ГЕНЕРАТОР ЧАСТОТНО-МАНИПУЛИРОВАННЫХ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ ИМПУЛЬСОВ

Полезная модель относится к области радиотехники и может быть использована в радиопередающих устройствах, в измерительной технике в качестве источника прямоугольных импульсов, манипулированных по частоте.
Достигаемый технический результат - расширение функциональных возможностей импульсного генератора.
Известен импульсный генератор, содержащий логический элемент 2И-НЕ, цепь обратной связи с выхода логического элемента 1 на его второй вход, составленная из двух логических элементов НЕ (фиг. 1) [1, стр. 57].
При нулевом значении сигнала управления Упр на первом входе логического элемента 2И-НЕ (фиг. 1 - прототип) на его выходе имеется логическая единица, которая через обратную связь с задержкой на передается на второй вход логического элемента. Таким образом, в исходном состоянии второй вход логического элемента 2И-НЕ находится в состоянии логической единицы. Изменение (перепад напряжения 0→1) управляющего сигнала является командой для начала работы генератора.
Появление логической единицы на первом входе логического элемента 2И-НЕ дает совпадение единиц на обоих входах, что переводит за время  выход логического элемента 2И-НЕ в нулевое состояние. Наличие логического нуля на выходе логического элемента 2И-НЕ длится в течение интервала времени, представляющего собой время задержки
необходимое для прохождения по цепи обратной связи напряжения, равного уровню логического нуля, с выхода логического элемента 2И-НЕ на его второй вход. Итак, первый полупериод (фиг. 1, б)
В результате поступления уровня логического нуля на второй вход логического элемента 2И-НЕ на его выходе за время  формируется напряжение, равное уровню логической единицы. Наличие логической единицы на выходе логического элемента 2И-НЕ длится в течение интервала времени, представляющего собой время задержки , необходимое для прохождения по цепи обратной связи напряжения, равного уровню логической единицы, с выхода логического элемента 2И-НЕ на его второй вход. Итак, второй полупериод (фиг. 1, б)
d
d
d1
d2
Следовательно, генератор на логическом элементе 2И-НЕ (фиг. 1, а) будет генерировать симметричные импульсы с длительностями импульса и паузы, равными t (фиг. 1, б) [1, стр. 57]. При этом t=t=t. Генерации импульсной последовательности происходит с частотой следования прямоугольных импульсов
Недостатком этого известного устройства является то, что никакой манипуляции генерируемой импульсной последовательности этим устройством не предусмотрено.
Целью заявленного технического решения является расширение функциональных возможностей устройства путем совершенствования его электрической схемы.
Генератор частотно-манипулированных прямоугольных импульсов (фиг. 2), содержащий логический элемент 2И-НЕ (1), отличающийся тем, что введены МОП-транзистор (5) с каналом n-типа, генератор (4) манипулирующего (управляющего) напряжения, П-образный RC-фильтр, состоящий из конденсаторов постоянной емкости (6) и (8) и резистора (7) постоянного сопротивления, буферный логический элемент, состоящий из первого логического элемента НЕ (2) и второго логического элемента НЕ (3).
пит
Первый вывод логического элемента 2И-НЕ (1) подключен к потенциальному выходу + U источника питания устройства, выход логического элемента 2И-НЕ (1) соединен с входом буферного логического элемента, состоящего из первого логического элемента НЕ (2) и второго логического элемента НЕ (3), при этом выход первого логического элемента НЕ (2) соединен с входом второго логического элемента НЕ (3), выход второго логического элемента НЕ (3) является выходом генератора частотно-манипулированных прямоугольных импульсов, выход логического элемента 2И-НЕ (1) соединен также с истоком МОП-транзистора с каналом n-типа (5), с первым выводом резистора (7) и первым выводом конденсатора (8), второй вход логического элемента 2И-НЕ (1) соединен со стоком МОП-транзистора с каналом n-типа (5), с вторым выводом резистора (7) и первым выводом конденсатора (6), первый вывод логического элемента 2И-НЕ (1), подложка МОП-транзистора (5), а также вторые выводы конденсаторов (6) и (8) соединены с общей шиной источника питания устройства, потенциальный выход генератора (4) манипулирующего напряжения присоединен к затвору МОП-транзистора (5).
