ГлавнаяСтатьиЭлектроника → Одновибратор 74HC123 и генератор импульсов на нем

Одновибратор 74HC123 и генератор импульсов на нем

7 июля 2015 года
Ключевые слова: схемотехника

Краткое описание.

Одновибратор это устройство, которое в ответ на подачу на него перепада напряжения (либо фронта, либо спада) выдает импульс фиксированной длительности.

Схем подобного типа изобретено довольно много, но проще всего использовать специальные интегральные микросхемы. Например 555АГ1 (импортный аналог 74HC121 ) и 555АГ3 (импортный аналог 74HC123).
Вторая микросхема удобнее, поскольку имеет возможность перезапуска — при повторной подаче сигнала запуска во время длящегося импульса он продолжается сначала. Прервать импульс можно подав на вход сброса логический ноль.

Микросхема 74HC123 состоит из двух одинаковых половинок (см. Рис.1). В каждой имеется два выхода: прямой Q и инверсный Q.
Затем два входа: прямой B (импульс запускается перепадом c 0 на 1) и инверсный A (импульс запускается перепадом с 1 в 0).
И, наконец, есть инверсный вход сброса R . Для нормальной работы (без прерываний) на него подают логическую 1.

Все режимы её работы можно проиллюстрировать Таблицей 1:

R

A

B

Q

Q

Примечание

0

X

X

0

1

Устанавливается немедленно

X

1

X

0

1

После окончания импульса

X

X

0

0

1

После окончания импульса

1

0

⎦ ⎣

⎤ ⎡

Одиночный импульс

1

1

⎦ ⎣

⎤ ⎡

Одиночный импульс

0

1

⎦ ⎣

⎤ ⎡

Одиночный импульс

Здесь буква X означает безразличное состояние (0 или 1), стрелка вверх - фронт, стрелка вниз - спад напряжения.

Как она работает.

Типичная схема включения показана на Рис.2. Прежде всего стоит отметить два факта:

В микросхеме есть технологические диоды VD1 и VD2, которые защищают её входы от разрядов статического электричества.
В книжках отечественных авторов вход микросхемы "С" всегда рисуют "висящим в воздухе". На самом же деле он соединяется внутри кристалла с выводом "gnd". А для уменьшения переходного сопротивления и влияния помех некоторые фирмы (NXP, STM) рекомендуют соединить выводы "C" и "gnd" дополнительным проводником.

Рис.2. Подключение время-задающих элементов и осциллограммы напряжений на входах и выходах 74HC123.

При включении питания конденсатор C зарядится через резистор R и на выводе "RC" напряжение станет равно напряжению питания Vcc. На выходе Q логический 0, а на выходе Q логическая 1.
При подаче фронта запускающего сигнала на управляющий вход B (или спада на A) ключ K кратковременно замыкается и разряжает конденсатор. Одновременно, на выходе Q устанавливается логическая 1, а на выходе Q логический 0.
Конденсатор постепенно заряжается через резистор R и, как только напряжение на входе "RC" станет равным некоему пороговому напряжению Vth, выход Q перебросится в логический 0, а выход Q в логическую 1. Импульс сформирован.

Расчет длительности импульса.

Каковы величины R и С подключаемые к микросхеме?
Время задающее сопротивление R допустимо брать от 2 кОм до 100 кОм, но для большей термостабильности рекомендуется диапазон от 5 кОм до 50 кОм.
Емкость конденсатора С может быть от 10 пФ до сотен мкФ; при емкости более 1 мкФ желательно включать защитный диод.

Длительность импульса зависит от напряжения питания и внутреннего сопротивления и емкости микросхемы и её лучше определять по графикам на Рис.3. Минимально достижимая длительность импульса лежит в пределах 20..50 нс.
Для емкости С>1000 пФ и напряжение питания 5В длительность импульса определяется по упрощенной формуле:

tи=0,45RC

В ней все величины даны в системе СИ (секунды, Омы, Фарады).

            Рис.3. Зависимость длительности импульса от параметров время-задающих элементов и напряжения питания.

Получение импульсов большой длительности.

Как уже отмечалось, сопротивление время задающего резистора R не должно превышать 100 кОм. Иначе ток заряда время-задающей емкости становится соизмерим с током утечки через вывод "RC" и временная и температурная стабильность импульса ухудшается.
Возникает противоречие — сопротивление должно быть большим, но оно не может быть большим. Как быть?

Первое решение — можно просто увеличить С, применив стабильный танталовый конденсатор большой емкости (см. Рис.4А).
Защитный диод Шоттки нужен при емкости более 1 мкФ, чтобы при внезапном пропадании напряжения питания ток разряда конденсатора не повредил внутренний диод микросхемы VD1. При нормальной работе защитный диод обратно смещен и никак не влияет на работу схемы.

Второе решение, разрешающее противоречие таково:
В идеале напряжение на выводе "RC" меняется, но ток от конденсатора через этот вывод не течет.

Как это сделать схемотехнически?
Отделить цепь зарядки конденсатора от вывода "RC" с помощью полевого или, что проще, биполярного транзистора с большим коэффициентом передачи тока.

