Вы когда-нибудь задумывались, как электронные устройства генерируют точные сигналы синхронизации или управляют колебаниями? Сегодня давайте рассмотрим CD4047, компактную, но мощную интегральную схему, известную своим широким спектром применения в электронике, от питания инверторов до управления электронными нагрузками.
В этой статье мы погрузимся в увлекательный мир мультивибратора CD4047, исследуя его функциональность и практические приложения в простой для понимания манере. Мы рассмотрим как его аппаратную реализацию, так и моделирование его режимов работы Proteus, чтобы проиллюстрировать его эффективное использование.
CD4047 можно определить как маломощный моностабильный/астабильный мультивибратор на базе КМОП (CMOS) с высокой помехоустойчивостью. Технически он функционирует как мультивибратор с 6 различными режимами. CD4047 — это 14-контактная ИС, доступная в различных корпусах, включая как сквозные, так и поверхностные. В этой статье мы будем использовать корпус с двухрядным расположением выводов (DIP).
Распиновка CD4047
Приведена на следующем рисунке.
Более подробное описание контактов микросхемы CD4047 объясняется в следующей таблице.
| Номер контакта | Обозначение контакта | Описание |
| 1 | C | Используется для подключения внешнего конденсатора |
| 2 | R | Используется для подключения внешнего резистора |
| 3 | R-C COMMON | Общий вывод для внешнего подключения резистора и конденсатора |
| 4 | A͞S͞T͞A͞B͞L͞E͞ | Используется как вход триггера, только для функции комплементарного стробирования, в противном случае поддерживается на высоком уровне |
| 5 | ASTABLE | Используется как триггерный вход для нестабильных режимов, в противном случае поддерживается НИЗКИЙ уровень |
| 6 | -TRIGGER | Используется как вход триггера, только для режима триггера по отрицательному фронту, в противном случае поддерживается НИЗКИЙ уровень в случае моностабильных функций или ВЫСОКИЙ уровень в случае астабильных функций |
| 7 | VSS | Отрицательное напряжение питания |
| 8 | TRIGGER | Используется как вход триггера для моностабильных режимов, в противном случае поддерживается НИЗКИЙ уровень |
| 9 | EXTERNAL RESET | Положительный импульс сбрасывает состояние Q и Q̅ на НИЗКИЙ и ВЫСОКИЙ уровень соответственно. |
| 10 | Q | Выход |
| 11 | Q̅ | Инвертированный выход |
| 12 | RETRIGGER | Используется как вход триггера для функции повторного запуска, в противном случае поддерживается НИЗКИЙ уровень. |
| 13 | OSC OUT | Выход генератора |
| 14 | VDD | Положительное напряжение питания |
Как видим из описания контактов микросхемы CD4047, функционал у этой микросхемы достаточно широкий.
Технические характеристики CD4047
В таблице ниже представлены некоторые краткие характеристики микросхемы CD4047.
| Пределы | Пределы | Пределы | |||
| Параметр | Символ | Мин. | Тип | Макс | Единица измерения |
| Диапазон напряжения питания постоянного тока | VDD | 3 | 15 | 20 | v |
| Рабочий ток | IDD | — | 2 | 200 | µA |
| Входное напряжение высокое (VDD = 5 В, VOH > 4,5 В, VOL < 0,5 В) | VIH | 3.5 | — | — | v |
| Низкое входное напряжение (VDD = 5 В, VOH > 4,5 В, VOL < 0,5 В) | VIL | — | — | 1.5 | v |
| Входное напряжение высокое (VDD = 15 В, VOH > 13,5 В, VOL < 1,5 В) | VIH | 11 | — | — | v |
| Низкое входное напряжение (VDD = 15 В, VOH > 13,5 В, VOL < 1,5 В) | VIL | — | — | 4 | v |
| Входной постоянный ток, все входы | — | — | ± 10 | — | mA |
| Рабочая Температура | TA | -55 | — | 125 | °C |
| Температура хранения | TSTG | -65 | — | 150 | °C |
| Температура свинца во время пайки | — | — | — | 265 | °C |
Во-первых, обратите внимание на рабочее напряжение. Эта интегральная схема (ИС) может работать при минимальном напряжении 3 В и максимальном 20 В. Однако для оптимальной стабильности с точки зрения рассеиваемой мощности и частот колебаний рекомендуемые рабочие напряжения составляют 5 В, 10 В и 15 В. Что касается потребления тока, поскольку эта ИС предназначена для работы с низким энергопотреблением, оно обычно составляет от 2 мкА до максимум 200 мкА.
