8.5. Одновибраторы

Одновибраторы: входы запуска, перезапуск, сброс, длительность импульса; пример — самосинхронизирующийся генератор импульсов; болезни одновибраторов и почему их лучше заменять синхронной логикой; выдержки времени на счётчиках.

≈ 27 мин чтения · пунктирное подчёркивание — наведите или нажмите, чтобы увидеть пояснение

Нажали кнопку звонка — и ровно полсекунды звучит сигнал, сколько бы ни держали палец. Магнитный датчик на колесе велосипеда даёт короткий щелчок — а нам нужен аккуратный прямоугольник известной длины. Такие задачи решает одновибратор (его второе имя — моностабильный мультивибратор). У обычного триггера два устойчивых состояния, поэтому его называют бистабильным; у одновибратора устойчивое состояние одно. Запускающий перепад перебрасывает схему во второе, временное состояние, а вернуться обратно ей помогает конденсатор, включённый в петлю между двумя усилительными элементами: когда он перезарядится до порога, схема сама падает назад. Длительность пребывания во временном состоянии зависит от ёмкости, сопротивления и свойств входной цепи (порога, входного тока), поэтому одновибратор — удобный способ получить импульс заданной длины и нужной полярности.

Можно ли собрать его из пары свободных вентилей и RC-цепочки? Можно, но удачной такую конструкцию назвать трудно. Напряжение на конденсаторе в ней нередко выходит за шины питания, и работа начинает зависеть от защитных диодов и порогов конкретной микросхемы — у другой партии или другого изготовителя всё поплывёт. Поэтому мы сразу перейдём к одновибраторам, которые выпускаются отдельными интегральными узлами, и советуем поступать так же на практике. Самодельный вариант на вентилях оправдан лишь в безвыходной ситуации — когда на плате остался лишний вентиль, а ещё один корпус поставить совершенно некуда, — да и тогда стоит дважды подумать.

8.5.1Характеристики одновибраторов

≈ 10 мин3 упр.

Главное

Одновибратор по запускающему перепаду выдаёт один импульс длительностью $T = k RC$ и возвращается в исходное состояние.
Входов несколько (запуск фронтом, спадом, запрет); минимальная длительность запуска — 25–100 нс.
С перезапуском ('4538, '123, '423) импульс кончается через $T$ после последнего запуска; '121 не перезапускается.
Вход сброса $\overline{R}$ обрывает импульс; '123 запускается и фронтом на $\overline{R}$ — '423 нет.

Чем запускают. Одновибратор реагирует не на уровень, а на перепад — положительный или отрицательный, в зависимости от того, какой вход задействован. От запускающего сигнала требуется немного: он не должен быть короче паспортного минимума (как правило, 25–100 нс). Его собственная длина роли не играет — запуск может длиться и меньше, и больше, чем выходной импульс.

Обычно у корпуса несколько входов запуска, объединённых внутренним вентилем. Это позволяет запускать одновибратор либо спадом одного сигнала, либо фронтом другого, а лишний вход использовать как запрет. (Слово «отрицательный» здесь относится к направлению: перепад с ВЫСОКОГО уровня на НИЗКИЙ; никакого отрицательного напряжения нет.) Ниже — четыре широко распространённые микросхемы и их таблицы: стрелка ↑ означает фронт, ↓ — спад, В и Н — постоянные уровни, X — безразлично.

Сверху — одиночный запуск: на выходе импульс постоянной длины T, как бы ни был короток запуск. Снизу — перезапускаемый одновибратор: второй запуск во время импульса начинает отсчёт T сначала.

12345

Четыре ходовых одновибратора. R и C подключают снаружи, они задают длительность; как именно сочетаются входы, показывают таблицы под схемой.

