Úloha 11

D6/1 Vlastnosti hradla TTL

Cieľom úlohy je praktické zoznámenie sa s integrovaným hradlom 7400 a jeho funkciou ako hradla NAND (F - základné vlastnosti číslicových a logických obvodov) pre signál s logickými úrovňami TTL. V ďalšej časti je tiež cieľom úlohy kontrola základných dynamických parametrov obvodu vo funkcii spínača a ich využitie na tvarovanie impulzov TTL .

Obr. 11.x. Schematické znázornenie kontroly funkčnej spôsobilosti integrovaného obvodu 7400. Po privedení podnetu na vstup (v tvare impulzu alebo  v tvare  logickej úrovne) sa otestuje reakcia príslušného výstupu (pomocou osciloskopu alebo staticky pomocou voltmetra, resp. indikátora so svietivkou LED) na tento vstupný podnet. Napr. na obrázku je znázornené vnútorné prerušenie vývodu na pin 8 (číslovanie vývodov je na obr. 11a), v dôsledku čoho toto hradlo nemá zmysel zapájať do ďalšich obvodov.

Logické obvody možno rozdeliť na:

q Kontrola funkcie hradla NAND

		Obr. 11.bb spôsob realizovania logických úrovní "H" a "L" na statické skúšanie hradiel a invertorov TTL.
Obr. 11.ba. Invertor s pripojeným generátorom na overenie priebehu uvedeného na obr. 11.c.

Po prekontrolovaní prítomnosti napájacieho napätia U_cc = 5 V  na pätici obvodu 7400 možno najprv pomocou voltmetra  poprípade aj názornejšie pomocou sondy so svietivkovou indikáciou, prekontrolovať úrovne na kontaktoch hradiel. Pre daný účel možno úroveň "L" zrealizovať pomocou úrovne zemniaceho potencialu (dotykom na zem) a úroveň "H" pomocou voľného kontaktu (na ktorom sa v kľudovom stave udržuje úroveň o trochu vyššia ako je rozhodujúca úroveň U_r = 1,42 V, čo obvod TTL interpretuje ako plávajúcu úroveň s úrovňou "H" ). Poprípade možno použiť spôsob uvedený na obrázku 11.bb. Správna funkcia hradiel by mala zodpovedať funkčnej tabuľke na obrázku 11.a.  

Obr. 11.c. Ilustrácia funkcie invertora na základe lineárne rastúceho vstupného impulzu. V hornej časti obrázku sú zobrazené impulzy s TTL logickými úrovňami, v dolnej časti zase  tvar impulzov, ktorý by odmeral ideálne rýchly voltmeter. Úroveň výstupného impulzu reaguje na nárast amplitúdy vstupného impulzu v spodnom zobrazení až po prekročení rozhodujúceho prahu ~ 1,42V. Pri tzv. plávajúcej úrovni medzi "L" a "H" na vstupe  pri lineárnom zvyšovaní vstupného napätia obvod funguje ako zosilňovač  a rýchlo sa snaží zaujať jednu z úrovní "L" a "H" na výstupe. Pri pomalom  prechode cez túto oblasť amplitúdy sa vplyv veľkého zisilnenia môže  prejaviť ako nestabilita v tvare sérii zákmitov na výstupe - ako dôsledok nejasného definovania úrovne na vstupe pri veľkom zosilnení.

