Układy czasowe są układami elektronicznymi przeznaczonymi do generacji pojedynczych impulsów lub fali prostokątnej. Ich sygnał wyjściowy ma ściśle określone parametry czasowe:
- czas trwania impulsu
- częstotliwość
- opóźnienie impulsu

Zaliczamy do nich: przerzutniki monostabilne, przerzutniki astabilne, układy uzależnień czasowych, układy wyzwalające, generatory przebiegu prostokątnego.
Przerzutniki to układy, w których istnieje dodatnie sprzężenie zwrotne przyspieszające zmianę stanu wyjścia. Sygnał wyjściowy może przyjmować wartości:1 logiczna- stan wysoki (H) i 0 logiczne- stan niski (L). Przerzutniki monostabilne- uniwibratory wytwarzają pojedyncze impulsy w odpowiedzi na wejściowy impuls wyzwalający. Stan niski (LOW) jest jedynym stanem stabilnym takiego przerzutnika. Impuls wyzwalający powoduje chwilową zmianę stanu wyjścia i wprowadzenie układu w stan równowagi nietrwałej, w którym układ nie reaguje na impulsy wyzwalające. Czas nietrwały zależy od stałej czasowej obwodu RC. Układy astabilne- multiwibratory mają stany wyjścia, zarówno niski jak i wysoki astabilne. Układ pozostaje w każdym z tych stanów przez pewien czas zależny od stałej czasowej układu, aby samoistnie przejść w stan przeciwny. Noszą one również nazwę generatorów impulsów. Układy uzależnień czasowych można zbudować wykorzystując przerzutniki monostabilne, bramki, obwody RC. Projektując takie układy opieramy się przede wszystkim na przebiegach czasowych, z których trzeba skonstruować tablicę prawdy i rozrysować układ. Przetestowanie prototypu jest konieczne w celu zweryfikowania poprawności działania układu. Układy wyzwalające- różniczkujące generują krótkie impulsy przy zmianie sygnału wejściowego. Do wytwarzania impulsów wyzwalających można zastosować scalone przerzutniki monostabilne lub układy wykorzystujące naturalne opóźnienia, wnoszone przez bramki przerzutniki lub obwody RC. Generatory przebiegu prostokątnego można zbudować wykorzystując podstawowe elementy budujące układy cyfrowe.
Możemy dokonać następującego podziału generatorów:
- przestrajane napięciem (VCO) są to przetworniki napięcia na częstotliwość. Wymaga się, aby były one liniowe, tzn. aby ich czułość definiowana wzorem: była stała w całym zakresie zmian wielkości wyjściowej,
- generatory o programowanej częstotliwości. Najczęściej stosowaną metodą programowania częstotliwości przebiegu wyjściowego jest podział jednej częstotliwości przez różne współczynniki podziału.

Wytwarzają pojedyncze impulsy w odpowiedzi w odpowiedzi na impuls wyzwalający. Gdy przerzutnik znajduje się w stanie stabilnym (niskim- L), to w odpowiedzi na impuls wyzwalający układ wytwarza jeden impuls prostokątny o czasie trwania (zwanym szerokością impulsu wyjściowego) zależnym od stałej czasowej układu. Następnie układ powraca do stanu stabilnego. Uniwibratory mogą być zbudowane z bramek NAND i obwodów RC, które stanowią dodatnie sprzężenie zwrotne. Stosowanie scalonych uniwibratorów znacznie zwiększa niezawodność i dokładność przerzutników jednostabilnych oraz upraszcza układ elektroniczny.

Rodzaje układów monostabilnych:

• układy jedno, dwu- lub trzybramkowe,
• układy hybrydowe (bramka- tranzystor),
• układy monolityczne, stanowiące kompletne układy monostabilne o małym stopniu scalenia.

Układ scalony’121 zawiera jeden multiwibrator monostabilny. Umożliwia on generowanie impulsów o czasie trwania od ok. 30ns do 28s. Układ ma dwa komplementarne wyjścia Q i . W stanie równowagi trwałej (stanie spoczynkowym) poziom logiczny na wyjściu Q jest równy 0.
Do wyzwalania przerzutnika służą trzy wejścia sterujące:
A1 i A2 – do wyzwalania ujemnym zboczem impulsów,
B – do wyzwalania dodatnim zboczem impulsów,
Minimalny czas trwania impulsu wyzwalającego wynosi 50 ns.

Układ logiczny doprowadzający sygnał do wejścia wyzwalającego przerzutnika (wejście oznaczone trójkątem nie zamalowanym, co oznacza, że zboczem aktywnym jest zbocze dodatnie- wyzwalanie narastającym zboczem impulsu) realizuje funkcję W o postaci: ==> . Przebiegi czasowe układu ’121 wskazują na to, że jest on nieretrygerowalny, czyli impulsy wyzwalające podawane na przerzutnik nie mają wpływu na sygnał wyjściowy w czasie trwania impulsu generowanego t.
Manipulowanie wejściami: A1, A2, B2 pozwala:
- wyzwolić przerzutnik ujemnym zboczem sygnału A, podczas gdy na drugim A i B jest 1 logiczna (H),
- wyzwolić przerzutnik dodatnim zboczem sygnału B, gdy co najmniej na jednym z wejść A jest logiczne (L).