Что здесь что (5)

Внешние R и C. из них складывается длительность импульса $T = k RC$
Входы A и B. у '4538 объединены по ИЛИ: A запускает фронтом, B — спадом; ненужный вход ставят в запрещающее положение
Вход B у '121. внутри стоит триггер Шмитта — годятся медленные фронты и зашумлённые сигналы
Сброс R̅. прерывает импульс; у '123 его фронт к тому же запускает схему, у '423 — нет
Выходы Q и Q̅. один и тот же импульс в прямой и инверсной полярности

½ '4538 (КМОП, два в корпусе): входы по ИЛИ
'4538: A	B	$\overline{R}$	Запуск
↑	В	В	да
Н	↓	В	да
X	X	Н	сброс

'121: спад на любом из A или фронт на B (через триггер Шмитта)
'121: A1	A2	B	Запуск
↓	В	В	да
В	↓	В	да
Н	X	↑	да
X	Н	↑	да

½ '123 и ½ '423: входы по И
'123/'423: A	B	$\overline{R}$	Запуск
↓	В	В	да
Н	↑	В	да
Н	В	↑	да — только '123!

Внутри '121 три входа сведены сочетанием вентилей И и ИЛИ. Схема срабатывает от спада на одном из входов A, если на втором A и на B держатся ВЫСОКИЕ уровни, — либо от фронта на B, если хотя бы один из входов A НИЗКИЙ. Вход B идёт через триггер Шмитта, поэтому затянутые фронты и умеренный шум ему не страшны. Есть в корпусе и собственный времязадающий резистор; точность у него посредственная, но, если лишней детали ставить не хочется, можно обойтись им.

'221 — это два '121 в одном корпусе; в семействах КМОП выпускаются только такие сдвоенные версии.

Ловушка. Входной вентиль одновибратора на схемах обычно не изображают: место экономится, а путаницы прибавляется. Как именно запускается конкретный корпус — проверяйте по его таблице истинности.

Перезапуск. Что будет, если новый запускающий перепад придёт, пока выходной импульс ещё не кончился? У большинства распространённых корпусов ('4538, '123, '423) отсчёт времени просто начинается заново. Такие схемы называют одновибраторами с перезапуском: их импульс оканчивается через номинальное время после последнего запуска, так что серия частых запусков даёт один длинный импульс.

У '121 и '221 перезапуска нет — пока идёт импульс, входы глухи к перепадам. Если же нужен неперезапускаемый режим, а под рукой только '123 или '423, его легко получить (схема ниже): инверсный выход заводят на разрешающий вход, и на время импульса он сам блокирует запуск.

123

Перезапускаемый корпус в неперезапускаемом режиме: на время импульса Q̅ становится НИЗКИМ и через вход B запрещает новые запуски.

Что здесь что (3)

Запуск по A (спад). срабатывает, только когда вход B разрешает
Петля Q̅ → B. в импульсе Q̅ = Н, вход B запрещает запуск — продлить импульс нельзя
Выход Q. длина импульса одна и та же, сколько бы перепадов ни пришло в это время

Сброс. Вход $\overline{R}$ главнее всех остальных: короткий НИЗКИЙ уровень на нём немедленно обрывает импульс. Его удобно держать активным в момент включения питания, чтобы одновибратор не выдал случайного импульса, пока система не готова (только не забудьте о сюрпризе '123 при снятии сброса).

Длительность. Типичные интегральные одновибраторы перекрывают диапазон от ~40 нс до миллисекунд, а с большими ёмкостями — и до секунд. Длительность задают внешним конденсатором (как правило, вместе с внешним же резистором), а считают её по формуле из паспорта, которая почти всегда имеет вид $T = k RC$ :

Длительность импульса одновибратора

T = k RC

Обозначения:

T

R, C

k

Разброс

k

— ±10% и больше: одновибратор не прецизионный таймер.

~40 нссамый короткий импульс

мс … ссамые длинные

555когда нужно ещё дольше

Для двух самых ходовых корпусов: у '4538 $T \approx RC$ , у 74HC123 $T \approx 0, 45 RC$ (при $C ≳ 10$ нФ). Для более длинных выдержек иногда берут таймер 555 (он подробно разобран в разделе 5.3), но его вход запуска плохо сочетается с логическими уровнями. А по- настоящему большие интервалы лучше вообще не отмерять конденсатором, а отсчитывать счётчиком тактов — об этом последний пункт раздела.

Упражнение 8.5.1

Светодиод «приём данных» на плате с микроконтроллером должен вспыхивать на 15 мс при каждом пакете, иначе короткие пакеты глаз не заметит. Резистор выбран 220 кОм. Какой нужен конденсатор, если поставить '4538 ( $T \approx RC$ ), и какой — для 74HC123 ( $T \approx 0, 45 RC$ )?

