ДВУХКАНАЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР-МАНИПУЛЯТОР ПРЯМОУГОЛЬНЫХ ИМПУЛЬСОВ

Полезная модель относится к области радиотехники, в частности, к схемам для генерирования электрических импульсов с использованием логических схем, и может быть использована в импульсных радиопередающих устройствах, в измерительной технике в качестве источника прямоугольных импульсов, манипулированных по частоте и по амплитуде.
Известна структура генератора прямоугольных импульсов, описанная в патенте на полезную модель номер 150841 РФ, опубликованный 27.02.15 Бюл. №6, авторы Шеховцов Д.В., Мушта А.И., Сальников Д.Н.. Техническим результатом полезной модели является расширение функциональных возможностей асинхронного RS-триггера. Данный генератор является ближайшим аналогом. Содержит внешний генератор управляющих прямоугольных сигналов, первый логический элемент 2ИЛИ-НЕ, второй логический элемент 2ИЛИ-НЕ, первую цепь задержки прохождения сигналов, вторую цепь задержки прохождения сигналов, буферный логический элемент, состоящий из двух последовательно включенных инверторов, выход буферного логического элемента является выходом генератора прямоугольных импульсов, для функционирования генератора прямоугольных импульсов необходим только один внешний генератор управляющих прямоугольных сигналов.
Недостатком известного генератора прямоугольных импульсов является то, что в нем отсутствует функция и возможность осуществления манипуляции по частоте последовательности прямоугольных импульсов.
Целью заявленного технического решения является расширение функциональных возможностей известного генератора прямоугольных импульсов в части манипуляции по частоте прямоугольных импульсов путем изменения конструкции генератора.
Это достигается тем, что генератор содержит первый генератор управляющих прямоугольных сигналов, управляющий амплитудой генерируемой импульсной последовательности), первый логический элемент 2ИЛИ-НЕ, второй логический элемент 2ИЛИ-НЕ, первую цепь задержки прохождения сигналов и вторую цепь задержки прохождения сигналов, подключенные к выходам первого и второго логических элементов 2ИЛИ-НЕ соответственно, выходы первой и второй цепей задержки сигналов подключены к второму входу первого и к второму входу второго логических элементов соответственно, подключенный к выходу первой цепи задержки прохождения сигналов буферный логический элемент состоит из двух последовательно включенных первого инвертора и второго инвертора соответственно, выход буферного логического элемента является выходом генератора прямоугольных импульсов, потенциальный выход генератора управляющих прямоугольных сигналов подключен к первым входам первого и второго логических элементов 2ИЛИ-НЕ соответственно, отличающийся тем, что введены второй генератор управляющих прямоугольных импульсов, блок регулирования частоты следования прямоугольных импульсов, в котором исток и сток первого nМОП транзистора с индуцированным каналом подключены параллельно резистору R10 первой цепи задержки прохождения сигнала, исток и сток второго nМОП транзистора с индуцированным каналом подключены параллельно резистору R13 второй цепи задержки прохождения сигнала, вариация величин параметров элементов первой и второй цепей задержки прохождения сигнала позволяет изменять частоту генерации прямоугольных импульсов в процессе частотной манипуляции прямоугольных импульсов
Первая цепь задержки прохождения сигнала может быть реализована, в частности, в виде RC-фильтра с использованием конденсаторов С9, С11 и резистора R10. При этом первый вывод резистора R10 соединен с первым выводом конденсатора С9, выходом первого логического элемента (2) 2ИЛИ-НЕ и истоком nМОП транзистора (15) с индуцированным каналом блока (7) регулирования частоты следования прямоугольных импульсов, второй вывод резистора R10 соединен с первым выводом конденсатора С11, входом первого инвертора (17) НЕ и стоком nМОП транзистора (15) с индуцированным каналом, вторые выводы конденсаторов С9, С11 соединены с общей шиной источника питания устройства.
Вторая цепь задержки прохождения сигнала может быть реализована, в частности, в виде RC-фильтра с использованием конденсаторов С12, С14 и резистора R13. При этом первый вывод резистора R13 соединен с первым выводом конденсатора С12, выходом второго логического элемента (3) 2ИЛИ-НЕ и истоком nМОП транзистора (16) с индуцированным каналом, второй вывод резистора R13 соединен с первым выводом конденсатора С14, со стоком nМОП транзистора (16) с индуцированным каналом и вторым входом первого логического элемента (2) 2ИЛИ-НЕ, вторые выводы конденсаторов С12, С14 соединены с общей шиной источника питания устройства.