Wejście B doprowadzone jest do bramki z przerzutnikiem Schmitta, dlatego sygnał B musi być w standardzie TTL. Poprzez to wejście układ ’121 można wykorzystać do kształtowania sygnałów wejściowych wolnozmiennych (o wolnym czasie narastania dodatnich zboczy- do 1 V/s) pod warunkiem, że jedno z wejść A jest wstanie niskim (L). Dołączenie obwodu RC pozwala uzyskać opóźnienie generowanego impulsu. Sygnał ukształtowany w przerzutniku monostabilnym będzie miał, więc nie tylko odpowiednie zbocza, ale też pożądany czas trwania impulsu. Czas trwania impulsu wyjściowego może być zmieniany w granicach od 30 ns do 28 sekund i jest określony przez wartości zewnętrznych elementów RC zgodnie z zależnością: Pojemność własna układu między końcówkami 10 i 11 wynosi ok. 20 pF a rezystancja wewnętrzna ok. 2kΩ. Wartości pojemności zewnętrznych powinny się zawierać w przedziale 10 pF÷ 1000 μF a wartości rezystancji 1,4Ω÷ 40kΩ.

Układ scalony ‘123 zawiera dwa jednakowe przerzutniki monostabilne. Do wyzwalania przerzutnika służą dwa wejścia sterujące:
A- do wyzwalania ujemnym zboczem impulsów
B- do wyzwalania dodatnimi zboczami impulsów
Wejście pozwala wyzerować przerzutnik w dowolnej chwili. Układ logiczny doprowadzający sygnał do wejścia wyzwalającego przerzutnika realizuje funkcję W o postaci:

Uniwibrator UCY 74123 jest retrygerowalny, tzn., każdy kolejny impuls wyzwalający sprawia, że odliczanie czasu t (czasu trwania impulsu wyjściowego) rozpoczyna się na nowo. W rzeczywistości występowanie kolejnych impulsów wyzwalających w czasie trwania t wydłuża czas trwania impulsu wyjściowego Q.

Dysponując wejściami A, B, R można: - wyzwolić przerzutnik ujemnym zboczem sygnału A, gdy na wejściu B jest stan 1 - wyzwolić przerzutnik dodatnim zboczem sygnału B, gdy na wejściu A jest stan 0 Powyższe sposoby zachodzą wówczas, gdy na wejściu resetującym (R) jest stan wysoki. Podania na R zera podczas trwania impulsu powoduje natychmiast ustalenie się poziomu logicznego 0 na wyjściu Q, czyli skrócenie czasu trwania impulsu. Jeżeli w czasie zmiany poziomu sygnału R z 0 na 1 spełnione są warunki A=0 i B=1 to w tym przypadku wejście R będzie wyzwalało układ ‘123.

Różnice między układami ‘121 i ‘123:

• kolejne impulsy wyzwalające w czasie generowania impulsu wyjściowego wydłużają czas generowanego impulsu w przerzutniku ‘123, natomiast nie mają żadnego wpływu na impuls generowany przez przerzutnik ‘121
• ‘123 nie ma wejściowej bramki Schmitta
• ‘123 nie ma wewnętrznego rezystora
• w ‘123 wartość dołączonej pojemności jest nieograniczona
• w ‘123 wartość rezystancji musi się zawierać w granicach 5÷50kΩ
• w ‘123 minimalny czas trwania impulsu wyjściowego wynosi 40 ns (podczas gdy w ‘121- 50 ns)

Czas trwania impulsu t (dla C > 1000 pF) oblicza się ze wzoru:

wzór przybliżony:

t= [ns], R= [kΩ], C= [pF]

W przypadku stosowania kondensatorów elektrolitycznych lub wykorzystywania wejść zerujących należy dodatkowo włączyć do układu diodę krzemową, wówczas t wynosi:

wzór przybliżony: j.w.

t= [ns]...

Sposoby dołączenia elementów zewnętrznych R,C

Układ ULY7855 tzw. tajmer, zawiera następujące elementy:

• dwa komparatory K1 i K2
• przerzutnik asynchroniczny RS z dodatkowym wejściem zerującym
• wzmacniacz wyjściowy W
• tranzystor rozładowujący T

Schemat funkcjonalny układu ULY7855

Wejście przeznaczone jest do doprowadzenia zewnętrznego sygnału zerującego (zerowanie nastąpi po ustawieniu na tym wejściu poziomu logicznego 0)Napięcie zasilające doprowadza się między kocówki 8 (UCC) i 1 (masa)., Pożądane jest by to napięcie wynosiło 5V, czyli było zgodne ze standardem TTL. Powyższy układ może pracować również jako układ astabilny. Praca takiego układu zostanie przedstawiona w dalszej części artykułu.