C ('4538) =нФC ('HC123) =нФ

Решение

'4538: $C = T / R = 15 \cdot 1 0^{- 3} / (220 \cdot 1 0^{3}) = 68, 2$ нФ — удачно, это почти ровно стандартные 68 нФ. 'HC123: $C = T / (0, 45 R) = 15 \cdot 1 0^{- 3} / (0, 45 \cdot 220 \cdot 1 0^{3}) = 152$ нФ, ближайшие номиналы — 150 нФ. Для индикатора точность не важна, и хорошо: коэффициент $k$ в паспорте зависит от ёмкости, питания и конкретного экземпляра, разброс ±10% и больше (подробнее — в следующих пунктах).

Модель: одновибратор с перезапуском и без, детектор пропуска импульса

Упражнение 8.5.2

Вентилятор процессорного кулера выдаёт на тахометрический выход импульс каждые 20 мс; из-за колебаний оборотов период меняется на ±15%. Нужен сигнал «вентилятор встал»: перезапускаемый одновибратор, который перезапускается каждым импульсом, и выход которого падает, если пропал хотя бы один импульс. В каких пределах выбирать длительность $τ$ ?

τ_min =мсτ_max =мс

Решение

Пока импульсы идут, выход не должен опускаться даже при самом длинном периоде: $τ > 1, 15 \cdot 20 = 23$ мс. Если пропущен один импульс, между запусками пройдут как минимум два самых коротких периода, $2 \cdot 0, 85 \cdot 20 = 34$ мс, — и к этому моменту выход должен успеть упасть: $τ < 34$ мс. Берём середину, $τ \approx 28, 5$ мс; даже с разбросом одновибратора ±10% ( $25, 7 \dots 31, 4$ мс) запас остаётся с обеих сторон. Сигнал тревоги появляется через $τ$ после последнего пришедшего импульса. Неперезапускаемый одновибратор здесь бесполезен: он бы падал в каждом периоде.

Ещё одно применение: частота в напряжение

Если каждый входной импульс запускает одновибратор, на выходе получается последовательность импульсов одинаковой длины $τ$ и амплитуды $U$ , а меняется только их частота $f$ . Среднее значение такого сигнала равно $Uτ f$ — пропорционально частоте. Пропустите выход через RC-фильтр нижних частот, и стрелочный прибор (или АЦП) покажет обороты, скорость, расход. Пока $f τ < 1$ , зависимость строго линейна; при $f = 1/ τ$ импульсы сливаются, и шкала упирается в потолок $U$ . Здесь годится только неперезапускаемый режим.

Импульсы датчика разной частоты превращаются в импульсы одинаковой длины: чем чаще они идут, тем больше среднее значение выхода.

Упражнение 8.5.3

Велоспидометр: на колесе с длиной окружности 2,1 м магнит раз за оборот запускает неперезапускаемый одновибратор с $τ = 50$ мс и амплитудой 5 В; выход усредняет RC-фильтр. а) Какое напряжение будет при скорости 36 км/ч? б) При какой скорости шкала упрётся в потолок?

а) U =Вб) v =км/ч

Решение

а) 36 км/ч = 10 м/с, частота оборотов $f = 10/2, 1 = 4, 76$ Гц; среднее напряжение $Uτ f = 5 \cdot 0, 05 \cdot 4, 76 = 1, 19$ В.

б) Потолок — при $f = 1/ τ = 20$ Гц, то есть $v = 20 \cdot 2, 1 = 42$ м/с $\approx 151$ км/ч. Для велосипеда это слишком большой запас: на реальных скоростях используется лишь малая часть шкалы. Увеличив $τ$ , мы подняли бы напряжение на тех же скоростях, но при этом ниже стал бы потолок. Обычно $τ$ выбирают так, чтобы самая большая ожидаемая скорость давала $f τ$ около 0,7–0,8.

8.5.2Пример схемы одновибратора

≈ 4 мин1 упр.

