Простой генератор прямоугольных импульсов на логических элементах

Типы генераторов

В зависимости от сложности устройства, используют разные виды генераторов.

Микросхема синтезатора частот в ноутбуке. Используется для получения разных тактовых импульсов на основе опорного генератора тактовых импульсов

Классический

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

Пример — генератор Пирса.

Кварц + микросхема генерации

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).

Для построения тактового генератора не требуется никакая специальная микросхема.

Программируемая микросхема генерации

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. Например, частота периферийной шины AGP может быть всегда равна стандартной (66 МГц) и не зависеть от частоты системной шины процессора.

Если в электронной схеме необходимо разделить частоту на 2, используют Т-триггер в режиме счётчика импульсов. Соответственно, для увеличения делителя увеличивают количество счётчиков (триггеров).

Тактовый генератор

Тактовый генератор — автогенератор, формирующий рабочие такты процессора («частоту»). В некоторых процессорах (например, Z80) выполняется встроенным.

Кроме тактовки процессора в обязанности тактового генератора входит организация циклов системной шины. Поэтому его работа часто тесно связана с циклами обновления памяти, контроллером ПДП и дешифратором сигналов состояния процессора.

Классификация генераторов импульсов. Автоколебательные генераторы

Определение 1

Генератор импульсов — это устройство, которое способно создавать волны определенной формы.

Определение 2

Генератор прямоугольных импульсов — это генератор, который используется для получения колебаний прямоугольной формы.

В настоящее время существует большое разнообразие генераторов импульсов, которые могут классифицироваться по следующим признакам:

1. Выходная последовательность основных импульсов – кодовые комбинации, одиночные импульсы, кодовые пакеты, парные импульсы и т.п.
2. Количество каналов – одноканальные и многоканальные.

Генераторы прямоугольных импульсов широко используются в телевидении, технике, радиотехнике, системах автоматического управления. В данных генераторах, в отличии от генераторов гармонических колебаний, используется цепь обратного порядка, и активный элемент функционирует в нелинейном режиме. В зависимости от режима работы различают два основных вида генераторов прямоугольных импульсов:

1. Автоколебательные мультивибраторы
2. Ждущие мультивибраторы.

Пример схемы автоколебательного мультивибратора изображена на рисунке ниже.

Рисунок 1. Схема автоколебательного мультивибратора. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Активным элементом автоколебательного мультивибратора является инвертирующий триггер Шмитта, который реализован на операционном устройстве и двух резисторах (R1 и R2). Функция третьего резистора и конденсатора заключается в формировании времязадающей цепи, которая определяет продолжительность формируемых сигналов. Операционный усилитель в данном случае охвачен связью R1 — R2 и находится в режиме насыщения, поэтому напряжение на выходе равняется напряжению насыщения (Uвых = Uнас). Переключение операционного усилителя из положительного насыщения в отрицательное или обратно происходит в том случае, когда напряжение, сформированное на инвертирующем входе, достигает отрицательного или положительного порога срабатывания – –BUнас или Buнас. В данном случае B – коэффициент обратной связи, который рассчитывается по следующей формуле:

Принцип работы

Допустим, после включения питания на входе DD1.1 установился низкий уровень. Значит, на выходе будет высокий уровень, который попадает на вход DD1.2, на выходе которого, в свою очередь, будет опять низкий уровень. Конденсатор C1 разряжен. И он начинает заряжаться через резистор R1, который правым выводом подключён к выходу DD1.1 — к точке, где потенциал высокий.

Процесс заряда конденсатора C1

Вы вправе спросить: почему же этот ток не утекает на вход элемента DD1.1 — ведь на этом входе в данный момент низкий потенциал? Кажется, что логический элемент должен скушать весь ток, а конденсатору ничего не достанется. Ответ: дело в высоком входном сопротивлении элементов DD. На их входы ответвляется мизерная часть тока, которой можно пренебречь. Кстати, благодаря этому факту, сопротивление R1 может быть достаточно большим, несколько мОм,  что позволяет получить довольно низкие частоты генерации.

Итак, постепенно напряжение на C1 растёт, и в какой-то момент на левой обкладке накопится достаточный «плюс», который переключит DD1.1 в состояние 1 на входе, 0 на выходе. Тут же и DD1.2 поменяет состояние на противоположное: 0 на входе, 1 на выходе. И процессы в RC-цепочке пойдут в обратную сторону, до тех пор, пока напряжение на конденсаторе снова не переключит DD1.1, а за ним DD1.2 и весь цикл повторится сначала. Описание несколько упрощённое (вблизи момента переключения там происходят чуть более сложные процессы), но достаточное для первоначального понимания.

Что представляет собой сигнал генератора?

Сигнал является биполярным истинным сигналом переменного тока с пиковыми значениями, которые колеблются относительно определенного уровня постоянного напряжения.

Также это могут быть сигналы со смещением, которые опускаются и поднимаются ниже или выше от расположения нулевого уровня (0 В). Под переменным током понимается любой изменяющий свое значение сигнал, независимо от привязки к нулю.