Получившаяся схема показана на Рис.4Б.
Параметры транзистора: коэффициент передачи тока β 100, обратный ток коллектора Iкбо 1мкА. Для нормальной работы схемы надо, чтобы Rб < β Rк. Поэтому величины сопротивлений схемы Rб 2 МОм, Rк=30 кОм.
Недостаток решения — ухудшение термостабильности из-за зависимости напряжения база-эмиттер от температуры (в нормальных условиях оно равно 0,6В и уменьшается на 2мВ на градус).


            Рис.4. Схемы для получения импульсов большой длительности.

Оценим предельно достижимую длительность импульса:
Если Rб=2 МОм, С=100 мкФ, то длительность импульса в схеме Рис.4Б       tи ≈ 0,45 ⋅ 2 ⋅ 10 6 ⋅ 10 -4 = 0,9 ⋅ 10 2
т.е. порядка 90 секунд.

Схема генератора импульсов и ее работа.

74HC123 имеет две половинки и может довольно точно задавать длительность. Следовательно, на одной микросхеме можно собрать несложный генератор импульсов с раздельной регулировкой их периода и длительности.

Как это сделать показано на Рис.5. [1,2]. Положительная обратная связь получается при соединении выводов Q и B. При подаче высокого уровня на вывод управления генерация запускается, при подаче низкого останавливается. Если все время подавать высокий уровень, то должны получиться автоколебания с заданным периодом и длительностью импульса.

Для проверки стабильности работы этой схемы я собрал ее на макетной плате, показанной на Рис.6.


            Рис.6. Макет мультивибратора и его работа.

Чтобы параметры элементов не влияли на результаты были взяты наиболее стабильные компоненты - резисторы С2-29 с допуском 0,1% и термостабильные конденсаторы К71-7. Номинал R1 был равен 42,7 кОм, R2 выбран 28,4 кОм, оба конденсатора имели емкость 1000 пФ. Проверялась зависимость частоты автоколебаний и длительность импульса от напряжения питания и температуры.

Зависимость частоты и длительности от напряжения питания при комнатной температуре для микросхемы 74HC123E показана в Таблице 2:

Напряжение питания, В Частота, кГц Отклонение частоты, % Длительность импульса, мкс Отклонение длительности, %
5 41,982 0 15,8 0
5,5 42,578 1,4 15,6 -1,3
4,5 41,28 -1,7 16,1 1,9
3,3 38,18 -9,0 17,4 10,1
3,0 36,908 -12,1 18 14

А зависимость частоты и длительности от напряжения питания при комнатной температуре для микросхемы КР1533АГ3 показана в
Таблице 3:

Напряжение питания, В Частота, кГц Отклонение частоты, % Длительность импульса, мкс Отклонение длительности, %
5 63,208 0 10,3 0
5,5 63,114 -0,15 10,3 0
4,5 63,318 0,17 10,3 0
3,3 63,596 0,61 10,3 0
3,0 Не работает

Влияние температуры на работу микросхемы 74HC123E при питании 5В в Таблице 4:

Температура Частота, кГц Отклонение частоты, % Длительность импульса, мкс Отклонение длительности, %
+85 42,134 0,07 15,7 -0,63
+25 42,106 0 15,8 0
-40 42,145 0,09 15,9 0,63

Таким образом микросхема 74HC123E при стабильном напряжении питания и применении точных компонентов позволяет получать импульсы с отклонением частоты и длительности не более 1% во всем индустриальном диапазоне температур.

Литература.

  1. Вениаминов В.Н., Лебедев О.Н., Мирошниченко А.И. Микросхемы и их применение: Справ. пособие - 3-е издание. — М.: Радио и связь, 1989. — 240c. ил./ Cтр.210.

  2. Бирюков С.А. Применение цифровых микросхем серий ТТЛ и КМОП. 2-е изд. — М.: ДМК, 2000. — 240c. ил./ Cтр.119.

  3. Designing With the SN54/74LS123 , sdla006a.pdf, TI, 20c, 1997.



Комментарии

#1. 31 марта 2016 года, 16:34. Дмитрий пишет:
""Второе решение, разрешающее противоречие таково:
В идеале напряжение на выводе "RC" меняется, но ток от конденсатора через этот вывод не течет""

А как микросхема будете конденсатор разряжать, если он будет отделен транзистором с большим коэффициентом передачи? Тем более, мосфетом?
#2. 2 апреля 2016 года, 16:21. Андрей пишет:
Ну идеал всегда не достижим.
С биполярным транзистором разряд работает. Когда ключ замыкается, напряжение на эмиттере транзистора станет 0, и ток разряжающегося конденсатора потечет через открытый переход база-эмиттер, пока напряжение на базе не упадет примерно до 0,6В.
На счет полевого транзистора Вы правы, конденсатор не сможет разрядится и надо что-то изобрести. Например, попробовать поставить стабилитрон между затвором и истоком, с напряжением пробоя меньше, чем напряжения открывания мосфета. Но смысла в этом особенного нет, и с биполярным транзистором схема работает неплохо.

Оставьте свой комментарий

Ваше имя:

Комментарий:

Формулы на латехе: $$f(x) = x^2-\sqrt{x}$$ превратится в $$f(x) = x^2-\sqrt{x}$$.
Для выделения используйте следующий код: [i]курсив[/i], [b]жирный[/b].
Цитату оформляйте так: [q = имя автора]цитата[/q] или [q]еще цитата[/q].
Ссылку начните с http://. Других команд или HTML-тегов здесь нет.

Сколько будет 70+6?