Generator monostabliny

W stanie spoczynkowym (stabilnym) napięcie na wyjściu Wy układu ma poziom niski, czyli na wyjściu występuje poziom wysoki. Wysterowuje on tranzystor T w stan przewodzenia, co sprawia, że zbocznikowany tym tranzystorem kondensator C jest rozładowany i napięcie na nim jest bliskie 0. Jest to jednocześnie napięcie doprowadzone do wejścia nieodwracającego komparatora K1. Na wejściu odwracającym tego komparatora napięcie ma wartość równą : 2/3 UCC ( wartość ta jest ustalona przez wewnętrzny dzielnik napięcia). W efekcie na wyjściu komparatora K1, które jest jednocześnie wejściem R przerzutnika jest poziom niski. Na wejściu wyzwalającym We (końcówka 2) napięcie powinno mieć wartość większą niż 1/3 UCC. Napięcie na wejściu nieodwracającym komparatora K2, ustalone przez wewnętrzny dzielnik napięcia ma wartość: 1/3 UCC. Na wyjściu tegoż komparatora, które jest jednocześnie wejściem S przerzutnika jest poziom niski. Przerzutnik jest więc w stanie pamiętania sygnału logicznego 0. Doprowadzenie do wejścia wyzwalającego (końcówka 20 zbocza ujemnego powoduje, że napięcie na wejściu odwracającym komparatora K2 jest niższe niż na wejściu nieodwracającym, pod warunkiem, że poziom sygnału wyzwalającego zmalał poniżej 1/3 UCC. Wyjście komparatora K2 zostaje przestawione w stan wysoki, co sprawia, że przerzutnik RS zostaje ustawiony w stan 1 logicznej i na wyjściu układu pojawia się wysoki poziom napięcia. Na wyjściu występuje wówczas poziom niski i dzięki temu tranzystor T zostaje odcięty. Kondensator C jest teraz ładowany przez rezystor R. Gdy napięcie na nim osiągnie wartość 1/3 UCC (czyli wartość napięcia odniesienia na wejściu odwracającym komparatora K1) stan wyjścia komparatora K1 ulegnie zmianie i wysoki poziom na jego wyjściu ustawi ponownie w stan niski przerzutnik RS, o ile na jego wejściu S pojawił się ponownie stan niski. Działanie układu będzie poprawne pod warunkiem, że czas trwania impulsu wyzwalającego będzie krótszy niż czas trwania impulsu generowanego. W przeciwnym razie, pomimo, że wejście R przerzutnika zostanie wysterowane przez wyjście komparatora K1- przerzutnik nie zmieni stanu dopóty, dopóki wejście S nie znajdzie się w stanie wysokim. W chwili powrotu stanu wyjścia do poziomu niskiego tranzystor T zacznie przewodzić i rozładuje szybko kondensator C. Układ powróci do stanu początkowego. Szerokość impulsu wyjściowego określa zależność: t= 1,1 RC. Maksymalna wartość rezystancji R wynosi ok. 20 M. Układ ten pozwala, więc uzyskać czas trwania impulsu wyjściowego rzędu kilku godzin (sprawiają to kondensatory elektrolityczne). Kondensator 0,1 F, przyłączony do końcówki 5, służy do tłumienia tętnień występujących na wejściu odwracającym komparatora K1.

Rys. 2.7 Schemat funkcjonalny układu scalonego MCY74047

Układ ma 6 wejść:

• AST i służą do bramkowania pracy oscylatora astabilnego
• +TR i –TR są przeznaczone do wyzwalania przerzutnika odpowiednio zboczem dodatnim lub ujemnym
• RTR ustawia przerzutnik w tryb pracy przerzutnika ‘123 (przerzutnik retrygerowalny)
• CLR jest wejściem zerującym układ

Układ ma wyjścia komplementarne Q i oraz wyprowadzony sygnał wewnętrznego generatora- wyjście OSC. Powyższy układ może pracować również jako multiwibrator astabilny. Ta praca zostanie przedstawiona w punkcie 3.2.

Rys 2.8. Multiwibrator monostabliny

a) układ połączeń

b) przebiegi czasowe

Wartości rezystancji i pojemności dobiera się zgodnie z następującymi zależnościami:

    tOSC= 1,38 REXT CEXT                tM= 2,48 REXT CEXT
     

W powyższym układzie przerzutnik jest wyzwalany zboczem dodatnim (sygnał wyzwalający jest doprowadzony do wejścia +TR (8), a do wejścia –TR (7) poziom niski). Jeżeli chcemy wyzwolić układ zboczem opadającym, to należy go podać na wejście –TR (7), a wejście +TR (8) powinno być w stanie wysokim. W celu wydłużenia impulsu wyjściowego (praca w trybie przerzutnika ‘123) należy wejście +TR (8) połączyć z wejściem RTR (12). Zarówno dla pracy astabilnej, jak i monostabilnej wymagane jest dołączenie elementów zewnętrznych R i C. Nie ma ograniczeń, co do granicznych parametrów tych wartości. Zaleca się jednak stosowanie kondensatorów nieelektrolitycznych o rezystancji rezystora upływowego (równoległego) 10 razy większej niż rezystancja współpracującego z nim rezystora. Dla pracy monostabilnej należy stosować elementy o wartościach: C>1000pF, 10k < R< 1M.

Tabela 2.1

Funkcje

Połączenia zewnętrzne Wyjściowy impuls odbierany z wypro- wadzenia

wyprowa- dzenia połączone do UDD

wyprowa- dzenia połączone do USS impuls wejściowy dostarczo- ny do wy- prowadze-nia M u l t i w i b r a t o r a s t a b i l n y Praca ciągła 4,5,6,14 7,8,9,12 - 10,11,13 Praca z bramkowaniem stanem wysokim 4,6,14 7,8,9,12 - 10,11,13

Praca z bramkowaniem Stanem niskim 6,14 5,7,8,9,12 4 10,11,13

M u l t i w i b r a t o r m o n o s t a b i l n y Praca z wyzwalaniem zboczem dodatnim 4,14 5,6,7,9,12 8 10,11

Praca z wyzwalaniem zboczem ujemnym 4,8,14 5,7,9,12 6 10,11

Praca astabilna 4,14 5,6,7,9 8,12 10,11

Rys. 2.9 Układ monostabilny z dwoma bramkami NAND z układu TTL’00.

