Генератор на логических элементах. Генераторы на логических элементах: принципы работы, схемы и применение

Что такое генераторы на логических элементах. Как работают мультивибраторы на цифровых микросхемах. Какие бывают схемы RC-генераторов импульсов. Как рассчитать частоту генерации импульсов.

Принцип работы генераторов на логических элементах

Генераторы на логических элементах представляют собой схемы, способные вырабатывать периодические импульсные сигналы без внешнего воздействия. Их основу составляют цифровые логические микросхемы, работающие в ключевом режиме.

Принцип действия таких генераторов основан на создании положительной обратной связи между выходом и входом логических элементов. Это обеспечивает самовозбуждение схемы и генерацию колебаний.

Основные компоненты генератора на логических элементах:

• Логические элементы (инверторы, элементы И-НЕ, ИЛИ-НЕ и др.)
• RC-цепи, задающие частоту генерации
• Цепи положительной обратной связи

Виды схем генераторов на логических элементах

Существует несколько основных разновидностей схем генераторов на логических элементах:

1. Мультивибратор на двух логических элементах

Это наиболее простая и распространенная схема. Она содержит два инвертора (или логических элемента И-НЕ, ИЛИ-НЕ), охваченных положительной обратной связью через RC-цепи.

2. Мультивибратор на трех логических элементах

Данная схема обеспечивает более стабильную частоту генерации при изменении напряжения питания. Содержит три логических элемента и одну RC-цепь.

3. Генератор на элементе с триггером Шмитта

Использует один логический элемент с триггером Шмитта и RC-цепь. Отличается простотой и хорошей стабильностью частоты.

Расчет частоты генерации импульсов

Частота колебаний генератора на логических элементах определяется параметрами RC-цепи и может быть рассчитана по приближенным формулам:

• Для мультивибратора на двух элементах: F ≈ 0,5 / (RC)
• Для генератора на элементе с триггером Шмитта: F ≈ 1,78 / (RC)

Где F — частота в кГц, R — сопротивление в кОм, С — емкость в мкФ.

Преимущества генераторов на логических элементах

Генераторы на логических элементах обладают рядом достоинств по сравнению с другими типами генераторов:

• Простота схемы
• Широкий диапазон генерируемых частот
• Низкое энергопотребление (особенно для КМОП-логики)
• Хорошая температурная стабильность
• Легкость интеграции в цифровые устройства

Применение генераторов на логических элементах

Генераторы на логических элементах находят широкое применение в различных областях электроники и техники:

• Тактовые генераторы для цифровых устройств
• Генераторы звуковых сигналов
• Формирователи временных интервалов
• Преобразователи напряжение-частота
• Источники сигналов для тестирования электронных схем

Особенности построения генераторов на КМОП-логике

КМОП-логика (комплементарная металл-оксид-полупроводник) имеет ряд преимуществ при построении генераторов:

• Сверхнизкое энергопотребление в статическом режиме
• Широкий диапазон напряжений питания (3-15 В)
• Высокое входное сопротивление
• Возможность работы на высоких частотах

Эти особенности позволяют создавать эффективные генераторы с широким диапазоном частот и низким потреблением энергии.

Управление работой генератора на логических элементах

Для управления работой генератора (запуск/останов генерации) можно использовать дополнительные логические элементы. Существует несколько способов реализации такого управления:

1. Управление через дополнительный вход И-НЕ

При подаче логического нуля на управляющий вход генерация прекращается.

2. Управление через дополнительный вход ИЛИ-НЕ

При подаче логической единицы на управляющий вход генерация прекращается.

Выбор конкретного способа управления зависит от требований к логике работы устройства.

Стабилизация частоты генераторов на логических элементах

Для повышения стабильности частоты генераторов на логических элементах применяются следующие методы:

• Использование прецизионных резисторов и конденсаторов в RC-цепях
• Применение термостабильных компонентов
• Стабилизация напряжения питания
• Использование кварцевых или керамических резонаторов

Эти меры позволяют значительно улучшить температурную и долговременную стабильность частоты генерации.

Генераторы с регулируемой частотой на логических элементах

Для создания генераторов с возможностью регулировки частоты используются следующие методы:

• Применение переменных резисторов в RC-цепях
• Использование электронно-управляемых емкостей (варикапов)
• Цифровое управление частотой через коммутацию резисторов или конденсаторов

Это позволяет создавать генераторы с широким диапазоном перестройки частоты.

