Генератор импульсов

 

Использование: для формирования импульсов стабильной частоты в цифровой измерительной технике - цифровых мультиметрах с автономным питанием, электронных счетчиках электрической энергии , цифровых частотомерах и в импульсных источниках питания. Сущность изобретения: генератор импульсов содержит положительную и общую шины источника питания, два последовательно соединенных логических инвертора 1 и 2 на КМПД-транзйсторах, кварцевый резонатор 3, два резистора 8 и 9, три конденсатора 4, 5, 11 и два биполярных транзистора б и 7 различной проводимости с объединенными коллекторами , эмиттеры которых подключены к шинам источника питания, а к базам транзисторов подключены первые выводы резисторов 9, 8 и первые обкладки конденсаторов 4, 5. Снижение потребляемой мощности достигается введением в схему генератора тока и третьего резистора, включенного между выходом и входом первого логического инвертора, который через кварцевый резонатор соединен с выходом второго инвертора и вторыми обкладками конденсаторов 4, 5. Выход генератора тока подключен к выводам питания логических инверторов и через третий конденсатор 11 соединен с общей шиной источника питания , а вход - с положительной шиной. 2 ил. (Л С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з H 03 К 3/03

ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Выход

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4844160/21 (22) 25,06.90 (46) 07.07.92, Бюл, N. 25 (71) Производственное объединение

"Квант" (72) Б.P.Èâàíîâ (53) 621.373 (088.8) (56) Цыбин Д. Экономичный генератор импульсов. — Радио, 1989, N 8, с, 77.

Авторское свидетельство СССР

N.1473070, .кл. .Н 03 К 3/02, 1987. (54) ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ (57) Использование: для формирования импульсов стабильной частоты в цифровой измерительной технике — цифровых мультиметрах с автономным питанием, электронных счетчиках электрической энергии, цифровых частотомерах и в импульсных источниках питания. Сущность изобретения: генератор импульсов содержит положительную и общую шины источника

„, Ж,, 1746514 A1 питания, два последовательно соединенных логических инвертора 1.и 2 на КМПД-транзйсторах, кварцевый резонатор 3, два резистора 8 и 9, три конденсатора 4, 5, 11 и два биполярных транзистора 6 и 7 различной проводимости с объединенными коллекто- . рами, эмиттеры которых подключены к шинам источника питания, а к базам транзисторов подключены первые. выводы резисторов 9, 8 и первые обкладки конденсаторов 4, 5. Снижение потребляемой мощности достигается. введением в схему генератора тока и третьего резистора, включенного между выходом и входом первого логического инвертора, который через кварцевый резонатор соединен с выходом второго инвертора .и вторыми обкладками конденсаторов 4, 5. Выход генератора тока подключен к выводам питания логических инверторов и через третий конденсатор 11 соединен с общей шиной источника питания, а вход — с положительной шиной. 2 ил.

1746514

Изобретение относится к цифровой измерительной технике и может быть использовано для формирования импульсов стабильной частоты в цифровых мультиметрах с автономным питанием, электронных счетчиках электрической энергии, цифровых частотомерах, устройствах с частотновременным преобразованием и в бестрансформаторных импульсных источниках питания приборов.

Целью изобретения является уменьшение потребляемой мощности.

В генератор импульсов, содержащий положительную и .общую шины источника питания, два последовательно соединенных логических инвертора на КМДП-транзисторах, кварцевый резонатор, первый и второй резисторы, первый, второй и третий конденсаторы; два биполярных транзистора различной проводимости с объединенными коллекторами, к змиттерами которых соответственно подключены положительная и общая шины источника питания, а к базам — первые выводы резисторов и первые обкладки первого и второго конденсаторов, дополнительно введены третий резистор и генератор тока, Третий резистор включен между выходами и входом первого логического инвертора, который через кварцевый резонатор. соединен с выходом второго инвертора и вторыми обкладками первого и второго конденсаторов. Выход генератора тока подключен к выводам питания первого и второго логических инверторов и через третий конденсатор соединен с общей шиной источника питания, к которой подключен второй вывод второго резистора, Второй вывод первого резистора соединен с положительной шиной источника питания и входом генератора тока.