Na obrázku 11.b je znázornený spôsob kontroly funkcie najjednoduchšieho logického člena - invertora, ktorý vykonáva operáciu negácie logického signálu. Ako výsledok takéhoto testu je na obrázku 11.c zobrazený priebeh výstupného impulzu (zelenou farbou), ktorý vzniká na podnet vstupného impulzu s lineárne vzrastajúcim čelom. Vďaka lineárnemu priebehu vstupného impulzu možno získať predstavu o tom ako sa mení výstupné napätie U_Y  v závislosti od vstupného napätia U_A , teda obdobu prevodovej charakteristiky U_Y=f(U_A), pri výstupe v stave naprázdno. Pri náraste vstupnej amplitúdy z oblasti logickej úrovne U_A-iL= "L" (~0 - 0,8 V) do oblasti s logickou úrovňou U_A-iH="H" (~2 V -3,4V až 5V ) sa dostáva vstupné napätie do oblasti plávajúcej úrovne s nejasne definovanou úrovňou, v okolí rozhodujúcej úrovne U_ir ~1,42 V. Rozhodujúca úroveň U_ir na vstupe je teda zlomová úroveň v okolí ktorej sa mení úroveň výstupu logického signálu TTL.  

Na obrázku 11.c sa nenastaví hneď na výstupe úroveň "L". V oblasti plávajúcej úrovne na vstupe, keď obvod má vlastnosti zosilňovača, je na výstupe spočiatku úroveň U_or~1,42 V a až neskôr po zvýšení vstupného napätia sa zmení výstupnú úroveň na "L". (V použitej symbolike označovania napäťových úrovní znamená i- vstup, o-výstup, H- logickú úroveň hight "H" a L- logickú úroveň low "L". Namiesto logických premených "1" a "0" sa teda používajú fyzické reprezentácie stavov nízkej úrovne "L" a vysokej úrovne "H". Pomocou uvedeného spôsobu označovania možno definovať aj smer skoku, napríklad v trvaní t_TLH  prechodu z dolnej úrovne "L" na hornú úroveň "H".) Invertor sa chová obdobne ako tranzistorový spínač (F). Tranzistor v tomto  jednoduchom spínači môže byť v nevodivom stave (napätie U_CE ~ U_cc ), v nasýtenom stave (napätie U_CE~U_CES~0,2V), alebo v aktívnom stave, keď zosilňuje. Podobne na vstupe invertora môžu nastať podmienky, za ktorých je výstupná úroveň "H" alebo "L" a podmienky keď je na vstupe plávajúca úroveň medzi úrovňou "H" alebo "L", keď krátkodobo funguje ako zosilňovač (vďaka čomu sa môžu vyskytnúť zákmity na výstupnom priebehu spôsobené zosilnením náhodných poruch v okolí rozhodujúcej úrovne U_ir~1,42V na vstupe).  

Šumová imunita M_r =U_H-U_r ~U_L-U_r  charakterizuje odolnosť obvodu voči rušivým napätiam. V dôsledku rôznych parazitných kapacitných väzieb s najbližšími obvodmi nejakéhoiného  zapojenia sa môžu preniesť ľubovolné poruchy na vstup obvodov. Ak je na vstupe obvodu nejasne definovaná plávajúca úroveň môže ľahko dôjsť k ovplyvneniu funkcie obvodu. Ak napríklad v logickom obvode TTL s rozhodujúcou úrovňou U_r ~1,4 V je šumová imunita M_r >=1 znamená to, že logické úrovne na výstupe sú buď U_oL <= 0,4V alebo U_oH >= 2,4V a poruchový impulz je nebezpečný ak bude mať amplitúdu väčšiu ako 1V. Ak v hradle TTL zostane jeden vstup nezapojený (nepreteká cez neho vstupný prúd) zdanlivo by tento vstup nemal ovplyvňovať funkciu hradla. Napätie na tomto voľnom vstupe je však U_r~1,4V, čo má za následok, že šumová imunita tohto vstupu je M_r~0 a môže byť zdrojom nepredvídaných poruchových impulzov. (V praktiku sú invertory realizované pomocou hradiel, ktoré využívajú len jeden vstup. Druhý, nepoužitý vstup by mal byť buď pripojený na úroveň "H", alebo tiež možno oba vstupy hradla spojiť paralelne do jedného spoločného vstupu. V krajnom prípade bude obvod funkčný aj pri voľnom druhom vstupe, len jeho šumová imunita bude nízka.)  

