Дослідження віртуальних моделей релаксаційних генераторів електричних коливаннь прямокутної форми

Мета роботи:

1) ознайомлення з особливостями побудови та використання

генераторів та формувачів імпульсних сигналів;

2) набуття навиків дослідження основних параметрів автоколивальних мультивібраторів;

3) набуття навиків налаштовування схем за допомогою експериментального підбору номіналів конденсаторів та резисторів;

4) дослідження загальмованого мультивібратора.

Стислі теоретичні відомості

Автоколивальні мультивібратори

Автоколивальний мультивібратор – це релаксаційний автогенератор напруги прямокутної форми. Релаксаційний характер вихідних коливань вказує на те, що умови самозбудження виконуються в широкому діапазоні частот. У мультивібраторі частота слідування імпульсів прямокутної форми, що періодично повторюються, визначається параметрами кіл, які задають тривалість перемикання, властивостями схеми й режимами її живлення. Часто автоколивальний мультивібратор застосовують як генератор імпульсів великої тривалості, які далі використовують для формування імпульсів необхідної тривалості та амплітуди.

Мультивібратори на операційних підсилювачах. Для побудови автогенераторних пристроїв з прямокутною формою генерованих коливань необхідно скористатися компараторним ввімкненням ОП з позитивним зв’язком, що діє в широкому діапазоні частот. Принципова електрична схема автоколивального генератора подана на рис. 13.1. Коло, що складається з конденсатора C та резистора R, забезпечує процес перемикання схеми з одного тимчасового стійкого стану в інший. Воно ввімкнене між виходом ОП та інвертувальним входом і утворює коло негативного зворотного зв’язку.

Розглянемо суть перебігу процесів у мультивібраторі. Припустимо, що в інтегралі часу від t=0 до t=t_i рівень напруги на виході ОП U_вих= U⁺_вих~Е⁺_с. Тоді напруга на неінвертуальному вході також позитивна і стала:

U⁺_вих.= βU⁺_вх,

де β=R1/(R1+R2), а напруга на інвертувальному вході, яка дорівнює напрузі на конденсаторі (U^-_вх=U_c), екпоненційно збільшується, прагнучи до асимптотичного рівня U⁺_вх внаслідок зарядження конденсатора через резистор R. У момент часу t=t⁺ напруга на інвертувальному U^-_вх вході (на конденсаторі) досягає рівня напруги на неінвертувальному вході U⁺_вх( U⁺_вх.= U^-_вх) і ОП входить у підсилювальний режим. Вихідна напруга зменшується, а отже, зменшується, через подільник R1, R2 напруга U⁺_вх, що викликає подальше зменшення вихідної напруги і т.д.

Такий лавиноподібний регенеративний процес закінчується тим, що U_вих стрибкоподібно досягає рівня U^-_вих= -Ес, а U⁺_вх.= βU_вих. (відбувається перемикання ОП у протилежний стан).

Тепер конденсатор С розряджається через резистор R та вихід ОП, і напруга на інвертувальному вході зменшується з тією самою сталою часу t = RC, що і при зарядженні конденсатора прагнучи до асимптотичного рівня U^-_вих.

У момент t=t₂ , коли при перезарядженні напруга на конденсаторі (U_вх ) зрівняється з напругою на неінвертувальному вході U⁺_вх., знову відбувається перемикання ОП. Цим завершується формування негативного імпульсу вихідної напруги тривалістю t^-_i. При цьому t⁺_i=t^-_i , а шпаруватість імпульсної напруги дорівнює двом. У подальшому процеси повторюються із заданою періодичністю.

Період коливань імпульсної напруги симетричного мультивібратора за умови рівності тривалостей формуваня високого й низького рівнів напруги ( ):

T=t _i ⁺ +t _i ^- =2ti.

Частота слідування імпульсів: F=1/T=1/2t_i.