Далее рассмотрим входное и выходное напряжения, которые зависят от VDD и VCC. Например, при напряжении питания 5 В напряжение ниже 0,5 В считается ЛОГИЧЕСКИМ НИЗКИМ, а напряжение от 0,5 В до 4,5 В (или до VDD) считается ЛОГИЧЕСКИМ ВЫСОКИМ.
В отличие от некоторых других ИС, эта ИС доступна в различных вариантах с различными рабочими температурами для удовлетворения конкретных потребностей. Выберите вариант, который лучше всего соответствует вашим требованиям. Верхний вариант работает при температуре около 125°C. При пайке будьте осторожны, чтобы не перегреть выводы ИС выше 265°C, чтобы предотвратить внутренние повреждения. Для получения более подробной информации обратитесь к официальным таблицам данных, доступным в Интернете.
Режимы работы CD4047
CD4047 в первую очередь предлагает две основные функции: астабильный (нестабильный) мультивибратор и моностабильный мультивибратор. В рамках этих функций есть 3 режима для астабильной работы и 4 режима для моностабильной работы, как показано на рисунке ниже.
Вы можете быть удивлены, как переключаться между этими режимами. Не паникуйте — переключение между этими режимами делается простым с помощью таблицы ниже.
| ТЕРМИНАЛЬНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ | ТЕРМИНАЛЬНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ | ТЕРМИНАЛЬНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ | ||
| ФУНКЦИЯ | TO VDD (+ve) | TO VSS (-ve) | INPUT | PULSE OUTPUT |
| АСТАБИЛЬНЫЙ МУЛЬТИВИБРАТОР | ||||
| Free Running | 4, 5, 6, 14 | 7, 8, 9, 12 | — | 10, 11, 13 |
| True Gating | 4, 6, 14 | 7, 8, 9, 12 | 5 | 10, 11, 13 |
| Complement Gating | 6, 14 | 5, 7, 8, 9, 12 | 4 | 10, 11, 13 |
| МОНОСТАБИЛЬНЫЙ МУЛЬТИВИБРАТОР | ||||
| Positive Edge Trigger | 4, 14 | 5, 6,7, 9, 12 | 8 | 10, 11 |
| Negative Edge Trigger | 4, 8, 14 | 5,7, 9, 12 | 6 | 10, 11 |
| Retriggerable | 4, 14 | 5, 6, 7, 9 | 8, 12 | 10, 11 |
| External Countdown | 14 | 5, 6, 7, 8, 9, 12 | — | 10, 11 |
Следуя таблице клеммных (терминальных) соединений, представленной выше, вы можете легко установить соответствующие режимы. Внешние выводы конденсатора и резистора остаются теми же для каждого режима, только их значения могут меняться в соответствии с конкретными потребностями.
Что касается выходов, то есть три контакта: Q, Q̅ (Q-bar) и Oscillator Out. Q — это основной выход, Q̅ — это дополнительный выход Q, а Oscillator Out — это прямой выход из блока астабильного мультивибратора ИС. Выходы Q и Q̅ поступают из блока делителя частоты, который делит частоту на два.
Давайте углубимся в режимы работы CD4047, начав с режима астабильного мультивибратора. Среди трех доступных режимов (астабильный, моностабильный и бистабильный) мы начнем с подробного объяснения режима астабильного мультивибратора. Мы кратко рассмотрим режим свободного хода (Free Running) и обсудим его симуляцию.
После этого мы рассмотрим режим моностабильного мультивибратора, который предлагает четыре различных режима. В частности, мы больше сосредоточимся на режиме положительного фронта триггера в конфигурации моностабильного мультивибратора, обеспечивая более глубокое понимание его работы и приложений.
CD4047 как астабильный (нестабильный) мультивибратор
Проще говоря, нестабильный мультивибратор — это схема, которая генерирует непрерывный выходной сигнал, колеблющийся между двумя состояниями, обычно создавая прямоугольную волну (Q), как показано на рисунке ниже.
Эта прямоугольная волна находит многочисленные применения в цифровой электронике.
Как уже упоминалось, CD4047 предлагает 3 режима в нестабильном режима. Давайте рассмотрим каждый из этих режимов более подробно.
Режим свободного хода нестабильного мультивибратора
В режиме свободного хода серия прямоугольных волн непрерывно генерируется всякий раз, когда система включается. В этом режиме мы можем регулировать частоту осциллируемого выхода, пока схема работает автономно.
На схеме выше изображена конфигурация режима свободного хода микросхемы CD4047. Вот разбивка соединений:
- Контакты 4, 5, 6 и 14 подключены к положительному напряжению питания (+5 В).
- Контакты 7, 8, 9 и 12 подключены к отрицательному напряжению питания (заземление).