Výhodnou vlastnosťou logických obvodov je ich jednoduché kaskádové spájanie do série (spojenie výstupu jedného obvodu so vstupom iného obvodu) a vetvenie (spojenie výstupu jedného obvodu so vstupom niekoľkých obvodov) bez potreby nejakého prispôsobovania napäťových úrovní. Napríklad v obvodoch MH 74XX je jednotkový vstupný prúd I_iL=1,6mA alebo I_iH=40mA. Výstupný prúd I_oL=16mA alebo I_oH=0,4mA. Pri kaskádovom spojení takýchto obvodov je výstupné vetvenie N=I_oH/I_iH=I_oL/I_iL=10. Znamená to, že maximálne 10 vstupov obvodov MH 74XX môže byť pripojené k výstupu obvodu.  

Základným dynamickým parametrom integrovaného logického člena je rýchlosť zmeny amplitúdy výstupného impulzu, charakterizovaná trvaním čela a tyla impulzu. S použitím označenia definujúceho smer napäťového skoku je táto rýchlosť určená trvaním t_TLH  a t_THL. Ďalším dôležitým parametrom je oneskorenie výstupného impulzu voči vstupnému t_P  (merané na referenčnej úrovni U_r ). Oneskorenia t_PLH  a t_PHL  nemusia byť rovnaké a preto sa pre praktické účely udáva stredná hodnota prenosového oneskorenia:   

Typická hodnota pre bežné obvody 74XX je t_PD~10ns. 
 

Obr. 11.d Demonštrácia funkcie hradla NAND (krúžok na výstupe obvodov je symbolom operácie negácie). Na vstupoch hradla pôsobia impulzné signály so zdroja V1 a V2  s rôznym tvarom signálu. Funkciu uvoľňovacieho (hradlovacieho) signálu má signál pôsobiaci na vstupe B. Signál na vstupe A predstvuje informáciu (v tvare sériovej postupnosti impulzov), ktorú treba prepúšťať na výstup len počas trvania impulzu s úrovňou "H" na vstupe B.

Z hľadiska názornosti funkciu hradla možno demonštrovať v zapojení na  obrázku 11.d s priebhmi hradlovania impulzov na obrázku 11.e. Takéto ilustračné meranie možno uskutočniť na konci tohto praktika s dvoma synchronizovane spúšťanými zdrojmi signálu. Impulz na vstupe B dlhšieho trvania z jedného zdroja ovláda priechod cez hradlo signálu z druhého zdroja, pôsobiaceho na vstupe A.. Výsledok hradlovania signálu je znázornený na obrázku 11.e. 
 

Obr. 11.e Signál TTL (predstavovaný sledom impulzov zo vstupu A) sa na výstupe hradla (zapojenia z obrázku 1.d.) objaví len za prítomnosti logickej úrovne "H" na hradlovacom vstupe B. Za povšimnutie stojí tvar impulzov na výstupe, ktorý pri inom tvare signálu na vstupe A mohol trvať dlhšie (maximálne počas trvania impulzu na vstupe B, ak by bola splnená podmienka dosiahnutia úrovne "H" na oboch vstupoch).

q Tvarovanie impulzov TTL s využitím prenosového oneskorenia obvodu

Zapojenie na obrázku 11.1a ilustruje príklad využitia vlastného oneskorenia t_PD  logického člena na generovanie impulzu, korelovaného so začiatkom (obrázok 11.1b) alebo koncom vstupného impulzu (obrázok 11.1c). Na obrázku 11.1b je použitý vstupný impulz kladnej TTL polarity a na obrázku 11.1c záporný TTL impulz, takže v rôznych okamihoch je splnená podmienka prítomnosti úrovne "H" na vstupoch in a V3 hradla. (Kladná polarita impulzov TTL znamená zmenu napätia z úrovne "L" na úroveň "H", teda v smere zväčšenia amplitúdy. Amplitúda impulzu TTL je však vždy >0!). 
 
