ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ Российский патент 2003 года по МПК H03K3/27 

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в устройствах вычислительной техники и систем управления.

Известен генератор импульсов (см. книгу Альтшуллера Г.Б. и др. Кварцевые генераторы: Справочное пособие. М.: Радио и связь, 1984, с.63, рис.5.6б), содержащий три логических элемента, выполненных в виде инверторов, кварцевый резонатор и резистор. Выход первого логического элемента соединен с входом второго логического элемента, выход которого соединен непосредственно с входом третьего логического элемента и через кварцевый резонатор - с входом первого логического элемента. Выход третьего логического элемента через резистор соединен с входом первого логического элемента.

Недостатком генератора импульсов является формирование высокочастотных колебаний при включении питания до раскачки кварцевого резонатора и при отказе кварцевого резонатора за счет возбуждения генератора импульсов на частоте, определяемой проходной емкостью кварцевого резонатора.

Наиболее близким к заявляемому объекту является генератор импульсов (см. книгу Гутникова B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - Л. : Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1988, с.154, рис.5.7.а), содержащий три последовательно соединенных инвертора, резистор, включенный между выходом третьего и входом первого инверторов, и конденсатор, включенный между выходом второго и входом первого инверторов.

Недостаткам данного генератора импульсов является низкая стабильность частоты за счет того, что частота следования импульсов определяется параметрами резистора и конденсатора.

Задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является создание генератора импульсов, обладающего высокой стабильностью частоты.

Технический результат, заключающийся в повышении стабильности, достигается тем, что в генератор импульсов, содержащий три последовательно соединенных инвертора, резистор, включенный между входом первого и выходом третьего инверторов, и конденсатор, включенный между входом первого и выходом второго инверторов, введен кварцевый резонатор, подключенный параллельно резистору.

Указанная совокупность признаков позволяет повысить стабильность частоты за счет синхронизации частоты генератора кварцевым резонатором.

На чертеже приведена принципиальная схема генератора импульсов.

Генератор импульсов содержит первый 1, второй 2 и третий 3 инверторы, соединенные последовательно. Резистор 4 включен между входом первого инвертора 1 и выходом второго инвертора 2. Конденсатор 5 включен между входом первого инвертора 1 и выходом второго инвертора 2. Кварцевый резонатор 6 включен параллельно резистору 4.

Генератор импульсов работает следующим образом.

При подаче напряжения питания за счет резистора 4, охватывающего отрицательной обратной связью инверторы 1, 2, 3, рабочие точки инверторов 1, 2, 3 выводятся на линейный участок передаточных характеристик, обеспечивая петлевой коэффициент усиления К_ус>1. Конденсатор 5 обеспечивает положительную обратную связь в генераторе импульсов. Таким образом, в генераторе импульсов выполняются условия мягкого самовозбуждения. В зависимости от величин порогов срабатывания инверторов 1, 2, 3 они устанавливаются в одно из устойчивых положений. Пусть на выходе инвертора 2 устанавливается уровень логической "1", который поступает на вход инвертора 3, устанавливая на его выходе уровень логического "0". Одновременно положительный перепад напряжения с выхода инвертора 2 через конденсатор 5 RC-цепи, образованной резистором 4 и конденсатором 5, поступает на вход инвертора 1, устанавливая на его выходе уровень логического "0". Уровень логического "0" с выхода инвертора 1 поступает на вход инвертора 2, подтверждая уровень логической "1" на выходе последнего. Конденсатор 5 начинает разряжаться через резистор 4, при этом напряжение на левой обкладке конденсатора 5, а соответственно, и на входе инвертора 1, начинает уменьшаться по экспоненциальному закону с постоянной времени τ= RC, где R и С - величины сопротивления резистора 4 и емкости конденсатора 5 соответственно. При достижении напряжения на входе инвертора "1" уровня порога переключения U_пор на его выходе устанавливается уровень логической "1". На выходе инвертора 2 устанавливается уровень логического "0", который поступает на вход инвертора 3, устанавливая на его выходе уровень логической "1". Одновременно перепад с уровня логической "1" до уровня логического "0" с выхода инвертора 2 через конденсатор 5 RC-цепи поступает на вход инвертора 1, устанавливая на его входе отрицательное напряжение -(U_пор-U₁+U₀), где U₁ и U₀ - уровни логической "1" и логического "0" соответственно. Конденсатор 5 начинает перезаряжаться через резистор 4 по экспоненциальному закону с постоянной времени τ. Когда напряжение на входе инвертора 1 достигнет порога переключения, произойдет переключение инверторов 1, 2 и 3, а на входе инвертора 1 установится положительное напряжение амплитудой (U_пор+U₁-U₀), и процесс генерации импульсов продолжится.

Таким образом, период колебаний генератора при включении питания определяется постоянной времени τ=RC и стремится к величине, точное значение которой определяется структурой конкретного исполнения инверторов 1, 2 и 3.

В соответствии с теорией сигналов периодический сигнал может быть представлен в виде бесконечного ряда гармоник с частотами, кратными частоте исходного сигнала. Наличие в схеме генератора кварцевого резонатора 6 приводит к тому, что при попадании одной из гармоник в полосу пропускания кварцевого резонатора 6 последний, возбуждаясь, будет шунтировать резистор 4, при этом напряжение на входе инвертора 1 будет складываться из составляющей, изменяющейся по экспоненциальному закону с постоянной времени τ, и синусоидального колебания с частотой, равной резонансной частоте кварцевого резонатора 6. Рассмотрим случай, когда в полосу пропускания кварцевого генератора попадает первая гармоника. При этом первая полуволна синусоиды совпадает по своей полярности с экспоненциальной составляющей напряжения на входе инвертора 1, подтверждая состояние инвертора 1, а вторая полуволна синусоиды, вычитаясь из экспоненциальной составляющей напряжения на входе инвертора 1, уменьшает напряжение на входе инвертора 1 до уровня U_пор и тем самым синхронизирует моменты переключения генератора с частотой кварцевого резонатора 6. Таким образом, стабильность периода колебаний генератора импульсов будет определяться стабильностью периода колебаний кварцевого резонатора 6, которая значительно выше стабильности сопротивления резистора 4 и емкости конденсатора 5, определяющих стабильность периода колебаний прототипа.

В случае отказа кварцевого резонатора 6 (обрыве или сколе) генератор будет работать на частоте, определяемой постоянной времени τ=RC, а не на высокой частоте, определяемой статической емкостью кварцевого резонатора 6, тем самым повышается достоверность функционирования генератора импульсов по сравнению с аналогом.

Изготовлен лабораторный макет генератора импульсов на микросхемах серии 564. Испытания макета подтвердили работоспособность заявленного устройства и его практическую ценность.

Изобретение относится к импульсной технике. Технический результат: повышение стабильности частоты. Генератор импульсов содержит первый (1), второй (2) и третий (3) инверторы (И), включенные последовательно. Резистор (Р) (4) включен между входом первого И (1) и выходом третьего И (3). Конденсатор (5) включен между входом первого И (1) и выходом второго И (2). Кварцевый резистор (6) подключен параллельно Р (4). 1 ил.

Генератор импульсов, содержащий три инвертора, включенные последовательно, резистор, включенный между входом первого и выходом третьего инверторов, и конденсатор, включенный между входом первого и выходом второго инверторов, отличающийся тем, что введен кварцевый резонатор, подключенный параллельно резистору.