МУЛЬТИВИБРАТОР Российский патент 2004 года по МПК H03K3/281 

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

Известен мультивибратор (см. авторское свидетельство СССР №1411931 от 06.03.86, МКИ: Н 03 К 3/28 "Мультивибратор", В.Ю. Беляев, опубликовано 23.07.88, бюл. №27), содержащий счетный триггер, прямой выход которого через первый элемент задержки соединен со счетным входом триггера, а инверсный выход через второй элемент задержки подключен к R-входу счетного триггера, логический блок анализа состояния мультивибратора, состоящий из логических элементов 3И-НЕ, 2И и инвертора, причем вход инвертора соединен с первым входом логического блока анализа, выход - с первым входом элемента 3И-НЕ, второй вход которого соединен с вторым входом логического блока анализа, третий вход - с третьим входом логического блока анализа, а выход элемента 3И-НЕ - с первым входом элемента 2И, второй вход которого соединен с четвертым входом логического блока анализа. Первый вход логического блока анализа подключен к выходу первого элемента задержки, второй вход - к выходу второго элемента задержки, третий вход - к инверсному выходу счетного триггера, четвертый вход - к входной шине мультивибратора, а выход соединен с установочным S-входом счетного триггера.

Недостатком данного мультивибратора является сложность, связанная с большими аппаратными затратами.

Известен также мультивибратор (см. книгу: В.Н. Яковлев, В.В. Воскресенский и др. Справочник по микроэлектронной импульсной технике. Издательство “Техника”, 1983, - с.216, рис. 9.3б), содержащий первый, второй, третий и четвертый элементы ИЛИ-НЕ, первый и второй диоды, первый и второй резисторы, первый и второй конденсаторы и первый и второй выходы мультивибратора. Первый и второй элементы ИЛИ-НЕ выполняют функции инверторов, поскольку у каждого из них первые и вторые входы объединены между собой. Выход первого элемента ИЛИ-НЕ соединен с первым входом третьего элемента ИЛИ-НЕ, с первым выходом мультивибратора и через первый конденсатор - с входами второго элемента ИЛИ-НЕ, с анодом первого диода и с первым выводом первого резистора. Выход второго элемента ИЛИ-НЕ соединен с вторым входом третьего элемента ИЛИ-НЕ, с вторым выходом мультивибратора и через второй конденсатор - с входами первого элемента ИЛИ-НЕ, с анодом второго диода и с первым выводом второго резистора, второй вывод которого соединен с катодом второго диода, с вторым выводом первого резистора, с катодом первого диода и с выходом четвертого элемента ИЛИ-НЕ, первый вход которого соединен с выходом третьего элемента ИЛИ-НЕ, а второй вход - с общей шиной.

В указанном мультивибраторе конденсаторы времязадающих элементов не только формируют задержку переключения, но и обеспечивают его переключение. В этом случае отрицательная обратная связь, осуществляемая через третий и четвертый элементы ИЛИ-НЕ, обеспечивает исключение возможности реализации в схеме так называемого жесткого режима возбуждения, когда на выходах первого и второго элементов ИЛИ-НЕ, после подачи напряжения питания, одновременно присутствуют сигналы логического "0". Однако при этом, если в схеме имеется неблагоприятное сочетание порогов переключения логических элементов, появляется возможность зависания некоторых элементов в линейном режиме во время переходных процессов, что приводит к срыву колебаний. Указанному зависанию способствуют времязадающие элементы, которые осуществляют интегрирование сигналов отрицательной обратной связи. При этом чем ниже частота колебаний мультивибратора, тем выше вероятность срыва колебаний. Рассмотрим конкретный случай, когда, например, на выходе первого элемента ИЛИ-НЕ присутствует сигнал логического "0", на выходе второго элемента ИЛИ-НЕ присутствует сигнал логической "1", в процессе заряда первого конденсатора через первый резистор напряжение на входе второго элемента ИЛИ-НЕ достигает порога переключения. Далее начинается процесс снижения напряжения на выходе второго элемента ИЛИ-НЕ и соответственно на входах первого и третьего элементов ИЛИ-НЕ и при условии, что порог переключения третьего элемента ИЛИ-НЕ выше порога переключения первого элемента ИЛИ-НЕ, на выходе четвертого элемента ИЛИ-НЕ произойдет снижение напряжения до порога срабатывания второго элемента ИЛИ-НЕ. При этом, если порог срабатывания второго элемента ИЛИ-НЕ выше порога срабатывания первого элемента ИЛИ-НЕ, первый элемент остается в состоянии логического "0", а второй, третий и четвертый элементы ИЛИ-НЕ зависают в линейном режиме, что влечет за собой срыв колебаний. Аналогичным образом, если пороги переключения первого и третьего элементов ИЛИ-НЕ выше порога переключения второго элемента ИЛИ-НЕ, то мультивибратор зависает в состоянии, когда второй элемент ИЛИ-НЕ находится в состоянии логического "0", а первый, третий и четвертый элементы ИЛИ-НЕ зависают в линейном режиме. Кроме этого, при построении мультивибратора на элементах типа КМОП отсутствие ограничительных резисторов по входам первого и второго элементов ИЛИ-НЕ может привести к выходу из строя входных диодов этих элементов при условии, если падение напряжения на них меньше, чем на первом и втором диодах. К недостаткам прототипа следует также отнести и неограниченный ток по выходам первого и второго элементов ИЛИ-НЕ при разряде конденсаторов.