 

11.1a.Tvarovanie výstupného impulzu s využitím vlastného prenosového oneskorenia invertorov.

 

11.1b Ilustrácia generovania krátkeho impulzu (~ 30 ns), výskyt ktorého je odvodený od čela vstupného impulzu - in (kladnej polarity TTL). Priebehy V1, V2  a V3 sú merané na výstupoch jednotlivých invertorov zapojenia z obrázku 11.1a, objasňujú trvanie výstupného impulzu a okamih jeho vzniku.

 
 

11.1c Ilustrácia generovania krátkeho impulzu (~ 30 ns), výskyt ktorého je odvodený od tyla vstupného impulzu - vstup (zápornej polarity TTL). Priebehy V1 , V2  a V3, merané na výstupoch jednotlivých invertorov zapojenia z obrázku 11.1a, objasňujú trvanie výstupného impulzu a okamih jeho vzniku.

V zapojení na obrázku 11.1a sú použité 3 invertory, takže trvanie generovaného impulzu t_i ~ 30 ns. Pre generovanie impulzov s dlhším trvaním by bolo možné požiť väčší počet invertorov (nepárny počet) alebo na tvarovanie využiť prechodový jav zmeny napätia na integračnom alebo derivačnom článku. 

qTvarovanie impulzov TTL s využitím integračného RC článku

Pomocou tvarovacieho obvodu, ktorý využíva na oneskorenie impulzu integračný článok RC (F), uvedeného na obrázku 11.2a, možno generovať dlhšie trvania impulzov ako s pomocou zapojenia na obrázku 11.1a. Obrázok 11.2b zobrazuje výsledok tvarovania vstupného impulzu (kladný impulz TTL) na výstupný impulz, trvanie ktorého určuje proces vybíjania napätia na kondenzátore s úrovne U_oH~3,4V na rozhodujúcu úroveň U_r~1,4V. (Na obrázku 11.2b až do úrovne U_oL ~ 0,8 V). Ak amplitúda impulzu TTL je U_m~U_oH-U_oL má generovaný impulz trvanie:  

Časová konštanta na základe náhradného obvodu na obrázku 11.2c je  t ~(R_g+R )C.  

Obr. 11.2a Tvarovací obvod, ktorý používa ako oneskorovací element integračný článok RC.

Pri vstupnom impulze kladnej TTL polarity, podobne ako v zapojeni na obrázku 11.a, sa generuje výstupný impulz v korelácii so začiatkom vstupného spúšťacieho impulzu. Ak je trvanie vstupného impulzu dostatočne dlhé tak sa tvaruje impulz (o trvaní t_i ~tln2 ) kratší ako je trvanie vstupného impulzu. Pri krátkom vstupnom impulze nestihne poklesnúť napätia na kondenzátore (na kontrolnom výstupe na obrázku 11.2b) pod rozhodujúcu úroveň U_r~1,4V a výstupný impulz má rovnaké trvanie ako vstupný - nedochádza teda k tvarovaniu impulzu pomocou článku RC. 

Pri vstupnom impulze zápornej TTL polarity, podobne ako v zapojeni na obrázku 11.a, sa  generuje výstupný impulz v korelácii s koncom vstupného spúšťacieho impulzu. Inými slovami teda okamih vzniku výstupného impulzu je spojený so zmenou úrovne LH na vstupe, respektíve v spolupráci s procesom vybíjania kondenzátora integračného RC článku.  

Obr. 11.2b. Ilustrácia funkcie tvarovacieho obvodu s integračným článkom RC na základe porovnania tvaru vstupného impulzu (kladnej polarity TTL) a výstupného impulzu. V hornej časti obrázku sú zobrazené impulzy s TTL logickými úrovňami, v dolnej časti aj priebehy ovplyvňujúce trvanie impulzu. Výstupný impulz -out2 má kratšie trvanie ako vstupný impulz. Trvanie generovaného impulzu závisí od trvania prechodového javu vybíjania kondenzátora C (na vstupe kontrola RC). Na hornej časti je vyznačená časť trvania výstupného impulzu (*1), počas ktorej je na kondenzátore napätie s plávajúcou úrovňou medzi úrovňou "H" a úrovňou "L". K zakončeniu generovania výstupného impulzu podľa obrázku dochádza až v okamihu keď napätie na kondenzátore dosiahne úroveň "L" (~ 0,8 V).