У лабораторній роботі досліджується несиметричний мультивібратор на ОП. Для цього в схемі симетричного мультивібратора замість одного резистора в колі заряда конденсатора увімкнені два резистори з діодними ключами. Це забезпечує різні сталі часу t = R₅C та t¢= R₆ С для позитивних та негативних вихідних імпульсів, які проходять по черзі через резистори R5 та R6 Якщо ці резистора мають різні опори (R5 ¹ R6),то можна отримати необхідну шпаруватість генерованих імпульсів.

Рис. 13.1. Принципова електрична схема віртуального лабораторного стенда для дослідження несиметричного мультивібратора

Загальмовані мультивібратори

Загальмовані мультивібратори працюють в очікуваному режимі. У такому режимі мультивібратор має один стан стійкої рівноваги. Імпульси прямокутної форми формуються лише після надходження імпульсу запуску, який переводить мультивібратор із стійкого стану рівноваги до тимчасового стійкого стану.

Момент закінчення тимчасового стійкого стану визначається колом, що задає час. Таким чином, під впливом імпульсу запуску загальмований мультивібратор виробляє один прямокутний імпульс, після чого повертається до стану стійкої рівноваги. Змінюючи сталу часу (дискретно або плавно) кола, що задає час, можна регулювати тривалість вихідних імпульсів у широких

межах. Загальмований мультивібратор ще називають одновібратором, спусковою схемою, однотактним релаксатором, кіп-реле та ін.

Однак незалежно від назви загальмований мультивібратор являє собою пристрій з позитивним зворотним зв’язком, що має один стійкий та один тимчасово стійкий стан рівноваги.

Загальмовані мультивібратори на операційних підсилювачах

Схеми таких мультивібраторів створюють зі схем автоколивальних мультивібраторів, забезпечуючи переведення останніх з автоколивального режиму в очікуваний.

Схему загальмованого мультивібратора з увімкненням конденсатора у коло негативного зворотного зв’язку за інвертувальним входом показано на рис. 13.2. Її одержано зі схеми автоколивального мультивібратора (див. рис. 13.1), де паралельно конденсатору С ввімкнено додатковий діод VD1 та введено коло запуску з генератором запускаючих (синхронізуючих) імпульсів. Діод VD1 забезпечує очікуваний режим роботи мультивібратора.

У стані стійкої рівноваги мультивібратора, який визначається петлею позитивного зворотного зв’язку, напруга на виході

U ^–_вих»–Е_с. (або+ Е_с.). Напруга на неінвертувальному вході: U⁺_вх=bU ^–_вих., а напруга на інвертувальному вході U ^–_вх збігається з напругою на відкритому діоді VD1 (майже дорівнює нулю).

Рис. 13.2. Принципова електрична схема віртуального лабораторного стенда для дослідження загальмованого мультивібратора на ОП

Імпульс запуску з амплітудою U_mзап > |bU ^–_вих|, що надходить в момент часу t₁ до неінвертувального входу ОП викликає розвиток лавиноподібного процесу перемикання мультивібратора завдяки дії позитивного зворотного зв’язку через резисторний подільник напруги R1, R3. При цьому напруга на виході стрибком збільшується до U⁺_вих»Е_с, і мультивібратор переходить у тимчасово стійкий стан. Напруга на неінвертувальному вході змінюється на позитивну U⁺_вх=b′U⁺_вих, – нове значення коефіцієнта передавання напруги з виходу ОП на неінвертувальний вхід (b=b′).

Позитивний рівень вихідної напруги закриває відкритий до цього моменту діод VD1 і конденсатор C починає заряджатися в колі з резистором R. Напруга на конденсаторі U_c=U^–_вх експоненційно зростає до асимптотичного рівня U⁺_вих . Коли в момент часу t₂ U ^–_вх=U⁺_вх=b′U⁺_вих, ОП входить в підсилювальний режим, напруга на виході зменшується.

При цьому в результаті дії зворотного зв’язку зменшується також вхідна напруга U⁺_вх, що викликає подальше зменшення вихідної напруги та ін. Розвиток регенеративного процесу призводить до перевертання мультивібратора (підсилювач спрацьовує як двовходовий компаратор) і закінчення процесу формування імпульсу позитивної полярності. Одновібратор повертається до стійкого стану рівноваги (рис. 13.3).

Література:[2],[3],[4]