3.2. Аналоговые генераторы прямоугольных импульсов

Наиболее простые генераторы импульсов (мультивибраторы) обычно строят, охватывая ОУ цепями положительной и отрицательной обратными связями (ПОС и ООС), причем действие ПОС должна опережать действие ООС. Тогда цепь ПОС обеспечивает лавинообразный переход мультивибратора из одного состояния в другое, а цепь ООС совместно с ПОС ограничивает время пребывания устройства в каждом из состояний,

На рис.3.2,а показан один из вариантов построения такого мультивибратора [14, 15]. Цепь ПОС в этой схеме выполнена на элементах R₁,R₂, а цепь ООС содержит пассивный интегратор С, R₃. Коэффициент передачи по петле ПОС в этой схеме определяется формулой β_п= R₁(R₁+R₂). На рис.3.2б представлена временная диаграмма работы мультивибратора.

Рис. 3.2. Типовые схемы мультивибраторов на ОУ

Поскольку коэффициент передачи по ПОС (с выхода на неинвертирующий вход) определяется выражением β_п= R₁(R₁+R₂), то на неинвертирующий вход поочередно подается положительное U⁺ или отрицательное U^– выходное напряжение величиной βU⁺ или βU^–. Выходным сигналом положительной полярности через резистор R₃ конденсатор заряжается, а выходным сигналом отрицательной полярности разряжается. Когда напряжение на заряжающемся конденсаторе U_с(t) достигает и затем начинает превышать величину βU⁺, то на инвертирующем входе потенциал становится более положителен, чем на неинвертирующем, и ОУ лавинообразно по своему выходу переходит в отрицательную область, формируя сигнал U^–. Конденсатор через резистор R₃ выходным напряжением начи­нает разряжаться до величины βU^–, после чего начинает преобладать напряжение на неинвертирующем входе по отношению к инвертирующему и ОУ переходит в область положительного выходного напряжения U⁺.

Длительность импульсов генератора можно найти, пользуясь выражением для напряжения на конденсаторе в процессе его перезаряда

, (3.1)

где – напряжение на конденсаторе, которое должно установиться на конденсаторе при t стремящемся к бесконечности;

– напряжение на конденсаторе в момент начала процесса перезаряда;

τ – постоянная времени цепи перезаряда.

Для интервала времени t₀, t₁ для схемы рис.3.2а на основании (3.1) получаем

(3.2)

В момент времени t₁ справедливо соотношение

U_c(t₁) = βU⁺. (3.3)

Совместное решение уравнений (3.2) и (3.3) позволяет определить длительность импульса положительной полярности [t₀÷t₁]

t⁺= R₃Cln[(U⁺+βU^–)/( U⁺–βU⁺)] (3.4)

Для интервала [t₁÷t₂] выражение 3.1 преобразуется

Считая, что начало процесса перезаряда начинается со времени t₁ определим продолжительность отрицательного импульса

t^– = R₃Cln[(U^–+βU⁺)/( U^––βU^–)] (3.5)

Период повторения импульсов определяется отношением

T=t₁+t₂.

Скважность импульсов определяется отношением

Q=Т/t₁.

При симметричном напряжении питания ОУ |U⁺|=|U^–|, тогда справедливо соотношение

t₁=t₂=R₃ln(1+2R₁/R₂);

T=2t₁; Q=2.

В мультивибраторе, собранном по схеме рис.3.2в, цепь ПОС выполнена как дифференцирующая (элементы С₁ R₁ R₃), а цепь ООС образована резистивным делителем R₂R₁. Для этой схемы β_П=R₃/(R₃+R₄), a β₀=R₁/(R₁+R₂). Введем постоянную времени, определяемую по формуле:

τ = С(R₃+R₄).

Тогда справедливо выражение

Т= 2τln[2/(β_П/β₀)-1].

Мультивибратор по схеме 3.2в работоспособен при β_П>β₀, т.е. должно выполняться cooтношение R₃/R₄>R₁/R₂ Нестабильность длительности генерируемых колебаний в рассматриваемых схемах определяется нестабильностью источников питания. Для реализации мультивибраторов, генерирующих импульсы с различной скважностью, используют раздельные цепи перезаряда ёмкости от напряжений U⁺ и U^–. Пример такого мультивибратора приведен на рисунке 3.2г.