На фиг, 1 приведена принципиальная схема генератора импульсов; на фиг. 2— временные диаграммы работы генератора.

Генератор импульсов содержит последовательно соединенные логические инверторы 1 и 2 на КМДП-транзисторах и кварцевый резонатор 3, включенный в цепь положительной обратной связи между входом инвертора 1 и выходом инвертора 2, Выход инвертора 2 через первый 1 и второй

5 конденсаторы подключены соответственно к базе биполярного транзистора 6 р-и-ртипа проводимости и базе биполярного транзистора 7 и-р fl-Tènà проводимости.

Первый резистор 8 включен между базой и эмиттером транзистора 6, а второй резистор 9 — между базой и эмиттером транзистора 7, Эмиттер транзистора 6 соединен с положительной шиной источника питания и входом генератор 10 тока, выход которого

55 подключен к выводам питания инвертора 1 и 2 и через третий конденсатор 11 соединен с общей шиной источника питания, Третий резистор 12 включен между входом и выходом инвертора 1.

Эмиттер транзистора 7 соединен с об-. щей шиной источника питания, à его коллектор подключен к коллектору транзистора 6 и является выходом генератора, Генератор тока собран на двух биполярных транзисторах 13 и 14 р-и-р-типа проводимости и двух резисторах 15 и 16, причем через резистор

15 общая шина источника питания соединена с базой транзистора 13 и коллектором транзистора 14.

Эмиттер транзистора 14 подключен к положительной шине источника питания и через резистор 16 соединен с его базой и эмиттером транзистора 13, коллектор которого является выходом генератора тока. На фиг. 2а — напряжение на выходе инвертора

2; б — напряжение база-эмиттер транзистора 6; в — напряжение база-эмиттер транзистора 7; г — напряжение на выходе генератора.

Генератор импульсов работает следующим образом.

При включении источника питания на выходе генератора 10 тока появляется ток

I>, значение которого определяется напряжением Va»4=0,5 В перехода база-эмиттер транзистора 14 и сопротивлением 816 резистора й16, т,е, 1o = Uos14/Rû. Ток lo заряжает. конденсатор 11, напряжение U< на котором увеличивается до тех пор, пока не обеспечится активный режим работы логических инверторов 1 и 2. В частности, для логических инверторов на КМДП-транзисторах минимальное рабочее напряжение составляет

2,5 ... 3,0 В (для микросхем серий К176).

При этом на выходе инвертора 1, охваченного отрицательной обратной связью через резистор 12, устанавливается напряжение Ui = Uc/2 = 0лор, соответствующее пороговому напряжению Опор срабатывания инвертора 2, что приводит к изменению выходного напряжения инвертора 2 и появлению релаксационных колебаний за счет общей положительной обратной связи, которой охвачены инверторы 1 и 2 через кварцевый резонатор 3. В установившемся режиме работы на выходе инвертора 2 формируются импульсы напряжения Uz прямоугольной формы с минимальной амплитудой 02м-(2,5 ... 4,0) В (фиг; 2а), которые через разделительные

RC-цепи на элементах 4, 8 и 5, 9 поступают на базы транзисторов 6 и 7, предназначенных для усиления амплитуды импульсов до

1746514 уровня напряжения источника питания

Опиг

При прохождении импульсов с выхода инвертора 2 через разделительный конденсатор 5 на базе транзистора 7 формируется разнополярный сигнал, причем амплитуда импульсов .положительной полярности ограничивается на уровне Обэп = (0,5 ... 0,6) В за счет открывания перехода база-эмиттер транзистора 7, в то время как амплитуда импульсов отрицательной полярности составлЯет 02м-Обэ7 = (2,0 ... 3,5) В (фиг. 2б).