На фиг. 1 изображена структурная схема генератора прямоугольных импульсов. На фиг. 2 представлен генератор прямоугольных импульсов, манипулированных по амплитуде и по частоте. На фиг. 3 представлена функциональная схема асинхронного RS-триггера на логических элементах 2ИЛИ-НЕ. На фиг. 4 представлена функциональная схема генератора на логических элементах 2ИЛИ-НЕ 74 серии с использованием nМОП транзисторов с индуцированными каналами в конструкции генератора. На фиг. 5 - электрическая схема генератора прямоугольных импульсов, манипулированных по амплитуде и по частоте, на логических элементах 2ИЛИ-НЕ с использованием nМОП транзисторов в конструкции генератора. На фиг. 6 приведена временная диаграмма работы генератора в режиме амплитудной. На фиг. 7 отображена временные диаграммы работы генератора в режиме и по амплитуде, и по частоте при вариации температуры в интервале: а) -40°С, б) +27°С, в) +125°С.
В состав структурной схемы, изображенной на фиг. 1 входят генератор управляющих прямоугольных сигналов (1), первый логический элемент 2ИЛИ-НЕ (2), второй логический элемент 2ИЛИ-НЕ (3), первую цепь задержки прохождения сигналов (4), вторую цепь задержки прохождения сигналов (5), буферный логический элемент (6), состоящий из последовательно включенных первого (17) и второго (18) логических элементов НЕ, выход буферного логического элемента является выходом генератора прямоугольных импульсов. На фиг. 2 структурная схема состоит из первого генератора управляющих (1) прямоугольных сигналов, первого логического элемент 2ИЛИ-НЕ (2), второго логического элемента 2ИЛИ-НЕ (3), первой цепи задержки прохождения сигналов (4) и второй цепи задержки прохождения сигналов (5), буферного логического элемента (6), первого инвертора (17) и второго инвертора (18, блока (7) регулирования частоты следования прямоугольных импульсов, второго генератора (19). На фиг. 3 представлена структурная схема асинхронного RS-триггера, состоящего из двух логических элементов 2ИЛИ-НЕ. На фиг. 4 представлена электрическая принципиальная схема в состав которой входят первый генератор (1) управляющих сигналов, первый логический элемент 2ИЛИ-НЕ (2), второй логический элемент 2ИЛИ-НЕ (3), первая цепь задержки прохождения сигналов (5), реализованная в виде П-образного RC-фильтра и содержащая конденсаторы С9, С11 и резистор R10; вторая цепь задержки прохождения сигналов (4), реализованная в виде П-образного RC-фильтра и содержащая конденсаторы С12, С14 и резистор R13; буферный логический элемент (6), реализованный первым (17) и вторым (18) инверторами соответственно; блок (7) регулирования частоты следования прямоугольных импульсов, реализованный в виде первого (15) и второго (16) nМОП транзисторов, второй генератор управляющих импульсов (8). На фиг. 5 перечень элементов аналогичен фиг. 4. На фиг. 6 и фиг. 7 приведены данные работы генератора в режиме и по амплитуде, и по частоте при вариации температуры в интервале: а) -40°С, б) +27°С, в) +125°С.
Заявленный генератор работает следующим образом.
Рассмотрим процесс амплитудной манипуляции прямоугольных импульсов.
k
k
1. Генератор прямоугольных импульсов работает следующим образом. Из логической схемы асинхронного RS-триггера на логических элементах 2ИЛИ-НЕ (фиг. 3) следует, что запрещенная комбинация входных сигналов (S=1, R=1) приводит к появлению на его выходах значений  (здесь обозначено:  есть НЕ Q).
k
k
k
k
Действительно,  Если теперь на вход асинхронного RS-триггера подать комбинацию S=0, R=0, соответствующую режиму хранения, то схема триггера вырождается в бистабильную ячейку, в какое состояние опрокинется ячейка - неизвестно [Новожилов О.П. Основы цифровой техники. Учебное пособие. М.: Издательское предприятие «РадиоСофт», 2004. - 528 с., стр. 202]. После первого опрокидывания на выходах Q и  асинхронного RS-триггера устанавливаются одинаковые логические уровни. Далее, за счет положительной обратной связи, как в обычном генераторе незатухающих колебаний, в асинхронном RS-тригтере возникает колебательный процесс, длительность которого определяется временем, в течение которого S=0, R=0. В заявленной полезной модели генератора (фиг. 1) процесс возникновения колебательного процесса аналогичен описанному выше применительно к асинхронному RS-триггеру (фиг. 3). Но в полезной модели генератор прямоугольных импульсов, манипулированных по амплитуде и по частоте (фиг. 2) первые входы первого и второго логических элементов соединены, поэтому прямоугольные импульсы на выходе генератора прямоугольных импульсов генерируются при перепаде 1→0 логического напряжения на выходе генератора (1) управляющих прямоугольных сигналов, генерация прямоугольных импульсов продолжается в течение времени наличия на выходе генератора (1) управляющих прямоугольных сигналов напряжения логического нуля, генерация прямоугольных импульсов прекращается при перепаде 0→1 логического напряжения на выходе генератора (1) управляющих прямоугольных сигналов.