a)schemat

b)przebiegi czasowe

c)zależność szerokości impulsu tw od pojemności C przy R=470, UCC=5V i Ta=25C

Podanie na wejście E impulsu ujemnego w granicach poziomów logicznych powoduje wytworzenie w punkcie 1 (wyjście Q) skoku napięcia z poziomu L na H, co powoduje skok napięcia w punkcie 3 (wyjście Q) z poziomu H na L, podtrzymując bramkę B1 w stanie wyłączenia. W miarę ładowania kondensatora C napięcie w punkcie 2 maleje i przy osiągnięciu wartości napięcia progowego UT bramki następuje przeskok napięcia w punkcie 3 ponownie na poziom H. Jeśli czas trwania impulsu wyzwalającego jest krótszy od tw, to również w punkcie 1 nastąpi w tym samym momencie przeskok napięcia do poziomu L. W przeciwnym razie napięcie w punkcie 1 będzie na poziomie H tak długo, aż napiecie na wejściu E nie powróci do poziomu H. Aby uniknąć takiej sytuacji, w praktyce stosuje się dodatkowy układ różniczkujący. W czasie równowagi nietrwałej przebieg napięcia w punkcie 2 wyraża się jako:

                           U2(t)= U0+ Uaexp (-  )

I po uwzględnieniu warunku U2(tw)= UT otrzymuje się wzór określający czas trwania impulsów wyjściowych układu

                            tw= RC ln [Ua/ (UT-U0)]

gdzie: Ua- napięcie amplitudy logicznej (typowo ok. 3,3V) U0- napięcie początkowe w punkcie 2, określone przez spadek napięcia na rezystorze R, wywołany prądem spływającym z wejścia bramki B2 na poziomie L. Wartość R nie powinna przekraczać 500, aby w najgorszym przypadku napięcie U0 w punkcie 2 nie przekroczyło 0,8V. Zwiększenie pojemności o 10% w stosunku do odpowiedniej wartości odczytanej z wykresu i równoległe przyłączenie do R potencjometru P o rezystancji 10k umożliwia regulację szerokości impulsu wyjściowego. Stałość temperaturowa długości tw wynosi on. 0,4%/K.

Rys. 2.10 Układ monostabilny z bramkami NOR CMOS

Powyższy układ jest analogiczny do układu z rysunku 2.9. Przy napięciu progu logicznego równym UT= UCC/2 szerokość impulsu tw jest w przybliżeniu równa tw 0,7CR. Rezystor RS= 100k jest rezystorem zabezpieczającym wejście bramki B2 przed przepięciem, pojawiającym się w końcu impulsu wyjściowego.

może być realizowany w poniższych konfiguracjach:

Rys. 2.11 Układy monostabilne z bramkami NOR ECL:

a) układ z bramkami o komplementarnych wyjściach

b) układ z bramkami o pojedynczych wyjściach

W układzie z podpunktu a długi czas martwy powoduje ograniczenie wypełnienia okresu powtarzania impulsów o wartości td/ (2td+3tp), gdzie td jest opóźnieniem wprowadzanym przez element opóźniający EO i tp jest czasem propagacji bramki. Maksymalna częstotliwość impulsów jest równa 1/(2td+3tp). W układzie z podpunktu b czas martwy jest krótszy i maksymalne wypełnienie okresu impulsów jest równe (td-tp)/(td+twE) gdzie twE jest szerokością impulsu wyzwalającego. Maksymalna częstotliwość impulsów jest równa 1/(td+twE). W obydwu układach minimalna szerokość impulsu wyzwalającego jest ograniczona do 2tp, gdyż dopiero po tym czasie zaczyna działać dodatnie sprzężenie zwrotne. Na rysunkach nie są pokazane rezystory obciągające. Typowym elementem opóźniającym jest kabel współosiowy. Można go zastąpić go czterema bramkami NOR ECL np. z klasy 10K lub typowym układem całkującym.

Charakteryzujące się zerowym czasem propagacji przedstawia poniższy rysunek.

Rys 2. 12 Bezopóźnieniowe układy monostabilne.

a) z bramkami ECL

b) z układami TTL z otwartym kolektorem

Krótki dodatni impuls wejściowy zostaje podtrzymany na poziomie H wskutek regeneratywnej (odnawiającej) akcji sprzężenia zwrotnego, obejmującej bramki B1 i B2. Stosunek R1/ R2 dobiera się tak, aby na wejściu bramki B2 było napięcie UR= UIHmin. Czas trwania poszerzonego w ten sposób impulsu wejściowego zależy liniowo od stałej czasowej zależnej od elementów: C, R1, R2 i jest równy tw 0,98 CR1R2/ (R1+ R2). Charakterystyczną cechą układu jest to, że nie wprowadza on żadnego czasu propagacji na drodze wejście- wyjście, gdyż jest to w istocie jeden wspólny punkt. Minimalna szerokość poszerzanego impulsu jest równa: twmin= tPHL(B1)+ tPLH(B2). W układzie z punktu b (rys 2.12) szerokość impulsu wyjściowego można obliczyć jako tw 0,28 CR1RIL/ (R1+RIL), gdzie RIL jest rezystancją wejściową bufora B2, gdy napięcie wejściowe jest mniejsze od progu 1,4V. W układach z serii standardowej wartość RIL wynosi ok. 4k Minimalna szerokość impulsu wyzwalającego jest również równa sumie czasów propagacji użytych bramek lub buforów. Usunięcie (podpunkt b rys 2.12) buforu B1 i rezystora R2 pozwala uprościć układ i dwukrotnie skrócić minimalną szerokość impulsu poszerzanego.