Главное

Токовое зеркало заряжает $C_{1}$ постоянным током — напряжение растёт линейно (пила 0…6 В).
Порог 6 В запускает одновибратор 1 мкс, он разряжает $C_{1}$ МОП-ключом: частоту задаёт ток зеркала.
Второй компаратор сравнивает пилу с регулируемым уровнем — скважность 0,1…99% независимо от частоты.
D-триггер 4013 останавливает генератор по спаду выхода; после снятия ОСТАНОВ периоды сразу полные.

Задача: лабораторный генератор прямоугольных импульсов, у которого частота и скважность крутятся двумя независимыми ручками, а внешним сигналом его можно аккуратно остановить — не посреди импульса, а по его окончании. Одновибратор здесь играет вспомогательную, но ключевую роль: он отмеряет короткий импульс разряда времязадающего конденсатора. Схема питается от +9 В.

Что происходит за один период

Зарядтоковое зеркало (Т1–Т3) подаёт на конденсатор $C_{1}$ неизменный ток, и напряжение на нём растёт по прямой
Порогна уровне $\frac{2}{3} U_{+} = 6$ В срабатывает первый компаратор и запускает одновибратор, который выдаёт положительный импульс длительностью 1 мкс
Разрядэтот импульс открывает n-канальный МОП-ключ, и тот сбрасывает конденсатор до нуля
Пилав итоге на $C_{1}$ — пилообразное напряжение 0…6 В; наклон пилы, а значит и частоту, задаёт потенциометр, регулирующий ток зеркала
Скважностьвторой компаратор сравнивает пилу с напряжением от второго потенциометра; на его выходе прямоугольник, скважность которого меняется линейно от 0,1 до 99%

Вверху — пила на C₁, внизу — выход второго компаратора. Сдвигая вверх уровень U_ср, сокращаем долю периода с единицей на выходе; частота при этом остаётся прежней.

Период пилы

T = \frac{C _{1} U _{пор}}{I} + t_{разр}

Обозначения:

C_{1}

U_{пор}

I

t_{разр}

Из

I = C d U / d t

: при постоянном токе напряжение растёт линейно.

Чтобы помеха вблизи порога не вызывала дребезга выхода, в оба компаратора введён небольшой гистерезис — несколько милливольт, через резисторы обратной связи 10 МОм. Компараторы — сдвоенный маломощный LM393: у него открытый коллектор и входной синфазный диапазон, начинающийся от нуля, что для пилы от 0 В и нужно.

Остановка и запуск по команде

Самое интересное — режим «старт-стоп», то есть синхронизация генератора внешним сигналом. Подали ОСТАНОВ — генератор доработает текущий импульс и замрёт на ближайшем спаде выхода. Это делает D-триггер 4013: его тактирует выход генератора, а сам он управляет разрядным ключом и удерживает конденсатор разряженным.

Сняли ОСТАНОВ — и генератор тут же начинает с полноценного периода, будто спад выхода произошёл именно в этот момент: никакого укороченного первого импульса. Третий вход вентиля И-НЕ, подключённый к выходу компаратора, страхует от зависания с заряженным конденсатором. Длительность импульса одновибратора выбрана с запасом, чтобы $C_{1}$ за это время разряжался полностью.

123456

Структура генератора: зеркало заряжает C₁, первый компаратор на 6 В запускает одновибратор, тот сбрасывает C₁; второй компаратор режет пилу на нужном уровне и задаёт скважность.

Что здесь что (6)

Токовое зеркало. даёт неизменный ток заряда; потенциометром в нём регулируют частоту
Конденсатор C₁. заряжается постоянным током — напряжение растёт линейно
Первый компаратор. переключается, как только пила доходит до 6 В
Одновибратор 1 мкс. его импульс открывает МОП-ключ, C₁ разряжается — начинается новый зуб пилы
Второй компаратор. сравнивает пилу с уровнем от ручки: пока пила выше, на выходе 1 — это и есть скважность
ОСТАНОВ. D-триггер 4013, тактируемый выходом, замораживает генератор на спаде выходного импульса

Упражнение 8.5.4

В генераторе, показанном выше, ток зеркала 0,2 мА, $C_{1} = 4, 7$ нФ, порог 6 В, импульс разряда 1 мкс (считайте, что разряд мгновенный, а новая пила стартует по окончании импульса). Уровень сравнения второго компаратора — 4,5 В, выход ВЫСОКИЙ, пока пила выше него. Найдите частоту и долю периода, в течение которой выход ВЫСОКИЙ.

f =кГцдоля =

Решение

Подъём пилы до 6 В длится $t = C Δ U / I = 4, 7 \cdot 1 0^{- 9} \cdot 6/ (2 \cdot 1 0^{- 4}) = 141$ мкс. Период $T = 141 + 1 = 142$ мкс, частота $f = 7, 04$ кГц.