Достигаемым техническим результатом является повышение надежности функционирования мультивибратора за счет исключения возможности срыва колебаний.

Указанный технический результат достигается тем, что мультивибратор содержит первый и второй инверторы, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым выходами мультивибратора и соответственно через первый и второй конденсаторы с первыми выводами первого и второго резисторов соответственно, логический элемент и элемент ИЛИ-НЕ, выход которого соединен с первым входом логического элемента. Новым является то, что дополнительно введен третий конденсатор, третий, четвертый, пятый и шестой резисторы, а логический элемент выполнен в виде элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выход которого соединен через последовательно соединенные третий и четвертый резисторы с входом первого инвертора, выход которого соединен с входом второго инвертора, выход которого соединен с вторым входом элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и через третий конденсатор - с точкой соединения третьего и четвертого резисторов, первый и второй входы элемента ИЛИ-НЕ соединены соответственно через пятый и шестой резисторы с первыми выводами соответственно первого и второго резисторов, вторые выводы которых объединены и соединены с общей шиной.

Указанная совокупность признаков позволяет исключить возможность срыва колебаний мультивибратора за счет организации переключения мультивибратора без участия конденсаторов времязадающих элементов, которые формируют задержку переключения. Переключение мультивибратора обеспечивается дополнительным времязадающим элементом на основе третьего конденсатора.

На чертеже приведена схема мультивибратора.

Мультивибратор содержит первый 1 и второй 2 инверторы, элемент 3 ИЛИ-НЕ, элемент 4 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, первый 5, второй 6 и третий 7 конденсаторы, первый 8, второй 9, третий 10, четвертый 11, пятый 12 и шестой 13 резисторы, первый 14, второй 15 выходы мультивибратора и общую шину 16.

Выход инвертора 1 соединен с первым выходом 14 мультивибратора, с входом инвертора 2 и через конденсатор 5 с первым выводом резистора 8. Выход инвертора 2 соединен с вторым выходом 15 мультивибратора и через конденсатор 6 с первым выводом резистора 9. Первый и второй входы элемента 3 ИЛИ-НЕ соединены соответственно через резисторы 12 и 13 с первыми выводами соответственно резисторов 8 и 9, вторые выводы которых соединены с общей шиной 16. Выход элемента 3 ИЛИ-НЕ соединен с первым входом элемента 4 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выход которого соединен через последовательно соединенные резисторы 10 и 11 с входом инвертора 1. Второй вход элемента 4 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ соединен с выходом инвертора 2 и через конденсатор 7 с точкой соединения резисторов 10 и 11.

Мультивибратор работает следующим образом.

Предположим, что в начальный момент после включения напряжения питания конденсаторы 5, 6 и 7 разряжены, на выходе инвертора 1 установился сигнал логической "1", а на выходе инвертора 2 - соответственно сигнал логического "0". Под действием выходного сигнала инвертора 1 начинается процесс заряда конденсатора 5, при котором в начальный момент в точке соединения резисторов 8 и 12 и соответственно на первом входе элемента 3 ИЛИ-НЕ устанавливается сигнал логической "1", под действием которого на его выходе устанавливается сигнал логического "0", благодаря которому на выходе элемента 4 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ также устанавливается сигнал логического "0", который, распространяясь по цепи обратной связи через резисторы 10 и 11 на вход инвертора 1, подтверждает сигнал логической "1" на его выходе. Конденсаторы 6 и 7 сохраняют прежние состояния. По мере заряда конденсатора 5 напряжение на первом входе элемента 3 ИЛИ-НЕ снижается и, когда оно достигнет величины порога переключения, на выходе элемента 3 ИЛИ-НЕ установится сигнал логической "1", под действием которого на выходе элемента 4 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ также устанавливается сигнал логической "1". Указанный сигнал передается по цепи обратной связи на вход инвертора 1 с задержкой, определяемой временем заряда конденсатора 7 через резистор 10 до напряжения, равного порогу переключения инвертора 1. Задержка передачи сигнала по цепи обратной связи обеспечивает завершение процессов переключения элементов 3 и 4. Таким образом, к моменту очередного переключения элементов схемы выходные сигналы всех ее элементов полностью определены, что в дальнейшем способствует надежному переключению выходных сигналов мультивибратора.