Rys 2.13 Układy monostabilne zbudowane z typowych przerzutników.

a) z przerzutnikiem wyzwalanym impulsem

b) z przerzutnikiem wyzwalanym zboczem narastającym

Jeśli zerowanie przerzutnika wymaga impulsu dodatniego (co jest typowe w układach CMOS i ECL), to rezystor R należy przyłączyć do wyjścia Q. Powtórne wyzwolenie podczas trwania impulsów (w czasie tw) powoduje ich wyzerowanie. Aby uniezależnić impulsy wyjściowe od zmian sygnałów sterujących podczas tw należy wejście J lub D (dla przerzutnika typu D) połączyć ze stałym poziomem H.

Zwane także multiwibratorami lub generatorami przebiegów prostokątnych. Spełniają warunki generacji przy wszystkich częstotliwościach. Wzmacniacz i obwód sprzężenia zwrotnego, tworzące układ generatora sygnału prostokątnego muszą być układami szerokopasmowymi. Multiwibrator ma oba stany wyjścia: wysoki i niski niestabilne (astabilne), tzn. układ pozostaje w każdym z tych stanów tylko przez pewien czas, zależny od stałej czasowej układu, aby samoistnie przejść w stan przeciwny.

Układ ULY7855 tzw. tajmer, zawiera następujące elementy: - dwa komparatory K1 i K2 - przerzutnik asynchroniczny RS z dodatkowym wejściem zerującym - wzmacniacz wyjściowy W - tranzystor rozładowujący T

Rys 3.1 Schemat funkcjonalny układu ULY7855

Wejście przeznaczone jest do doprowadzenia zewnętrznego sygnału zerującego (zerowanie nastąpi po ustawieniu na tym wejściu poziomu logicznego 0). Napięcie zasilające doprowadza się między kocówki 8 (UCC) i 1 (masa)., Pożądane jest by to napięcie wynosiło 5V, czyli było zgodne ze standardem TTL.

Rys 3.2 Generator astabilny

a) schemat

b) przebiegi czasowe

W powyższym układzie kondensator C jest ładowany przez dwa rezystory RA i RB. Gdy napięcie na kondensatorze osiągnie wartość (2/3) UCC, wówczas rozpoczyna się proces rozładowania przez rezystor RB oraz tranzystor T. Ponieważ końcówka 2 jest połączona z kondensatorem, więc rozładowanie trwa dopóty, dopóki napięcie na kondensatorze nie będzie mniejsze niż (1/3) UCC. Wówczas ponownie rozpoczyna się proces ładowania. Kondensator jest ładowany ze stałą czasową (RA+ RB)C, a rozładowany ze stałą czasową RBC. Czas trwania ładowania t1 i rozładowania t2 pozwalają wyznaczyć przybliżone zależności:

     t1 0,7 (RA+ RB)C;         t2 0,7 RBC

Okres generowanego przebiegu:

    T= t1+ t2 0,7 (RA+ RB)C

Z podanych zależności wynika, że zawsze t1>t2 i współczynnik wypełnienia przebiegu wyjściowego będzie większy niż 50 %. Dołączenie diody D daje możliwość uzyskania mniejszych współczynników wypełnienia. W tym przypadku ładowanie kondensatora odbywa się wyłącznie przez rezystor RA oraz diodę D, a rozładowanie przez rezystor RB. Dioda ta pozwala dowolnie dobierać czasy t1 i t2, a tym samym współczynnik wypełnienia. Obciążalność prądowa wyjścia układu 555 jest bardzo duża i wynosi 200mA, co oznacza, że prąd wyjściowy, zarówno w stanie niskim jak i wysokim może mieć wartość 200mA. Ponieważ kierunki prądów są różne, więc i znak przy wartości prądu będzie różny (raz „+” w stanie L, raz „-” w stanie H). Możliwość uzyskania bardzo długich czasów trwania generowanych impulsów oraz fakt, że czas trwania impulsów jest bardzo stabilny (niezależny od temperatury i napięcia zasilania), a także możliwość uzyskania prawie wzorcowych impulsów czasowych (dzięki użyciu stabilnych elementów zewnętrznych), pozwala stosować tajmer ULY7855 w bardzo wielu praktycznych układach, np.: dzielniki częstotliwości, przetworniki U/f, autoalarmy.

Rys. 3.3 Schemat funkcjonalny układu scalonego MCY74047

Układ ma 6 wejść: - AST i służą do bramkowania pracy oscylatora astabilnego - +TR i –TR są przeznaczone do wyzwalania przerzutnika odpowiednio zboczem dodatnim lub ujemnym - RTR ustawia przerzutnik w tryb pracy przerzutnika ‘123 (przerzutnik retrygerowalny) - CLR jest wejściem zerującym układ Układ ma wyjścia komplementarne Q i oraz wyprowadzony sygnał wewnętrznego generatora- wyjście OSC.

Rys. 3.4 Multiwibrator astabilny

a) układ połączeń

b) przebiegi czasowe

Wartości rezystancji i pojemności dobiera się zgodnie z zależnościami:

        tOSC= 1,1 REXT CEXT;                         tAS= 4,4 REXT CEXT   

Dobór wartości elementów RC przedstawiono w punkcie 2.4.

