Предисловие (стр. 14 )

2.2.2. Мультивибратор

Мультивибратором называют генератор напряжения с формой, близкой прямоугольной. Его название отражает тот факт, что такое напряжение при разложении в ряд Фурье представляется рядом, содержащим много высших гармоник (мулъти – много).

Известно, что выходное напряжение усилителя линейно зависит от входного только в очень узком диапазоне (несколько микровольт). Если входное напряжение выходит за пределы этого диапазона, то выходной сигнал может принимать только два значения: + Uвых (≈+12 В) и – Uвых (≈ –12 В). На этой особенности операционного усилителя основан принцип формирования прямоугольного напряжения мультивибратора (рис. 2.22,а).

Предположим, что в момент включения между входами усилителя небольшая (достаточно единиц милливольт) отрицательная разность потенциалов. При этом на выходе сформируется напряжение + Uвых, а на неинвертирующий вход с делителя R1 R2 будет подан положительный потенциал βU+вых. макс, где β=R1/(R1+Rос). Конденсатор начнет заряжаться по цепи «Uвых–R3–С–корпус», стремясь достичь потенциала + Uвых. Потенциал на инвертирующем входе начнет расти до тех пор, пока не превысит потенциал на неинвертирующем входе βU+вых. макс . В этот момент усилитель сформирует на выходе отрицательное напряжение –Uвых и создаст на неинвертирующем входе отрицательный потенциал βU-вых. макс. Теперь конденсатор начнет перезаряжаться, стремясь достичь потенциала –Uвых.. Однако как только потенциал на инвертирующем входе станет ниже потенциала на неинвертирующем входе –UD, усилитель сформирует на выходе положительное напряжение + Uвых. Такой скачкообразный процесс изменения выходного напряжения с + Uвых до – Uвых и обратно будет повторяться до тех пор, пока с операционного усилителя не будет снято питающее напряжение (рис.2.22,б).

Период Т колебаний определяется постоянной времени заряда конденсатора τ =R3C3, а также тем, насколько потенциал, формируемый делителем R1R2, меньше напряжения Uвых.

Ждущий мультивибратор (рис. 2.22,в) формирует импульсы заданной длительности. С приходом запускающего импульса мультивибратор переходит в неустойчивое состояние, которое продолжается некоторое время tи, определяемое времязадающей RC-цепью, после чего устройство возвращается в исходное состояние. Для создания устойчивого состояния (ждущего режима) параллельно конденсатору С включают диод VD (рис. 2.22,в) с полярностью, при которой напряжение на диоде и конденсаторе, а следовательно, на инвертирующем входе ОУ будет равно прямому напряжению Uпр диода. Этому соответствует напряжение на выходе одновибратора U-вых. макс. Входное запускающее напряжение, большее βU-вых. макс, скачком перебрасывает устройство в состояние, когда на выходе появляется напряжение U+вых. макс. На неинвертирующий вход ОУ передается напряжение βU+вых. макс, поддерживающее некоторое время в этом состоянии ждущий мультивибратор. В это время конденсатор С стремится зарядиться до напряжения βU+вых. макс через резистор R2 с постоянной времени τ3 =CR2. Как только напряжение на конденсаторе С сравняется с напряжением βU+вых. макс, устройство скачком перейдет из неустойчивого в устойчивое состояние и будет ждать прихода следующего запускающего импульса.

Помимо рассмотренных мультивибраторов промышленность выпускает специализированные мультивибраторы в интегральном исполнении.

2.2.3. Генератор пилообразного напряжения

Напряжение на конденсаторе возрастает прямолинейно, если его заряжать постоянным током, не зависящим от напряжения на нем, и предотвратить влияние на этот ток сопротивления нагрузки, т. е. должно выполняться условие Rн>>R. Интегрируя по времени выражение , получаем или .

Условие Ic= const в схеме генератора пилообразного напряжения (ГПН) на основе операционного усилителя (рис. 2.23, а) обеспечивается постоянным напряжением Uвх. Пока транзистор заперт, в течение времени tn происходит зарядка конденсатора и напряжение на нем нарастает по прямой. Усилитель, стремясь сделать разность потенциалов на его входах, близкой к нулю, формирует выходное напряжение, повторяющее напряжение на конденсаторе. При подаче импульса Uразр транзистор открывается, и конденсатор быстро разряжается через него за время tразр, после чего процесс зарядки повторяется. Выходное напряжение схемы приобретает пилообразную форму, которая сохраняется до тех пор, пока значение напряжения располагается внутри диапазона от –Uвых до +Uвых.