- Конденсатор емкостью 10 мкФ подключен между контактами 1 и 3.
- Между контактами 2 и 3 подключен резистор сопротивлением 22 кОм.
- К 10-му контакту (Q) подключен светодиод и токоограничивающий резистор сопротивлением 220 Ом.
Для целей моделирования осциллограф подключается к контактам 10 (выход Q), 11 (выход Q̅) и 13 (выход OSC) для наблюдения за выходами формы сигнала и временными характеристиками CD4047 в режиме свободного хода. Эта установка позволяет визуализировать поведение колебаний и генерацию формы сигнала схемы.
Расчет длительности импульса для нестабильного мультивибратора
Эта часть расчета остается одинаковой для всех режимов в нестабильном мультивибраторе.
Время (tA) рассчитывается по формуле:
tA = 4,40 x R x C
Например, при использовании выбранного конденсатора емкостью 10 мкФ и резистора сопротивлением 22 кОм:
tA = 4,40 x 22 кОм x 10 мкФ
= 0,968 с.
Итак, приблизительно, это можно считать 1 секундой. Помните, tA представляет собой время полного цикла. Чтобы определить время полуцикла, просто разделите tA на два.
Идеальная форма волны была приведена выше для справки. Сигнала запуска нет, так как включение питания схемы само запускает генератор. Здесь Q был фактическим выходом, а Q̅ был инвертированным выходом. OSC был прямым выходом внутреннего нестабильного генератора. Таким образом, технически Q и Q̅ были выходом внутреннего делителя частоты, который делит частоту на два. Эти прямоугольные волны генерируются непрерывно с предопределенной частотой с помощью R и C.
Симуляция режима свободного хода нестабильного мультивибратора
Согласно принципиальной схеме режима свободного хода, описанной выше, схема была воспроизведена в Proteus для симуляции работы CD4047 в режиме свободного хода астабильного мультивибратора.
Здесь ожидаемый интервал импульсов был рассчитан как tA = 4,40 × 10 мкФ × 22 кОм = 0,968 секунд . Однако в моделировании выше мы получили результат ближе к 1,1 секунды, что было вполне приемлемо. Мы также создали прототип на макетной плате и достигли ожидаемого результата.
Однако важно отметить, что в реальном мире существует множество факторов, которые могут повлиять на синхронизацию. Поэтому тонкая настройка схемы для достижения точной частоты может оказаться довольно сложной задачей!
Режим True Gating в астабильном мультивибраторе
Как и в режиме свободного хода, генерируется серия прямоугольных импульсов, но с условием что для этого требуется сигнал запуска.
Принципиальная схема конфигурации режима True Gating микросхемы CD4047 приведена на следующем рисунке.
В данной схеме реализованы следующие соединения:
- Контакты 4, 6 и 14 подключены к положительному напряжению питания (+5 В).
- Контакты 7, 8, 9 и 12 подключены к отрицательному напряжению питания (заземление).
- Конденсатор емкостью 10 мкФ подключен между контактами 1 и 3.
- Между контактами 2 и 3 подключен резистор сопротивлением 22 кОм.
- К 10-му контакту (Q) подключен светодиод и токоограничивающий резистор сопротивлением 220 Ом.
- 5-й вывод (ASTABLE) здесь предназначен для использования в качестве входа. Он подключен к 5 В через кнопку и подтянут через резистор 10 кОм.
Выходные сигналы данной схемы выглядят следующим образом.
Прямоугольные волны производятся только тогда, когда вывод Trigger удерживается в состоянии HIGH. Если вывод Trigger находится в состоянии LOW, генератор остается выключенным. Вы можете видеть это на идеальном графике выше. Здесь, если ширина импульса на входе Trigger была ниже tA, выход будет удерживаться в состоянии ON для первого цикла колебаний, как показано выше.
Режим комплементарного строба в нестабильном мультивибраторе
Режим Complement Gating (комплементарного строба) похож на True Gating, как следует из названия. В этом режиме генератор включается активным сигналом LOW и выключается активным сигналом HIGH. Для достижения этой операции требуется небольшое изменение в подключении схемы.
Как видим, схема практически такая же как и для режима True Gating, но с одним отличием. Здесь 4-й штифт (A͞S͞T͞A͞B͞L͞E͞) служил в качестве триггерного входа. Этот штифт был подключен к земле через кнопку и подтянут через резистор 10 кОм. Таким образом, 5-й штифт вместе с штифтами 8, 9, 12 был подключен к отрицательному источнику питания (GND или заземление)
Как и схема, приведенный выше идеальный график был очень похож на график режима True Gating, с одним лишь отличием: сигнал запуска выглядит инвертированным.