Выше 4,5 В пила находится последнюю четверть подъёма, $(6 - 4, 5) /6 = 1/4$ , то есть 35,25 мкс. Доля периода $35, 25/142 = 0, 248$ (около 25%). Вывод из расчёта: уровень сравнения меняет скважность по линейному закону, ток зеркала — частоту, и одна регулировка не сбивает другую. Это главное достоинство связки «пила + компаратор».

8.5.3Предостережения относительно одновибраторов

≈ 8 мин2 упр.

Главное

Одновибратор — наполовину аналоговая схема: длительность дрейфует с температурой и питанием, разброс ±10%.
Длинные импульсы требуют электролитов с утечкой — точность пропадает; лучше счётчик.
Помехоустойчивость хуже, чем у прочей логики; выход перед кабелем буферируют.
Обилие одновибраторов выдаёт неопытного разработчика: те же функции лучше делать синхронно — триггерами и тактом.

Одновибратор удобен, но капризен: у него есть слабости, которых у обычных вентилей и триггеров нет. Сначала перечислим, что может пойти не так, а затем — как проектировать, чтобы эти неприятности не возникли.

Что может пойти не так

±10%разброс экземпляров

несколько %дрейф 0–50 °C

50–140 нсмин. запуск

Нестабильная длительность. Внутри одновибратора соседствуют цифровые и аналоговые узлы, а аналоговые чувствуют температуру: меняются $U_{БЭ}$ , $h_{21 Э}$ , пороги. Итог — длительность импульса гуляет с температурой и питанием. У типичного корпуса вроде '4538 набегает несколько процентов в интервале 0–50 °C и примерно столько же при изменении питания на ±5%; вдобавок два экземпляра одного типа различаются на ±10%.

Помните, что температура кристалла — это не только температура в корпусе прибора: микросхема греется и сама. А короткие провалы и выбросы на шине питания, пришедшиеся на время импульса, заметно меняют его длину или даже запускают одновибратор без всякого входного сигнала.

Длинные импульсы. Для выдержек в секунды нужны микрофарады, то есть электролитические конденсаторы, — а у них ощутимый ток утечки (у малых плёночных и керамических им можно пренебречь). К тому же во многих одновибраторах конденсатор за время импульса видит напряжение обеих полярностей, что электролиту противопоказано.

Добавив во времязадающую цепь диод или транзистор, с полярностью справиться можно, но ценой большей температурной зависимости, меньшей точности, а иногда и проблем с перезапуском. Честнее перейти на цифровые выдержки — такт и счётчик (последний пункт раздела).

Упражнение 8.5.5

Хотели сделать выдержку около минуты для подсветки в прихожей: одновибратор с порогом $0, 632 U$ ( $T = RC$ ) питается от 9 В, $R = 3, 3$ МОм, $C = 22$ мкФ (электролитический, ток утечки около 1,5 мкА). Каким будет ток заряда через резистор, когда напряжение на конденсаторе подойдёт к порогу? Чем это грозит?

I =мкА

Решение

Порог $0, 632 \cdot 9 = 5, 69$ В; через резистор в этот момент течёт $(9 - 5, 69) /3, 3 МОм = 1, 00$ мкА — меньше, чем уходит в утечку. Конденсатор до порога просто не дотянет, и подсветка не погаснет никогда; в лучшем случае длительность будет определять утечка, которая сильно зависит от температуры и от того, сколько конденсатор пролежал без напряжения. Расчётных 72,6 с не получится. Помогает меньшее $R$ при плёночном или танталовом конденсаторе, а надёжнее всего — счётчик тактов.