Funkcje i połączenia zewnętrzne poszczególnych końcówek wyprowadzeń astabilnego multiwibratora przedstawiono w tabeli 2.1 (str. 19)

Przy zastosowaniu układów z klasy TTL największą popularność zdobył poniżej przedstawiony układ generatora impulsów:

Rys. 3.5 Generatory impulsów prostokątnych z cyfrowymi układami scalonymi z klasy TTL

Rezystor R umożliwia pewną linearyzację charakterystyki przejściowej bramki B!, w rezultacie czego następuje pewny start oscylacji po włączeniu zasilania. Dwa inwertery zapewniają konieczny przesuw fazy w obwodzie sprzężenia zwrotnego, równy 360. Częstotliwość generowanych impulsów jest w przybliżeniu równa 1/ (3RC). Bardzo prostą realizację generatorów impulsów otrzymuje się przy zastosowaniu bramek lub inwerterów z układem Schmitta. Do budowy takiego generatora wystarczy pojedyncza bramka lub inwerter.

Rys 3.6 Generatory impulsów prostokątnych z cyfrowymi układami scalonymi z klasy ECL

Układ z rysunku 3.7 generuje symetryczne impulsy prostokątne z okresem powtarzania równym w przybliżeniu 2,2 RC. Układ umożliwia regulację wypełnienia okresu powtarzania impulsów w bardzo szerokim zakresie (1:106 przy mniejszych częstotliwościach)za pośrednictwem potencjometru R, przy czym zmieniając R i C można uzyskać generację impulsów o częstotliwości od 1Hz do 1MHz. Ponadto układ może być kluczowany przez doprowadzenie do punktów A lub B poziomu L z wyjścia innej bramki CMOS, co powoduje zatrzymanie procesu oscylacji.

Rys. 3.7 Generator impulsów prostokątnych z UCS z klasy CMOS

Rys. 3.8 Generator impulsów prostokątnych z UCS z klasy CMOS

Układ z bramkami TTL. Cyfrowe układy scalone umożliwiają także bardzo prostą realizację generatorów impulsów prostokątnych, pracujących na zasadzie wzmacniacza z linią opóźniającą w pętli sprzężenia zwrotnego. Generatory tego typu, realizowane przy użyciu elementów dyskretnych, charakteryzują się bardzo krótkimi czasami przełączeń i wielką częstotliwością generacji. Odpowiednikiem „scalonym” układu na elementach dyskretnych jest poniżej przedstawiony generator.

Rys. 3.9 Generator impulsów prostokątnych z linią opóźniającą. Układ z bramkami TTL.

Układ wykorzystuje zasadniczo tylko jedną bramkę (B1) układu scalonego ’00, natomiast druga bramka (B2) jest użyta jako inwerter buforowy. Włączenie i wyłączenie układu jest ściśle związane z sygnałem sterującym wejście G (co odpowiada realizacji funkcji NAND). Gdy na wejściu G jest poziom L, to na wyjściu bramki B1 jest poziom H i generator nie pracuje. Zmiana poziomu na wejściu G z L na H powoduje po czasie propagacji tp zmianę poziomu na wyjściu bramki B1 z H na L. Poziom ten przenosi się po czasie td opóźnienia linii na wejście bramki B1, powodując po czasie tp jej ponowne wyłączenie. Cykl ten się dalej powtarza, powodując wytworzenie symetrycznej fali prostokątnej o okresie równym 2( td+ tp). Przy stosowaniu typowej bramki TTL (7400) stosowana linia opóźniająca powinna mieć możliwie dużą impedancję charakterystyczną z uwagi na obciążenie bramki B1. Do regulacji częstotliwości można stosować system niezależnych przełączników odcinków linii, umożliwiający wielostopniowy wybór okresu powtarzania w szerokim zakresie.

Rys. 3.10 Generator impulsów prostokątnych z linią opóźniającą. Układ z bramkami ECL.

Wartości rezystorów R1 i R2 określa w zależności od impedancji linii Zo na podstawie związków dopasowujących. Dokładne dostrojenie częstotliwości umożliwia w niewielkim zakresie kondensator CT o pojemności maksymalnej 610pF.

Generatory z rezonatorem kwarcowym stosujemy, gdy chcemy uzyskać bardzo dobrą dokładność i stałość częstotliwości. Przy wykorzystaniu układów scalonych generatory te mają bardzo prostą budowę.

Rys. 3.11 Przykłady budowy generatorów impulsów z bramkami TTL i rezonatorem kwarcowym.

Zazwyczaj stosuje się dwa linearyzowane rezystorowo inwertery lub bramki, które łączy się szeregowo z rezonatorem kwarcowym. Dodatkowy inwerter lub bramka jest wykorzystywany jako bufor wyjściowy. Jeśli stosowany rezonator ma pracować przy jednej z większych częstotliwości harmonicznych (zazwyczaj trzeciej, piątej lub siódmej), co ma miejsce przy częstotliwościach powyżej 20 MHz, to niezbędne jest stosowanie dodatkowych elementów L, C w celu dostrojenia układu do rezonansu szeregowego przy danej częstotliwości.

Rys 3.12

a) generator impulsów z układami ECL i rezonatorem kwarcowym pracującym przy częstotliwości podstawowej

b) generator impulsów z układami ECL i rezonatorem kwarcowym pracującym przy częstotliwości podstawowej, mogący również pracować z obwodem LC zamiast rezonatora. Przykładowo, dla otrzymania częstotliwości 27 MHz należy zapewnić L= 2,2H i C= 10pF.

c) kwarcowy generator impulsów z układami ECL i rezonatorem pracującym przy częstotliwości harmonicznej- 100MHz.