Разделение цепей производится диодами VD1 и VD2. При формировании сигнала U⁺ конденсатор заряжается через диод VD1 и резистор R₃ с постоянной времени R₃C, при этом диод VD2 заперт. Конденсатор заряжается до момента времени t₁, когда напряжения на обеих входах ОУ станут равны и далее на выходе усилителя сформируется сигнал U^–. Если пренебречь влиянием падения напряжения на открытом диоде VD1, то, подставляя в выражение (3.4) постоянную времени R₃C и учитывая что |U⁺| = |U^–|, получим

t⁺ = R₃Cln(1+2(R₃/R₂)).

Когда на выходе ОУ сформировано напряжение U^–, диод VD1 запирается, а конденсатор перезаряжается через открытый диод VD2 и резистор R₄, при этом

t^– = R₄Cln(1+2(R₁/R₂));

T=(R₃+R₄)Cln(l+2(R₁/R₂));

Q=1+(R₃/R₄)

Регулируя соотношения между R₃ и R₄ можно изменять скважность, а изменяя сопротивление резисторов R₁ или R₂, можно управлять периодом или частотой следования импульсов. Диапазон регулировки T лежит в интервале [10…10^-6]с, a Q регулируется от 100 до 0,01. Относительная погрешность частоты следования сигналов зависит от стабильности напряжений питания, воздействия внешних факторов (особенно температуры) и колеблется от 0,5 до 1%.

Расчёт параметров элементов мультивибраторов рекомендуется производить по следующей схеме.

Исходными данными для расчёта являются t_u (для симметричного мультивибратора), t_u1, и t_u2 - для несимметричного мультивибратора. Обычно задают величину Кδ, обеспечивающую безопасный режим работы входных цепей, поскольку превышение дифференциального входного напряжения, равного для схем 3.2,а,г |U_н| = |U_и|, может привести к пробою р-n переходов входных транзисторов ОУ. Величина Кδ для приведённых схем определяется соотношением R₁ и R₂. Дальнейший расчет включает следующие шаги:

– задаются величиной С, исходя из того, что более длительные процессы обеспечиваются большими величинами емкости;

– задаются сопротивлением R₁, и относительно него рассчитывают сопротивление R₂, причём учитывается нагрузочная способность ОУ, которая требует выполнения неравенства R₂+R₁>>R_нmin, a R₂=R₁/ Кδ;

– рассчитывают величину

R₃=t_ul /[Cln(1+2(R₁/R₂))];

-дополнительно для несимметричного мультивибратора рассчитают величину R₄, по формуле

R₄=t_u2/[Cln(l+2(R₁/R₂))J.

Ждущие мультивибраторы или одновибраторы - это генераторы прямоугольных импульсов заданной длительности, которые формируются в ответ на запускающий импульс произвольной длительности. Такие генераторы не сложно получить из автоколебательных, если последние затормозить в каком либо устойчивом состоянии и снабдить цепью запуска, выводящей их в другое состояние на заданное время.

На рис. 3.3, а приведена схема одновибратора, которая получена модификацией схемы мультивибратора на рис. 3.2, а. В этой схеме заторможенный режим обеспечивается диодом VD1, а цепь запуска выполнена на элементах С₂, R₄, VD2. Ждущий режим одновибратора обеспечивается тем, что при формировании на выходе ОУ положительного напряжения U⁺ диод VD1 отпирается и конденсатор заряжен до небольшого положительного напряжения, равного падению напряжения на открытом диоде, т.е. U_с=U_до. Это напряжение меньше, чем то напряжение, которое формируется на неинвертирующем входе через делители R₂, R₁ от выходного напряжения U⁺. Таким образом, одновибратор сохраняет на выходе положительный потенциал U⁺ (рис.3.3,б).

Рис. 3.3. Типовая схема ждущего мультивибратора на ОУ

При появлении заднего фронта запускающего импульса дифференцирующегося цепью С₂R₄ появляется отрицательный "всплеск", который через открытый диод VD2 поступает на неинвертнрующий вход ОУ. Этот потенциал больше потенциала на инвертирующем входе, в результате чего на выходе ОУ формируется отрицательный потенциал U^–, который запирает диод VD1, а конденсатор C₁ через R₃, начинает заряжаться от выходного напряжения U^–. Когда напряжения на обоих входах выровняются, одновибратор возвратится в ждущий режим. При этом время импульса t_и определяется по формуле (3.5), т.е. будет справедливо (без учёта падения напряжения на УD1) соотношение или с учетом падения напряжения на VD1 более точно .

