Генераторы периодических сигналов
При работе цифровых схем часто возникает задача синхронизации моментов изменения или записи сигналов. Для этого можно воспользоваться любым известным генератором сигналов, в том числе построенным на одиночном транзисторе или операционном усилителе. Однако в этом случае потребуется специальное устройство преобразования выходного сигнала генератора к цифровым логическим уровням, используемым в разрабатываемой схеме.
Намного проще использовать для построения генераторов цифрового сигнала логические элементы. Как известно из общей теории построения генераторов сигналов, для самовозбуждения генераторов необходимо выполнить два условия: баланс фаз и баланс амплитуд. Так как любые логические элементы обладают усилением, то для построения генераторов можно использовать как инверторы, так и схемы логического "И" и "ИЛИ". В некоторых случаях для построения генераторов используют даже триггеры.
Рассмотрим схему простейшего генератора. Для его реализации необходимо обеспечить баланс фаз на заданной частоте. Генератор может быть выполнен по схеме индуктивной или ёмкостной трёхточки. Такие схемы называются осцилляторными. В настоящее время обычно используется схема ёмкостной трёхточки как более дешёвый вариант. На рисунке 1 приведена подобная схема, выполненная на биполярном транзисторе.
Рисунок 1. Ёмкостная трёхточка, выполненная на биполярном транзисторе.
В этой схеме усилительный элемент включен в схему контура L1 C2 C3, резонансная частота которого и задаёт частоту генерации схемы. Глубина обратной связи задаётся соотношением ёмкостей этого контура и коэффициентом усиления транзистора на заданной частоте. Точно так же можно построить генератор и на основе . Схема LC генератора, построенного на основе логического инвертора, приведена на рисунке 2.
Рисунок 2. Ёмкостная трёхточка, выполненная на логическом инверторе.
При реализации генераторов на логических элементах необходимо следить за тем, чтобы при запуске генератора логический элемент находился в активном режиме.
В обычном включении логический инвертор находится в режиме ограничения. В режиме ограничения осуществляется жесткий режим запуска генератора, поэтому для возникновения колебаний в такой схеме потребуется подать мощный импульс на вход инвертора. Для самопроизвольного возникновения колебаний в схеме генератора необходимо перевести логический элемент в усилительный режим. Для этого инвертор необходимо охватить отрицательной обратной связью по постоянному току. В приведённой на рисунке 2 схеме это осуществляется замыканием входа и выхода микросхемы через индуктивность L1. Второй инвертор требуется для доведения уровня генерируемого сигнала до цифровых логических уровней. То есть он используется в качестве развязывающего (буферного) усилителя.
Схема на одном инверторе чаще всего используется для построения кварцевых генераторов. В этом случае в ёмкостной трёхточке вместо индуктивности используется кварцевый резонатор. Схема кварцевого генератора на одном логическом инверторе приведена на рисунке 3.
Рисунок 3. Схема кварцевого генератора, выполненная на логическом инверторе.
Ёмкости в частотозадающей цепочке обычно выбираются в пределах от 10 до 30 пФ. Соотношение ёмкостей задаёт глубину обратной связи, а значит устойчивость запуска генератора в диапазоне температур. Кварцевый резонатор не пропускает постоянный ток, поэтому в кварцевом генераторе для обеспечения автоматического запуска генератора приходится использовать дополнительные резисторы. Именно соотношение этих резисторов определяет коэффициент усиления активного элемента генераторов. При использовании очень высокочастотных кварцевых резонаторов резистор R1 для облегчения самовозбуждения генератора может отсутствовать.
Достаточно часто возникает необходимость останавливать генератор для экономии потребления электроэнергии. В этом случае вместо логического инвертора можно использовать схему "И". Подобная схема приведена на рисунке 4. Именно такая схема используется внутри современных микросхем в качестве задающего тактового генератора.
Рисунок 4. Схема кварцевого генератора, выполненная на элементе логического "И".