Утечка электролита работает как резистор параллельно конденсатору: кривая заряда приходит не к питанию, а к более низкому уровню. Не дотянет он до порога — импульс не закончится вовсе; едва перевалит — время задаёт уже утечка.

Высокая частота запусков. Если запуски идут почти вплотную друг к другу, некоторые одновибраторы начинают укорачивать импульс. Скажем, у ТТЛ-серии 9600–9602 до 60% заполнения длительность неизменна, а при 100% снижается примерно на 5%. Хороший во всём остальном '121 в таком режиме и вовсе ведёт себя нестабильно.

Слишком короткий запуск. Запускающий сигнал короче паспортного минимума может дать «рваный» импульс непредсказуемой длины. Минимум указан в паспорте: у LS'121 — 50 нс, у 4098 — 140 нс при питании +5 В и 40 нс при +15 В (чем выше питание КМОП, тем она быстрее и сильнее).

Помехи. Аналоговая часть делает одновибратор менее помехоустойчивым, чем остальная логика. Особенно опасны ёмкостные наводки на выводы внешних R и C, а некоторые корпуса ложно срабатывают от коротких выбросов на шинах земли и питания.

Паспорт. Точность, температурная и питающая стабильность заметно ухудшаются у краёв допустимого диапазона $R$ и $C$ , а в паспорте нередко выделяют как раз «хороший» диапазон длительностей — и легко решить, что везде так же. Встречаются и отличия у одноимённых микросхем разных изготовителей. Паспорт стоит читать целиком, включая мелкий шрифт.

Нагрузка на выход. Общее правило для любой цифровой схемы: выход триггера, уходящий в кабель или на внешний прибор, развязывают буфером — вентилем, инвертором, драйвером линии. Одновибратор, нагруженный прямо на кабель, может сбоить от ёмкости и отражений.

Как проектировать с одновибраторами

Ловушка. Строя цепочки импульсов на одновибраторах, проверьте края последовательности: не вызывают ли сами разрешающие сигналы лишний запуск в момент включения или выключения? Ответ — в таблице истинности.

Велик соблазн ставить одновибраторы везде, где нужна задержка, и любоваться, как импульсы бегут по плате один за другим. Сдерживайтесь: плата, усыпанная одновибраторами, — верный признак неопытного разработчика. Кроме всех перечисленных болезней, у такой схемы есть ещё одна: её нельзя заметно ускорить или замедлить, ведь каждая выдержка подогнана под конкретный темп событий.

Правило. Если ту же функцию можно получить без одновибраторов — получайте без них.

Пример. Плата сбора данных ждёт, когда датчик сообщит «готов» спадом своего сигнала. По этому спаду нужен импульс, обнуляющий накопитель, а следом — второй импульс, защёлкивающий результат. Остальная логика работает от общего такта, поэтому примем, что сигнал датчика меняется синхронно с фронтом такта (если нет — его сначала пропускают через синхронизатор из раздела 8.4).

Одна задача — два решения

	а) два одновибратора	б) D-триггеры и вентиль
Как работает	спад входа запускает первый одновибратор, конец его импульса — второй	каждый импульс длится ровно один период такта
Точность выдержек	у каждой своя RC-цепь со своим разбросом	точные кратные периода такта
Помехоустойчивость	хуже	синхронная схема выигрывает по многим статьям, и прежде всего по помехоустойчивости
Длинные импульсы	большие RC	ту же схему тактируют более низкой частотой, полученной делением

Нужны импульсы длиннее периода такта — тактируйте ту же схему пониженной частотой, поделив основную цепочкой счётных триггеров. В синхронной системе обычно и так есть несколько тактовых сеток, полученных делением главной частоты, так что ничего добавлять не придётся.

а) Решение «в лоб»: второй одновибратор запускается спадом импульса первого.