 

Obr. 11.2c Náhradný obvod pre určenie trvania generovaného impulzu. V hornej časti pre zapojenie z obrázku 11.2a, v dolnej časti pre zpojenie z obrázku 11.3a.

q Tvarovanie impulzov TTL s využitím derivačného CR článku

Zapojenie na obrázku 11.3a používa na tvarovanie derivačný článok (F). Vplyvom derivačného CR článku má impulz na výstupe derivačného článku (na obrázku 11.3a označený ako vstup kontrola) raz kladnú a raz zápornú TTL polaritu (poradie kladného a záporného prekmitu závisí od polarity vstupného impulzu).  

Obr. 11.3a Tvarovací obvod, ktorý používa ako oneskorovací element derivačný článok CR. Kladná spätná väzba spolupôsobiaca pri tvarovaní impulzu, je realizovaná pomocou prepojenia výstupu inverora 2 so vstupom hradla 2.

q  Princíp tvarovanie vplyvom článku CR - bez pôsobenia spätnej väzby
Pre lepšie pochopenie procesu tvarovania impulzu je na obrázku 11.3b a 11.3c ilustrovaný proces tvarovania výstupného impulzu pri rozpojenej spätnej väzbe ( teda bez prepojenia výstupu invertora 7404 s vstupom 2 hradla 7400). Pretože na tvarovaní impulzu sa môže zúčastniť len tá časť zderivovaného impulzu, ktorá sa nachádza v oblasti definície signálu TTL (bez záporného podkmitu) generujú zapojenia na obrázkoch 11.3b a 11.3c výstupný impulz v rôznych okamihoch. Na obrázku 11.3b je impulz generovaný po skončení trvania vstupného impulzu a na obrázku 11.3c v korelácii so začiatkom vstupného impulzu. V oboch prípadoch je však trvanie generovaného impulzu závislé od trvania prechodového javu na kondenzátore, podobne ako v zapojení na obrázku 11.2a. S pomocou náhradného obvodu v dolnej časti obrázku 11.2c, ak amplitúda impulzu TTL je U_m~U_oH-U_oL, má generovaný impulz trvanie: 

Časová konštanta je t~(R_g+R)C. Rezistor R v zapojení na obrázku 11.3a musí mať dostatočne malý odpor, aby zabezpečil úroveň "L" na vstupe invertora. (Maximálny úbytok napätia v nízkej úrovni "L" spôsobený vstupným prúdom I_iL=1,6 mA je I_iLR=1,6 mA*400W =0,64V<U_iL=0,8V. Vďaka tomu je vstup obvodu, ku ktorému je pripojený odpor R v kľudovom stave (bez prítomnosti vstupného impulzu) vždy v definovanom stave s úrovňou "H" na výstupe.)  

Obr. 11.3b. Ilustrácia funkcie tvarovacieho obvodu s derivačným článkom CR  pri pôsobení vstupného impulzu (kladnej polarity TTL - označený červenou farbou). V hornej časti obrázku sú zobrazené impulzy s TTL logickými úrovňami, v dolnej časti aj priebehy ovplyvňujúce trvanie impulzu. Výstupný impulz (- označený modrou farbou) je generovaný po skončení trvania vstupného impulzu, nakoľko impulz upravený tvarovaním na derivačnom článku CR má len jeden prekmit v oblasti signálu TTL. Trvanie generovaného impulzu závisí od trvania prechodového javu vybíjania kondenzátora C. Na hornej časti je vyznačená časť trvania výstupného impulzu, počas ktorej je na kondenzátore napätie s plávajúcou úrovňou medzi úrovňou "H" a úrovňou "L" (Počas tohto okamihu (- označené tmavo modrou farbou) sa pri reálnom meraní na osciloskope vyskytnú oscilácie). K zakončeniu generovania výstupného impulzu (a aj k utlmeniu oscilácii) dochádza na obrázku až v okamihu keď napätie na kondenzátore dosiahne úroveň "L"(~ 0,8 V). Výstupný impulz meraný v praktiku vďaka plávajúcej úrovni môže mať nejasne definované zkončenie impulzu so zákmitom (teda odlišné od hranatého tvaru na obrázku), v dôsledku vstupného napätia na vstupe hradla, blízkeho rozhodujúcej úrovni.