Заключение

Генераторы на логических элементах представляют собой простые и эффективные устройства для формирования импульсных сигналов. Они находят широкое применение в различных областях электроники благодаря своей универсальности, низкому энергопотреблению и хорошей совместимости с цифровыми схемами.

Понимание принципов работы и особенностей построения таких генераторов позволяет создавать оптимальные схемы для конкретных применений, обеспечивая требуемые характеристики сигнала и стабильность работы устройства.

Генераторы на логических элементах | Основы электроакустики

Генераторы на логических элементах

 

Электрические процессы, в мультивибраторах на транзисторах, операционных усилителях, логических элементах, аналогичны. Структурно они также строятся по схемам: 2 транзистора по схеме ОЭ или 2ЛЭ с отрицанием типов И-НЕ, ИЛИ-НЕ, включенных последовательно. Мультивибратор имеет два временно устойчивых состояния: один ЛЭ (микросхема) закрыт, другой – открыт и наоборот. Параметры времязадающих RC-цепей определяют частоту мультивибратора.

Для построения мультивибраторов на потенциальных логических элементах (ПЛЭ) могут использоваться элементы ИЛИ-НЕ, И-НЕ. Для многовходовых элементов неиспользуемые входы объединяют, однако при этом возрастает входная емкость и уменьшается входное сопротивление, либо подключают их для элемента И-НЕ на +Е_ПИТ, для элемента ИЛИ-НЕ на общую шину.

Принципиальная схема мультивибратора на элементах И-НЕ приведена на рис. 16.19. Время формирования импульса и паузы определяется постоянными времени заряда конденсаторов R₁C₁ и R₂C₂, разряд происходит через ускоряющие диоды VD₁ и VD₂. 

 

Рис. 16.19. Принципиальная схема мультивибратора на ПЛЭ «И-НЕ»

 

С₁ заряжается, когда элемент DD₂ находится в состоянии логической «1», при этом элемент DD₁ – в состоянии логического «0». В момент переключения элемента DD₂ в состояние «1», его выходное напряжение U_ВЫХDD2=3,5В (для серии К155) будет приложено ко входу DD₁, т.к. в момент коммутации U_C1- = 0, при этом выходное напряжение элемента DD₂U_ВЫХDD1 падает до 0 В. В мультивибраторе имеет место 1-ое временно устойчивое состояние (DD₂в состоянии логической «1», DD₁ – в «0»). По мере заряда конденсатора С₁ напряжение на входе DD₁ уменьшается и в определенный момент времени достигает порогового уровня U_ПОР (U_ПОР»1,5В для серии К155), при котором DD₁переключается в состояние логической «1», что соответственно переводит элемент DD₂ в состояние логического «0». При этом происходит переход схемы во 2-ое временно устойчивое состояние. В этом состоянии конденсатор С₁ разряжается, а конденсатор С₂ заряжается.

 

  Рис. 16.20. Осциллограммы работы мультивибратора на ПЛЭ 

 

Разряд конденсатора С₁ через открытый диод VD₁происходит быстро, поэтому момент следующего переключения определяется достижением U_ВХDD2=U_ПОР. Схема вновь переходит в 1-ое временно устойчивое состояние.

Существует насколько разновидностей генераторов на логических схемах. На рис.16.21 приведены схемы генераторов прямоугольных импульсов с времязадающей RC-цепью (а) и с времязадающим конденсатором (б).

 

Рис.16.21. Генераторы прямоугольных импульсов на логических элементах 

Одновибратор на логических элементах И-НЕ (см. рис. 16.22) можно получить из схемы автоколебательного мультивибратора на тех же элементах (см. рис. 16.19), исключив из последней одну времязадающую цепочку. Процессы генерирования импульсов в одновибраторе аналогичны процессам в автоколебательном мультивибраторе.

Осциллограммы работы одновибратора приведены на рис. 16.23.

