Электротехника и электроника (стр. 20 )

Основное применение мультивибратора заключается в запуске в работу других импульсных устройств при их совместной синхронной работе.

Наибольшее распространение получили мультивибраторы на основе операционных усилителей. Различают симметричные и несимметричные мультивибраторы. У первых длительность прямоугольных импульсов и интервалы времени между ними равны, у вторых – различны.

При рассмотрении принципа работы мультивибратора на операционном усилителе будем предполагать, что операционный усилитель является идеальным.

Возможность построения мультивибратора на операционном усилителе обусловлена тем, что напряжение на выходе микросхемы может скачком переходить от +Е до –Е при изменении знака разности входных напряжений u(+) – u(–).

Чтобы получить последовательность прямоугольных импульсов (реализовать режим автоколебаний), знак указанной разности должен изменяться периодически, в ходе процессов, протекающих в самой схеме.

Принципиальная схема мультивибратора на операционном усилителе и временные диаграммы, поясняющие принцип его работы, приведены на рисунке 3.

 

               а)        б)

Рисунок 3. Мультивибратор а) принципиальная схема, б) временные диаграммы

Для периодического изменения знака u (+) – u(–) на положительный вход операционного усилителя с делителя R2, R3 подается часть выходного напряжения, неизменная в течение полупериода uвых:

       ,        (1)

где

       ,

а на инвертирующий вход напряжение с конденсатора С1, заряжающегося под действием всего значения выходного напряжения uвых = Е.

За счет этого в процессе зарядки конденсатора напряжение на инвертирующем входе может превышать по абсолютному значению напряжение на положительном входе, в результате чего напряжение на выходе скачкообразно изменяет свой знак. Временные диаграммы (рисунок 3) иллюстрируют сказанное.

Если, например, uвых = Е, то конденсатор С1 заряжается по цепи uвых, R1, С1, ⊥ до момента времени t1, когда напряжение на нем uc окажется чуть больше γЕ. То есть напряжение на инвертирующем входе становится больше, чем на неинвертирующем, что приводит к скачкообразному изменению знака на противоположный. С этого момента конденсатор С1 начинает разряжаться по цепи С1, R1, uвых, ⊥ до тех пор пока напряжение на нем не станет меньше чем γ - Е, после чего наступает переключение уровня выходного сигнала.

Таким образом, подключение цепи R1C1 к выходу операционного усилителя обеспечивает автоматическое переключение конденсатора с зарядки на разрядку и как следствие изменение знака разности u (+) – u(–).

При определении длительности выходных импульсов необходимо учесть, что во время tи1 напряжение uc изменяется от значения γ - Е, стремится к Е и достигает только уровень γЕ. То есть в указанный промежуток времени напряжение на конденсаторе изменяется следующим образом:

               (2)

где τ = R1C1 – постоянная времени цепи.

Выразив из (2) длительность импульса получаем:

       .        (3)

Исходя из (3), можно определить частоту следования прямоугольных импульсов:

       .        (4)

В несимметричном мультивибраторе интервалы времени зарядки и разрядки конденсатора С1 различны. Это достигается включением в цепь отрицательной обратной связи параллельно двух различных резисторов: один для зарядки, а другой для разрядки конденсатора. Для того, чтобы токи протекали в разных направлениях последовательно с каждым из этих резисторов, включается диод, прямое направление которого соответствует току зарядки или току разрядки.

4.4.2. Одновибратор

Определение. Одновибратором называется устройство с одним устойчивым и одним временно устойчивым состоянием, предназначенное для формирования однократного прямоугольного импульса напряжения требуемой длительности при воздействии на входе импульса напряжения от внешнего источника.

Одновибраторы применяются для стандартизации импульсов напряжения по длительности, управления работой электромагнитных реле, задержки импульсов напряжения и деления частоты их повторения.

Схема одновибратора на основе операционного усилителя представлена на рисунок 4.