Итак, на этом мы завершаем режимы астабильного мультивибратора микросхемы микросхемы CD4047. Далее давайте рассмотрим моностабильный мультивибратор и его режимы.
Моностабильный мультивибратор микросхемы CD4047
Как следует из названия, функция Monostable (моностабильный) имеет только одно стабильное состояние, которое изменяется на нестабильное состояние при применении внешнего триггера. По истечении фиксированного периода времени она возвращается в исходное стабильное состояние. Эта функциональность обычно используется в качестве таймера в различных приложениях. Хотя современные микроконтроллеры более эффективны, чем эта простая микросхема, CD4047 превосходит их по скорости, эффективности, надежности и стоимости для определенных задач.
На следующем рисунке представлен график с основными выходными формами волн моностабильного мультивибратора. Форма волны TRIG генерируется при нажатии кнопки, а форма волны Q представляет выход с 10-го контакта (Q), к которому подключен светодиод.
Расчет длительности импульса для моностабильного мультивибратора
Эта часть расчета остается одинаковой для всех режимов моностабильного мультивибратора.
Время (tM) рассчитывается по формуле:
tM = 2,48 x R x C
Например, при использовании выбранного конденсатора емкостью 1000 мкФ и резистора сопротивлением 400 Ом:
tM = 2,48 x 400 x 1000 мкФ
= 0,992 с.
Таким образом, приблизительно это можно считать 1 секундой.
Теперь давайте рассмотрим режимы работы моностабильного мультивибратора, начав с режима запуска по положительному фронту.
Моностабильный мультивибратор в режиме запуска по положительному фронту
Режим триггера положительного фронта моностабильного мультивибратора проще понять в его базовой работе как таймера. При нажатии кнопки триггера выход удерживается на высоком уровне в течение определенного времени, а затем понижается. Это основное применение этой конфигурации.
На схеме показана конфигурация режима положительного фронта запуска микросхемы CD4047. В схеме сделаны следующие соединения:
- Контакты 4 и 14 подключены к положительному напряжению питания (+5 В).
- Контакты 5, 6, 7, 9 и 12 подключены к отрицательному напряжению питания (заземление).
- Конденсатор емкостью 1000 мкФ подключен между контактами 1 и 3.
- Между контактами 2 и 3 подключен резистор сопротивлением 400 Ом.
- К 10-му контакту (Q) подключен светодиод и токоограничивающий резистор сопротивлением 220 Ом.
- Контакт 8 (+TRIGGER) был подключен к положительному напряжению питания через кнопку и подтянут через 10 кОм.
Для целей моделирования осциллограф подключается к контактам 8 (+TRIGGER), 10 (выход Q), 11 (выход Q̅) и 13 (выход OSC) для наблюдения за выходными сигналами и временными характеристиками CD4047 в режиме запуска по положительному фронту.
Хотя результирующая форма волны может напоминать форму волны настоящего стробирующего нестабильного мультивибратора, ключевое отличие заключается в триггерном механизме. В моностабильном мультивибраторе, если триггер нажат непрерывно в течение длительного интервала, выходной сигнал подается на высокий уровень в течение фиксированной продолжительности, а затем автоматически отключается. Наоборот, в режиме истинного стробирования выходной сигнал остается постоянно высоким, пока вход триггера поддерживается в высоком состоянии.
Здесь импульс триггера отвечает за включение и выключение внутреннего генератора.
Симуляция положительного фронта триггера в моностабильном мультивибраторе
Схема цепи для режима Positive Edge Trigger была воспроизведена в Proteus для моделирования. Как вы знаете, кнопка, подключенная к 8-му выводу CD4047, служила входом триггера, а светодиод, подключенный к 10-му выводу (Q) CD4047, использовался в качестве выходного индикатора. Важно помнить, что если вы хотите визуально наблюдать выход через светодиод, убедитесь, что рассчитанная ширина импульса составляет по крайней мере более 300 мс; в противном случае это будет слишком быстро, чтобы заметить.
Мы также создали прототип на макетной плате и добились ожидаемого результата. Обратите внимание, что между имитацией и реальными прототипами будут небольшие различия из-за таких факторов, как допуски компонентов. Поэтому вам может понадобиться осциллограф или устройство для измерения частоты для точной настройки ширины выходного импульса. Используйте потенциометры вместо фиксированных резисторов для более легкой настройки. После завершения настройки вы можете заменить потенциометр статическим резистором, измерив фактическое сопротивление потенциометра.
