Лабораторная работа № 10

ИССЛЕДОВАНИЕ МУЛЬТИВИБРАТОРОВ

Целью работы является изучение наиболее распространенных генераторов прямоугольных видеоимпульсов – мультивибраторов – в автоколебательном и ждущем режимах, а также в режимах деления частоты и синхронизации. В современной электронике находят применение мультивибраторы на транзисторах, динисторах, логических элементах. В данной работе в качестве элементной базы для построения схем мультивибраторов выбраны ОУ.

Основные сведения. Видеоимпульсы прямоугольной формы характеризуются двумя уровнями сигнала: однополярные импульсы имеют высокий и низкий (почти нулевой) уровни, двухполярные – равные по модулю положительный и отрицательный уровни. Для формирования однополярных импульсов обычно применяют транзисторные генераторы, для создания двухполярных – схемы на операционных усилителях (выбор элементной базы обусловлен тем, что транзистор обеспечивается однополярным питанием, а ОУ – симметричным двухполярным). Переход с одного уровня на другой осуществляется очень быстро. Мультивибраторы работают в четырех режимах:

– автоколебательном, т. е. в режиме генерации непрерывной импульсной последовательности без подачи на схему какого-либо сигнала; параметры сигнала определяются исключительно значениями элементов схемы мультивибратора;

– ждущем, при реализации которого мультивибратор вырабатывает одиночный импульс при подаче на вход короткого импульса запуска (ждущий мультивибратор называют поэтому также одновибратором);

– синхронизации, который является промежуточным между автоколебательным и ждущим, так как на вход схемы поступают короткие импульсы, хотя сам мультивибратор является автоколебательным; при подаче входных импульсов происходит синхронизация (подстройка) временных параметров импульсов, вырабатываемых мультивибратором при подаче входного сигнала (схема реагирует при этом на каждый входной импульс);

– деления частоты, аналогичном режиму синхронизации (мультивибраторы в режимах деления частоты и синхронизации не различаются даже схемами), но в котором мультивибратор реагирует не на каждый входной импульс.

Прямоугольные видеоимпульсы (идеальной формы) характеризуются следующими параметрами:

– положительным уровнем сигнала + Е (точнее, ≈ + Е);

– отрицательным уровнем сигнала − Е (точнее, ≈ − Е) (+ Е и − Е – напряжения источников питания ОУ, входящего в схему мультивибратора);

– длительностью положительного импульса τ⁺;

– длительностью отрицательного импульса τ⁻;

– периодом Т = τ⁺ + τ ⁻,

– скважностями Q ⁺ = Т/ τ ⁺ и Q⁻ = Т/ τ⁻.

Амплитуду и период импульсов запуска для ждущего мультивибратора обозначают, соответственно, как U _зап и Т _зап, а амплитуду и период входных импульсов в режимах синхронизации и деления частоты – как U _вх и Т _вх. Схема автоколебательного мультивибратора на ОУ приведена на рис. 10.1. Операционный усилитель вместе с резистивным делителем на сопротивлениях R ₂ и R ₃ образует регенеративный компаратор, переключение которого происходит в моменты равенства потенциалов на неинвертирующем и инвертирующем входах ОУ (f ⁺ и f ⁻ соответственно). Значение f ⁺ жестко связано с уровнем выходного сигнала, составляющем поочередно + Е или − Е, и с коэффициентом деления делителя и равно + ЕR ₃/(R ₂ + R ₃) либо − ЕR ₃/(R ₂ + R ₃). Значение f ⁻ плавно меняется из-за заряда (точнее, перезаряда) емкости С через сопротивление R ₁, потенциометр R ₄/ R ₅ и один из диодов VD: при этом процесс заряда начинается в момент переключения компаратора от уровня − ЕR ₃/(R ₂ + R ₃), и стремится завершиться достижением уровня выходного сигнала + Е (или наоборот – от уровня + ЕR ₃/(R ₂ + R ₃) до уровня − Е; кривые заряда различны при различной полярности выходного сигнала и включают либо R ₁, R ₄ и диод VD ₁, либо R ₁, R ₅ и VD ₂). Однако завершиться процесс заряда не может, так как при достижении напряжением на емкости, т. е. и потенциалом f ⁻ уровня f ⁺ компаратор вновь переключается и сигнал на выходе мультивибратора вновь меняет полярность.

Длительность импульсов мультивибратора

τ ⁺ = С (R ₁ + R ₄) ln(1 + 2 R ₂/ R ₃);

τ ⁻ = С (R ₁ + R ₅) ln(1 + 2 R ₂/ R ₃).

Таким образом, период импульсов зависит только от значений С, R ₁, R ₂ и R ₃, а скважности определяются соотношениями

Q⁺ = (2 R ₁ + R ₄ + R ₅)/(R ₁ + R ₄),

Q⁻ = (2 R ₁ + R ₄ + R ₅)/(R ₁ + R ₅).

Амплитуда импульсов на выходе мультивибратора примерно равна 2 Е. Схема ждущего мультивибратора (одновибратора) приведена на рис. 10.2. От автоколебательного мультивибратора она отличается в первую очередь наличием диода VD ₁, параллельного емкости С ₁ зарядной цепи.

