Мультивибратор на операционном усилителе

Если в схеме компаратора напряжения регенераторного типа на операционном усилителе изменять напряжение в цепи инвертирующего (или неинвертирующего) входа, то схема будет работать в режиме генерации сигналов прямоугольной формы по принципу работы напоминающей автоколебательный мультивибратор (см. рис. 4.10). Для создания такого режима в схему компаратора (устройство сравнения) на ОУ вводится частотно-зависимая отрицательная параллельная обратная связь по напряжению (инвертирующий вход) через цепь R₁-C, а положительная обратная связь (неинвертирующий вход) осуществляется через резистивный делитель R₂–R₃, задающий значения пороговых напряжений и , определяющих уровни процессов регенерации схемы при состояниях квазиравновесия, рис. 4.12.

Идеальные амплитудные (передаточные) характеристики МВ на ОУ представляют собой гистерезисную петлю при изменениях полярности напряжения на его инвертирующем входе при заданных пороговых уровнях на неинвертирующем входе.

Значения нижнего и верхнего пороговых уровней, определяющих состояния квазиравновесий в схеме, будут равны:

нижнего – , верхнего – ,

где - глубина положительной обратной связи;

, - логические уровни выходных напряжений схемы, определяемые значениями отрицательного и положительного напряжений источников питания ОУ.

Различают две разновидности схем мультивибраторов на ОУ: с источником смещения Е_СМ или без него. Наличие регулируемого источника смещения позволяет изменять длительности генерируемых импульсов.

Временные диаграммы работы МВ на ОУ при отсутствии дополнительного источника смещения показаны на рис. 4.13.

Расчёт временных интервалов для нахождения длительностей импульсов проводится следующим образом.

Записывается общее выражение изменения напряжения на хронирующем (времязадающем) конденсаторе С:

.

Его решение относительно времени t, определяющего длительность импульса, будет иметь вид:

.

Считаем, что в первом состоянии квазиравновесия происходит зарядка конденсатора С с постоянной времени при напряжении на выходе схемы (ОУ) через резистор R₁. Когда изменение напряжения на конденсаторе достигнет и немного превысит заданный пороговый уровень , на неинвертирующем входе заканчивается первое состояние квазиравновесия: ОУ переходит в усилительный режим, возникает регенеративный процесс, напряжение на выходе ОУ скачком изменит знак и уровень напряжения станет равным .

Начинается вторая стадия квазиравновесия, при которой происходит разрядка конденсатора С (через тот же резистор R₁) до вновь установившегося порогового уровня , после чего схема (ОУ) переключается в первое состояние квазиравновесия, и процесс генерации повторяется.

Длительность импульса определяется в интервале изменения напряжения на конденсаторе от значений до . Подставив в исходное выражение U_C(t) или в выражение для t сумму этого изменения напряжения на конденсаторе, получим:

.

Считая значения напряжений , получим упрощённое выражение для определения длительности импульса:

,

где постоянная времени зарядки конденсатора будет равна:

.

Если постоянные времени при зарядки и разрядки конденсатора будут равны (в рассмотренном случае), то и длительности импульсов сформированных на выходе схемы также будут одинаковы. На выходе МВ на ОУ будут двухполярные прямоугольные импульсы, формы меандр:

.

Аналогичные выражения для длительностей импульсов можно получить, используя формулу для определения временных интервалов при переходных процессах в дифференциальных уравнениях первого порядка, так, например:

Максимальная частота генерации импульсов МВ так же, как и его стабильность, будут зависеть от величин параметров элементов схемы, минимальные значения которых определяются предельными параметрами выбранного интегрального ОУ.

Если изменять длительности состояний квазиравновесий ( и ), то получим несимметричный МВ.

Практическую схему такого МВ можно реализовать различными способами, например: использовать разные напряжения и ; включением вместо резистора R₁ регулируемых источников стабильного тока (ИСТ); изменением значений нижнего и верхнего пороговых уровней делителем R₂–R₃ и так далее.

В примере на рис. 4.14 несимметричный МВ реализуется разными величинами сопротивлений резисторов R₁^' и R₁^'', подключаемых к конденсатору С при его зарядке-разрядке.

Длительность выходного импульса, определяемая зарядкой конденсатора, равна:

;

разрядкой: .

Диоды VD1, VD2, включённые последовательно с резисторами R₁^' и R₁^'', определяют цепь, по которой будет протекать ток при зарядке-разрядке конденсатора.

Как ранее указывалось, способом изменения длительности (скважности) импульсов МВ является включение дополнительного источника смещения Е_СМ (рис. 4.15).

Для этой схемы длительности импульсов стадий квазиравновесий находятся аналогично рассмотренной схемы (рис. 4.12).

Напряжение на конденсаторе изменяется с постоянной вре-

мени (стадия квазиравновесия) и заканчивается (), когда: , а .

Подставив в исходное выражение эти значения, получим длительность импульса при положительной полярности Е_СМ:

.

Длительность импульса при отрицательной полярности импульса МВ (в интервале ) находится из выражения, когда: , а и равна:

.

