2.10.3 Генераторы несинусоидальных напряжений

Мультивибраторы

Для получения напряжения прямоугольной формы, а также деления частоты следования импульсов применяют мультивибраторы. Схема мультивибраторов, применяемых в аппаратуре РЛС и АСУ, различны. Среди них следует отметить симметричные и не симметричные мультивибраторы, мультивибраторы, работающие в автоколебательном режиме, и так называемые кипп-реле – мультивибраторы, работающие в ждущем режиме.

Наиболее типовым является симметричный мультивибратор, а основным режимом его работы является автоколебательный режим.

На рис. 2.81, а представлена схема симметричного мультивибратора, собранного на транзистора типа p-n-p. Симметричным он называется потому, что собран на одинаковых транзисторах Т1 и Т2, а величины резисторов и конденсаторов в соответствующих цепях также одинаковы: С₁=С₂, R_к1=R_к2, R₁=R₂. Это является причиной равенства напряжений в симметричных точках схемы.

Однако подобрать строго одинаковые параметры схемы невозможно, и некоторая асимметрия все же имеет место.

Допустим, что при включении схемы в момент t₀ в силу асим­метрии транзистор Т₁ оказался открытым, через него протекает ток коллектора i_к1 и напряжение на коллекторе близко к нулю U_к1=0,а конденсатор C₁ заряжен до U_c1 Напряжение базы тран­зистора Т₂ при этом положительно, и поэтому транзистор Т₂ закрыт, его ток i_к2=0.

Потенциал точки 1 при открытом транзисторе Т₁ мал, и кон­денсатор С₁, начинает разряжаться (рис. 2.81,б график 3) по цепи: С₁, резистор R₁ и далее по параллельным цепям через ре­зистор R_к1 и через источник Е_к, эмиттер – коллектор транзистора Т₁.

Сопротивление эмиттер – коллектор в этом случае мало, им можно пренебречь, поэтому постоянная времени разряда конден­сатора

Конденсатор С₂ в это время заряжается по цепи: +E_к эмит­тер–база транзистора Т₁, конденсатор С₂, резистор R_к2, – Е_к. По­стоянная времени заряда конденсатора значительно меньше по­стоянной времени разряда, так как R_к2<<R₁ , a C₁ = C₂. Поэтому С₂ зарядится быстрее, чем разрядится C₁. Но состояние мульти­вибратора не изменится, так как через переход эмиттер – база транзистора Т₁ и резистор R₂ протекает ток, соответствующий ре­жиму насыщения.

К моменту времени t₁ положительный потенциал разряжаю­щегося конденсатора C₁, а значит, и базы транзистора Т₂, умень­шаясь, достигнет потенциала точки 1 (U_c1=0) и транзистор Т₂ откроется.

Через транзистор Т₂ будет протекать коллекторный ток i_к2, что приведет к повышению положительного потенциала в точке 3, а значит, и к разряду конденсатора С₂ через резистор R₂.

Ток разряда, проходя по R₂, вызывает скачкообразное повы­шение потенциала точки 2, а следовательно, и потенциала базы транзистора Т₁. При этом Т₁ закроется и конденсатор С₁ начнет заряжаться, повышая напряжение на коллекторе транзистора Т1 по экспоненциальному закону, приближая его к напряжению источника Ек. Цепь заряда конденсатора C₁ от + E_к ,эмиттер – база транзистора Т₂, конденсатор С₁, резистор R_к1, — Е_к. Постоянная времени заряда конденсатора С₁ будет равна C₁R_к1.

Через некоторое время конденсатор C₁ зарядится, но транзи­стор Т₂ будет открыт, так как имеется базовый ток, удержива­ющий его в режиме насыщения.

В момент времени t₂ напряжение на разряжающемся конден­саторе С2 достигнет нуля U_c2=0, транзистор Т₁ откроется, а Т₂ закроется. Мультивибратор возвращается в исходное состояние.

Таким образом, наличие положительных обратных связей а мультивибраторе обусловливает лавинообразный процесс, обе­спечивая переход его из одного состояния в другое. Рассматри­вая графики 1 и 6 (рис. 2.81, б), постоянные физические процес­сы, происходящие в мультивибраторе, видим, что с коллекторов транзисторов могут быть сняты импульсы напряжения U_к1 и U_к2 почти прямоугольной формы различной полярности. Амплитуда этих импульсов зависит от величин R_к1 и R_к2 и, следовательно, может быть изменена.

Триггеры

Триггерами называются заторможенные устройства, облада­ющие двумя устойчивыми состояниями равновесия и способные под воздействием внешнего сигнала скачком переходить из од­ного состояния в другое. Процесс перехода из одного состояния в другое называют опрокидыванием, срабатыванием или спуском.

Отличительной особенностью триггера является наличие рео­статной связи между двумя каскадами (рис. 2.82,а).

Триггеры делятся на симметричные, у которых оба каскада одинаковые, и несимметричные. Симметричные триггеры приме­няют в качестве делителей частоты повторения импульсов, в ка­честве счетных, запоминающих и переключающих ячеек ЭВМ и т. д. Несимметричные триггеры применяются главным образом для формирования прямоугольных напряжений из синусоидаль­ного и как дискриминаторы по амплитуде.

Представленный на рис. 2.82,а симметричный триггер на транзисторах работает следующим образом.

Схема имеет два устойчивых состояния равновесия: транзис­тор Т₁ открыт, Т₂ закрыт или транзистор Т₁ закрыт, Т₂ открыт.

Допустим, что в начальный момент времени транзистор Т₁ был открыт й находился в режиме насыщения, а Т₂ — закрыт. При этом напряжение на коллекторе Т₁ равно нулю, а на его базе U_б1 — отрицательно, (рис. 2.82,б). Транзистор Т₂ в это время закрыт, напряжение на его коллекторе близко к напряже­нию источника питания –Е_к, а на базе Т2 снимаемое с делителя R_б2, R1 напряжение имеет положительную по отношению к эмит­теру полярность.

Если на базу Т₂ при этом подать положительный импульс, то изменения состояния триггера не произойдет, так как транзи­стор Т₂ был закрыт.

Если же положительный импульс подать на базу Т₁, то про­изойдут процессы, обусловливающие переход триггера в другое состояние равновесия.

С началом действия положительного импульса ток коллекто­ра Т₁ некоторое время остается неизменным, так как происходит рассасывание избыточных носителей тока. После того как ток коллектора начинает падать, на коллекторе Т₁ увеличивается отрицательное напряжение. Изменение этого напряжения через конденсатор C₁ передается на базу Т₂, и как только напряжение U_б2 окажется равным нулю, транзистор Т₂ открывается. При этом появляется коллекторный ток i_к2, а имеющиеся положитель­ные обратные связи способствуют быстрому завершению про­цесса перехода триггера в другое состояние равновесия.

В новом состоянии напряжение на коллекторе транзистора Т₂, а значит, и U_вых2 оказывается близким к нулю. Напряжение на коллекторе Т₁, а значит, и U_вых1 близко к напряжению источ­ника — Е_к.

В этом состоянии схема триггера будет оставаться до поступ­ления положительного импульса запуска на базу транзистора Т₂. Из временной диаграммы напряжений видно, что с выходов триг­гера можно снять почти прямоугольные импульсы любой поляр­ности.

Блокинг-генераторы

Для получения импульсов малой длительности, измеряемых микросекундами при больших периодах повторения, достигающих нескольких миллисекунд, применяются блокинг-генераторы. Осо­бенностью этих импульсов является большая крутизна нараста­ния и спада их.

Блокинг-генераторы могут работать в автоколебательном и ждущем режимах. В автоколебательном режиме с выхода блокинг-генератора снимаются импульсы, период следования кото­рых определяется параметрами схемы, а переход схемы из одного состояния в другое происходит без внешнего воздействия.

При работе блокинг-генератора в ждущем режиме период сле­дования выходных импульсов определяется периодом поступле­ния запускающих импульсов. После срабатывания такая схема приходит в исходное состояние и находится в нем до поступления следующего импульса.

При работе блокинг-генератора в автоколебательном режиме может быть осуществлен режим деления частоты следования импульсов, когда частота импульсов, вырабатываемых блокинг-генератором, в несколько раз меньше частоты повторения запускающих импульсов. Это бывает необходимо, например, при созда­нии 10-км и 50-км масштабных отметок на экране ИКО.

На рис. 2.83, а представлена схема блокинг-генератора на транзисторе p-n-p-типа.

В исходном состоянии транзистор закрыт положительным на­пряжением на базе, создаваемым током разряда конденсатора С, протекающим по резистору R_б. В момент t₀, когда напряжение базы достигнет нулевого значения, транзистор открывается. На­растающий ток коллектора, протекающий по обмотке I трансфор­матора, вызывает появление напряжения в обмотке II. Вторичная обмотка создает положительную обратную связь. Она включена так, что при нарастании тока коллектора Iк потенциал точки 1 схемы ставится ниже потенциала точки 2. Поэтому с появлением тока коллектора конденсатор начинает заряжаться по цепи: об­мотка II, резистор R_б.

На резисторе R_б током заряда создается падение напряжения, увеличивая отрицательное напряжение на базе и тем самым ток коллектора. Таким образом, положительная обратная связь при­водит к развитию блокинг-процесса, формирующего передний фронт импульса напряжения на коллекторе и нагрузке блокинг-генератора (рис. 2.83,б).

Нарастание тока коллектора продолжается до перехода транзистора в режим насыщения, при котором ток коллектора I_к имеет постоянную величину, а напряжение в обмотке II становится равным нулю. Это ведет к разряду конденсатора С, но благодаря наличию большой индуктивности обмотки II разряд в первый момент времени идет медленно, кроме того, происходит рассасы­вание накопленных на базе носителей. Поэтому некоторое время ток коллектора имеет постоянную величину, формируя тем самым плоскую вершину импульса (рис. 2.83, б).

Рассасывание носителей на базе транзистора приводит к вы­ходу последнего из режима насыщения, при этом ток коллектора начинает падать, создавая начало формирования заднего фронта импульса. Благодаря действию положительной обратной связи это происходит быстро. В результате в схеме блокинг-генератора создаются почти прямоугольные импульсы, длительность кото­рых зависит от постоянной времени R_б и времени жизни носи­телей в базе.

Изменением величин R_б и С можно изменять длительность вырабатываемых блокинг-генератором импульсов. Выходные им­пульсы требуемой полярности снимаются с выводов обмотки III трансформатора.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Перечислить основные характеристики импульсов и дать им определения.

2. Рассказать о сущности формирования импульсов с помо­щью схем ограничения амплитуды.

3. Объяснить физические процессы, происходящие при заряде и разряде емкости через сопротивление.

4. Что называется постоянной времени цепи?

5. Назначение и физические процессы, происходящие при ра- боте дифференцирующей и интегрирующей цепей?

6. Какие виды связи применяются между каскадами?

7. Назначение, устройство и работа мультивибратора.

8. Назначение, устройство и работа триггера.

9. Назначение, устройство и работа блокинг-генератора.