 

Рис. 16.22. Принципиальная схема одновибратора на ПЛЭ «И-НЕ»

 

Одновибратор имеет одно устойчивое и одно временно устойчивое состояние. В исходном состоянии устойчивого равновесия (до поступления запускающего импульса) логический элемент DD₁ закрыт и U_ВЫХ1 равно уровню логической «1». Такое состояние элемента DD₁ обеспечивается подключением к его входу резистора R₁ небольшого сопротивления. Логический элемент DD₂ открыт высоким уровнем входного напряжения, поступающего на один из его входов. При этом конденсатор С₁ разряжен.

При подаче на вход схемы в момент времени t₁ отрицательного импульса запуска элемент DD₂ переходит в закрытое состояние и напряжение на его выходе достигает уровня логической «1». Этот положительный скачок напряжения U_ВЫХ2передается через конденсатор С₁ на вход элемента DD₁, закрывая его. Напряжение U_ВЫХ1 снижается до уровня логического «0». Конденсатор С₁ при этом заряжается, напряжение на его обкладках увеличивается, а U_ВЫХ1 на резисторе R₁ уменьшается. При U_ВЫХ1=U_ПОР (при t=t₂) происходит опрокидывание одновибратора, как и в автоколебательном мультивибраторе. На этом заканчивается формирование импульса и одновибратор переходит в исходное устойчивое состояние равновесия.

Длительность выходного импульса и время нахождения схемы во временно устойчивом состоянии определяется постоянной времени заряда конденсатора RC.

 

 

 

Рис. 16.23. Осциллограммы работы одновибратора на ПЛЭ

 

 

 

 

 

 

 

 

12 Схем RC-мультивибраторов на микросхемах, расчет их частоты

Во многих схемах, построенных на логических микросхемах есть источники прямоугольных импульсов, — мультивибраторы на логических элементах с заданием частоты RC-цепями.

Здесь пойдет речь о мультивибраторах на логических элементах КМОП-логики, представляющей собой цифровые микросхемы с низким потреблением энергии, и способностью работы в широком диапазоне напряжения питания.

К числу таких относятся микросхемы серий К561, К176, а также многочисленные зарубежные аналоги серий «. ..40…» и «…45…».

Такие микросхемы построены по «полевой» технологии отличаются высоким, почти бесконечным входным сопротивлением Это значит то, что R-составляющая может быть весьма большой величины, -от килоома до десятков мегаом.

Схемы генераторов импульсов

На рисунке 1 показана, пожалуй, самая популярная схема мультивибратора на двух логических элементах.

Рис. 1. Схема мультивибратора на двух логических элементах.

Для создания мультивибратора по схеме на рисунке 1 нужно два логических инвертора. В данном случае показан вариант на двух элементах «2ИЛИ-НЕ» микросхемы К561ЛЕ5, К176ЛЕ5 или зарубежного аналога CD4001, переведенных в режим инверторов путем соединения вместе всех входов каждого логического элемента.

На рисунке 2 показана аналогичная схема мультивибратора на инверторах (элементах «НЕ») микросхемы К561ЛН2, а на рисунке 3 — для элементов «4И-НЕ» (микросхема К561ЛА9). Сколько бы входов у каждого элемента логики «И-НЕ» или «ИЛИ-HE» не было, для создания инвертора их соединяют вместе.

Рис 2. Схема мультивибратора на инверторах — элементах НЕ.

Рис. 3. Схема мультивибратора на элементах 4И-НЕ.

Частоту мультивибратора по схемам на рисунках 1, 2, 3 можно приблизительно рассчитать по формуле:

F = 0,5/(RC),

где F — в кГц, R — в кОм, С — в мкФ.

Почему приблизительно? Потому что многое зависит как от типа логических элементов и используемой микросхемы, кроме того есть зависимость и от напряжения питания, температуры. Например, для микросхемы К561ЛЕ5 более точная формула: F=0,46/(RC), а для К561ЛА7 формула:

F=0,52/(RC), для микросхемы К561ЛН2: F=0,48/(RC).

Еще и напряжение питания может внести погрешность до 10-15%. Ну а температура может оказать и большее влияние. Немного реже в радиолюбительской, а так же в справочной литературе и, чаще всего, в промышленной аппаратуре встречается схема, показанная на рис. 4. Здесь есть дополнительный резистор R2.