Режим триггера по отрицательному фронту в моностабильном мультивибраторе
Он похож на триггер положительного фронта, но в этом случае система активируется активным НИЗКИМ сигналом, который инициирует задержку в цепи.
Чтобы включить режим триггера по отрицательному фронту, подключите вход триггера к 6-му контакту (-Trigger) с подтягивающей конфигурацией и подключите 8-й контакт (+TRIGGER) к положительному напряжению питания (5 В). Остальная часть схемы остается такой же, как в режиме триггера по положительному фронту.
Этот график похож на режим Positive Edge Trigger (триггера по положительному фронту), поскольку функции по сути те же самые, за исключением инвертированного входа триггера. Вы можете заметить, что на выходе осциллятора был только один восходящий фронт, поскольку после одного цикла внутренний нестабильный осциллятор был выключен.
Режим повторного запуска в моностабильном мультивибраторе
Этот режим особенный, поскольку его можно использовать для увеличения длительности выходного импульса. Кроме того, его можно использовать для сравнения частоты входного сигнала с частотой внутреннего генератора.
В этой настройке подключение похоже на триггер положительного фронта с одной модификацией: 12-й контакт (RETRIGGER) объединен с 8-м контактом (+TRIGGER), что означает, что оба контакта получают один и тот же входной импульс одновременно. Поэтому нет необходимости в отдельных резисторах pull-down. Достаточно общего pull-down и общего входа кнопки (Push Button).
На графике показано идеальное поведение для режима Retriggerable (повторного запуска). В этом режиме есть функция, которая позволяет увеличивать ширину импульса, используя несколько импульсов запуска. Из графика видно, что если кнопка нажата один раз, интервал импульса составляет 1tRE. Если нажата дважды, то 2tRE и т. д. При непрерывном нажатии выходной импульс будет оставаться включенным неопределенно долго.
В отличие от других, режим Retriggerable имеет отдельный расчет, который будет рассмотрен ниже.
Расчет длительности импульса перезапускаемого режима
Фактически, это то же самое, что и основная формула tM = 2,48 x R x C, с небольшими изменениями, связанными с введением новой переменной n, представляющей число входных импульсов.
Таким образом, временную задержку перезапускаемого моностабильного мультивибратора (tRE) можно определить следующим образом:
tRE = (2,48 x R x C) xn
Например, используя выбранный конденсатор емкостью 1000 мкФ и резистор сопротивлением 400 Ом и учитывая два импульсных входа,
tRE = (2,48 x 400 x 1000 мкФ) x 2
= 1,984 с.
Таким образом, приблизительно это можно считать равным 2 секундам.
Режим внешнего счетчика в моностабильном мультивибраторе
Этот режим считается дополнительной функцией, которая требует внешней микросхемы в качестве входного сигнала триггера. Он несколько похож на режим Retriggerable, но вместо использования простой кнопки используется внешний цифровой сигнал.
Опция внешнего счетчика позволяет расширить длительность выходного импульса за пределы внутренних ограничений CD4047. Используя дополнительную микросхему счетчика в сочетании с CD4047, можно добиться точного цифрового управления длительностью выходного импульса. Этот метод повышает гибкость и точность в приложениях синхронизации импульсов.
Благодаря своей уникальной способности он имеет особый метод расчета, который будет рассмотрен ниже.
Расчет длительности импульса внешнего счетчика
Здесь формула для расчета длительности импульса (tEC) выглядит следующим образом:
tEC= (N — 1) (tA) + (tM + tA/2)
где
tEC — ширина импульса внешнего счетчика,
N — число отсчетов, устанавливаемое внешней схемой счетчика,
tA — период времени внутреннего генератора,
tM — желаемый период времени .
(N-1) x tA — представляет общее время, необходимое для N циклов внутреннего генератора.
(tM + tA /2) — представляет дополнительное время, продленное внешней схемой.
Наконец, давайте перейдем к нашей последней теме, которая охватывает ограничения компонентов синхронизации, включая диапазон значений R (резисторов) и C (конденсаторов), которые можно использовать, и многое другое.
Ограничения компонента синхронизации
- Для оптимальной работы CD4047 рекомендуется использовать неполяризованные конденсаторы с низкой утечкой.
- Не существует строгих верхних или нижних пределов для значений сопротивления (R) или емкости (C), необходимых для поддержания колебаний.
- На основании внутренних расчетов и практических соображений рекомендуемые значения R и C следующие:
Емкость (С):
- Для нестабильных режимов: от 100 пФ до любого практического значения.
- Для моностабильных режимов: от 1000 пФ до любого практического значения.
Сопротивление (R):
- Минимальное значение: 10 кОм
- Максимальное значение: 1 МОм
