Раздел 8 Генераторы импульсов. Триггеры

8.1 Мультивибраторы. Одновибраторы

Мультивибраторы - это генераторы сигналов прямоугольной формы.

Мультивибраторы относятся к классу узлов импульс­ной техники, предназначенных для генерирования периодической по­следовательности импульсов напряжения прямоугольной формы с требуемыми параметрами (амплитудой, длительностью, частотой сле­дования и др.). Подобно генераторам синусоидальных колебаний, мультивибраторы работают в режиме самовозбуждения: для форми­рования импульсного сигнала в мультивибраторах не требуется внеш­нее воздействие, например подача входных сигналов. Процесс получе­ния импульсного напряжения основывается на преобразовании энер­гии источника постоянного тока.

Мультивибратор в подавляющем большинстве случаев выполняет функцию задающего генератора, формирующего запускаю­щие входные импульсы для последующих узлов и блоков в системе импульсного или цифрового действия.

Существует большое разнообразие средств и методов построения схем мультивибраторов. В настоящее время для построения мульти­вибраторов наибольшее распространение получили операционные усилители в интегральном исполнении.

На рис. 43 приведена схема симметричного мультивиб­ратора на ИОУ, широко используемого в импульсных устройствах. Симметричный – время импульса равно времени паузы t_имп = t_паузы.

ИОУ охвачен положительной обратной связью – цепь R1,R2 с коэффициентом передачи γ, действующей одинаково на всех частотах. Входное напряжение мультивибратора формиру­ется при помощи ООС через цепочку RC.

Напряжение на неивертирующем входе постоянно и равно

± U_н = γU_вых = γ±U_нас

Если напряжение выхода U_вых = +U_нас конденсатор заряжается (рисунок 43) и напряжение U_с , действующее на инвертирующем входе возрастает по экспоненциальному закону (рисунок 42).

Рисунок 43 – Схема симметричного мультивибратора

При равенстве U_н = U_с произойдёт скачкообразное изменение выходного напряжения U_вых = -U_нас, что вызовет перезаряд конденсатора (рисунок 43). При достижении равенства -U_н = -U_с снова произойдёт изменение состояние U_вых. Процесс повторяется.

Изменение постоянной времени  RC-цепи приводит к изменению времени заряда и разряда конденсатора, а значит и частоты колебаний мультивибратора. Кроме того, частота зависит от параметров ПОС и определяется по формуле:

f = 1/T = 1/2t_и = 1/[2 ln(1+2 R1/R2)]

Рисунок 44 – Временные диаграммы работы мультивибратора

Рисунок 45 – Работа мультивибратора

При необходимости получить несимметричные прямоугольные колеба­ния для t_и ≠ t_п, используют несимметричные мультивибраторы (рисунок 46), в ко­торых перезаряд конденсатора происхо­дит по разным цепочкам с различными постоянными времени.

Рисунок 46 – Схема несимметричного

мультивибратора

Для перезаряда конденсатора при U_вых = +U_нас VD2 за­крыт и _и = R_иC, а для перезаряда кон­денсатора при U_вых = -U_нас диод VD1 за­крыт и _п = R_пC. При этом длительности импульса и паузы определяются по формулам:

t_и = _и ln(1+2 R1/R2)

t_п = _п ln(1+2 R1/R2)

Частота колебаний:

f = 1/[(_и + _п) ln(1+2 R1/R2)]

Одновибраторы

Предназначены для формирования пря­моугольного импульса напряжения тре­буемой длительности при воздействии на входе короткого запускающего им­пульса. Другими словами, запускающий импульс «включает» одновибратор, который затем, по истечении опреде­ленного времени, автоматически «выключается» сам. В связи с этим одновибраторы часто называют еще электронными реле выдержки времени.

О дновибраторы, так же как мульти­вибраторы, относятся к классу схем, обладающих двумя состоя­ниями. Однако в отличие от мульти­вибраторов, в которых оба состояния являются неустойчивыми, в одновибраторах (часто называемых также жду­щими мультивибраторами) одно состояние устойчивое, а другое - неустойчивое. Устойчивое состояние ха­рактеризует исходный режим работы (режим ожидания) одновибратора.

Рисунок 47 – Схема одновибратора на ОУ

Неустойчивое состояние наступает с приходом входного запус­кающего импульса. Оно продолжается некоторое время, определяемое времязадающей цепью схемы, после чего одновибратор возвращается в исходное устойчивое состояние.

Выходной импульс формируется в результате следования одного за другим двух тактов переключения схемы.

Для построения одновибраторов используют преимуще­ственно интегральные операционные усилители. Основой схема одновибратора служит схема мультивиб­ратора на рисунке 47, в которой для созда­ния ждущего режима работы параллель­но конденсатору С включен диод.

Рассмотрим работу схемы одновибратора на биполярных транзисторах (рисунок 48).

В исходном установившемся (устойчивом) состоянии одновибратора (рисунок 48) транзистор VT2 полностью открыт, a VT1 закрыт. Закрытое состояние VT1 определяется падением напряжения на эмиттерном резисторе, которое создаётся током коллектора VT2.

Рисунок 48 – Схема одновибратора

1-е состояние U_вых = 0

На диаграмме (рис. 49) это состоя­ние соответствует интервалу времени t₀ – t₁.

При подаче на вход одновибратора запускающего импульса положительной полярности транзистор VT1 открывается, что обеспечивает разряд конденсатора С по цепи: + С, переход коллектор-эмиттер VT1, резистор R_э, корпус, внутреннее сопротивление источника питания, резистор R_б, - С. Разрядный ток создаёт на резисторе R_б падение напряжения, минус которого прикладывается к базе транзистора VT2 и закрывает его.

2-е состояние U_вых = U_п

По мере разряда конденсатора С отрицательное напряжение на базе транзистора VT2 уменьшается и в момент времени t₂ транзистор VT2 открывается, а VT1 закрывается и схема возвращается в исходный ждущий режим.

Д лительность выходного импульса, равная времени перезарядки конденсатора С

t_и = 0,7CR_б

Отметим одну существенную особенность работы транзисторов VT1 и VT2 в схеме одновибратора. Транзисторы при работе устрой­ства или полностью открыты, или полностью закрыты. Переход из одного состояния в другое происходит скачком. Такой режим рабо­ты транзистора называется ключевым.

Рисунок 49 – Временные диаграммы работы одновибратора