Он нужен для ограничения тока разряда конденсатора через диоды, имеющиеся внутри микросхемы, на входах логических элементов. Практически, резистор R2 делает схему более надежной, она работает более мягко, без пиковых перегрузок при заряде-разряде конденсатора.

Рис. 4. Схема генератора импульсов на с дополнительным резистором.

Больше стабильность частоты в зависимости от напряжения питания и температуры дает схема мультивибратора на трех логических элементах, показанная на рисунке 5 (и рисунке 6 с токоограничительным резистором R2).

Рис. 5. Схема мультивибратора на трех логических элементах.

Рис. 6. Схема генератора импульсов на трех логических элементах с токоограничительным резистором.

Если сравнить схему на рис. 5 со схемой на рисунке 1 станет заметно, что правый по схеме вывод резистора R подключен, на рис 5, к выходу D1 2 через инвертор D1.3, а на рисунке 1 — к выходу D1 1.

То есть, логически рассуждая, разницы никакой нет. Но, сопротивление, включенное между входом и выходом одного логического элемента придает ему свойства аналогового усилителя.

На рисунке 5 же, в «линейке» между выводами R целых три элемента, а в результате более стабильный режим и как следствие меньшая зависимость частоты от напряжения питания микросхемы.

В этих схемах (рис 5. 6) выходом тоже может быть совсем не обязательно выход D1.3, но так же и выход D1.2, если нужно получить импульсы, противофазные импульсам на выходе D1.3.

В некоторых схемах весьма важна скважность импульсов, ширина полуволн, то есть, соотношение времени, в течение которого на выходе единица, ко времени, в течение которого на выходе ноль.

В таком случае используют схему, показанную на рисунке 7. Здесь есть два резистора, определяющих частоту — R1 и R3. причем работают они каждый в своей полуволне, а диоды VD1 и VD2 служат переключателем этих резисторов.

Рис. 7. Схема генератора импульсов с изменяемоц скважностью.

Изменяя соотношение сопротивления R1 к R3 можно поучить на выходе импульсы самой различной скважности. Длительность единицы можно определить по формуле: t1 = 0.8CR1.

Длительность нуля: t0 = 0.8CR3. Существуют логические элементы с эффектом триггера Шмитта, суть отличия в том. что у них есть некий гистерезис, разница напряжений на входе, при котором происходит переключение в логическую единицу и логический ноль.

Благодаря этому свойству мультивибратор с RC-цепью, задающей частоту импульсов можно сделать всего на одном таком логическом элементе. На рисунке 8 показана схема мультивибратора на логическом элементе микросхемы К561ТЛ1 (зарубежный аналог CD4093).

Рис. 8. Схема генератора импульсов на логическом элементе микросхемы К561ТЛ1 (зарубежный аналог CD4093).

Приблизительную частоту генерации для такого варианта можно определить по формуле:

F = 1.78/RC.

где F — в кГц, R — в кОм, С — в мкФ.

В некоторых схемах требуется управлять мультивибратором, чтобы он генерировал импульсы не все время, пока подано питание, а только тогда, когда это нужно, согласно логике работы схемы.

На рисунках 9, 10, 11, 12 показаны варианты управления для схем мультивибраторов на ИМС К561ЛЕ5 и К561ЛА7. В схеме на рис 9 при подаче логической единицы на вход «управление» генерация прекращается, а на выходе устанавливается логическая единица.

Рис. 9. Схема варианта управления для мультивибратора.

В схеме на рис. 10 при подаче логической единицы на вход «управление» генерация прекращается, а на выходе устанавливается логический ноль. Совсем наоборот работают схемы на рис.11 и 12. Здесь чтобы прекратить генерацию нужно подать логический ноль, а не единицу. В схеме на рис.

11 при подаче логического нуля на вход «управление» генерация прекращается, а на выходе устанавливается логический ноль.

Рис. 10. Схема управляемого генератора импульсов.

Рис. 11. Управляемый генератор сигналов на логических элементах.

Рис. 12. Схема управляемого мультивибратора на микросхеме.

В схеме на рис 12 при подаче логического нуля на вход «управление» генерация прекращается, а на выходе устанавливается логическая единица.

Связана эта разница с различием логики работы примененных логических элементов В первом случае, это элементы «ИЛИ-HE», во втором «И-НЕ».