 

Obr. 11.3c. Ilustrácia funkcie tvarovacieho obvodu s derivačným článkom CR  pri pôsobení vstupného impulzu zápornej polarity TTL. V hornej časti obrázku sú zobrazené impulzy s TTL logickými úrovňami, v dolnej časti aj priebehy ovplyvňujúce trvanie impulzu. Výstupný impulz má kratšie trvanie ako vstupný impulz a je generovaný v korelácii so začiatkom vstupného impulzu, nakoľko impulz upravený tvarovaním na derivačnom článku CR má pre tvarovanie impulzov TTL použiteľný len jeden prekmit v oblasti signálu TTL. Trvanie generovaného impulzu závisí od trvania prechodového javu vybíjania kondenzátora C. Na hornej časti zobrazenia je farebne odlíšená  časť trvania výstupného impulzu, počas ktorej je na kondenzátore napätie s plávajúcou úrovňou medzi úrovňou "H" a úrovňou "L". K zakončeniu generovania výstupného impulzu dochádza na obrázku až v okamihu keď napätie na kondenzátore dosiahne úroveň "L"(~ 0,8 V). V skutočnosti je počas prítomnosti vstupnej plávajúcej úrovne medzi Ur~1,4 V a UL  tylo výstupného impulzu doprevádzané oscilačnými zákmitmi (na rozdiel od hranatého tvaru výstupného impulzu na obrázku).

Ak teda chceme zhodnotit funkciu takéhoto tvarovacieho obvodu je to tvarovací obvod vhodný predovšetkým na tvarovanie impulzov kratšich ako je trvanie vstupného impulzu (skracovanie impulzu dlhšieho ako t_i~tln2 ). Výstupný impulz je generovaný v okamihu zmeny HL úrovne TTL, takže pri použití vstupných impulzov TTL rôznej polarity je raz generovaný v korelácii so začiatkom a raz s koncom vstupného impulzu, vždy však pri zmene amplitúdy HL. Nevýhodou je, že výstupný impulz má v oboch prípadoch nejasne definovaný tvar tyla impulzu so zákmitom v dôsledku existencie plávajúcej úrovne na vstupe hradla s pripojeným odporom R (pozri interval plávajúcej úrovne na vstupe invertora 7404 s odporom R na obrázkoch 11.3b a 11.3c). Takže vlastne takéto tvarovanie je nepoužiteľné pre praktické aplikácie.

Po zapojení spätnej väzby (realizovanej prepojením výstupu invertora 7404 so vstupom 2 hradla 7400 na obrázku 11.3a) sa troška zmenia podmienky na tvarovanie impulzu. (Vďaka voľbe  malého odporu R v tvarovacom článku CR, ktorý je pripojený na obrázku 11.3a  na vstup invertora hradla 7404, bude na vstupe invertora 7404 v kľudovom stave (bez prítomnosti vstupného impulzu) úroveň "L", čím je zabezpečená aj na vstupe 2 hradla 7400 úroveň "H", čo uvoľňuje toto hradlo pre vstupný impulz a principiálne vytvára nutnú podmienku pre správne fungovanie obvodu.) 

Pri dlhšich trvaniach vstupných impulzov (t_i>tln2) sú namerané výsledky tvarovania prakticky totožné s priebehmi na obrázkoch 11.3b a 11.3c, z čoho plynie, že spätná väzba sa nemôže prejaviť, nakoľko napätový priebeh impulzu na odpore R poklesne pod rozhodujúcu úroveň U_r~1,4V dostatočne skoro a tým zasiahne do procesu tvarovania impulzu. 

Ak má vstupný impulz krátke trvanie (t_i<tln2)  ) funkcia tvarovania výstupného impulzu je o niečo komplikovanejšia, nakoľko v dôsledku spolupôsobenia obvodu kladnej spätnej väzby na proces tvarovania sa môže výstupný impulz zakončiť neskôr ako sa skončí vstupný spúšťací impulz.  (Na začiatku prechodného javu na CR článku sa zmena výstupnej úrovne z invertora prenesie na vstup 2 hradla 7400, čím prestane ďalšie pôsobenie vstupného spúšťacieho impulzu a trvanie výstupného impulzu závisí od trvania prechodového javu v CR obvode. Nakoľko vstupný impulz už prestal pôsobiť nie je tvar výstupného impulzu doprevádzaný oscilačnými zákmitmi počas trvania plávajúcej úrovne na vstupe invertora 7404 s odporom R.) Trvanie výstupného impulzu na obrázku 11.3d závisí predovšetkým od časovej konštanty derivačného článku CR. Na vychýlenie tvarovacieho obvodu na obrázku 11.3a z ustáleného pokojového stavu stačí teda krátky impulz. Tento tvarovací obvod sa preto používa na generovanie impulzov o trvaní t_i~tln2 na základe vstupného impulzu krátkeho trvania.

Obr. 11.3d. Ilustrácia funkcie tvarovacieho obvodu s derivačným článkom CR (so zapojenou spätnou väzobnou z výstupu invertora 2 na vstup hradla 2 zapojenia na obrázku 11.3a) pri pôsobení vstupného impulzu (zápornej polarity TTL). V hornej časti obrázku sú zobrazené impulzy s TTL logickými úrovňami, v dolnej časti aj priebehy ovplyvňujúce trvanie impulzu. Výstupný impulz (oznčený zelenou farbou) má dlhšie trvanie ako vstupný impulz (oznčený červenou farbou. Trvanie generovaného impulzu závisí nielen od trvania prechodového javu vybíjania kondenzátora C (na vstupe kontrola CR - oznčené žltým šrafovaním). Na konci tohto prechodného javu keď je na kondenzátore napätie s plávajúcou úrovňou medzi úrovňou "H" a úrovňou "L" začne pôsobiť spätná väzba z výstupu invertora na vstup hradla a úroveň na výstupe sa zmení skokom, teda ešte pred vybitím kondenzátora na úroveň rozhodujúcej úrovne Ur .

Trvanie generovaného impulzu na obrázku 11.3d možno odhadnúť s pomocou náhradného obvodu v dolnej časti obrázku 11.2c, podobne ako bez pôsobenia spätnej väzby. Trvanie generovaného impulzu t_i  je závislé jednak od rýchlosti vybíjania kondenzátora na úroveň U_r1 ~ 2 V a v malej miere aj od prenosového oneskorenia t_PD~20ns inverora a hradla. Ak amplitúda impulzu TTL je U_m~U_oH-U_oL, má generovaný impulz na obrázku 11.3d trvanie:  

Časová konštanta je t ~(R_g+R)C. 

q Generovanie impulzov TTL pomocou multivibrátora

Zapojenie relaxačného generátora impulzov obdĺžnikového tvaru - multivibrátora, ktoré sa používa v praktiku je na obrázku 11.4a. Trvanie generovaných impulzov z multivibrátora je určené procesom nabíjania a vybíjania kondenzátora C cez odpor R a k nemu pripojené odpory vstupu a výstupu integrovaných článkov (so striedou impulzov ~1:1, t.j. pomerom trvania impulzu t_i  a medzi impulzovej medzery t_m~t_i .)  

