполненный по схеме рис. 1,а, достаточно ввести в него дополнительный резистор, подобно R1 - на рис. 5. Для сохранения длительности импульса при Uупр=Ugbn не обходимо, чтобы сопротивление параллельно соединенных R1 и R2 (по рис. 5) было равно сопротивлению R1 в исходном узле - это условие (4).
Следует учесть, что в одновибраторах по рис. 1 ,б, 3 и 5 резисторы служат для того, чтобы задать некоторый ток, заряжающий конденсатор С1. Этот ток может быть обеспечен в отсутствие резисторов внешним источником управляющего тока, собранным, например, на р-п-р транзисторах. Подобное решение позволяет реализовать обратно пропорциональную зависимость длительности формируемого импульса от управляющего тока.
Номиналы резисторов одновибраторов по схеме на рис. 3 и 5 допустимо варьировать в широких пределах - от 10 кОм и более, конденсаторов - от 100 пФ и более. Для обеспечения возможности увеличения емкости конденсатора необходимо последовательно с диодом включить еще один резистор, ограничивающий ток разрядки конденсатора. Длительность импульса при Uупр=Uпит, имея в виду условие (4), нужно оценивать по соотношениям, изложенным в [1].
Рассмотренный управляемый одновибратор требует для реализации 1/2 корпуса микросхемы, а описанный, например, в [2] (на рис. 2) - 3/4 корпуса. Вообще же, RS-триггер для одновибратора может быть выполнен на различных логических элементах и узлах цифровой техники [3]. Соединение в кольцо двух одновибраторов позволяет реализовать управляемый по двум входам импульсный генератор с широким перекрытием по частоте и скважности.
ЛИТЕРАТУРА
1. Алексеев С. формирователи и генераторы на микросхемах структуры КМОП. - Радио, 1985, № 8, с. 31 - 35.
2. Игнатенко А. Генератор, управляемый напряжением. - Радио, 1994, № 6, с. 22.
3. Самойленко А. Варианты построения RS-триггера. - Радио, 1998, № 9, с. 53 - 56.
(Радио 5/99, с.38-39)