1234

б) Синхронное решение: импульс 1 = В̅Х̅О̅Д̅·Q₁, импульс 2 — тот же импульс, сдвинутый на такт

Что здесь что (4)

Первый D-триггер. хранит вход с опозданием на один такт: Q₁ — вчерашнее значение входа
И с инверсным входом. импульс 1 = НЕ(ВХОД)·Q₁ — единица ровно на один такт после спада входа
Второй D-триггер. сдвигает импульс 1 ещё на такт — так получается импульс 2
Общий такт. всё меняется только по его фронту, длительности — точно в периодах

Синхронный вариант во времени: вход падает вместе с фронтом такта, импульс 1 занимает период до следующего фронта, импульс 2 — следующий период.

Упражнение 8.5.6 задача

В синхронной схеме формирования двух импульсов (вариант б выше) объясните, почему на выходе вентиля И не возникает ложного всплеска, когда сигнал датчика снова поднимается. Затем доработайте схему так, чтобы импульс обнуления длился не один, а два такта (импульс защёлкивания по-прежнему следует сразу за ним).

Решение

Импульс 1 $= \overline{ВХОД} \cdot Q_{1}$ , где $Q_{1}$ повторяет вход с опозданием на такт. При спаде входа (вместе с фронтом $k$ ) $\overline{ВХОД}$ становится 1, а $Q_{1}$ ещё 1 — импульс начинается; на фронте $k + 1$ $Q_{1}$ падает, и импульс кончается. При подъёме входа (фронт $m$ ) $\overline{ВХОД}$ обращается в 0, а $Q_{1}$ к этому времени уже 0 и поднимется только на фронте $m + 1$ . Оба сомножителя ни в один момент не равны 1 одновременно, и состязаться сигналам негде: их изменения разделены целым периодом. Именно поэтому важно, что вход меняется синхронно с тактом; асинхронный сигнал сначала пропускают через синхронизатор.

Импульс в два такта: добавляем второй D-триггер задержки ( $Q_{2}$ — вход, задержанный на два такта) и берём импульс обнуления $= \overline{ВХОД} \cdot Q_{2}$ : он равен 1 с фронта $k$ до фронта $k + 2$ . Импульс защёлкивания $= \overline{Q_{2}} \cdot Q_{3}$ , где $Q_{3}$ — ещё один такт задержки, — он занимает ровно период между фронтами $k + 2$ и $k + 3$ . Все длительности остаются точными кратными такта и масштабируются вместе с ним — у цепочки одновибраторов каждая выдержка жила бы своей жизнью.

8.5.4Получение выдержки времени с помощью счётчиков

≈ 5 мин2 упр.

Главное

Длинный точный импульс: D-триггер разрешает счётчик, выход $Q_{n}$ счётчика сбрасывает триггер.
Длительность $T = 2^{n - 1} / f_{такт}$ — с точностью кварца; меняется ступенями ×2 выбором выхода.
Есть готовые ИС выдержек на счётчиках: ICM7240/50/60, ICM7242, XR2243.

Мы уже набрали достаточно доводов против одновибраторов в логике. Вот как обойтись без него, когда нужен действительно длинный импульс — секунды и минуты. Понадобятся D-триггер и двоичный счётчик; в схеме ниже это КМОП-счётчик 4060, внутри которого 14 последовательно включённых триггеров.

Как работает выдержка на счётчике

ПУСК ↑фронт сигнала ПУСК записывает единицу в D-триггер
Счёт разрешёнВЫСОКИЙ выход триггера — он же выход всей схемы — снимает сброс со счётчика
$2^{n - 1}$ тактовкогда счётчик насчитает $2^{n - 1}$ тактов, на его выходе $Q_{n}$ появляется ВЫСОКИЙ уровень
Конец импульсаэтот уровень сбрасывает триггер, а триггер, в свою очередь, обнуляет счётчик

Выдержка на двоичном счётчике

T = \frac{2 ^{n - 1}}{f _{такт}}

Обозначения:

T

n

f_{такт}

Длительность получается такой же точной, как тактовый генератор, — с кварцем это миллионные доли. Цена — грубая регулировка: переходя от одного выхода $Q_{n}$ к соседнему, длительность меняем ровно вдвое.

Ловушка. У 4060 есть встроенный генератор, и соблазнительно тактировать счётчик от него. На практике его частотные свойства неважные, и работает он не всегда надёжно — даже в версии HC. Надёжнее внешний генератор.