Рассмотрим процесс частотной манипуляции прямоугольных импульсов.
Период (Т) времени одного полного цикла прохождения прямоугольного импульса в заявленном генераторе включает в себя время
1
2
3
4
где Δt - время прохождения через первый логический элемент (2) 2ИЛИ-НЕ сигнала, поступившего от первого внешнего генератора управляющих прямоугольных сигналов (1) на первый вход первого логического элемента (2) 2ИЛИ-НЕ; Δt - время прохождения сигнала через первую цепь задержки сигнала (4); Δt - время прохождения через второй логический элемент (3) 2ИЛИ-НЕ сигнала, поступившего с выхода первой цепи задержки сигнала (4) на второй вход второго логического элемента (3) 2ИЛИ-НЕ; Δt - время прохождения сигнала через вторую цепь задержки сигнала (5) до второго входа первого логического элемента (2) 2ИЛИ-НЕ.
Исток и сток первого nМОП транзистора (15) с индуцированным каналом подключен параллельно резистору R10 первой цепи задержки прохождения сигнала. Исток и сток второго nМОП транзистора (16) с индуцированным каналом подключен параллельно резистору R13 второй цепи задержки прохождения сигнала.
vT
вх
vT
насыщения
vT
запрет
Сопротивление R МОП транзистора с индуцированным каналом в зависимости от управляющего напряжения U может принимать два значения: R=R→0, если МОП транзистор включен (находится в режиме насыщения), и R=R→∞, если МОП транзистор выключен (заперт) [Опадчий Ю.Ф. Аналоговая и цифровая электроника: учебник для вузов/ Ю.Ф. Опадчий, О.П. Глудкин, А.И. Гуров. Под ред. О.П. Глудкина. М.: Радио и связь, 1996. - 768 с., стр. 410].
vT
вх
vT
vT
1экв
2экв
2
3
Второй генератор управляющих прямоугольных сигналов (8) при перепадах 0→1 или 1→0 логического напряжения на его выходе изменяет значение сопротивления канала сток-исток R МОП транзисторов с индуцированными канала в зависимости от управляющего напряжения U. Сопротивление R включено параллельно резистору R10 первой цепи задержки прохождения сигнала, такое же сопротивление R включено параллельно резистору R13 второй цепи задержки прохождения сигнала. Поэтому изменяется величина эквивалентных сопротивлений R между узлами: первый вывод конденсатора С9, первый вывод конденсатора С11 первой цепи задержки прохождения сигнала и R между узлами: первый вывод конденсатора С12, первый вывод конденсатора С14 второй цепи задержки прохождения сигнала. Это приводит к изменению интервалов времени Δt, Δt, поэтому изменяется период одного полного цикла прохождения прямоугольного сигнала в генераторе, вариация величин параметров элементов первой и второй цепей задержки прохождения сигнала позволяет изменять частоту генерации прямоугольных импульсов, в итоге реализуется частотная манипуляция.
1
2
1
1
2
2
2
1
2
2
1
1
2
Частотную манипуляцию характеризуют две генерируемые последовательности прямоугольных импульсов (два предыдущих слова добавлены в текст) с частотами f и f. Последовательность прямоугольных импульсов с частотой f генерируется при перепаде 0→1 логического напряжения на выходе второго генератора управляющих прямоугольных сигналов, генерация прямоугольных импульсов с частотой f продолжается в течение времени наличия на выходе второго генератора управляющих прямоугольных сигналов напряжения логической единицы. Последовательность прямоугольных импульсов с частотой f генерируется при перепаде 1→0 логического напряжения на выходе второго генератора управляющих прямоугольных сигналов, генерация прямоугольных импульсов с частотой f продолжается в течение времени наличия на выходе второго генератора управляющих прямоугольных сигналов напряжения логического нуля, генерация прямоугольных импульсов с частотой f прекращается при перепаде 0→1 логического напряжения на выходе второго генератора управляющих прямоугольных сигналов, изменения частот генерации прямоугольных импульсов с f на f и с f на f осуществляется без разрыва фазы колебаний, частоты генерации прямоугольных импульсов f и f связаны неравенством
Проведено моделирование полезной модели: двухканальный генератор - манипулятор прямоугольных импульсов.