Расчёт параметров ждущих мультивибраторов рекомендуют производить по той же схеме, что и автоколебательных мультивибраторов, а для ли дифференцирующей цепочки рекомендуется С₂=100пф, R₄=10K [49].

Управляемые мультивибраторы - это мультивибраторы, в которых с помощью входного напряжения осуществляется управление параметрами автоколебаний. На рис. 3.4a приведена схема, которая позволяет включать или выключать режим генерации с помощью входного напряжения. Если U_вх<0, то схема находится в состоянии отрицательного ограничения, диод VD при этом закрыт. Когда входное напряжение положительно, выходное напряжение становится положительным, диод VD открывается, включая цепь ООС, что переводит схему в режим автоколебаний. Условием возникновения автоколебаний является превышение глубины ПОС над глубиной ООС, что достигается выполнением условия R₃/R₄>R₁/R₂

Рис. 3.4. Типовые схемы мультивибраторов (а, б) и временной селекции (в)

Если в устройстве рис. 3.4,а заменить полярность диода, то оно будет генерировать импульсы при U_вх <0. Если в таком устройстве исключить диод из цепи (ООС, то автоколебания будут существовать пока выходное напряжение находится в границах линейного участка амплитудной характеристики ОУ. В противном случае на выходе ОУ устанавливается положительное напряжение при U_вх>0 или отрицательное (при U_вх<0)

На рис. 3.4б приведена схема, в которой с помощью входного напряжения осуществляется управление частотой автоколебаний. Здесь заряд конденсатора осуществляется от входного сигнал , ОУ находится в положительном ограничении, диод VD закрыт. Когда под воздействием входного сигнала напряжение на инвертирующем входе достигает напряжения, задаваемого на неинвертирующем входе цепью ПОС, ОУ перейдет в состояние U^-, диод VD откроется и произойдет разряд С через R₂, а схема возвращается в исходное состояние U⁺ и т.д. Таким образом, длительность заряда определяется величиной U_вх. Если сделать длительность разряда С достаточно малой, то частота колебаний будет в основном определятся величиной U_вх. Для этого требуется, чтобы , где U_вых - напряжение устойчивого состояния ОУ. Автоколебания в этой схеме осуществляются при выполнении условий

и .

Эта схема представляет собой простейший преобразователь напряжения – частоты (ПНЧ, со схемотехникой которых более подробно можно познакомиться в работах [3, 18]

В [7] приводится пример использования ждущих мультивибраторов для реализации схемы временной селекции T зубца в электрокардиосигнале (рис.3.4в). Эта схема используется в электронном выделителе R-зубца для его блокировки, когда в электрокардиосигнале Т-зубец по амплитуде превышает R-зубец, что может привести, например, к ложному определению R-R интервалов. Временной селектор Т-зубца вырабатывает блокирующие импульсы, длительность которых является функцией R-R интервала. Ждущий мультивибратор МВ1 формирует импульс постоянной длительностью τ=80-100мс. Мультивибратор МВ2 собран по схеме управляемого ждущего мультивибратора, длительность импульса которого пропорциональна длительности R-R интервала (0.25 RR). Мультивибратор МВ1 запускается от схемы выделения R-зубца, например, компаратором R-зубца. По переднему фронту импульса, вырабатываемого МВ1, триггер Тг устанавливается в состояние единицы (см. временные диаграммы на рис. 3.5).

От заднего фронта сигнала с МВ1 запускается мультивибратор МВ2, который формирует импульс длительностью 0.25 RR предыдущего периода. Задний фронт импульса с МВ2 возвращает триггер в исходное состояние. Таким образом на выходе схемы формируется сигнал U_вых, длительность которого определяется как сумма длительностей импульсов с МВ1 и МВ2, то есть τ_с=τ+0.25RR.

Рис. 3.5. Временные диаграммы работы временного селектора