Аналогично при прохождении импульсов через разделительный конденсатор 4 на базе транзисторов 6 формируется импульс с минимальным уровнем Опит — Обэб = Опит—

0,5 В и максимальной амплитудой

Опит+02м Обэб = Опит (2,0 ... 3,5) В (фиг, 2в), Вследствие этого транзистор 7 находится в открытом состоянии на интервале времени

t1 — t2, а транзистор 6 открывается в течение интервала времени twt4 (фиг. 2), а в промежутках времени t2-t8 и т4-т5 оба транзистора закрыты, при этом исключается протекание сквозного тока через биполярные транзисторы 6 и 7 в процессе формирования фронтов импульсов на выходе инвертора 2.

Конденсатор 11 выполняет функцию высокочастотного фильтра напряжение питания логических инверторов 1 и 2 и его емкость необходимо выбирать исходя из частоты f кварцевого резонатора 3, амплитуды импульсов 02М на выходе инвертора 2 и тока

Iо генератора тока по соотношению С11»

» 1о/(f02<) ПРи этом огРаничение тока питания логических инверторов 1 и 2 на уровне Iо не оказывает влияние на процесс формирования фронтов выходных импульсов инвертора 1 и 2, длительность которых составляет ф (0,2 ... 0,4) мкс для микросхем серий К176, К516, К1561 и 564.

Минимально возможное значение тока

1омин генератора 10 тока определяется сред-. ним током потребления логических инверторов 1 и 2 при наименьшем напряжении питания и требуемой частоте импульсов генератора.

Выбор. сопротивление R15, R16 резисторов 15 и 16 в генераторе тока при использовании генератора импульсов в широком диапазоне питающего напряжения (от

Опит.мин до Опит.макс) необходимо производить по значению тока 1 при минимальном напряжении питания Опит,мин рабочего диапазона с учетом падений напряжений на переходах база-змиттер Обэ1з, Обэ14 транзисторов 13 и 14 и минимального коэффициента УсилениЯ по токУ)31змин тРанзистоРа 13 по соотношениям

В15(0пит.мин Обэ13 Обэ14) /1оP13мин )=

= (Опит.мин — 1 В)/(501о): 16=0бэ14/1о

В качестве генератора тока может быть применен полевой транзистор с каналом ртипа (например, типа КП103), исток которого соединяют через токоограничивающее со10 противление с затвором и подключают к положительной шине источника питания, а сток используют как выход генератора тока.

При этом ток 1о устанавливают исходя из напряжения отсечки Оотс полевого транзи15 стора, выбирая сопротивление й16токоограничивающего резистора по соотношению

Й16=0отс/Iо.

-Емкость разделительных конденсаторов 4 и 5 и сопротивления резисторов 9

20 необходимо выбирать по условию

СФ8=С5Й19» 1/f, причем для повышения экономичности генератора целесообразно . увеличить сопротивление резисторов 8 и 9. до сотен килоомединиц мегаом и уменьшать

25 емкость конденсаторов 4 и 5 до единиц-десятков пикофарад, При наличии емкостной нагрузки Снагр генератора минимальнь1е емкости С4, С5 разделительных конденсаторов 4 и 5 необ30 ходимо выбирать с учетом коэффициента усиления по току Р транзисторов 6 и 7 и их коллекторной емкости Ск по условиям

С4=С5>Ск и С4=С5>Снагр/ф.

В предлагаемом генераторе импул ьсов за счет ограничения тока питания логических инверторов и использования выходного формирователя импульсов на би40 полярных транзисторах разного типа проводимости, работающих в ключевом режиме, обеспечивается минимальная мощ ность потребления s широком диапазоне питающего напряжения.

45 Экспериментально установлено, что при изменении Опит в пределах 3 — 10 В ток потребления генератора увеличивается на

8 — 16 мкА при частоте импульсов 32, 768 кГц.