Таким образом, тестирование приборов заключается в подаче сигнала идеальной формы или с добавлением искажений, то есть ошибки, которая возможна в процессе работы диагностируемого прибора.

Главное достоинство генератора сигнала — это возможность имитации реальной ошибки, которую можно предсказать в определенном месте и в нужное время с помощью исследуемой схемы.

В итоге, способность реагировать тестируемого устройства на искажение демонстрирует его готовность работать в неблагоприятных условиях аварийного режима.

Как вывод можно сказать, что сигнал на выходе модуля анализируется осциллографом или другим прибором, например, анализатором спектра или измерителем мощности. По результатам анализа судят о корректной работе проверяемого устройства. По необходимости генератором можно добавить шум на тестируемый сигнал или имитировать замирание входного сигнала.

Рисунок 2. Формирование генератором сигналов тестового сигнала для тестирования испытуемого устройства

Принцип формирования тактового сигнала

Источником тактовых колебаний является кварцевый кристалл, расположенный в оловянном корпусе. При подаче на кварцевую пластинку напряжения, он начинает совершать механические колебания. Под действием пьезоэлектрического эффекта на электродах кристалла наводится ЭДС. Колебания электротока следуют на генератор, который, собственно, и преобразует их в импульсы.

Долговременная и кратковременная стабильность тактового генератора

Как и в случае с ФАПЧ, даже поверхностное представление о тактовых генераторах поможет нам стать более информированными пользователями и потребителями в данном вопросе.

Технические специалисты делают акцент на долговременной и кратковременной стабильности генератора тактовых импульсов, что напрямую зависит от того, в какой именно сфере этот генератор будет использоваться. Долговременная стабильность выражается в том, насколько сильным будет уход/изменение (drift) частоты генератора по истечении длительных периодов времени — зачастую они измеряются промежутком в 1 000 лет.

Кратковременная стабильность показывает, как будет изменяться частота тактовых импульсов за экстремально малые доли секунды. Наибольшую важность для аудио представляет кратковременная стабильность, так как мы хотим, чтобы наши единицы и нули передавались как можно более равномерно (стабильно) во времени, в то время как изменение точности сигнала по истечении 1 000 лет не имеет для нас никакого значения.

На деле, кварцевые генераторы имеют очень хорошую кратковременную стабильность, но сравнительно низкую долговременную стабильность, поэтому именно их большинство разработчиков использует для аудио. Эти генераторы довольно сложны, но в итоге они обеспечивают прямоугольную волну с такой же частотой дискретизации, с которой работают ФАПЧ и прочие устройства в преобразователе.

Однако, к примеру, в телекоммуникационной отрасли важны обе стабильности, поэтому появилась разновидность клоков, в которых используются рубидиевые генераторы, чтобы обеспечить кристаллам хорошую долгосрочную стабильность. Сейчас аудиомир захватила идея «атомных генераторов тактовых импульсов» (atomic clock), и, несмотря на тот факт, что долговременная точность не имеет значения для аудио, атомные клоки наделали немало шума как на аудиофильском, так и на профессиональном аудиорынке.

Так называемые атомные клоки генерируют высокочастотную синусоидальную волну в 10 МГц, которая далее может использоваться совместимыми с ними тактовыми генераторами, предназначенными для аудио. В большинстве конфигураций 10-МГц генераторы представляют собой автономные устройства, которые отправляют свой сигнал либо в устройство Word Clock, совместимое с 10 МГц (на рынке Pro-аудио их всего несколько), либо на внутренний клок ЦАПа.

На данный момент только Antelope производит профессиональные преобразователи, совместимые с 10 МГц. Новый Antelope 10MX вмещает в себя оба устройства: генератор (10 МГц) и Word Clock, которые находятся в едином блоке высотой 1RU (для монтажа в рэковую стойку). Такое решение впервые используется на рынке профессионального аудио.

Принцип работы рубидиевого генератора довольно сложен, но его основы помогают нам понять, как и почему два отдельно взятых тактовых генератора с частотой в 10 МГц могут функционировать так по-разному. Внутри тактового генератора имеется кварцевый генератор (в некоторых применяются кристаллы с частотой 10 МГц, в других — кратные 10 МГц).

Внутри тщательно контролируемой нагретой камеры находится немного рубидия, который будет выдавать исключительно стабильный высокочастотный сигнал, обеспечивающий долговременную стабильность кристалла. Поэтому кварцевый генератор может генерировать очень точную синусоидальную волну с частотой в 10 МГц.

Рубидиевые генераторы — это сложнейшие устройства, поэтому разработка такого клока представляет собой тонкую задачу. Для контроля всех процессов внутри генератора на 10 МГц используется множество ФАПЧ и прочих сложных устройств — вообразите себе группу заклинателей змей, удерживающих на месте многоголовую змею, и вы получите смутное представление о том, что на самом деле происходит внутри рубидиевого генератора на 10 МГц. Остальная часть конструкции связана с питанием и портированием данного клока для получения на выходе чистой синусоидальной волны с частотой в 10 МГц.