Как прекратить работу мультивибратора

Вообще, чтобы прекратить работу любого мультивибратора на логических элементах нужно один (или единственный) логический элемент его схемы зафиксировать в состоянии, когда уровень на его выходе не меняется от изменения уровня на его других входах.

Например, на рисунке 9 подаем единицу на один из входов элемента D1 1. Но это элемент «2ИЛИ-НЕ», значит «главный» уровень для него единица. Теперь он зафиксирован в положении с нулем на выходе. А это приводит к остановке генерации.

Андреев С. РК-05-2019.

Программное обеспечение

Logic Gates | Нарисуй логические ворота онлайн

Creately уже используют более 8 миллионов человек и тысячи команд.

ВИЗУАЛИЗИРУЙТЕ

Простые в использовании визуальные инструменты для создания логических элементов

Создайте любую сложную схему логических элементов с обширной библиотекой форм, состоящей из стандартных символов для логических элементов.

Получите преимущество или найдите вдохновение с несколькими готовыми шаблонами схем логических элементов для различных сценариев.

Интуитивно понятный интерфейс с простыми в использовании инструментами перетаскивания для быстрого проектирования и организации схем по вашему желанию.

Настройте свои схемы логических элементов до мельчайших деталей , используя расширенное форматирование, настраиваемые цветовые темы, библиотеки значков и многое другое.

Рисунок от руки для наброска первоначальных контуров логических вентилей во время мозгового штурма.

ПОДКЛЮЧАЙТЕ И ОРГАНИЗУЙТЕ

Лучшее понимание ваших логических элементов

Легко импортируйте дополнительные символы и значки , чтобы расширить ваши логические элементы с вашего собственного устройства или быстро найти их с помощью встроенного поиска изображений Google.

Добавляйте подробные документы, вложения, ссылки и многое другое с помощью функции примечаний к каждому компоненту, чтобы фиксировать подробности и добавлять детализированную информацию.

Бесконечный холст, который масштабирует до 1000 элементов в одном представлении для размещения нескольких принципиальных схем рядом друг с другом в одном месте.

Встроенные инструменты для создания динамических и интерактивных презентаций для простого представления ваших диаграмм логических элементов аудитории.

Экспортируйте схемы логических элементов в размерах и форматах, соответствующих вашим требованиям. Выберите из SVG, PNG, JPEG и PDF.

СОТРУДНИЧАТЬ

Совместная работа в любом месте с кем угодно

Курсоры реального времени для любого количества участников. Сотрудничайте с командами и клиентами на общем холсте.

Комментарий с контекстом , обсуждения и последующие действия на одном холсте. Ссылайтесь на что-либо с упоминанием @, чтобы получить немедленную обратную связь от соавторов.

Видеоконференции встроены в платформу, чтобы вы чувствовали себя в одной комнате.

Полная история версий , чтобы отслеживать каждую итерацию вашей принципиальной схемы. Переход от более ранней версии при необходимости в любое время.

Встраивайте свои схемы логических вентилей в любой сайт или интранет или делитесь с кем-либо по электронной почте или по ссылке с приглашением для совместной работы.

Что такое логические схемы?

Логические элементы представляют собой строительные блоки цифровой схемы, имеющей два входа и один выход. Основные логические элементы подразделяются на семь типов: вентиль И, вентиль ИЛИ, вентиль исключающее ИЛИ, вентиль НЕ-И, вентиль ИЛИ-НЕ, вентиль исключающее ИЛИ и вентиль НЕ.

Как нарисовать логический элемент с помощью Creately?

• Откройте Creately и создайте свое рабочее пространство. Добавьте свою команду или клиентов в качестве соавторов для совместной работы над созданием схемы логического элемента в режиме реального времени.
• Откройте библиотеку форм логических вентилей, чтобы нарисовать схему, перетащив компоненты на холст. Вы также можете выбрать готовый шаблон схемы логических вентилей Creately, соответствующий вашим требованиям.
• При разработке логического элемента вы можете импортировать дополнительные элементы со своего устройства или искать их в Интернете с помощью встроенного в Creately поиска изображений Google.
• Используйте раздел примечаний, чтобы добавить дополнительную информацию о каждом элементе для дальнейшего использования. Любая ссылка, которую вы добавляете к фигуре, будет иметь предварительный просмотр в приложении, что делает ее легко доступной для всех, кто ссылается на макет.
• Экспортируйте диаграмму логических элементов в формате PNG, JPEG, PDF или SVG, чтобы опубликовать или поделиться ею или встроить ее в любую интрасеть или на сайт с помощью защищенной ссылки для встраивания.