При одной из полярностей выходного сигнала диод открыт, емкость разряжена, f ⁻ = 0 (при включении диода в соответствии со схемой такое состояние наблюдается при − Е). Так как при этом f ⁺ = − ЕR ₃/(R ₂ + R ₃), то регенеративный компаратор и весь мультивибратор находятся в устойчивом состоянии. Вывести схему из устойчивого состояния можно лишь подачей импульса положительной полярности с амплитудой U _зап > ЕR ₃/(R ₂ + R ₃). Тогда на короткое время полярность потенциала f ⁺ поменяется на противоположную, а этого достаточно для изменения полярности выходного сигнала мультивибратора. При этом диод VD ₁ закрывается и начинается заряд емкости С ₁ через сопротивление R ₁ и увеличение f ⁻. По достижении f ⁻ = f ⁺ = +ЕR ₃/(R ₂ + R ₃) компаратор переключается, на этот раз без подачи внешнего сигнала, самопроизвольно. Схема возвращается в исходное состояние по выходу. Завершается процесс восстановления быстрым разрядом емкости С ₁ через вновь открывшийся диод VD ₁.

Цепь запуска состоит из дифференцирующей цепи С ₂– R ₄, служащей для укорочения входного воздействия, и диода VD ₂, исключающего поступление на вход ОУ обратного выброса сигнала, образующегося после дифференцирования. Подача следующего запускающего импульса допустима лишь после восстановления исходного состояния ждущего мультивибратора.

Длительность импульса на выходе ждущего мультивибратора τ ⁺ = СR ₁ln(1 + R ₂/ R ₃). Отсутствие «двойки» в скобке перед отношением сопротивлений, образующих резистивный делитель, вызвано тем, что, в отличие от автоколебательного мультивибратора, заряд емкости в ждущей схеме начинается с нуля. На рис. 10.3 приведена схема мультивибратора, работающего в режимах синхронизации и деления частоты. В своей основе – это автоколебательный мультивибратор, аналогичный изображенному на рис. 10.1, к которому добавлена входная цепь, аналогичная цепи запуска ждущего мультивибратора.

В основу работы схемы положен эффект срабатывания регенеративного компаратора при равенстве потенциалов на входах ОУ. При отсутствии входных сигналов f ⁺ постоянен в течение всего интервала времени, когда неизменна полярность выходного сигнала. Если же на вход мультивибратора поступают короткие импульсы, то они складываются с напряжением, задаваемым делителем на сопротивлениях, и f ⁺ на короткое время возрастает, приближаясь к плавно меняющемуся уровню f ⁻. В результате равенство потенциалов может наступить раньше, произойдет преждевременное переключение компаратора и длительность импульса на выходе мультивибратора уменьшится, причем станет равной или кратной периоду входных импульсов (Т _вх).

Отношение К _д = Т/Т _вх называется коэффициентом деления; в режиме синхронизации К _д = 1. Значение коэффициента деления зависит как от U _вх и Т _вх, так и от ЕR ₃/(R ₂ + R ₃).

Описание лабораторной установки. В состав лабораторной установки входят: макет, генератор прямоугольных импульсов и осциллограф.

Порядок выполнения работы:

1. Исследование автоколебательного мультивибратора:

а) собрать схему, изображенную на рис. 10.1. Подать напряжения питания +15 и –15 В на макет;

б) с помощью осциллографа зарисовать форму напряжений на выходе мультивибратора и на обоих входах ОУ;

в) измерить значения τ ⁺, τ ⁻ и Т сигнала на выходе мультивибратора при двух разных значениях R ₁; при двух разных значениях С; при разных соотношениях R ₄ и R ₅ (значения R ₁ и отношения R ₄/ R ₅ следует изменять, вращая движки потенциометров, выведенных на лицевую панель макета; для изменения значения емкости необходимо параллельно к основному конденсатору подключить дополнительный);

г) рассчитать значения Q⁺ и Q⁻ для всех результатов измерений.

2. Исследование ждущего мультивибратора:

а) собрать схему, изображенную на рис. 10.2. Для подачи импульсов запуска соединить выход генератора импульсов со входом цепи запуска на макете. Установить такую частоту импульсов запуска, чтобы Т _зап в 5–10 раз превосходил максимальное значение Т, измеренное в п. 1,в;

б) изменяя амплитуду импульсов запуска, зафиксировать напряжение, при котором ждущий мультивибратор начинает работать;

в) измерить и сопоставить параметры импульсов запуска и импульсов на выходе мультивибратора;

г) меняя напряжение одного из источников питания от 15 до 9 В при неизменном напряжении другого источника, зарегистрировать изменение длительности и амплитуды импульса на выходе мультивибратора.

3. Исследование мультивибратора в режимах синхронизации и деления частоты:

а) собрать схему, изображенную на рис. 10.3. На вход макета подать от генератора прямоугольных импульсов меандр с периодом в 5 раз меньшим, нежели минимальное значение τ ⁺ или τ ⁻, измеренное в п. 1,в;

б) зарисовать форму напряжений на выходе мультивибратора и на обоих входах ОУ;

в) изменяя амплитуду входных импульсов, измерить зависимость коэффициента деления от U _вх.

Содержание отчета:

1. Схемы исследуемых мультивибраторов.

2. Результаты экспериментальных исследований и расчетов п. п. 1–3 в виде таблиц и графиков.

3. Выводы.