После заряда конденсатора 7 до значения порога переключения инвертора 1 выходные сигналы элементов схемы меняют свои состояния, при этом на выходе инвертора 1 устанавливается сигнал логического "0", на выходе инвертора 2 - сигнал логической "1", который передается через конденсатор 6 на второй вход элемента 3 ИЛИ-НЕ и вызывает на его выходе сигнал логического ″0″, благодаря которому на выходе элемента 4 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ устанавливается сигнал логической "1", который подтверждает выходные сигналы инверторов 1 и 2. При этом конденсатор 7 во время протекания процессов переключения логических элементов поддерживает сигнал логической "1" на входе первого инвертора, что позволяет завершить процесс переключения однозначно. Далее начинается процесс разряда конденсаторов 5 и 7 и заряда конденсатора 6, по мере роста напряжения на котором снижается напряжение на втором входе элемента 3 ИЛИ-НЕ и, когда оно достигнет порога переключения, на выходе элемента 3 ИЛИ-НЕ установится сигнал логической "1". В результате этого на выходе элемента 4 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ устанавливается сигнал логического "0", который также передается по цепи обратной связи на вход инвертора 1 с задержкой, определяемой временем заряда конденсатора 7 через резистор 10 до напряжения, при котором напряжение на входе инвертора 1 достигает порога переключения, после этого выходные сигналы инверторов 1 и 2 меняют свои состояния на противоположные и в дальнейшем работа мультивибратора повторяется по описанному выше принципу.

Период формируемых мультивибратором импульсов определяется выражением T=t1+t2+t3+t4, где:

t1 - время заряда конденсатора 5 до напряжения, при котором напряжение на первом входе элемента 3 ИЛИ-НЕ достигает порога переключения;

t2 - время заряда конденсатора 6 до напряжения, при котором напряжение на втором входе элемента 3 ИЛИ-НЕ достигает порога переключения;

t3 - время, за которое, в процессе заряда конденсатора 7, напряжение на входе первого инвертора нарастает от 0 В до порога переключения инвертора 1;

t4 - время, за которое, в процессе заряда конденсатора 7, напряжение на входе первого инвертора снижается от значения напряжения питания до порога переключения инвертора 1.

Времязадающими элементами мультивибратора являются конденсаторы 5, 6 и резисторы 8, 9, постоянная времени цепи резистор 10 - конденсатор 7 должна выбираться из условия, чтобы задержка, формируемая этими элементами, была минимальной, но перекрывала переходные процессы в схеме. Номиналы резисторов 12 и 13 должны выбираться из условия обеспечения полного разряда конденсатора во время заряда конденсатора противоположного плеча, но при этом обеспечивать безопасные электрические режимы работы элементов 1, 2 и 3.

Таким образом, описание работы показывает, что в заявляемом мультивибраторе исключена возможность срыва колебаний во время протекания переходных процессов за счет того, что времязадающие элементы непосредственно не участвуют в переключении мультивибратора и переключение осуществляется элементами 7, 10, 11 с задержкой, которую они определяют. Жесткий режим возбуждения в заявляемом мультивибраторе исключается последовательным включением инверторов 1 и 2.

В целях подтверждения осуществимости заявляемого объекта и достижения технического результата изготовлен и испытан лабораторный макет мультивибратора, выполненный по приведенной на чертеже схеме. Проведенные испытания показали осуществимость заявляемого мультивибратора и подтвердили его практическую ценность.

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в устройствах вычислительной техники и системах управления. Техническим результатом является повышение надежности функционирования за счет исключения возможности срыва колебаний. Устройство содержит два инвертора, элемент ИЛИ-НЕ, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, три конденсатора, шесть резисторов. 1 ил.

Мультивибратор, содержащий первый и второй инверторы, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым выходами мультивибратора и соответственно через первый и второй конденсаторы с первыми выводами первого и второго резисторов соответственно, логический элемент и элемент ИЛИ-НЕ, выход которого соединен с первым входом логического элемента, отличающийся тем, что дополнительно введен третий конденсатор, третий, четвертый, пятый и шестой резисторы, а логический элемент выполнен в виде элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выход которого соединен через последовательно соединенные третий и четвертый резисторы с входом первого инвертора, выход которого соединен с входом второго инвертора, выход которого соединен со вторым входом элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и через третий конденсатор - с точкой соединения третьего и четвертого резисторов, первый и второй входы элемента ИЛИ-НЕ соединены соответственно через пятый и шестой резисторы с первыми выводами соответственно первого и второго резисторов, вторые выводы которых объединены и соединены с общей шиной.