Если величина тока через конденсатор при квазисостояниях будет постоянной, то на выходе схемы (любой схемы МВ) получим колебания с напряжением треугольной формы.

Следует отметить, что в отличие от схемы симметричного МВ на ИЛЭ, работающего в режиме жесткого самовозбуждения, схемы МВ несимметричного типа на ИЛЭ и на ОУ работают только в режиме мягкого самовозбуждения. Поэтому такие схемы ставятся в качестве первичных задающих источников прямоугольных импульсов.

При подключении конденсатора С в цепь ПОС, длительности квазисостояний такого МВ будут определяться процессами зарядки-разрядки С в цепи неинвертирующего входа ОУ.

Ждущие мультивибраторы

Для схем релаксационных генераторов, работающих в ждущем режиме (ЖМВ), характерно наличие закрытого устойчивого состояния активного элемента, который открывается только на время формирования выходного импульса. В таких схемах есть одно устойчивое и одно квазисостояние, а переход из одного состояния в другое определяется процессом регенерации. Выходной импульс ЖМВ по форме (амплитуде, длительности, а иногда и полярности) может отличаться от параметров сигнала запуска.

Внешний, короткий с произвольными параметрами сигнал запуска вызывает переход схемы ЖМВ в неустойчивое квазиравновесное состояние, в результате генерируется один выходной импульс, после чего схема восстанавливается в устойчивое исходное состояние. Для реализации такого рабочего цикла в схеме есть петля широкополосной ПОС в виде RC-цепи.

Рассматриваемый тип генераторов применяют как устройство для формирования выходных импульсов с определённо заданными параметрами, поэтому их ещё называют одновибраторами и относят к классу заторможенных релаксационных генераторов.

Схемы одновибраторов выполняются на различной элементной базе: транзисторах, ИЛЭ, ОУ, интегральных таймерах и как с дополнительным источником смещения Е_СМ, так и без него.

ЖМВ на элементах И-НЕ и на основе RS–триггеров (у них процесс переключения имеет регенеративный характер) и с элементами задержки, имеют более широкий диапазон длительностей выходных импульсов и меньшие значения положительного фронта и времени среза , чем в схемах нерегенеративных формирователей на ИЛЭ.

ЖМВ на ОУ имеют повышенную температурную нестабильность, широкий диапазон регулировки длительности и амплитуды выходных импульсов.

Схемы на интегральных таймерах имеют наибольшую стабильность и малое время восстановления.

Пример ЖМВ на ИЛЭ с дополнительным источником смещения Е_СМ и его временные диаграммы изображены на рис. 4.16.

В исходном состоянии, в отсутствие сигнала запуска U_ЗАП, на входе ИЛЭ DD1 будет напряжение : ИЛЭ DD1 - открыт, а DD2 - закрыт. Тогда начальное напряжение на конденсаторе С будет равно: .

При подаче на вход схемы короткого запускающего импульса напряжения , произойдёт лавинообразный процесс переключения ИЛЭ DD2 и DD1. На выходе ИЛЭ DD2 образуется логический перепад напряжения и установится уровень напряжения .

Наступает стадия квазиравновесия: происходит зарядка конденсатора С от источника смещения Е_СМ через резистор R и выходное сопротивление . Напряжение на входе ИЛЭ DD1 растёт до значения , после чего наступает процесс регенерации, и конденсатор разряжается до исходного напряжения . Этот разряд характеризует длительность стадии восстановления . Так как влияет на частоту повторения сигналов запуска, время среза выходного импульса , его длительность при малой скважности, то для сокращения этой стадии резистор R шунтируется обратносмещённым диодом (аналогично применяется и в схемах на рис. 4.9, 4.10).

Длительность импульса определяется по изменению напряжения на входе ИЛЭ DD1, которое близко к изменению напряжения на конденсаторе при зарядке: . Максимальное напряжение на конденсаторе при зарядке стремится к значению и в момент времени напряжение на нём будет равно .

Длительность импульса с учётом упрощений будет равна:

.

Это же выражение для длительности импульса можно получить по ранее приведённой формуле для переходного процесса:

.

Рассмотренный процесс генерации импульса и его фронтов в ЖМВ на ИЛЭ носит упрощённый характер, так как в нём не учитывается подлинный характер изменений в схеме от вида передаточных характеристик конкретных ИЛЭ.

В схемах ЖМВ на ОУ хронирующий конденсатор С может подключаться к любому из входов ОУ. В схеме на рис. 4.17 конденсатор включён в цепь ООС – к инвертирующему входу.

В отсутствие запускающего сигнала на выходе ОУ будет напряжение вследствие наличия небольшого положительного напряжения на конденсаторе С (инвертирующем входе ОУ), образуемого от протекания через диод VD1 обратного тока I_ОБР. На неинвертирующем входе ОУ будет напряжение создаваемое резистивным делителем определяемое как:

,

где , , и, считая значения напряжений

источников питания равными, будем иметь ;

- глубина положи

тельной обратной связи в схеме ЖМВ;

При подаче на вход схемы короткого положительного сигнала запуска равного возникает регенеративный процесс, и на выходе ОУ устанавливается уровень напряжения . Наступает стадия квазиравновесия: происходит зарядка конденсатора, изменение напряжения на котором стремится к установившемуся значению при закрытом диоде VD1.