Начать бесплатно

логических элементов

В реальном мире цифровые устройства — это не абстрактные логические выражения булевой алгебры, а аппаратные реализации этих выражений. Логические выражения преобразуются в структуры устройств, называемые логическими вентилями . Логический вентиль является одновременно символическим представлением логической операции и, при использовании в цифровой электронике, может представлять собой реальную аппаратную схему. Один логический элемент обычно состоит из нескольких транзисторов, которые делят место со многими другими в интегральной схеме.

Каждый из основных операторов, о которых мы узнали в разделе выражений, имеет символ вентиля. Символ занимает место оператора, а переменные являются входными данными для вентиля. Результирующее значение из уравнения выражения является выходом вентиля. Выход вентиля может быть конечным результатом или он может быть подключен как вход к еще одному вентилю.

Символы вентилей

Логические вентили — это символы, которые могут напрямую заменить выражение в булевой арифметике. Каждый из них имеет различную форму, чтобы показать свою конкретную функцию. Входные данные (булевы переменные) входят слева от символа, а выходные данные выходят справа. Объединенные вместе, несколько вентилей могут составить сложную логическую систему оценки, имеющую множество входов и выходов. Цифровые компьютеры создаются путем соединения тысяч или миллионов таких ворот вместе.

Ворота НЕ

Ворота НЕ представляют собой стрелку вперед с маленьким кружком на выходе. Круговая часть символа говорит о том, что вывод отрицает ввод.

Ворота ИЛИ

Ворота ИЛИ имеют изогнутую входную сторону и заостренный выход.

Элемент И

Элемент И имеет плоскую входную сторону и круглую выходную сторону.

Вентиль исключающее ИЛИ (исключающее ИЛИ)

Символ вентиля исключающее ИЛИ такой же, как вентиль ИЛИ, но имеет дополнительную изогнутую линию, пересекающую входы.

Комбинированная логика

Когда вы соединяете несколько вентилей вместе, вы получаете комбинированную логическую систему или комбинаторную логику . Чтобы разработать комбинированную логическую систему, мы можем использовать таблицы истинности для сопоставления логических выходов с различными входными условиями. Логические выражения записываются из условий в таблице. Затем мы можем напрямую преобразовать выражение в диаграмму логических вентилей.

Возможно, вы помните, что еще в логических элементах мы видели, что в коде не было оператора, который можно было бы использовать для XOR. Он был составлен из комбинации операторов И, ИЛИ и НЕ:

 пусть А = ложь
пусть B = ложь
пусть Q = (A || B) && !(A && B) 

Давайте сопоставим входные и выходные условия в таблице истинности для комбинированной логической системы для XOR. Мы найдем все условия, которые приводят к истинному результату , и создадим для них логическое выражение.

А	Б	А ⊕ В
Ф	Ф	Ф
Ф	Т	Т
Т	Ф	Т
Т	Т	Ф

Есть два условия, при которых столбец результатов имеет истинных значений. Первое условие — это когда A равно false и B равно true , что выражается как ~A · B . Второе условие — это когда A равно true и B равно false , который выражается как A · ~B . Наше выражение XOR равно true , когда одно из этих условий равно true , что записывается так:

A ⊕ B = (~A · B) + (A · ~B)

В коде это выражение состоит из следующих логических блоков:

 пусть A = false
пусть B = ложь
пусть Q = (!A && B) || (A && !B) 

Преобразование уравнения в логические вентили дает следующую диаграмму. Обратите внимание, как каждый вентиль «соединяет» переменные вместе, точно так же, как логические блоки в приведенном выше коде.

Однако, если мы возьмем два других неиспользованных условия из таблицы истинности, которые делают операцию XOR ложной , можно составить отрицательное уравнение для XOR, называемое NXOR:

~(A ⊕ B) = (~A · ~B) + (A · B)

Чтобы вернуться к A ⊕ B , мы должны инвертировать это отрицательное уравнение.