Краткие теоретические сведения

При подготовке к выполнению лабораторной работы и ее защите необходимо проработать следующие темы из учебников или конспекта лекций:

- принципы построения и характеристики мультивибраторов;

- генераторы синусоидальных колебаний;

- кварцевая стабилизация частоты.

Для работы большинства вычислительных устройств необходи­мо иметь последовательность тактовых импульсов, управляющих всеми процессами в схеме. Это последовательность вырабатывается в задающем генераторе или автогенераторе.

Автогенераторами называют устройства, в которых энергия источника питания преобразуется в энергию периодических элек­трических колебаний. В зависимости от формы выходного напряже­ния различают генераторы прямоугольных импульсов, синусоидаль­ного напряжения и т.д.

Для работы схемы в режиме автогенерации необходимо, чтобы усилитель был охвачен петлей положительной обратной связи. При этом должны выполняться условия баланса фаз и баланса амплитуд. Баланс фаз заключается в том, чтобы сумма фазовых сдвигов в усилителе и цепи обратной связи была равна нулю. В стационарном режиме, когда в генераторе существуют установившиеся колебания, выполняется условие баланса ампли­туд: ¦g¦*¦K¦ = 1, где K - ко­эффициент усиления усилителя без обратной связи,g- коэффици­ент передачи цепи обратной связи. Это условие в генераторе вы­полняется автоматически, когда при увеличении амплитуды колеба­ний происходит уменьшение коэффициента усиления из-за нелиней­ности характеристики активного прибора.

Если условия баланса фаз и амплитуд выполняются на всех частотах, кроме постоянного тока, то такая схема будет генери­ровать прямоугольные импульсы. Если же на нулевой частоте вы­полняется баланс фаз, то в этом случае генерация будет отсут­ствовать, а устройство превратится в триггер. При выполнении этих условий только на одной частоте на выходе будут наблюдать­ся синусоидальные колебания. Для этого в схемах используются различные узкополосные устройства, например, колебательный контур, RC-цепь, кварцевый резонатор и т.д.

Различают мягкий и жесткий режимы возбуждения генера­торов. При мягком режиме петлевое усиление ¦gK¦>1 уже в момент включения генератора. Поэтому любые случайные выбросы в схеме обязательно приведут к возникновению колебаний. При жестком возбуждении необходимо внешним сигналом обеспечить баланс амплитуд в схеме, так как в момент включения петлевое усиления меньше единицы, и только за счет внешнего сигнала обеспечива­ется требуемое усиление.

Примером генератора прямоугольных импульсов может служить мультивибратор. Классическая схема мультивибратора, показанная на рис.8.2,а, позволяет получить не очень стабильные колебания в широком диапазоне частот повторения импульсов. Конечно, эта схема не всегда запускается при включении (оба транзистора при включении оказались открыты и насыщены), но если уж она рабо­тает, то все очень просто. Пусть открыт только транзистор VT1, а VT2 - закрыт. На конденсаторе Cб2 остался какой-то заряд, приложенный минусом к базе VT2, который поддерживает его в закрытом состоянии. Через рези­стор Rб2 конденсатор начинает перезаряжаться от источника питания +Eк. С землей вторую об­кладку конденсатора соединяет открытый транзистор VT1. В это же время происходит заряд конденсатора Cб1 через коллекторный ре­зистор Rк2 и открытый эмиттерный переход транзистора VT1. Заряд этого конденсатора происходит много быстрей, чем Cб2, так как Rк2<Rб2. Как только напряжение на C1 превысит нулевой уровень, транзистор VT2 откроется, отрицательный перепад напряжения пе­редастся на базу VT1 и закроет его. Теперь начнет перезаря­жаться ранее заряженный конденсатор Cб2, а конденсатор Cб1, с нулевым в момент переключения напряжением начнет заряжаться. В схеме устанавливаются колебания.

Обычно используется симметричная схема, в которой Rк1=Rк2=Rк, Rб1=Rб2=Rб, а Cб1=Cб2=Cб. Для работы схемы необходимо выполнить условие Rк>Rб/h_21э. Длительность импульса в такой схеме будет определяться tи = RбCбln2 = 0,7RбCб, а период в два раза больше. Таким образом, существует жесткая взаимосвязь меж­ду элементами схемы и для выполнения налагаемых условий прихо­дится жертвовать длительностью фронта импульса, которая опреде­ляется величиной tф = 3RкCб. Для улучшения фронта импульса не­обходимо исключить протекание зарядных токов через коллекторный резистор. Для этого параллельно коллекторным резисторам включа­ют зарядные резисторы Rз2 и Rз1, а также блокировочные диоды (рис.8.2,б). При этом, если транзистор закрывается, то закрыва­ется и соответствующий диод, а конденсатор заряжается через за­рядный резистор, величина которого не связана с возбуждением мультивибратора и может быть много меньше, чем Rк. Длительность фронта в этом случае определяется как tф = 3RзCб. Длительность среза выходного импульса меньше длительности фронта и опреде­ляется скоростью переключения транзистора.