Когда напряжение на инвертирующем входе ОУ достигнет значения , происходит регенерация схемы, и восстанавливается её исходное состояние, так как ОУ работает как усилитель с большим коэффициентом усиления .

Напряжение на выходе схемы станет равным , происходит перезарядка конденсатора С через резистор R до этого напряжения, и когда открывается диод VD1, фиксируется напряжение на инвертирующем входе ОУ - , и схема ЖМВ возвращается в исходное состояние.

Длительность импульса определяется выражением:

.

Длительность времени восстановления будет равна:

.

Регулировка длительности выходных импульсов может, осуществляется как изменением глубины ПОС, так и изменением постоянной времени зарядки конденсатора С.

Таймеры

Интегральный таймер – интегральная микросхема (ИМС) с помощью которой, используя навесные элементы RC-цепи, можно построить автоколебательный или ждущий мультивибраторы.

Интегральные таймеры относятся к классу универсальных и многофункциональных ИМС, характеризуются стабильными временными интервалами в диапазоне от единиц микросекунд до нескольких часов и являются базовыми элементами времязадающих устройств.

Основой структурной схемы таймера является наличие интегрального компаратора напряжения (или двух).

Структурная схема простейшего однотактного таймера и его временные диаграммы работы приведены на рис. 4.18.

В исходном состоянии схемы КЛЮЧ открыт, и хронирующий конденсатор С разряжен через выходное сопротивление ключа. Запускающий сигнал U_ЗАП КЛЮЧ закрывает, и конденсатор С заряжается от источника питания Е_П с постоянной времени . Когда напряжение на нём достигнет уровня , происходит срабатывание КОМПАРАТОРА: изменяется напряжение на выходе ФОРМИРОВАТЕЛЯ, открывается КЛЮЧ, и конденсатор разряжается; схема таймера возвращается в исходное состояние.

Длительность импульса определяется по формуле:

.

Данный тип таймера позволяет реализовывать временные интервалы с длительностями импульсов от десяти микросекунд до часа при напряжениях питания Е_П=6–18 В, хорошо сопрягается с различными ИЛЭ и может работать с выходным током до 100 мА.

Оптимальное значение коэффициента деления ξ_ОПТ выбирают из условия равенства . При этом крутизна изменения напряжения на конденсаторе будет максимальна и равна значению .

Промышленностью выпускается отечественный таймер КР1006ВИ1, структурная схема которого приведена на рис. 4.19.

Высокая стабильность временных интервалов (порядка 0,01%) обеспечивается малой погрешностью изменения напряжений на внешнем конденсаторе в интервале значений пороговых уровней напряжений на входах компараторов КН2 и КН1: и , которые при прецизионных сопротивлениях равны 0,33Е_П и 0,66Е_П, а в некоторых таймерах за счёт встроенного в его схему внутреннего стабилизатора напряжения.

На рис. 4.20 изображена принципиальная схема таймера, работающего в автоколебательном режиме с внешней времязадающей RC-цепью, подключённой к выводам (4, 6, 5) ИМС.

Как упоминалось выше, напряжение на хронирующем конденсаторе С изменяется в диапазоне (0,33-0,66)Е_П (рис. 4.20), а не в полном диапазоне Е_П, как это имеет место в схемах мультивибраторного типа. Это обеспечивается делителем напряжения R₁, R₂, R₃ в схеме таймера (рис. 4.19).

Длительность импульсов определяется регенерацией RS-триггера при срабатывании компараторов КН2 и КН1:

.

Время восстановления будет равно длительности t_И:

.

Период автоколебаний будет равен .

Изменения напряжений на хронирующем конденсаторе и выходе схемы (выводы 6, 3) приведены на рис. 4.20.

Таймер на рис. 4.21 может работать в ждущем режиме и, изменяя сопротивление R₂, можно изменять длительность импульса.

Длительность импульса находится согласно выражению:

.

Для создания больших значений временных интервалов, до десятков часов, используются, так называемые, схемы многотактных таймеров, в большинстве своём, выполненных в виде интегральных микросхем. Структурная схема ИМС многотактного таймера включает в себя: однотактный таймер, двоичный счётчик и схему управления и внешнюю RC-цепь (рис. 4.22).

Схема управления многотактным таймером позволяет обеспечить заданный коэффициент умножения цикла работы однотактного таймера.

Схема двоичного счётчика обеспечивает длительность суммарного временного интервала. Например, в 4-х разрядном счётчике временной интервал связан с величинами t_И, 2t_И, 4t_И и 8t_И. Схема управления позволяет получать временные интервалы от t_И до 15t_И, а в некоторых таймерах до величины 255t_И.

Часть вторая

ИССЛЕДОВАНИЕ СХЕМ МУЛЬТИВИБРАТОРОВ

Цель работы

Исследование различных схем мультивибраторов на интегральных логических элементах (ИЛЭ) и на операционном усилителе (ОУ).

Изучение влияния параметров элементов схем на параметры выходного напряжения мультивибраторов.

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: