7 Лекция
Цель: генерирование электрических колебаний различных форм при помощи схем на ОУ, формирование импульсов стандартной формы под действием запускающих сигналов, знакомство с интегральным таймером.
Содержание: генераторы гармонических сигналов, релаксационные генераторы на основе ОУ: мультивибраторы, одновибраторы, генератор на таймере.
7.1 Генераторы синусоидальных колебаний
На основе ОУ могут быть построены различные виды генераторов гармонических колебаний. Если требуется получить синусоидальное напряжение низких или средних частот до единиц мГц, то обычно применяется один из вариантов RC-генераторов.
Рисунок 32 – Схемы синусоидальных генераторов: с мостом Вина – а), с фазосдвигающей цепочкой – б)
Для возникновения генерации колебаний нужен усилительный элемент, охваченный положительной обратной связью (ПОС), кроме этого необходимо присутствие частотно-избирательного элемента в цепи ПОС. На рис. 32 показана схема генератора синусоидального сигнала, охваченного ПОС через RC-цепочку R1 - C1 и R2 - C2 . Эта RC-цепочка называется мостом Вина, её АЧХ имеет не резко выраженный подъём на определённой частоте, на которой и возникает возбуждение колебаний.
Для того чтобы генератор начинает «генерить» нет необходимости подавать сигнал извне, все генераторы взбуждаются из-за тепловых флуктуаций тока, но т.к. усилитель охвачен положительной обратной связью, то начавшееся незначительное колебание сразу же усиливается и возникают колебания на той частоты, для которой коэффициент усиления наибольший.
Напряжение ПОС подаётся на прямой вход ОУ и представляет собой падение напряжения, от тока в цепи ПОС на двухполюснике R2 - C2 , его сопротивление обозначим Z2 . Сопротивление двухполюсника R1 - C1 обозначим Z1 , тогда сигнал ПОС на прямом входе ОУ
UПОС = UВЫХ Z2 /( Z1 + Z2). (7.1)
Так как Z1 = R1 + 1/jωC1 и Z2 = R2 /(1 + jω C2R2), и, имея в виду, что обычно R1 = R2 = R и C1 = C2 = C, получим:
UПОС = UВЫХ / [3 + j(ω CR – 1/ jωC)] (7.2)
Для того чтобы обратная связь была чисто положительной, необходимо отсутствие фазового сдвига между выходным напряжением UВЫХ и сигналом UПОС . Это возможно при равенстве нулю мнимой части знаменателя, отсюда можем найти частоту генерации
ω = 1 / RC. (7.3)
Из (7.2) следует также, что коэффициент усиления
КU = UВЫХ / UПОС =3. (7.4)
Для установки коэффициента усиления служат резисторы R3 и R4 .
Установившиеся автоколебания в замкнутоцй цепи возможны только при условии точного равенства единице коэффициента петлевого усиления на частоте генерации. Но для возникновения автоколебаний нужно, чтобы вначале коэффициент петлевого усиления был больше единицы. После возникновения автоколебаний их амплитуда должна быть стабилизирована на некотором установившемся уровне. С этой целью в цепь ПОС вводится нелинейный элемент, например терморезистор, который при нагреве током обратной связи изменяет своё сопротивление так, чтобы при этом коэффициент петлевого усиления уменьшился до единицы. Если не предпринять таких мер, то форма автоколебаний будет заметно отличаться от синусоиды.
В генераторе с мостом Вина легко можно осуществлять перестройку
частоты, для этого в качестве резисторов R1 и R2 берётся сдвоенный переменный резистор (потенциометр) с общей осью.
Если нет
необходимости в перстройке частоты, то
можно использовать простую схему
генератора с подачей сигнала ОС на
инверсный вход ОУ, см. рис. 32,б. Цепь ОС
представляет собой фазосдвигающую
RC-цепочку,
её предназначение – повернуть фазу
выходного сигнала на 180
т.е. ООС обратить в ПОС. Фазосдвигающая
цепь образована конденсаторами С1,
С2,
С3
и
резисторами R1
,
R2,
R3,
обычно С1
= С2
= С3
= С и
R1
=
R2=
R3
= R.
Каждая пара RC
даёт фазовый
сдвиг на 60
Частота
генерации
ω
= 1 /
RC.
Синусоидальные генераторы находят широкое применение в электронных измерительных устройствах: в качестве несущих колебаний при различных видах модуляции, в качестве испытательных сигналов, наборы генератов используются в синтезаторах для получения несинусоидаотных сигналов сложных форм и т.д.
7.2 Генераторы прямоугольных колебаний
Генераторы прямоугольных колебаний чаще всего основаны на принципе релаксационных схем, принцип их работы состоит в медленном заряде времязадающего (хронирующего) конденсатора и в быстром его разряде (или перезаряде) через активный элемент: транзистор, ОУ, цифровая ИС. Время заряда конденсатора активный элемент использует для релаксации, т.е. отдыхает до момента времени разряда либо перезаряда.
а) б)
Рисунок 32 – Схема мультивибратора – а), временные диаграммы – б)
Генераторы прямоугольных импульсов называют мультивибраторами, т.к. спектр прямоугольного импульса содержит множество высших гармоник. На рис. 32,а показана схема мультивибратора на ОУ, охваченном обоими видами обратной связи: ООС и ПОС. Цепь ПОС образует резисторный делитель напряжения R2 – R3 , реактивности в ПОС не имеется, поэтому сигнал с выхода ОУ на прямой вход передаётся без запаздывания. Цепь ООС содержит резистор R1 и конденсатор С1, сигнал с выхода ОУ на инверсный вход передаётся с запаздыванием, определяемым постоянной времени. Цепь ПОС обеспечивает лавинообразный переход схемы из одного состояния в другое, а цепь ООС определяет время пребывания устройства в каждом из состояний.
Уровни ограничения выходного напряжения UОГР и -UОГР операционного усилителя обычно равны по модулю и близки к напряжениям питания; коэффициент ПОС βП = R2 / (R2 + R3). Полярность напряжения ПОС такая же, как и у выходного сигнала, уровень равен поочерёдно то βПUОГР, то - βПUОГР, см. рис. 32,б. Напряжение ООС – это напряжение UС на конденсаторе С1, который перезаряжается выходным током ОУ с одной полярности на другую. Как только напряжение UС по абсолютному значению начинает превышать напряжение βПUОГР или - βПUОГР, действующее на прямом входе ОУ, полярность выходного напряжения UВЫХ меняется на противоположную, – точно так же, как это происходит в компараторе, конденсатор начинает перезаряжаться.
Время полупериода выходных импульсов соответствует времени перезаряда конденсатора С1 под воздействием выходного напряжения UОГР.
Прямоугольные непрерывные импульсы используются очень широко в цифровой электронике: это и тактирующие импульсы, и счётные импульсы, и управляющие и т.д.
7.3 Ждущие мультивибраторы
Ждущие мультивибраторы, называемые также заторможенными мультивибраторами или чаще одновибраторами, дают на выходе один единственный импульс при поступлении на вход запускающего импульса.
а) б)
Рисунок 32 – Схема одновибратора – а), временные диаграммы – б)
Одновибратор имеет одно устойчивое состояние, в этом состоянии он может находиться сколько угодно долго до прихода запускающего импульса. В схеме на рис. 32,а во время устойчивого состояния выходное напряжение ОУ отрицательное и равно -UОГР, на выход схемы оно не проходит благодаря диоду D3 , поэтому на диаграмме рис. 32,б выходное напряжение одновибратора UВЫХ в режиме ожидания равно нулю.
Мультивибратор заторможен за счёт диода D1, который находится в открытом состоянии и напряжение на нём равно примерно -0,7 В, это напряжение приложено к инверсному входу ОУ. Состояние заторможенности будет устойчиво, если напряжение на прямом входе ОУ будет больше, чем 0,7 В. Входной импульс положительной полярности, превышаюший пороговый уровень UПОР, перебрасывает ОУ в состояние положительного выходного напряжения +UОГР, при этом на выход схемы проходит положительный импульс через диод D3. Это состояние ОУ квазиустойчивое, оно длится столько времени, сколько требуется для перезарядки конденсатора С1 до положительного напряжения, равного
UD1 = +UОГР R2 /( R2 + R3). (7.5)
Диод в этом состоянии пребывает в закрытом состоянии и практически не шунтирует конденсатор С1.
По окончании перезаряда конденсатора С1 одновибратор снова возвращается в устойчивое состояние и находится в нём до прихода следующего запускающего импульса. Таким образом в ответ на каждый импульс запуска одновибратор формирует импульс стандартной амплитуды и длительности, определяемой постоянной времени R1 С1.
Для построения одновибраторов в настоящее время нет нужды использовать ОУ, – существуют готовые микросхемы одновибраторов: 74121, 74122 (советские аналоги 155АГ1, 155АГ3). К ним надо только присоединить времязадающие элементы С и R.
Одновибраторы применяются в электронных системах во всех случаях, когда нужно формировать стандартные по длительности и амплитуде импульсы из входных сигналов «неправильной» формы. С помощью одновибраторов можно отсеивать помехи путём задания порогового уровня.
7.4 Генераторы на интегральных таймерах
Интегральный таймер 555 (советский аналог КР1006ВИ1) – это очень полезный, а потому весьма популярный благодаря своей универсальности чип, который можно использовать для построения самых разнообразных импульсных устройств: мультивибраторов, одновибраторов, триггеров Шмитта, генераторов линейно-растущего напряжения (ГЛИН) и т.д.
а)
б)
Рисунок 33 – Структура таймера – а), схема мультивибратора – б)
На рис. 33,а показана структурная схема таймера. Внеё входят два компаратора К1 и К2, RS-триггер, делитель напряжения R1 – R2 – R3 , выходной транзисторный каскад Т1 – Т2 и транзистор Т3. Триггер типа RS – это цифровое устройство, имеющее два устойчивых состояния: «0» и «1». В состоянии «1» напряжение на выходе Q положительное и равно приблизительно напряжению питания +ЕП, а напряжение на выходе Q̅ будет равно практически нулю. В состоянии «0» наоборот: напряжение на выходе Q равно нулю, а на выходе Q̅ равно напряжению питания +ЕП. Напряжение питания +ЕП одно и может выбираться от 5 до 15 В. Делитель напряжения подаёт на верхний компаратор напряжение UВ = +ЕП 2/3, а на нижний – напряжение UН = +ЕП /3. Если на выводе 2 таймера (номера выводов соответствуют реальному чипу) напряжение станет меньше, чем UН, то с выхода компаратора К2 на вход S триггера пойдёт положительный уровень установки в «1». Если же напряжение на выводе 6 станет больше, чем UВ, то с компаратора К1 пойдёт положительный уровень на вход R установки триггера в «0». Триггер имеет и дополнительный вход установки в нуль – вывод 4 – вход Е триггера.
Если на входы триггера постумают одновременно сигналы установки в различные состояния, то триггер срабатывает в соответствии со следующими приоритетами сигналов. Наивысший приоритет имеет сигнал, подаваемый на вывод 4, поэтому этот сигнал является сигналом разрешения Е. Если Е = 1, то работа таймера разрешена, если Е = 0, то триггер таймера находится в состоянии «0» и триггер вовсе не реагирует на сигналы, подаваемые на входы 2 и 6. Вторым по старшинству является сигнал U2, подаваемый на вход 2, этот сигнал устанавливает триггер в единицу при U2 < UН и Е = 1. Самый младший приоритет имеет сигнал U6, подаваемый на вывод 6, этот сигнал при U6 > UВ, U2 > UН и Е = 1 обеспечивает установку триггера в «0». Выходной каскад триггера – усилитель мощности обеспечивает выходной ток до 100 мА, т.е. может управлять электромагнитным реле, лампой и т.д.
На рис. 33,б показано условное обозначение таймера, работающего в схеме мультивибратора. Через резистор R выходное напряжение подаётся на входы R и S триггера таймера и на конденсатор С. Когда напряжение на конденсаторе по мере его заряда достигает уровня UВ = +ЕП 2/3, то триггер переходит в состояние «0», вследствие чего выходное напряжение (на выводе 3) стновится равным нулю и конденсаотр начинает разряжаться через резистор. Но как только напряжение на конденсаторе снизится до уровня UН = +ЕП /3, триггер снова переходит в «1» и снова начинается заряд этого конденсатора. Частота генерируемых колебаний определяется величинами R и С. Таким образом, для построения мультивибратора требуется всего лишь два внешних (навесных) элемента.