Достигаемым техническим результатом настоящей полезной модели является расширение функциональных возможностей генератора импульсов, заключающееся в генерации последовательности прямоугольных импульсов, манипулированных по частоте. Технический результат достигается тем, что введены (фиг. 2) МОП-транзистор (5) с каналом n-типа, генератор (4) манипулирующего напряжения, П-образный RC-фильтр, состоящий из конденсаторов постоянной емкости (6), (8) и резистора (7) постоянного сопротивления, буферный логический элемент, состоящий из последовательно соединенных первого логического элемента НЕ (2) и второго логического элемента НЕ(3).
vT
вх
Генератор частотно-манипулированных прямоугольных импульсов работает следующим образом. Сопротивление R МОП-транзистора с каналом в зависимости от управляющего напряжения U может принимать два значения:
vT
насыщения
R=R→0, если МОП-транзистор включен (находится в режиме насыщения),
vT
заперт
экв
экв
0экв
0
и R=R→∞, если МОП-транзистор выключен (заперт) [2, стр. 410]. Логический элемент 2И-НЕ (1) генератора частотно-манипулированных прямоугольных импульсов (фиг. 2) в цепи обратной связи содержит, в частности, сопротивление R, образованное параллельно включенными выходом (исток-сток) МОП-транзистора с каналом n-типа (5) и резистором (7) постоянного сопротивления. В случае отсутствия управляющего напряжения на выходе генератора (4) манипулирующего напряжения, т.е. при напряжении, равном нулю, на затворе МОП-транзистора сопротивление R=R представляет собой фиксированную величину, близкую к величине сопротивления резистора (7). Процесс генерации прямоугольных импульсов (фиг. 4) характеризуется постоянной частотой f (формула (3)).
1экв
*
После включения генератора (4) манипулирующего напряжения на затвор МОП-транзистора с каналом n-типа поступает напряжение высокого уровня, МОП-транзистор переходит в режим насыщения, его сопротивление резко уменьшается, эквивалентное сопротивление (R ) параллельно включенных выхода (исток-сток) МОП-транзистора (5) и резистора (7) постоянного сопротивления также существенно снижается, т.е.
1экв
1экв
*
*
Пределом уменьшения эквивалентного сопротивления R  является величина сопротивления МОП-транзистора в режиме насыщения. В результате снижения величины эквивалентного сопротивления R  время задержки сигнала с выхода логического элемента 2И-НЕ (1) на его второй вход уменьшается, что приводит к росту частоты генерации прямоугольных импульсов (фиг. 4). При напряжении, равном напряжению логической единицы на затворе МОП-транзистора с каналом n-типа, генерация прямоугольных импульсов (фиг. 4) осуществляется с частотой следования импульсов
где
1
0
Неравенства (6) обусловлены неравенством (4). Итак, частоты генерации импульсов f и f находятся в соотношении
1
1
В момент переключения манипулирующего сигнала из состояния логического нуля в состояние логической единицы (перепад напряжения 0→1) начинается генерация прямоугольных импульсов с частотой следования f. Генерация будет продолжаться в течение времени, которое характеризуется высоким уровнем (уровнем логической единицы) управляющего сигнала на затворе МОП-транзистора с каналом n-типа. Переключение управляющего сигнала с высокого уровня (уровня логической единицы) на низкий уровень (уровень логического нуля) прекращает генерацию логическим элементом 2И-НЕ прямоугольных импульсов с частотой следования f (фиг. 4).
Буфер включен после логического элемента 2И-НЕ (1), он является выходным устройством генератора частотно-манипулированных прямоугольных импульсов. Использование инверторов в качестве буферного логического выходного устройства обеспечивает улучшение формы генерируемых импульсов за счет увеличения крутизны их фронтов.
экв
0экв
экв
**
**
При перепаде напряжения 1→0 на затворе МОП-транзистора с каналом n-типа сопротивление канала МОП-транзистора (5) изменяется скачком, оно возрастет, сопротивление R  также увеличится и станет равным величине сопротивления R, так как пределом увеличения эквивалентного сопротивления R  является величина сопротивления резистора (7). Таким образом,
экв
0
**
В результате увеличения эквивалентного сопротивления R  время задержки сигнала с выхода логического элемента на его второй вход увеличивается, что приводит к снижению частоты генерации прямоугольных импульсов (фиг. 4). При напряжении, равном напряжению логического нуля на затворе МОП-транзистора, генерация прямоугольных импульсов (фиг. 4) снова осуществляется с частотой следования импульсов f (3). Итак, частота генерации прямоугольных импульсов
2
2
Генерация прямоугольных импульсов с частотой f будет продолжаться в течение времени, которое характеризуется низким уровнем (уровнем логического нуля) управляющего сигнала на затворе МОП-транзистора. Переключение управляющего сигнала с низкого уровня (уровня логического нуля) на высокий уровень (уровень логической единицы) прекращает генерацию элементом 2И-НЕ импульсов с частотой следования f.