12345

Длинный импульс без конденсатора: D-триггер 'HC74 и 14-разрядный счётчик 'HC4060; выход Q14 срабатывает через 2¹³ = 8192 периода такта.

Что здесь что (5)

D-триггер 'HC74. фронт ПУСК записывает в него единицу (D = 1); его выход Q и есть длинный импульс
Счётчик 'HC4060. 14 триггеров; считает такты, пока снят сброс
Q → сброс счётчика. пока триггер в нуле, счётчик принудительно стоит на нуле
Инвертор обратной связи. ВЫСОКИЙ Q14 через него сбрасывает триггер — импульс закончен
Выход. длительность — ровно $2^{13}$ периодов такта

Существуют и готовые микросхемы выдержек на основе счётчиков:

Intersil ICM7240/50/60 — 8-разрядный двоичный или двухдекадный счётчик плюс логика, которая отмеряет задержку в заданное число периодов (1–255 или 1–99); число набирают перемычками или барабанным переключателем;
ICM7242 — та же идея с постоянным коэффициентом деления 128;
Exar XR2243 — аналог с постоянным делителем на 1024.

Длинная выдержка: два подхода

	Одновибратор	Счётчик и триггер
Точность	±10% и хуже, дрейф	как у тактового генератора (кварц — $1 0^{- 5}$ )
Длинные выдержки	электролиты с утечкой	сколько угодно: ещё разряды
Регулировка	плавно, через RC	ступенями ×2 (или точным числом периодов в ICM7240)
Помехоустойчивость	хуже	цифровая схема

Упражнение 8.5.7

Таймер проветривания в ванной собран по схеме выше. Такт берут с вывода микроконтроллера, настроенного на 1024 Гц, выход — $Q_{14}$ . а) Сколько длится импульс? б) На какую частоту перенастроить такт, чтобы вентилятор работал 30 с? в) Какой выход $Q_{n}$ дал бы при 1024 Гц ровно 1 с?

а) T =сб) f =Гцв) n =

Решение

Выход $Q_{n}$ поднимается через $2^{n - 1}$ тактов; для $Q_{14}$ это $2^{13} = 8192$ такта.

а) $T = 8192/1024 = 8$ с.

б) $f = 8192/30 = 273, 1$ Гц.

в) Нужно $2^{n - 1} = 1024 = 2^{10}$ , то есть $n = 11$ . Подвох: у 4060 выведены не все разряды — есть $Q_{4}$ … $Q_{10}$ и $Q_{12}$ … $Q_{14}$ , а $Q_{11}$ наружу не выходит. Выход из положения — удвоить такт до 2048 Гц и взять $Q_{12}$ . Точность выдержки при этом определяется только генератором такта: у кварцевого резонатора микроконтроллера это десятки миллионных долей, не чета ±10% одновибратора.

Упражнение 8.5.8 задача

Нужен импульс 30 с. Вариант 1: одновибратор '4538 с $R = 1, 5$ МОм и электролитом 22 мкФ (расчётно 33 с). Вариант 2: схема на 'HC74 и 'HC4060 с тактом 273 Гц от RC-генератора на триггере Шмитта. Перечислите, откуда берётся ошибка в каждом варианте, и решите, какой предпочтительнее.

Решение

Вариант 1: разброс экземпляров ±10%, допуск электролита (нередко −20…+80%), ток утечки, сравнимый с током заряда (как в упражнении про подсветку выше), — длительность непредсказуема, импульс может вообще не кончиться; плюс дрейф с температурой и питанием и чувствительность высокоомной RC-цепи к наводкам. Если возможен повторный запуск или сброс во время импульса, это поведение тоже надо продумывать отдельно.

Вариант 2: вся погрешность — в частоте RC-генератора такта (единицы процентов, без проблем утечки, ведь ёмкость маленькая); если взять кварцевый генератор и поделить его частоту, ошибка станет порядка $1 0^{- 5}$ . Начало импульса неопределённо на один период такта (~3,7 мс), если ПУСК не синхронизирован с тактом. Схема цифровая, к помехам устойчива, длительность меняется выбором выхода или частоты. Итог: для длинных и точных выдержек — счётчик; одновибратор оставляем для коротких некритичных импульсов там, где такта под рукой нет.