Rys 3.13 Przykład budowy generatora kwarcowego z inwerterem (bramką) CMOS.

Układ zbudowany jest z bramek dwuwejściowych NAND. Częstotliwość wyjściowa generatora może być obliczona na podstawie przybliżonego wzoru:

Współczynnik wypełnienia fali wyjściowej (stosunek czasu trwania poziomu H do czasu trwania poziomu L) wynosi ok. 1/3, a jego zmiana jest możliwa przez dołączenie do wejść bramki pierwszej i trzeciej oporników o dobranych eksperymentalnie wartościach rezystancji (z przedziału 680 6,8k). Uruchamianie i zatrzymywanie generatora jest sterowane poziomem sygnału na wejściu a w pierwszej bramce. Przy poziomie H układ generuje drgania, przy czym oscylacje rozpoczynają się synchronicznie z pojawieniem się sygnału sterującego H.

Rys. 3.12 Generator start- stop.

Rys. 3 13 Generator fali prostokątnej zbudowany z jednego przerzutnika ‘121.

W powyższym układzie kondensator C1 ładuje się przez rezystor R1 (dioda nie przewodzi, gdyż jej katoda jest dołączona do potencjału H). Na wyjściu Q jest stan niski L. W chwili, gdy napięcie na kondensatorze C1 osiągnie napięcie progowe bramki Schmitta (1,6 1,7V), nastąpi wyzwolenie przerzutnika i jego wyjście zostanie ustawione w stan H na czas określony przez stałą czasową T2= R2 C2. Kondensator C rozładowuje się przez diodę, której anoda jest teraz dołączona do potencjału L. Napięcie to powinno zmaleć co najmniej do wartości ok. 9V, aby bramka Schmitta mogła przejść w stan niski. Wynika z tego, że diodę należy dobrać tak, aby UOL+UF< 0,9V. UOL- napięcie wyjściowe w stanie niskim UF- napięcie przewodzenia diody Stałość częstotliwości drgań i współczynnika wypełnienia nie jest zbyt duża, w związku tym generator ten nie może być używany jako generator wzorcowy.

Układy uzależnień czasowych mogą być zbudowane z takich elementów jak: przerzutniki monostabilne, przerzutniki Schmitta, bramki logiczne: AND, OR, NOT, elementy RC. Pierwszym etapem projektowania układu uzależnień czasowych jest narysowanie przebiegów czasowych sygnałów wejściowych i wyjściowych, obrazujących wszystkie możliwe sytuacje. Następnie należy wstępnie zestawić układ przy użyciu możliwie najprostszych elementów jakimi są np.: przerzutniki monstabilne ‘121. Zakładając że, zbudowaliśmy układ, możemy uzupełnić przebiegi czasowe o sygnały uzyskane np.: na wyjściach przerzutników. Kolejnym etapem projektowania jest podzielenie przebiegów czasowych na odcinki czasowe, w których żaden z sygnałów wejściowych nie zmienia się. Konstruujemy tablicę prawdy na podstawie wykresów czasowych. Układ cyfrowy, w którym stan wyjść jest różny mimo takiego samego stanu wejść, jest układem sekwencyjnym i jego realizacja wymaga użycia pamięci. Zanim przystąpimy do projektowania układu sekwencyjnego, należy rozważyć możliwość usunięcia sprzeczności w tablicy prawdy. Można to niekiedy osiągnąć przez zmianę sposobu wyzwalania przerzutników. Zmiana ta powoduje, że musimy narysować nowe przebiegi czasowe i zweryfikować układ wraz z tablicą prawdy. Usunięcie sprzeczności z tablicy prawdy powoduje, że mamy do czynienia z układem kombinacyjnym, tzn. takim którego stany wyjść są zawsze takie same dla pewnej kombinacji stanów wejść. Po przekształceniu tablicy prawdy w tablicę Karnaugha i minimalizacji otrzymujemy wyrażenie opisujące sygnał wyjściowy. Projektowanie układów uzależnień czasowych zalicza się do trudnych problemów technicznych. Ostatecznym środkiem weryfikacji poprawności zaprojektowanego układu czasowego powinno być zawsze zbudowanie jego prototypu i wszechstronne przetestowanie.

są układami generującymi krótkie impulsy przy zmianie sygnału wejściowego. Te krótkie impulsy doprowadzane są m. in. do wejść zegarowych (wyzwalających) przerzutników. Zatem układy wyzwalające służą do zerowania układów (ustawiania ich w stan początkowy). Układy wyzwalające nazywane są również układami różniczkującymi, ponieważ różniczkują one przebiegi tzn.: dają w wyniku funkcję zmieniającą skokowo swoją wartość przy zmianie argumentu. Do wytwarzania impulsów wyzwalających można zastosować scalone przerzutniki monostabilne albo układy wykorzystujące naturalne opóźnienia, wnoszone przez bramki (funktory logiczne), przerzutniki lub obwody RC.

Rys. 5.0

a) typowy kształt impulsu w rzeczywistych warunkach pracy układu,

b) uproszczona zasada pomiaru.

Parametry dynamiczne (impulsowe) określa się gdy bada się relacje czasowe pomiędzy sygnałami na wejściach i wyjściach układu.