Очень часто мультивибраторы, применяемые в качестве за­дающих генераторов, выполняются на логических элементах. Один из таких мультивибраторов показан на рис.8.3,а. В нем исполь­зуются двухвходовые элементы И-НЕ. Если на выходе элемента DD1 имеется высокий уровень напряжения, то конден­сатор C1 начинает заряжаться через резистор R2. Ток заряд поддерживает высокий уровень напряжения на входах DD2, что обеспечивает нулевой уро­вень на его выходе. По мере заряда конденсатора ток уменьшает­ся, снижается падение напряжения на резисторе R2 и при достиже­нии порога срабатывания на выходе DD2 появится высокий потенци­ал. конденсатор C2 передаст перепад напряжения на вход DD1 и на выходе этого элемента уровень напряжения снизится до уровня ло­гического нуля. Это обеспечивает замыкание петли положительной обратной связи, что приводит к опрокидыванию схемы. Через диод и низкое выходное сопротивление логического элемента протекает ток разряда конденсатора. Длительность импульса в такой схеме может быть определена из соотношения

U1вых

tи = RC ln-------- .

Uпор

Здесь U1 и Uпор - напряжение логической единицы и поро­говое напряжение используемых микросхем. Можно считать, что U1вых = 2Uпор. При изменении напряжения питания несколько изме­нятся и уровни напряжений в схеме, что приведет к изменению параметров импульсов.

На рис.8.3,б представлен мультивибратор, стабилизирован­ный кварцем. Если вместо кварца ZQ поставить емкость, то полу­чится схема мультивибратора с невысокой стабильностью частоты. Логи­ческие элементы (которые можно рассматривать как усилители с бесконечно большим коэффициентом усиления) инвертируют сиг­нал, поэтому схема представляет собой усилитель с бесконечно большим коэффициентом усиления, охваченный положительной об­ратной связью. Резистор R1 переводит микросхему DD1 в режим усиления, то есть смещает рабочую точку на крутой участок передаточной характеристики за счет изменения начального смеще­ния на логическом элементе. Это обеспечивает мягкий режим само­возбуждения. Значение этого резистора для ТТЛ-схем составляет обычно около 300 Ом. Этот же резистор совместно с емкостью определяет параметры импульса мультивибратора.

Если в схеме используется кварцевый резонатор, то ситу­ация меняется кардинально. Кварцевый резонатор является высоко­добротным фильтром, частотные свойства которого определяются геометрическими размерами и и типом колебаний его пластины. Под воздействием внешнего напряжения в кварцевой пластине возникают механические колебания, частота которых определяется геометри­ческими размерами пластины.

Рис.8.4. Эквивалентная схема

Эквивалентная схема кварцевого резонатора (рис.8.4) может быть представлена в виде колеба­тельного контура с двумя резонансами: последова­тельным и параллельным . Вообще говоря, частоты этих резонансов не очень отличаются друг от дру­га, но сопротивления на резонансной частоте, естественно, диаметрально противоположны.

В схеме рис.8.3,б используется последовательный резонанс, на котором сопротивление стремится к нулю. Положительная обрат­ная связь, возникающая только на частоте последовательного ре­зонанса, приводит к появлению автоколебаний. Так как доброт­ность резонатора очень велика, то форма колебаний должна быть близка к синусоидальной. Реально добротность кварца не столь велика, как хотелось бы. Поэтому условие баланса амплитуд вы­полняется и на гармониках основного сигнала. Кроме того, в кварце могут возникать дополнительные виды колебаний со своими резонансными частотами. Поэтому форма колебаний в таком гене­раторе существенно отличается от синусоидальной и скорее может быть определена как искаженная синусоида. Частота колебаний, даже не очень идеальных по своей форме, полностью определяется свойствами кварцевого резонатора и практически не зависит от внешних условий, то есть от напряжения питания, температуры и т.д.