Пороговые устройства на элементах цифровой логики

Пороговые устройства, называемые также компараторами, предназначены для преобразования аналогового сигнала в цифровую информацию. Например, на выходе порогового элемента формируется сигнал какого-либо логического уровня, если входной аналоговый сигнал по своему значению меньше определенного напряжения, если же он больше, то на выходе порогового устройства формируется сигнал противоположного логического уровня.

Кроме регистрации или сигнализации о превышении (или снижении) напряжения контролируемого сигнала, пороговые устройства применяют в аналого-цифровых преобразователях, генераторах импульсов различной формы.

В составе некоторых серий аналоговых микросхем есть компараторы, пригодные для совместной работы с цифровыми микросхемами, но они не всегда доступны. Многие из них требуют двухполярного источника питания, что усложняет конструкцию. Поэтому в ряде случаев оказывается целесообразным использовать в качестве пороговых устройств элементы, что обеспечивает полное согласование логических уровней без каких-либо специальных мер.

В принципе, сам элемент представляет собой пороговое устройство, в чем легко убедиться, взглянув на рис. 18, на котором показаны передаточные характеристики идеального порогового устройства 1 и элемента КМОП 2. У идеального порогового устройства прямоугольная характеристика, элемент же имеет характеристику с некоторым наклоном, поэтому вблизи порогового напряжения возникает зона неопределенности, которая в итоге и определяет чувствительность порогового устройства. В тех случаях, когда не требуется высокой точности, в качестве порогового устройства можно использовать логический элемент.

Для повышения точности пороговых устройств на основе элементов применяют специальные схемные решения. Схема простого порогового устройства на двух элементах ТТЛ приведена на рис. 19,а. Благодаря наличию положительной обратной связи (ПОС) по постоянному току через резистор R2 передаточная характеристика становится прямоугольной (рис. 19,6). Устройство работает следующим образом. При входном сигнале меньше порогового на выходе будет напряжение низкого уровня. С увеличением входного напряжения до U2 на выходе элемента DD1.2 напряжение также начнет увеличиваться. Это напряжение через резистор R2 поступит на вход элемента DD1.1, что приведет к еще большему увеличению напряжения на выходе элемента DD1.2 и т. д. Таким образом, пороговое устройство скачком переходит в устойчивое состояние с высоким уровнем напряжения на выходе. Дальнейшее увеличение входного напряжения состояние порогового устройства не изменяет.

Рис. 18. Характеристики порогового устройства и элемента КМОП

При уменьшении входного напряжения до U] пороговое устройство скачком переходит в устойчивое состояние с низким уровнем напряжения на выходе. Разность напряжений U2—U1 называют шириной петли гистерезиса, она зависит от соотношения номиналов резисторов R1 и R2. От этих же резисторов зависит и чувствительность. При увеличении сопротивления резистора R2 и уменьшении R1 чувствительность повышается, а ширина петли гистерезиса уменьшается. Однако элементы ТТЛ работают с входными токами, поэтому сопротивление этих резисторов должны лежать в определенных пределах. Так, для микросхем серий К133 и К155 сопротивление резистора R1 может быть в пределах 0,1 ...2 кОм, a R2 — в пределах 2... 10 кОм.

Такое пороговое устройство не имеет на входе разделительного конденсатора, поэтому нижняя граница его частотной характеристики простирается вплоть до постоянного напряжения, а вот верхняя, из-за наличия к цепи сигнала резистора R1, ограничена частотой 8... 10 МГц.

Если необходимо пороговое устройство, реагирующее только на переменную составляющую сигнала, его следует несколько изменить в соответствии с рис. 20. Сопротивления резисторов R2 и R3 должны быть примерно равны, емкость конденсатора С1 определяет нижнюю частотную границу рабочего диапазона.

Большей граничной частотой обладает пороговое устройство на логических расширителях по ИЛИ микросхемы К155ЛД1 (рис. 21), по схемному построению аналогичное триггеру Шмитта на транзисторах. Порог срабатывания зависит от соотношения номиналов резисторов R1 и R3. Ширина петли гистерезиса составляет около 0,1 В, а порог срабатывания можно регулировать от 0,02 до і В. Номинал резистора SR1! должен быть в пределах 0,(1 ... 1 кОм, a R2 — 22.

Рис. 19. Пороговое устройство на элементе ТТЛ

Рис. 20. Принципиальная схема порогового устройства на элементе ТТЛ

Рис. 21. Принципиальная схема порогового устройства на микросхеме К155ЛД1

Недостатком такого устройства является несколько повышенное, чем обычно, напряжение низкого логического уровня, за счет падения напряжения на резисторе R3.

Выполнить пороговый элемент можно и на элементах КМОП (рис. 22). Его отличительной особенностью является экономичность, а недостатком — низкая чувствительность. Поскольку элементы КМОП работают без входных токов и обладают невысокой нагрузочной способностью по току, то сопротивления резисторов R1 и R2 обычіно выбирают большими — десятки и сотни килорм. Для повышения чувствительности устройства на его вход следует подавать начальное смешение от источника питания через делитель R3R4.

При .контроле сигнала, уровень которого может изменяться в больших пределах, например музыкального сигнала, возможна ситуация, когда сигнал на очень короткое время превысит пороговое значение. Хотя устройство и сработает, но этого времени может не хватить, например, для включения индикатора. В таком случае будет полезным пороговое устройство с «памятью» (,рис. 23), которое на определенное время сохранит информацию о том, что сигнал превысил пороговое напряжение или был меньше него. От предыдущего устройства оно отличается тем, что в цепь ПОС между выходом элемента DD1.2 и одним из входов элемента DD1.1 включен конденсатор С2. Как только на выходе элемента DD1.2 появляется напряжение высокого уровня, оно через конденсатор С2 поступает на вход элемента DDL1. В таком состоянии устройство остается до тех пор, пока не зарядится этот конденсатор, даже в том случае, если уровень входного сигнала станет ниже порогового значения. Время, в течение которого информация о превышении сигнала хранится в устройстве, определяется постоянной времени цепи R1C2.

В каких же конструкциях можно применить пороговые устройства? В приборах, сигнализирующих об изменении напряжения, сигнала, в реле времени ^таймеры), различных индикаторах, генераторах и многих других. Цифровые микросхемы широко используют для генерирования сигналов с разными параметрами. Благодаря большому коэффициенту усиления н хорошим частотным свойствам на базе их логических элементов удается реализовать генераторы с частотой от долей герца до десятков и сотен мегагерц, к тому же самой различной формы.

Рис. 22. Принципиальная схема порогового устройства на элементе КМОП

Рис. 23. Принципиальная схема порогового устройства с «памятью»

Литература: И. А. Нечаев, Массовая Радио Библиотека (МРБ), Выпуск 1172, 1992 год.