Краткие сведения из теории. Релаксационные генераторы импульсов типа мультивибраторов нахо­дят широкое применение

Релаксационные генераторы импульсов типа мультивибраторов нахо­дят широкое применение. До появления транзисторов их выполняли на пре­рывателях и реле (простейший пример - электрический звонок) и электрова­куумных приборах. Мультивибратор на электронной лампе был установлен, например, на борту первого в мире искусственного спутника Земли. С появ­лением полупроводниковых приборов мультивибраторы выполнялись на транзисторах, тиристорах, туннельных диодах и других элементах.

В настоящее время мультивибраторы выполняют главным образом на интегральных микросхемах операционных усилителей (ОУ) и логических элементов. В том и другом случаях используют усилительные свойства ин­вертирующих схем и глубокую положительную обратную связь (ОС). Дей­ствие положительной ОС в мультивибраторах осуществляется в течение корот­кого промежутка времени, после чего устройство переходит в квазистатиче­ское состояние, когда активные элементы находятся в состоянии отсечки или насыщения (в частности логические элементы в состоянии логического нуля – U ₀, или единицы – U ₁).

Через определенные промежутки времени, определяемые процессами заряда-разряда конденсаторов, или накопления-выделения энергии магнит­ного поля катушек индуктивности, усилительные элементы на короткое вре­мя переходят в активный режим, в котором действует положительная ОС пе­реводя их скачком из состояния отсечки в насыщение или наоборот - из на­сыщения в отсечку. При использовании логических элементов происходит изменение логического состояния схемы на противоположное.

.

Рассмотрим работу этой схемы. Предположим, что в начальный мо­мент времени t ₀ выход логического элемента DD _1.1находится в состоянии ло­гического нуля (примерно 0,1 В), выход DD _1.2- в состоянии логической единицы, а разность потенциалов между обкладками конденсатора C ₁ равна нулю. Поэтому напряжение 3,7 В с выхода DD _1.2через конденсатор передает­ся на вход DD _1.1, устанавливая там логическую единицу. По мере заряда кон­денсатора напряжение на его левой обкладке снижается по экспоненциальному закону с постоянной времени t = R ₁ C ₁. Когда это напряжение упадет до уровня U_n = l,2В (порог перехода из логической единицы в логический нуль), на выходе инвертора DD _1.1происходит переключение из логического нуля в логическую единицу, а на выходе DD _1.2происходит перепад логической единицы в логический нуль. Этот перепад через конденсатор C ₁, создающий по­ложительную обратную связь, передается на вход DD _1.1, делая процесс пере­ключения лавинообразным.

Рис.1. Схемы мультивибраторов на логических элементах

После завершения переключения на выходе DD _1.1устанавливается на­пряжение логической единицы (3,7 В), на выходе DD _1.2- логического нуля (0,1 В), а на левой обкладке конденсатора C ₁ напряжение -(3,7-1,2) В = -2,5 В от­носительно общего провода. Этот отрицательный потенциал сравнительно быстро падает до -0,6 В, т.к. во входной цепи микросхемы имеются защитные диоды, аноды которых соединены с общим проводом. Далее происходит пе­резаряд конденсатора через резистор R ₁ по экспоненциальному закону и, ког­да напряжение на входе DD _1.1поднимается до уровня 1,2 В (переход из логи­ческого нуля в логическую единицу) происходит обратное переключение, на выходе DD _1.1устанавливается логический нуль а на выходе DD _1.2- логическая единица, т.е. схема возвращается к исходному состоянию, показанному в мо­мент t ₀ и далее весь процесс повторяется.

Схема мультивибратора (рис. 1, б) содержит дополнительный вход разрешения ЕО, управляющий триггером RS- типа на элементах DD _1.2, DD _1.3.Разрешение генерации происходит при условии подачи на этот вход напря­жения низкого уровня (логический нуль). При подаче логической единицы на выходе DD_1.3устанавливается логический нуль, поступающий на вход 5 DD _1.2и генерация прекращается. Частота колебаний определяется формулой (1).

Недостатком мультивибраторов на ТТЛлогических элементах является значительный входной ток и поэтому, сравнительно малое входное сопротивление. Поэтому для получения большого периода колебаний приходится использовать конденсаторы большой емкости. На схеме, приведенной на рис. 1, в, для уменьшения входного тока добавлен биполярный транзистор VT ₁, включенный по схеме с общим эмиттером. При этом сопротивление ре­зисторов можно увеличить до 30…60 кОм. Сопротивление резисторов R ₁, R ₂ можно увеличить до 1…10 Мом, если вместо биполярного использовать поле­вой транзистор. Для определения частоты можно воспользоваться формулой (1).

Рис. 2. Временные диаграммы напряжений на входах и выходах

логических элементов мультивибраторов (рис 1, г)

В случае, когда необходимо получить два колебания типа "меандр", смещенные по фазе на 180°, используют симметричную схему мультивибра­тора, приведенную на рис. 1, г. Положительная обратная связь между инвер­торами достигается с помощью конденсаторов C ₁, C ₂, соединяющих выход одного инвертора со входом другого. Выбрав R ₁ = R ₂ и C ₁ = C ₂, обеспечивают состояние, когда длительность импульса равна длительности паузы (т.е. скважность Q = 2, что характерно для сигнала " меандр ").

Диоды VD ₁ и VD ₂служат для защиты сравнительно маломощных диодов расположенных во входной цепи на кристалле микросхемы. На рис. 2 приведены временные за­висимости напряжений на входах и выходах логических элементов мульти­вибратора.

Временные диаграммы показывают, что фаза колебаний на входах и выходах первого и второго логических элементов смещена на половину пе­риода, колебания во входных цепях носят экспонециально-нарастающий или экспонециально-убывающий характер и разделены скачками напряжения. Экспонента нарастания напряжения содержит два участка с неодинаковыми посто­янными времени (участки 2-3 и 3-4), некоторый излом характеристики на­блюдается и на спадающей части, где участок 6-7 проходит почти горизон­тально.

Колебания на выходах логических элементов имеют в первом прибли­жении прямоугольную форму, однако, используя более быструю развертку осциллографа, можно рассмотреть фронты нарастания и спада, которые но­сят экспоненциальный характер с наложением высокочастотного колебания.

Рис. 3. Принципиальная схема лабораторной установки

Конечные времена нарастания и спада выходных импульсов (участки 1-2 и 3-4) служат ограничением при создании релаксационных генераторов в облас­ти высоких частот.

Date: 2015-05-04; view: 797; Нарушение авторских прав