• Czas propagacji ze stanu H do L (t_PHL). Jest to czas jaki upływa od chwili, w której opadający sygnał wejściowy osiąga wartość progową równą 0,5 (U_IHmin+ U_ILmax), do chwili, w której odpowiadający mu opadający sygnał wyjściowy osiąga wartość progową 0,5 (U_OHmin+ U_OLmax).
• Czas propagacji ze stanu L do H (t_PLH). Jest to czas jaki upływa od chwili, w której opadający sygnał wejściowy osiąga wartość progową równą 0,5 (U_IHmin+ U_ILmax), do chwili, w której odpowiadający mu opadający sygnał wyjściowy osiąga wartość progową 0,5 (U_OHmin+ U_OLmax).

Rys. 5.1 Charakterystyka przejściowa układu cyfrowego z naniesionymi czasami propagacji.

a) napięcie wejściowe

b) napięcie wyjściowe dla układu odwracającego

c) napięcie wyjściowe dla układu nieodwracającego

Wyznaczanie czasu propagacji t_PHL układów czasowych odbywa się tylko dla wyjścia odwracającego.

• Średni czas propagacji (t_P) jest obliczany jako wartość średnia ze zdefiniowanych powyżej czasów propagacji t_PHL i t_PLH.

• Czas zmiany stanu logicznego z H („1”) do L („0”)- t_THL. Jest to czas, w którym napięcie na wyjściu układu zmienia swoją wartość od 0,5 (U_IHmax+ U_OHmax) do 0,5 (U_ILmax+ U_OLmax).
• Czas zmiany stanu logicznego z L („0”) do H („1”)- t_TLH. Jest to czas, w którym napięcie na wyjściu układu zmienia swoją wartość od 0,5 (U_ILmax+ U_OLmax) do 0,5 (U_IHmax+ U_OHmax).

Rys. 5.2 Charakterystyka przejściowa układu cyfrowego z naniesionymi czasami zmiany stanu logicznego i czasami opóźnień przy zmianie stanu.

a) napięcie wejściowe

b) napięcie wyjściowe dla układu nieodwracającego

c) napięcie wyjściowe dla układu odwracającego

Wyznaczanie zmiany stanu logicznego t_TLH układów czasowych odbywa się tylko dla wyjścia odwracającego .

• Czas opóźnienia zbocza przy zmianie z H do L- t_DHL. Jest to czas jaki upływa między wystąpieniem na wejściu napięcia 0,5 (U_ILmax+ U_OLmax) a następnie na wyjściu napięcia 0,5 (U_OHmin+ U_IHmin).
• Czas opóźnienia zbocza przy zmianie z L do H- t_DLH. Jest to czas, jaki upływa między wystąpieniem na wejściu napięcia 0,5 (U_OHmin+ U_IHmin) a następnie na wyjściu napięcia 0,5 (U_ILmax+ U_OLmax).

Wyznaczenie czasu opóźnienia zbocza t_DLH odbywa się tylko dla wyjścia odwracającego .

• Czas trwania impulsu (t_w)- stanowi on wymagany minimalny czas trwania impulsu zapewniający prawidłową pracę układu. Czas ten musi być na tyle długi, aby dokonała się zmiana stanu wewnętrznych bramek układu scalonego.

Rys. 5.3 Typowy kształt impulsu w rzeczywistych warunkach pracy układu.

• Graniczna częstotliwość przełączania układu (f_max) [MHz]
• Współczynnik jakości (dobroci)- WJ, okreslony jako iloczyn poboru średniej mocy zasilania i czasu propagacji WJ= P_Z* t_P [mV* ns]
• Obciążalność N wyjścia układu. Jest to dopuszczalna liczba wejść innych elementów (tej samej lub określonej serii), które mogą być z tego wyjścia prawidłowo sterowane (tzn. bez przekroczeń katalogowych prądów i napięć)

Parametry statyczne (stałoprądowe) określa się w przypadkach, gdy zależności czasowe pomiędzy sygnałami na wejściach i wyjściach nie są istotne. Najważniejsze z grona parametrów czasowych to:

1. Parametry dotyczące wejść układu:

• napięcie wejściowe w stanie niskim- U_IL
• napięcie wejściowe w stanie niskim- U_IH
• prąd wejściowy w stanie niskim- I_IL
• prąd wejściowy w stanie wysokim- I_IH

-dla napięcia na wejściu U_IH równego U_IHmax -dla napięcia na wejściu U_IH równego U_OHmax [μA]

2. Parametry dotyczące wyjść układu:

• napięcie wyjściowe w stanie niskim- U_OL
• napięcie wyjściowe w stanie wysokim- U_OH
• prąd wyjściowy w stanie niskim- I_OL
• prąd wyjściowy w stanie wysokim- I_OH
• wyjściowy prąd zwarciowy- I_OS

3. Parametry dotyczące zasilania układu:

• prąd zasilania w stanie niskim- I_CCL lub I_DDL
• prąd zasilania w stanie wysokim- I_CCH lub I_DDH
• moc zasilania w stanie niskim- P_ZL
• moc zasilania w stanie wysokim P_ZH
• średnia moc zasilania PZ= (P_ZL+P_ZH)/ 2

• Wojciech Głocki „Układy cyfrowe”,
• Dieter Nührmann „Elektronika łatwiejsza niż przypuszczasz", „Technika cyfrowa”,
• Dieter Nührmann „Elektronika łatwiejsza niż przypuszczasz”, „Układy scalone”,
• Józef Kalisz „Technika cyfrowa”,
• Jerzy Kołodziejski „Miernictwo układów scalonych”,
• J. Borczyński „Podzespoły elektroniczne- półprzewodniki”.