Стробируемый генератор запускается без задержки

Electronic Design

Правильный выбор компонентов может помочь сократить время запуска стробируемых генераторов

Типичной проблемой стробируемых генераторов является задержка, с которой появляется сигнал после того, как входной цифровой управляющий сигнал разрешает их работу. Эта задержка возникает из-за того, что, прежде чем напряжение на времязадающем конденсаторе начнет колебаться между двумя пороговыми точками, известными как V_T+ и V_T–, конденсатору необходимо частично разрядиться от начального напряжения V_DD. Это приводит к тому, что генератор начинает колебаться на ожидаемой собственной частоте только после некоторой временнóй задержки. Задержка влияет на точность измерений времени.

Рисунок 1.	Это классический генератор на логическом элементе. Справа показана временная диаграмма с периодами времени T0, T1 и T2.

На Рисунке 1 показан классический стробируемый генератор с соответствующей временной диаграммой. Когда логический уровень управляющего сигнала меняется с низкого на высокий, конденсатор C разряжается через резистор R от уровня V_DD до V_T–, на что и требуется время T₀. Характер изменения напряжения на резисторе R в течение интервала T₀ описывается уравнением (1):

(1)

Решая (1) относительно T₀, получаем:

(2)

где

V_DD – выходное напряжение логического элемента «И-НЕ»,
V_R – отрицательное пороговое напряжение V_T–, до которого падает напряжение на резисторе R.

Таким образом, для T₀ получаем выражение (3):

(3)

Устранить задержку T₀ позволяет решение, показанное на Рисунке 2. Когда уровень напряжения на входе управляющего сигнала низкий, на конденсаторе C сохраняется напряжение, на несколько милливольт меньшее, чем напряжение положительного порога V_T+. Это напряжение устанавливается подстроечным резистором. Импульсный диод D₁ будет поддерживать напряжение на конденсаторе на уровне менее V_T+, то есть, ниже 2.8 В, не допуская переключения логического элемента. Напряжение, приложенное к конденсатору через подстроечный резистор и диод D₁, должно быть меньше суммы V_T+ и V_R, то есть

Как видно из Рисунка 2, когда уровень управляющего сигнала переключается на высокий, уровень сигнала на выходе логического элемента «И-НЕ» становится низким, в результате чего конденсатор C начинает разряжаться от V_T+ до V_T– благодаря обратному смещению диода D₁. Затем конденсатор начнет непрерывно заряжаться и разряжаться между уровнями V_T+ и V_T– (Рисунок 3). Когда управляющий сигнал становится высоким, напряжение на конденсаторе возвращается к исходному значению, равному V_C.

Рисунок 2.	Этот стробируемый генератор на КМОП логическом элементе не имеет задержки включения.

В течение периода разряда T₂ импульсный диод D₁ (1N4148 или 1N4150) смещен в обратном направлении и отключает напряжение потенциометра, позволяя C разрядиться до V_T–. Формулы (4) и (5) определяют длительности периодов заряда T₁ и разряда T₂:

(4)

(5)

Выходная частота F_O определяется формулой (6):

(6)

Согласно справочным данным на микросхему 74HC132, при питании ее логических элементов «И-НЕ» напряжением V_DD = 5 В уровни их порогов V_T– = 1.8 В и V_T+ = 2.8 В. Подставляя эти значения в формулу (6), получаем выражение выходной частоты через константу k:

(7)

Обратите внимание, что точность выходной частоты зависит от допуска компонентов RC-цепи. Допуск резистора должен составлять 1%, а конденсатора – 5% или лучше.

Рисунок 3.	Осциллограмма, иллюстрирующая работу КМОП стробируемого генератора без задержки включения. Желтая линия – это вход управляющего сигнала, синяя – напряжение на конденсаторе, а фиолетовая линия представляет выход логического элемента «И-НЕ».

Представленная на Рисунке 3 осциллограмма показывает, что конденсатор начинает разряжаться от уровня V_T+ (а не от V_DD), поэтому выходной сигнал F_O появляется без задержки.

Стробируемый генератор, описанный в этой статье, имеет задержку запуска всего 20 нс, определяемую временем распространения в логическом элементе. В данном случае мы использовали логический элемент «И-НЕ» с триггером Шмитта – 74HC132. Для изоляции RC-цепи можно использовать и другие доступные элементы «И-НЕ».

Материалы по теме

1. Datasheet Texas Instruments CD74HC132