Функциональная схема генератора на логических элементах 2ИЛИ-НЕ 74 серии с использованием nМОП транзисторов с индуцированными каналами в конструкции генератора представлена на фиг. 4. При этом использованы следующие элементы: первый генератор (1) управляющих сигналов, первый логический элемент 2ИЛИ-НЕ (2), второй логический элемент 2ИЛИ-НЕ (3), первая цепь задержки прохождения сигналов (5), реализованная в виде П-образного RC-фильтра и содержащая конденсаторы С9, C11 и резистор R10; вторая цепь задержки прохождения сигналов (4), реализованная в виде П-образного RC-фильтра и содержащая конденсаторы С12, С14 и резистор R13; буферный логический элемент (6), реализованный первым (17) и вторым (18) инверторами соответственно; блок (7) регулирования частоты следования прямоугольных импульсов, реализованный в виде первого (15) и второго (16) nМОП транзисторов, второй генератор управляющих импульсов (8).
Электрическая схема генератора прямоугольных импульсов, манипулированных по амплитуде и по частоте, на логических элементах 2ИЛИ-НЕ с использованием nМОП транзисторов в конструкции генератора представлена на фиг. 5, на которой указаны типы использованных первого (1) и второго (19) генераторов управляющих импульсов, первого (2) и второго (3) логических элементов 2ИЛИ-НЕ, первого (17) и второго (18) инверторов буферного логического элемента (6), параметры индуцированных каналов первого (15) и второго (16) nМОП транзисторов, номиналы параметров элементов цепей задержки прохождения сигналов.
В качестве примера заданы частоты первого (1) и второго (19) управляющих генераторов: 40 кГц и 400 кГц соответственно. Временная диаграмма работы генератора в режиме амплитудной манипуляции приведена на фиг. 6. Временные диаграммы работы генератора в режиме и по амплитуде, и по частоте при вариации температуры в интервале: а) -40°С, б) +27°С, в) +125°С приведены на фиг. 7.
1
2
Результаты анализа стабильности манипулированных по частоте генерируемых колебаний с частотами f и f при изменении температуры окружающей среды в интервале от -40°С до +125°С.приведены в табл. 1.
Относительная нестабильность частоты генерации f2 практически отсутствует. Это объясняется тем, что сопротивление RvT МОП транзистора с индуцированным каналом RvT=Rзапрет→∞, если МОП транзистор выключен (заперт) [Опадчий Ю.Ф. Аналоговая и цифровая электроника: учебник для вузов/ Ю.Ф. Опадчий, О.П. Глудкин, А.И. Гуров. Под ред. О.П. Глудкина. М.: Радио и связь, 1996. - 768 с., стр. 410].
1
зат1
1экв
i1
си1
зат2
2экв
i2
си2
1
зат1
зат2
си1
си2
-3
-3
Относительная нестабильность частоты генерации f в зависимости от температуры лежит в пределах от 9.1 ⋅ 10 до 4.8 ⋅ 10. Это объясняется влиянием нестабильности параметров C - емкость затвора и эквивалентного сопротивления Z выходной цепи nМОП транзистора Q15, содержащей, R - внутреннее сопротивление, С - емкость сток-исток, а также параметров С - емкость затвора и эквивалентного сопротивления Z выходной цепи nМОП транзистора Q16, содержащей, R - внутреннее сопротивление, С - емкость сток-исток. Для снижения нестабильности генерируемой частоты f выбирать транзисторы Q15, Q16 с малыми значениями емкости затвора C и емкости затвора С, а также емкости сток-исток С и С транзисторов Q15, Q16 соответственно.
Результаты анализа стабильности генерируемых колебаний, манипулированных по частоте, при изменении напряжения источника питания устройства приведены в табл. 2.
Из табл. следует, что пятнадцати процентное изменение напряжения питания устройства не влечет за собой изменений стабильности генерируемых колебаний, манипулированных по частоте.
Таким образом, заявленный генератор за счет изменения его конструкции генерирует и одновременно манипулирует по амплитуде и по частоте генерируемую последовательность прямоугольных импульсов. Это расширяет функциональные возможности известного генератора манипулированных по амплитуде прямоугольных импульсов.
Генератор может быть использован и для реализации манипуляции последовательности прямоугольных импульсов только по одному параметру: либо по амплитуде, либо по частоте.