Obr. 11.4a. Zapojenie multivibrátora, používané v praktikovej úlohe.

Spôsob tvarovania impulzu je obdobný ako v zapojení na obrázku 11.3c (V prípade monovibrátora išlo len o jednorázovú reakciu na vstupný podnet). Podľa obrázku 11.4b proces vybíjania napätia na kondenzátore sa preruší v okamihu keď prestane byť na vstupe invertora definovaná úroveň "H". Plávajúca úroveň na vstupe jedného invertora spôsobí, že aj na ostatných hradlách a invertoroch sa objaví podobná plávajúca úroveň a v dôsledku okamžitého pôsobenia spätnej väzby dôjde urýchleniu prebiehajúceho prechodového javu. Tento proces prebieha až do okamihu keď sa niektorý z invertorov nezablokuje a jeho výstup sa neuvedie do stavu "H". Na základe nastavenia jedného z invertorov do definovanej logickej úrovne sa preruší pôsobenie spätnej väzby a proces vybíjania kondenzátora sa môže znova zopakovať. Približná frekvencia generovaných impulzov f_M ~1/(2RC) 

Vďaka prítomnosti ovládacieho vstupu v zapojení na obrázku 11.4a  možno generovanie impulzov zablokovať, poprípade inak ovládať. Obrázok 11.4b ilustruje proces generovania "balíka impulzov" počas prítomnosti úrovne "H" na ovládacom vstupe hradla.  

Obr. 11.4b. Ilustrácia funkcie multivibrátora, ktorý začína generovať impulzy až po skončení (krátkeho) trvania ovládacieho(blokovacieho) impulzu, t.j. keď začne pôsobiť na jeho ovládacom vstupe úroveň "H", ktorá odblokuje hradlo. V hornej časti obrázku sú zobrazené impulzy s TTL logickými úrovňami, v dolnej časti aj priebehy ovplyvňujúce trvanie impulzu. Trvanie generovaného impulzu ako aj trvanie medzery medzi impulzami závisí od trvania prechodového javu vybíjania kondenzátora C, ktorý sa však nabíja cez rôzne odpory, v dôsledku čoho nie sú impulzy celkom symetrické. Na konci tohto prechodného javu keď je na kondenzátore napätie s plávajúcou úrovňou medzi úrovňou "H" a úrovňou "L" začne pôsobiť spätná väzba z výstupu invertora na vstup hradla a úroveň na výstupe sa zmení skokom, teda ešte pred vybitím kondenzátora na úroveň rozhodujúcej úrovne Ur. K zmenám stavu výstupov jednotlivých invertorov nedochádza okamžite, ale postupne, tak ako sa mení stav na výstupoch kaskádne zapojených obvodov. Postupnosť procesu sa prejavuje "zubatým" priebehom prechodového javu napätia..

 

Obr. 11.4c. Ilustrácia funkcie multivibrátora pri ovládacom impulze dlhšieho trvania ako je perióda generovaných impulzov (generovanie balíka impulzov počas trvania ovládacieho impulzu.). V okamihu keď úroveň "H" na ovládacom vstupe odblokuje vstupné hradlo zapojenia z obrázku 11.4a sa začnú generovať impulzy. Z priebehu v hornej časti obrázku vidno, že posledný impulz je dlhší, nakoľko vstupné hradlo je už zablokované a kladná spätná väzba nemôže ďalej podporovať generovanie impulzov a tvarovanie posledného impulzu je ovplyvnené už len trvaním prechodového javu vybitia kondenzátora.

Literatúra ( základná, v ktorej sú podrobnejšie uvedené potrebné vzťahy a pojmy.):

Dušan Kollár: Praktikum z elektroniky a automatizácie, skriptá MFFUK, 1991. 

Dušan Kollár: Elektronika a automatizácia 2, skriptá MFFUK, 1990, str. 55 - 65

[Návrat]