При аналогичных условиях ток потребления

50 в известном устройстве увеличивается в пределах 12-90 мкА, в то время как в.генераторах импульсов, собранных на КМДП-логических элементах, ток потребления увеличивается в пределах 11 400 мкА..Та55 ким образом, .в предлагаемом генераторе импульсов обеспечивается уменьшение потребляемой мощности в (1,5-5,0) — (1,5-25,0) в широком диапазоне питающего напряжения по сравнению с известными, причем

1746514

10

15 наибольший эффект достигает при повышенном напряжении источника питания.

Предлагаемый генератор может быть использовано для формирования высоковольтных импульсов с амплитудой, значительно превышающей предельно допустимое напряжение питания (Ипит,макс=9 .„15 В) логических инверторов, что необходимо, в частности в бестрансформаторных импульсных источниках питания приборов и для управления коммутаторами или модуляторами аналогичных сигналов на полевых транзисторах с изолированным затвором (например, типа- КП301 и т.п.).

Амплитуда выходных импульсов генератора ограничивается практически только допустимыми рабочими напряжениями переходов база-коллектор и эмиттерколлектор применяемых биполярных транзисторов, а при использовании высоковольтных транзисторов с большим коэффициентом усиления Ilo току/3 обеспечивается формирование импульсов с амплитудой в десятки-сотни вольт при потребляемом токе в единицы-десятки микроампер.

При необходимости повышения выходной мощности генератора импульсов в качестве биполярных транзисторов могут быть использованы составные транзисторы, например, типа КТ827, КТ825, что позволяет формировать импульсы прямоугольной . формы на низкоомной нагрузке при обеспечении высокого коэффициента полезного действия генератора, Дополнительный положительный эффект в предлагаемом устройстве заключается в повышении стабильности частоты импульсов за счет стабилизации тока потребления и, соответственно, напряжения питания логических инверторов в широком диапазоне питающего напряжения генератора. Особенность логических ин верторов на КМДП-транзисторах заключается в том, что их выходное сопротивление Ввь х существенно зависит от питающего напряжения и при его изменении в пределах 3 — 15 В значение R8 x изменяется от единиц килоом до сотен ом.

Изменение выходного сопротивления первого инвертора приводит к изменению

50 тока, протекающего через резистор отрицательной обратной связи, что частично (на сотые-тысячные доли процента) изменяет частоту колебаний кварцевого резонатора.

Вследствие этого повышения напряжения питания логических инверторов вызывает увеличение частоты импульсов на выходах известных генераторов, в то время как в предлагаемом устройстве зависимость частоты от напряжения источника питания существенно ослаблена за счет применения дополнительного генератора стабильного тока для питания логических инверторов, Формула изобретения

Генератор импульсов, содержащий положительную и общую шины источника питания, два последовательно соединенных логических инвертора на КМДП-транзисторах, кварцевый резонатор, первый и второй резисторы, первый, второй и третий конденсаторы и два биполярных транзистора различной проводимости с объединенными коллекторами, эмиттеры которых подключены соответственно к положительной и общей шинам источника питания, а к базам транзисторов подключены соответственно первый вывод первого резистора, соединенный с первой обкладкой первого конденсатора, и первый вывод второго резистора, соединенной с первой обкладкой второго конденсатора, отличающийся тем, что, с целью уменьшения потребляемой мощности, в него введены генератора тока и третий резистор, первый выход которого соединен с выходом первого логического инвертора, а второй вывод соединен с входом первого инвертора и через кварцевый резонатор с выходом второго инвертора и вторыми обкладками первого и второго конденсаторов, выход генератора тока подключен к выводам питания первого и второго логических инверторов и через третий конденсатор соединен с общей шиной источника питания, к которой подключен второй вывод второго резистора, а второй вывод первого резистора соединен с положительной шиной источника питания и входом генератора тока, 1746514 б

Фнг. 2

Составитель Б.Иванов

Техред M.Моргентал Корректор А.Токарская

Редактор И.Щулла

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 2402 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5