Единственное, что мы определенно точно можем сказать о тактовых генераторах на 10 МГц: они представляют собой гораздо более сложные устройства, чем стандартные клоки на основе кристалла. Одна из причин такой сложности связана с достижением долговременной стабильности, которая, насколько нам известно, не улучшает качество звучания.

В конечном итоге мы придем к выводу, что частота в 10 МГц для аудио была маркетинговой уловкой. Однако для обоснования этого вывода важно пройти тщательный процесс не слепого прослушивания, а также понять некоторую логику в том, как технология с применением клоков на 10 МГц оказалась серьезно воспринята аудиосообществом.

Применение генераторов синхронизирующих сигналов в сетях SONET

Это тактовый генератор, используемый сетями поставщиков услуг часто в виде встроенного источника сигналов (BITS) для центрального офиса.

Цифровые коммутационные системы и некоторые системы передачи (например, системы синхронной цифровой иерархии SONET) зависят от надежной высококачественной синхронизации. Чтобы обеспечить такое состояние, большинство поставщиков услуг применяют схемы распределения сигналов синхронизации между офисами и реализуют концепцию BITS для обеспечения синхронизации внутри офиса.

На вход генератора тактовой частоты поступают входные сигналы синхронизации, а из выхода следуют выходные сигналы синхронизации. В качестве входных опорных сигналов могут выступать сигналы синхронизации DS-1 или CC (составные сигналы), выходными сигналами также могут быть сигналы DS-1 или CC.

Состав генератора:

• входной интерфейс синхронизации, принимающий входные сигналы DS-1 или CC;
• схема генерирования синхросигналов, которая создает синхросигналы, используемые схемой распределения выходной схемой распределения сигналов;
• выходная схема распределения сигналов синхронизации, создающая множество сигналов DS-1 и CC;
• схема контроля характеристик, предназначенная для контроля параметров синхронизации входных сигналов;
• интерфейс аварийной сигнализации, подсоединенный к системе управления аварийной сигнализацией центрального офиса;
• служебный интерфейс, предназначенный для использования местным обслуживающим персоналом и поддерживающий связь с удаленными служебными системами.

Мультивибраторы

Симметричный мультивибратор на транзисторах

Симметричный мультивибратор Симметричный мультивибратор

Принцип работы состоит в переходе из одного нестабильного состояния (Q1 закрыт, Q2 открыт) в другое (Q1 открыт, Q2 закрыт).

Начнем с первого состояния: Q1 закрыт, Q2 открыт.

Конденсатор С1 быстро заряжается идет через «меньший» резистор R4 и базовый переход Q2. Одновременно с этим через открытый Q2 через «больший» резистор R2 медленно разряжается C2, отрицательное напряжение на котором держит в запертом состоянии Q1.

В процессе дальнейшего перезаряда С2 на базе Q1 появляется уже положительное, отпирающее напряжение, и Q1 начинает открываться. Ток через него возрастает, снижается напряжение на коллекторе Q1 и базе Q2, что вызывает его запирание.

Напряжение на коллекторе Q2 увеличивается и через конденсатор C2 еще сильнее открывает Q1.

Процесс открывания Q1 ускоряет запирание Q2, и процесс происходит практически лавинообразно, и переход из одного состояния в другое происходит очень быстро.

Напряжения на конденсаторе C1, база-эмиттер и коллектор-эмиттер транзистора Q2Напряжения на конденсаторе C1, база-эмиттер и коллектор-эмиттер транзистора Q2

В общем, транзисторы периодически друг друга открывают и закрывают.

Теперь немного о расчете элементов.

Период состоит из двух частей t1 и t2, зависящих от сопротивлений R2, R3 и емкостей C1, C2:

t1 = 0,7 x R3 x C1;

t2 = 0,7 x R2 x C2

Для примера, в схеме на картинке выше период равен t1 + t2 = 2*0,7*22 кОм*0,1 мкФ = 3,08 мс.

Период 3,3 мсПериод 3,3 мс

От сопротивления резисторов R1 и R4 зависит длительность спада импульсов: чем меньше сопротивление, тем быстрее спад.

При R1 = R4 = 470 ОмПри R1 = R4 = 470 Ом

Главный недостаток такой схемы — медленные спады.

Мультивибратор с корректирующими диодами

Симметричный мультивибратор с корректирующими диодами Симметричный мультивибратор с корректирующими диодами

Через эти диоды параллельно коллекторным нагрузкам включены дополнительные резисторы.

После запирания транзистора и повышения потенциала коллектора подключенный к нему диод запирается. Заряд конденсатора происходит через дополнительный резистор R23 / R22, а не через коллекторный R19 / R20, и потенциал коллектора запирающегося транзистора почти скачком становится практически равным напряжению питания.

Мультивибратор с регулируемой скважностью

Если хочется изменять скважность, можно регулировать сопротивления «плеч» одновременно вращением потенциометра:

Ну, и для наглядности гифка:

Предыдущие схемы были автогенераторами и не требовали запуска (запуск при первом включении возникает из-за «несимметричности» компонентов (транзисторы имеют разные коэффициенты усиления, например), и какая-то из «сторон» мультивибратора включится быстрее другой, что и запустит колебания).

Помогла ли вам статья?