Длительность tn определяется емкостью С и током зарядки, зависящим от Uвх и сопротивления резисторов R. Изменяя напряжение Е0, можно смещать график напряжения по вертикали.

2.3. Компараторы, ключи и коммутаторы аналоговых сигналов

Сравнение, подключение и переключение (коммутация) сигналов, а также объединение сигналов, поступающих от нескольких источников, выполняется компараторами и коммутаторами.

2.3.1. Аналоговые компараторы напряжений

Компараторами напряжений называют интегральные микросхемы, предназначенные для сравнения двух напряжений и выдачи результата сравнения в логической форме: больше или меньше. Компаратор напряжения чувствителен к полярности напряжения, приложенного между его сигнальными входами. Напряжение на выходе будет иметь высокий уровень U1вых всякий раз, когда разность напряжений между неинвертирующим и инвертирующим сигнальными входами положительна, и наоборот, когда разностное напряжение отрицательно, то выходное напряжение компаратора соответствует логическому нулю U0вых.

Аналоговые компараторы описываются набором параметров, которые нужно учитывать при их использовании. Основные параметры можно разделить на статические и динамические. К статическим параметрам относятся такие, которые определяют его состояние в установившемся режиме:

-  пороговая чувствительность – минимальный разностный сигнал, который можно обнаружить компаратором и зафиксировать на выходе как логический сигнал;

-  напряжение смещения есм – определяет смещение передаточной характеристики компаратора относительно идеального положения (для коррекции этого смещения используют балансировку);

-  входные токи I+вх и I-вх – токи, протекающие через входные выводы компаратора;

-  разность входных токов ΔIвх= I+вх–I-вх – ток, протекающий через закороченные входы;

-  напряжение гистерезиса Ur – разность входных напряжений, вызывающих срабатывание компаратора при увеличении или уменьшении входного напряжения;

-  коэффициент ослабления синфазного сигнала Косс – отношение синфазного сигнала Uсин к дифференциальному сигналу ΔUвх, вызывающему срабатывание компаратора Косс = 20lg(Uсин/ΔUвх); входное сопротивление – полное входное сопротивление для малого разностного сигнала;

-  выходные логические уровни – значения напряжения U1вых и U0вых;

-  выходной ток Iвых – ток, отдаваемый компаратором в нагрузку.

Некоторые из перечисленных статических параметров компаратора влияют на его суммарную погрешность. К таким параметрам относятся напряжение смещения eсм нулевого уровня и его температурный коэффициент deсм/dT, входные токи Iвх и их разность ΔIвх, а также напряжение гистерезиса Ur,

Гистерезис компаратора проявляется в том, что переход из состояния U0вых в состояние U1вых происходит при входном напряжении ΔUвх1 , а возвращение из U1вых в U0вых – при напряжении ΔUвх2. Разность ΔUвх1 – ΔUвх2 = Ur называется напряжением гистерезиса (рис. 2.24). Напряжение гистерезиса входит в полную погрешность компаратора, если ΔUвх изменяет знак. Наличие гистерезиса связано с использованием в компараторе положительной обратной связи, которая позволяет устранить дребезг Uвых при ΔUвх=0. Наличие гистерезиса приводит к появлению зоны неопределенности, внутри которой невозможно установить значение ΔUвх.

Основным динамическим параметром компаратора, определяющим его быстродействие, является время задержки распространения скачкообразного входного сигнала. Иногда это время называют временем переключения компаратора. Это время отсчитывают от момента подачи входного сигнала ΔUвх до момента, когда выходной сигнал достигнет уровней U1вых или U0вых. Время задержки распространения существенно зависит от уровня входного дифференциального сигнала ΔUвх. При увеличении напряжения ΔUвх время задержки распространения уменьшается. При изменении входного напряжения на порядок время задержки изменяется примерно в 2,5 раза.

Классификация компараторов.

Интегральные микросхемы компараторов можно разделить по совокупности параметров на три группы: