Генераторы импульсов

Одним из способов получения импульсного колебания является периодический заряд времязадающего конденсатора через резистор или генератор стабильного тока с последующим его разрядом, когда напряжение на конден­саторе достигает некоторого порогового значения . Генераторы, построен­ные по такому принципу, называются релаксационными. Простейшими из них являются мультивибраторы, вырабатывающие импульсы прямоугольной фор­мы.

Мультивибраторы работают в одном из трех режимов: ждущем, автоколебательном и синхронизации. В первом случае мультивибратор вырабатывает импульсы требуемой длительности под действием внешних запускающих сиг­налов (рис.4.1,а) В автоколебательном режиме (рис.4.1,б) мультивибратор без какого-либо внешнего воздействия генерирует периодическое колебание, параметры которого (часто­та, длительность импульсов) определяются внутренними параметрами схемы.

Рисунок 4.1

Режим синхронизации (рис.4.1,в) отличается от автоколебательного наличием внешнего периодического синхронизирующего сигнала, который определяет частоту выходных импульсов мультивибратора.

Основу мультивибраторов составляют усилительные каскады, охваченные цепью положительной обратной связи (ПОС) с помощью времязадающих RC'-цепей. Цепь ПОС обеспечивает лавинообразное переключение мультивиб­ратора из одного состояния в другое. Усилительными элементами в мульти­вибраторах могут служить транзисторные каскады, операционные усилители, цифровые логические элементы.

Мультивибраторы на основе операционных усилителей

При построении мультивибраторов на операционных усилителях (ОУ) в ка­честве усилительного элемента с ПОС используется триггер Шмитта (рис.4.2,а).

Рисунок 4.2

Триггер Шмитта является пороговым элементом, уровни включения и выключения которого не совпадают:

= - , = ,

где - , максимальное и минимальное напряжение на выходе ОУ.

Разница между порогами включения и выключения триггера называют гистерезисом переключения

= .

Гистерезис достигается тем, что ОУ охвачен ПОС через делитель напряжения , . Наличие ПОС обеспечивает быстрое переключение триггера из одного состояния в другое независимо or скорости изменения входного сигна­ла.

Если к инвертирующему входу приложено отрицательное напряжение < , выходное напряжение ОУ максимально: U₂ = . Потенциал на неинвертирующем входе будет составлять

= .

При увеличении входного напряжения выходное напряжение не изменяется, пока выполняется неравенство < . Но как только достигает зна­чения , выходное напряжение ОУ снизится до величины - . Потенциал на неинвертирующем входе принимает значение

= - .

Разность напряжения между входами - будет отрицательной и значительной по абсолютной величине, что обеспечивает стабильность нового со­стояния ОУ. Теперь выходное напряжение изменится до + только тогда, ко­гда входное напряжение достигнет величины .

Д

Рисунок 4.3

ля того, чтобы схема имела два устойчивых состояния равновесия, коэффициент петлевого усиления K должен быть больше 1, где К - коэффициент усиления ОУ. Триггер Шмитта часто используют в качестве преобразователя медленно изме­няющегося напряжения произвольной формы в прямоугольные колебания (рис.4.3). Достоинство триггера Шмитта как форми­рователя перед обычным компаратором за­ключается в том, что существенно снижа­ется вероятность многократных переклю­чений (дребезга) устройства, возникающих из-за наложения на входной сигнал слу­чайных помех (рис.4.4).

К

Рисунок 4.4

омпаратор пере­ключается при каждом пересечении вход­ным напряжением порогового уровня , поэтому на его выходе в момент приближе­ния к появляется серия импульсов. Триггер Шмитта реагирует только на первое пересечение входным напряжением уровня . Следующее переключение триггера произойдет, когда входное напряжение ста­нет много меньше, чем .

Автоколебательный мультивибратор на основе ОУ состоит из триггера Шмитта и времязадающей RC-цепочки (схе­ма на рис.4.5,а). Напряжение ( на инвертирующем входе равно напряжению на конденсаторе С, а на неинвертирующем входе выходному напряжению ОУ, поделенному с помощью резисторов . Выходное напряжение ОУ U₂ (рис.5,б) принимает два значения , - . Под действием этого напряжения на конденсаторе изменяется по экспоненциальному закону с постоянной времени = RC:

.

К

Рисунок 4.5

огда напряжение на инвертирующем входе достигает порога срабатывания (момент времени ), ОУ переключается из состояния U₂ = + в противо­положное: U₂ = - .

На не инвертирующем входе устанавливается напряжение = . Конденсатор С перезаряжается, напряжение на нем стремится к уровню . При достижении напряжением уровня ОУ переключается в состояние

U₂ = + (момент , рис.4.5,6). Теперь конденсатор перезаряжается в противоположном направлении, напряжение стремится к уровню + и т.д. В схеме существуют незатухающие периодические колебания. Длительность полупе­риода колебания определяется временем перезаряда конденсатора от уровня до уровня (и наоборот)

t =2 = = 2RC .

Период колебаний

T =2 =2RC .