Отличительной особенностью этой схемы является то, что параллельно конденсатору С2 в цепи отрицательной обратной связи включен диод VD, который в дальнейшем будем считать идеальным. За счет этого диода отрицательное напряжение на конденсаторе С2 (uc) может иметь только небольшое отрицательное значение (падение напряжения на открытом p-n переходе не превышает 0,7 В). Поэтому оно не может стать более отрицательным, чем напряжение γ - Е, которое приложено к положительному входу, когда напряжение на выходе равно –Е. Благодаря этому из состояния uвых = –Е схема не может самостоятельно переключиться к уровню +Е.

С приходом положительного запускающего импульса амплитудой Um, превышающей абсолютное значение отрицательного напряжения на положительном входе, напряжение на выходе скачком изменит свой знак. После этого начнется зарядка конденсатора С2 через резистор R1. Когда напряжение на нем окажется чуть больше, чем uс = γE, происходит новое переключение схемы к уровню uвых = –Е. После этого конденсатор разряжается, но только до значения uvd отп – схема возвращается в исходное состояние, в котором пребывает до следующего запускающего импульса.

а) б)

Рисунок 4. Одновибратор а) принципиальная схема, б) временные диаграммы, поясняющие принцип работы

Длительность сформированного одновибратором импульса определяется выражением:

       .        (5)

Так же как и в предыдущем случае, результат работы схемы можно оценить при помощи электронной модели (демонстрируется слайд).

4.5 Генераторы линейно изменяющегося напряжения

Определение. Генератором линейно изменяющегося напряжения называется устройство, формирующее линейно изменяющееся напряжение, которое нарастает или спадает пропорционально времени.

Простейший генератор линейно изменяющегося напряжения (рисунок 5) содержит несимметричный мультивибратор, напряжение которого используется для управления работой транзистора в ключевом режиме. В интервалах времени Дtзар транзистор закрыт и происходит зарядка конденсатора емкостью С2 через резистивное сопротивление R3 с большой постоянной времени τзар = R3C2 от источника постоянного тока по цепи +Е, R3, С2, ⊥. Во время действия на входе импульса положительной полярности транзистор VT открывается, в результате чего емкость С2 разряжается по цепи С2, К-Б-Э, ⊥.

При соблюдении условия Дtзар <<фзар напряжение на конденсаторе при его зарядке изменяется практически по линейному закону.

а)

 

       б)

Рисунок 5. Генератор линейно изменяющегося напряжения
а) принципиальная схема, б) временные диаграммы

Выводы вопросу:

1. Для получения последовательности прямоугольных импульсов на выходе операционного усилителя необходимо обеспечить периодическое изменение знака на его входе.

2. Периодическое изменение знака на входе операционного усилителя обеспечивается с помощью RC цепочки, включенной в цепи обратной связи.

3. Для получения одиночного импульса необходимо параллельно конденсатору цепи обратной связи включить шунтирующий диод.

4. Основными элементами генератора линейно изменяющегося напряжения является зарядная (разрядная) цепь, коммутирующий элемент и формирующая емкость.

Тема 5 Основы цифровой электроники

5.1. Логические элементы

До сих пор рассматривались только аналоговые устройства, то есть устройства, которые работают с сигналом, амплитуда которого может меняться по случайному закону от нуля до напряжения питания. Но существуют также цифровые устройства, работающие с цифровым сигналом, то есть сигналом амплитуда которого может равняться или нулю или напряжению питания (рисунок 1).

Рисунок 1

Такие устройства иногда называют логическими, так как значения, принимаемые ими принято называть логическими: логическая единицы «1» и логический «0».

Для описания алгоритмов работы и структуры логических схем используют простую алгебру логики, или булеву алгебру. В ее основе лежат три основных логических операции: логическое отрицание (инверсия) НЕ логическое сложение (дизъюнкция) ИЛИ и логическое умножение (конъюнкция) И.

Любая логическая операция может быть задана в виде таблицы истинности. Таблицей истинности называется таблица, содержащая все возможные комбинации значений входных переменных и соответствующие им значения логических функций.

Так принцип работы элемента логического отрицания НЕ может быть реализован простейшей электрической схемой, представленной на рисунке 2. Применительно к этой схеме входной сигнал х представляется в виде действий с ключом, а выходной y в виде реакции на них лампочки. Причем логической «единице» на входе соответствует замкнутый ключ, а на выходе – горящая лампа.