1
2
2
1
В итоге получена частотно-манипулированная последовательность прямоугольных импульсов. Переход с частоты f генерации прямоугольных импульсов на частоту генерации f (как и далее переход с частоты генерации f на частоту генерации f) происходит без разрыва фазы сигнала генерируемой прямоугольной импульсной последовательности.
2
1
задержки
Значения частот генерации f, f могут быть изменены путем изменения параметров микросхемы 2И-НЕ, в частности, вариацией параметра t - времени собственной задержки сигнала, создаваемой микросхемой. Эта величина записана в технической документации на интегральную микросхему.
задержки
фр
сп
фр
сп
задержки
Параметр t=t+t, где t - время фронта импульса, t - время спада импульса. Проведено моделирование генератора частотно-манипулированных прямоугольных импульсов на логическом элементе 2И-НЕ (фиг. 3) при вариации параметра t. При этом использованы: микросхема 2И-НЕ типа 74F00D, в П-образном RC-фильтре R(7)=10 кОм, С(6)=1 пФ, С(8)=1 пФ. Здесь и в дальнейшем использованы параметры канала транзистора: l=0.35 мкм, w=0.7 мкм. Для наглядности результатов моделирования частота управляющего (манипулирующего) сигнала принята равной 500 кГц.
Результаты моделирования приведены в табл. 1.
2
фр.
сп.
задержки
Значения частоты f могут быть изменены при вариации параметров цепи задержки прохождения сигнала с выхода логического элемента 2И-НЕ (1) на его второй вход. Проведено моделирование генератора частотно-манипулированных прямоугольных импульсов на логическом элементе 2И-НЕ (фиг. 3) при вариации величины резистора (7) в П-образном RC-фильтре. При этом использованы: микросхема 2И-НЕ (1) типа 74F00D с параметрами t=6 нс, t=5.3 нс, t=11.3 нс, С(6)=1 пФ, С(8)=1 пФ.
Результаты моделирования приведены в табл. 2.
1
2
2
1
2
1
Получена временная диаграмма выходного сигнала моделируемого генератора (фиг. 4), которая иллюстрирует процесс генерации частотно-манипулированной последовательности прямоугольных импульсов генератором на логическом элементе 2И-НЕ (1) при использовании МОП-транзистора с каналом n-типа (5). При этом перепад напряжения 0→1 на затворе МОП-транзистора сопровождается генерацией прямоугольных импульсов на частоте f, а перепад напряжения 1→0 на затворе МОП-транзистора сопровождается генерацией прямоугольных импульсов на частоте f. Частоты генерации f, f прямоугольных импульсов согласуются с неравенством f<f.
В генераторе частотно-манипулированных прямоугольных импульсов МОП-транзистор с каналом n-типа можно заменить на МОП-транзистор с каналом p-типа (фиг. 5). При этом для обеспечения активного режима работы МОП-транзистора с каналом p-типа подложку МОП-транзистора нужно подключить к положительному выводу источника питания генератора частотно-манипулированных прямоугольных импульсов. Механизм возникновения генерации частотно-манипулированных прямоугольных импульсов при использовании МОП-транзистора с каналом p-типа аналогичен механизму возникновения генерации частотно-манипулированных прямоугольных импульсов, рассмотренному для случая использования МОП-транзистора с каналом n-типа.
экв
2
2
**
При перепаде напряжения 0→1 на затворе МОП-транзистора с каналом p-типа сопротивление канала МОП-транзистора 5 изменяется скачком, оно существенно возрастет. За счет наличия резистора (7) постоянного сопротивления рост величины эквивалентного сопротивления R  ограничивается значением сопротивления резистора (7). Генерация прямоугольных импульсов (фиг. 7) осуществляется с частотой следования f (9). Частота генерации прямоугольных импульсов при перепаде напряжения 0→1 снижается. Генерация будет продолжаться в течение времени, которое характеризуется высоким уровнем (уровнем логической единицы) управляющего сигнала. Как только управляющий сигнал переключится (перепад напряжения 1→0) с высокого уровня (уровень логической единицы) на низкий уровень (уровень логического нуля) генерация на частоте f прекратится.
экв
1
1
*
При воздействии на затвор МОП-транзистора с каналом p-типа перепада напряжения 1→0 сопротивление канала МОП-транзистора резко уменьшается за счет перехода МОП-транзистора в режим насыщения, поэтому эквивалентное сопротивление R  также уменьшится. Генерация прямоугольных импульсов осуществляется с частотой следования f (5). Частота генерации прямоугольных импульсов при перепаде напряжения 1→0 возрастает. Генерация будет продолжаться в течение времени, которое характеризуется низким уровнем (уровнем логического нуля) управляющего сигнала на затворе МОП-транзистора. Как только управляющий сигнал переключится (перепад напряжения 0→1) с низкого уровня (уровень логического нуля) на высокий уровень (уровень логической единицы), генерация на частоте f прекратится.
2
1
Проведено моделирование генератора частотно-манипулированных прямоугольных импульсов на логическом элементе 2И-НЕ (1) при использовании МОП-транзистора (5) с каналом с каналом p-типа (фиг. 6). Получена временная диаграмма выходного сигнала генератора частотно-манипулированных прямоугольных импульсов (фиг. 7), которая иллюстрирует процесс генерации частотно-манипулированной последовательности прямоугольных импульсов генератором на логическом элементе 2И-НЕ (1) при использовании МОП-транзистора с каналом p-типа (5). При этом перепад напряжения 0→1 на затворе МОП-транзистора сопровождается генерацией прямоугольных импульсов на частоте f, а перепад напряжения 1→0 на затворе МОП-транзистора сопровождается генерацией прямоугольных импульсов на частоте f.
Логический элемент 2И-НЕ (1) можно заменить на логический элемент 2ИЛИ-НЕ (1) (фиг. 8). Используется МОП-транзистор (5) с каналом n-типа. При этом подложка транзистора, первый вывод логического элемента 2ИЛИ-НЕ (1) соединены с общей шиной источника питания устройства. Механизм генерации прямоугольных импульсов аналогичен механизму генерации, изложенному для случая построения генератора на логическом элементе 2И-НЕ (1) (фиг. 2).
d
d
d
d
Нулевое значение сигнала управления Упр на первом входе логического элемента 2ИЛИ-НЕ приводит к появлению на выходе логического элемента 2ИЛИ-НЕ (1) логической единицы, которая через обратную связь с задержкой на t передается на второй вход логического элемента 2ИЛИ-НЕ(1). Наличие логического нуля на первом входе логического элемента 2ИЛИ-НЕ (1) и логической единицы на втором входе логического элемента 2ИЛИ-НЕ (1) обеспечивает на выходе логического элемента 2ИЛИ-НЕ (1) образование логического нуля. Это состояние сохранится в течение интервала t, так как после него ноль с выхода логического элемента схемы по цепи обратной связи с задержкой на время t попадет на второй вход логического элемента и поставит его в единичное состояние. Следовательно, генератор с использованием логического элемента 2ИЛИ-НЕ (1) будет также генерировать симметричные прямоугольные импульсы с длительностями импульса и паузы, равными t.
экв
1
1
экв
2
2
1
*
**
При поступлении на затвор МОП-транзистора (5) с каналом n-типа напряжении высокого уровня (перепад напряжения 0→1) сопротивление канала МОП-транзистора скачком уменьшается, сопротивление R  также мало. Генерация прямоугольных импульсов (фиг. 10) осуществляется с частотой следования f (5). Генерация будет продолжаться в течение времени, которое характеризуется высоким уровнем (уровнем логической единицы) управляющего сигнала на затворе МОП-транзистора (5). Как только управляющий сигнал переключится (перепад напряжения 1→0) с высокого уровня (уровень логической единицы) на низкий уровень (уровень логического нуля) генерация логическим элементом 2ИЛИ-НЕ (1) на частоте f прекратится. При перепаде напряжения 1→0 на затворе МОП-транзистора (5) с каналом n-типа эквивалентное сопротивление R  возрастает, частота генерации прямоугольных импульсов (фиг. 10) уменьшается, принимает значение f (9). При этом f<f.
1
2
2
1
2
1
Проведено моделирование генератора частотно-манипулированных прямоугольных импульсов на логическом элементе 2ИЛИ-НЕ(1) при использовании МОП-транзистора с каналом n-типа (5) (фиг. 9). Получена временная диаграмма выходного сигнала моделируемого генератора (фиг. 10), которая иллюстрирует процесс генерации частотно-манипулированной последовательности прямоугольных импульсов генератором с использованием логического элемента 2ИЛИ-НЕ (1) и МОП-транзистора с каналом n-типа (5). При этом перепад напряжения 0→1 на затворе МОП-транзистора сопровождается генерацией прямоугольных импульсов на частоте f (5), а перепад напряжения 1→0 на затворе МОП-транзистора сопровождается генерацией прямоугольных импульсов на частоте f (9). Частоты генерации f, f прямоугольных импульсов согласуются с неравенством f<f.
В схеме генератора частотно-манипулированных прямоугольных импульсов с логическим элементом 2ИЛИ-НЕ (1) МОП-транзистор с каналом n-типа (5) можно заменить на МОП-транзистор с каналом p-типа (5) (фиг. 11). При этом для обеспечения активного режима работы МОП-транзистора (5) с каналом p-типа подложку МОП-транзистора нужно подключить к положительному выводу источника питания генератора частотно-манипулированных прямоугольных импульсов. В этом случае частотная манипуляция генерируемых прямоугольных импульсов осуществляется за счет изменения величины сопротивления канала МОП-транзистора под действием управляющего напряжения генератора (4) на затвор МОП-транзистора (5). Механизм генерации частотно-манипулированных прямоугольных импульсов при использовании МОП-транзистора с каналом p-типа аналогичен рассмотренному механизму генерации прямоугольных импульсов для случая использования МОП-транзистора с каналом n-типа.
экв
2
2
**
При перепаде напряжения 0→1 на затворе МОП-транзистора (5) с каналом p-типа сопротивление канала МОП-транзистора (5) изменяется скачком, оно существенно возрастет. За счет наличия резистора (7) постоянного сопротивления рост величины эквивалентного сопротивления R  ограничивается значением сопротивления резистора (7). Генерация прямоугольных импульсов осуществляется с частотой следования f (9). Частота генерации прямоугольных импульсов при перепаде напряжения 0→1 снижается. Генерация будет продолжаться в течение времени, которое характеризуется высоким уровнем (уровнем логической единицы) управляющего сигнала на затворе МОП-транзистора (5). В момент переключения управляющего сигнала (перепад напряжения 1→0) с высокого уровня (уровень логической единицы) на низкий уровень (уровень логического нуля) генерация на частоте f прекратится.
экв
1
1
*
При воздействии на затвор МОП-транзистора с каналом p-типа (5) перепада напряжения 1→0 сопротивление канала МОП-транзистора резко уменьшается за счет перехода в режим насыщения МОП-транзистора, поэтому эквивалентное сопротивление R  также уменьшится. Генерация прямоугольных импульсов осуществляется с частотой следования f (5). Частота генерации прямоугольных импульсов при перепаде управляющего напряжения 1→0 возрастает. Генерация будет продолжаться в течение времени, которое характеризуется низким уровнем (уровнем логической единицы) управляющего сигнала на затворе МОП-транзистора (5). В момент переключения управляющего сигнала (перепад напряжения 0→1) с низкого уровня (уровень логического нуля) на высокий уровень (уровень логической единицы), генерация логическим элементом 2И-НЕ (1) на частоте f прекратится.
2
1
2
1
2
1
Проведено моделирование генератора частотно-манипулированных прямоугольных импульсов с использованием логического элемента 2И-НЕ (1) и МОП-транзистора с каналом p-типа (5) (фиг. 12). Получена временная диаграмма выходного сигнала моделируемого генератора (фиг. 13), которая иллюстрирует процесс генерации частотно-манипулированной последовательности прямоугольных импульсов генератором. При этом перепад напряжения 0→1 на затворе МОП-транзистора сопровождается генерацией прямоугольных импульсов на частоте f (9), а перепад напряжения 1→0 на затворе МОП-транзистора сопровождается генерацией прямоугольных импульсов на частоте f (5). Частоты генерации f, f прямоугольных импульсов согласуются с неравенством f<f.
Таким образом, заявляемая полезная модель генератора частотно-манипулированных прямоугольных импульсов обеспечивает более широкие функциональные возможности генератора прямоугольных импульсов. Расширение функциональных возможностей генератора прямоугольных импульсов заключается в генерации последовательности прямоугольных импульсов, манипулированных по частоте. Осуществление частотной манипуляции последовательности прямоугольных импульсов обусловлено резким изменением сопротивления канала МОП-транзистора (5) под действием управляющего напряжения генератора (4), воздействующего на затвор МОП-транзистора (5) с каналом.
Литература:
1. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника: Учеб. пособие для вузов / Е.П. Угрюмов - 2-изд., перераб. и доп. - СПб.: БХВ-Петербург, 2007. - 800 с: ил.
2. Опадчий Ю.Ф. Аналоговая и цифровая электроника / Ю.Ф. Опадчий, О.П. Глудкин, А.И. Гуров. Под ред. О.П. Глудкина. М.: Радио и связь, 1996. - 768 с.