Мультивибраторы на логических элементах

Для построения мультивибраторов можно использовать логические элементы всех типов - ТТЛ, ЭСЛ, КМОП. Схема ждущего мультивибратора на элементах И-НЕ ТТЛ-типа показана на рис. 4.6,а.

Мультивибратор выполнен на двух логических элементах, охваченных цепью ПОС. Одна из перекрестных цепей обратной связи является гальваниче­ской (с выхода на вход ), а вторая – резисторно-емкостной с помощью

в

Рисунок 4.6

ремязадающей цепочки RC (с выхода на вход ). Входы схемы через резистор R соединены с общей шиной. В исходном статистическом со­стоянии на них действует низкий потенциал < =0,4 В, который поддержи­вает элемент в состоянии логической 1 на входе. Высокий потенциал с выхода элемента по цепи гальванической связи передается на вход , на втором входе которого действует высокий уровень напряжения > от генератора запускающих импульсов. Выходное напряжение схемы низкое <=0,4 В. Переключение ТТЛ элементов из одного статистического состоя­ния в другое происходит при достижении входным напряжением порогового уровня 1,4 В.

Запускается мультивибратор импульсом отрицательной полярности (рис.6,б). Под его воздействием элемент переключается в состояние 1 на выходе. Во время быстрого переключения напряжение на конденсаторе прак­тически остается неизменным и возникший на выходе элемента положи­тельный перепад напряжения величиной - передается на входы элемента , приводя его в состояние 0 на выходе. Низкий потенциал с выхода схемы передается на вход элемента и поддерживает его в состоянии высоко­го потенциала на выходе после окончания действия запускающего импульса. Новое квазиустойчивое состояние сохраняется благодаря протеканию через ре­зистор R зарядного тока конденсатора С. Источником зарядного тока являет­ся высокий выходной потенциал элемента тока (выходное сопротивление логического элемента полагаем =0). По мере заряда конденсатора заряд­ный ток убывает по экспоненциальному закону с постоянной времени RC. При этом напряжение =R уменьшается и в момент достигает порогового уровня . Замыкается цепь ПОС, вызывая обратное переключение элемен­тов: в состояние 1, в состояние 0 на выходе. На выходах логических элементов формулируются импульсы прямоугольной формы длительностью

= RC

Величины , , зависят от напряжения питания микросхем и температуры окружающей среды, что является причиной низкой стабильности дли­тельности импульсов мультивибратора. Так, колебания напряжения питания на 10% вызывают изменения длительности на 13-15%.

После образного переключения логических элементов конденсатор разряжается до уровня . Разрядный ток протекает по той же внешней цепи, что и зарядный, только в обратном направлении.

Е

Рисунок 4.7

сли в ждущем мультивибраторе цепь гальванической связи заменить резисторно-емкостной, получим схему автоколебательного мультивибратора (рис.4.7, а)

Мультивибратор имеет два квазиустойчивых состояния равновесия, в которых он удерживается поочередным зарядом конденсаторов и через ре­зисторы и . Во время заряда (интервал - рис.4.7,б) ток создает на ре­зисторе положительное напряжение, превышающее , элемент нахо­дится в состоянии 0 на выходе. Напряжение на входе элемента в это время не превышает уровня логического 0 и на выходе элемента напряжение = . По мере заряда конденсатора входное напряжение логического эле­мента уменьшается по экспоненте с постоянной времени и в мо­мент достигает порогового значения . Элемент переходит в активное состояние.

Изменения его выходного напряжения через емкость передается на вход элемента и приводит его в активный режим. Замыкается цепь ПОС, под действием которой происходит лавинообразное переключение логических элементов: в состояние 1, в состояние 0 на выходе. Во время переклю­чения напряжения на входе элемента скачком возрастает до уровня , а затем уменьшается по экспоненте с постоянной времени по мере за­ряда конденсатора . Очередное переключение элементов произойдет в мо­мент , когда напряжение сравняется с пороговым и т.д. Период колебаний, вырабатываемых мультивибратором, определяется соотношением

T = .

По тем же причинам, что и в ждущем мультивибраторе, стабильность па­раметров генерируемого колебания невысокая.

Генераторы сигналов гармонической формы

Гармонические (синусоидальные) колебания являются наиболее распро­страненным классом сигналов. Гармонический сигнал U(t) = sin(2 + ) характеризуется амплитудой , частотой и начальной фазой . Для получения синусоидальных колебаний ши­роко используются LC - колебатель­ные системы, чаше всего параллель­ные колебательные контура. Зависи­мость сопротивления параллельного контура от частоты показана на рис.4.8.

Н

Рисунок 4.8

а резонансной частоте сопротивление контура макси-мально: R_oe=L/rC. Принцип получения гармонических колебаний заключается в компенсации потерь в LC-контуре с помощью усилителя, охваченного цепью ПОС.

С

Рисунок 4.9

труктурная схема генератора показана на рис.4.9. Усилитель и цепь ОС характеризуются коэффициентами пере­дачи. / , / . Услови­ем генерации замкнутой системы явля­ется равенство выходного напряжения цепи обратной связи и входного на­пряжения усилителя . Условие запи­сывается в виде

= = .

Отсюда коэффициент петлевого усилителя

=1

Из этого соотношения следуют два условия:

- баланс амплитуд;

=2 - баланс фаз,

где - фазовые сдвиги, вносимые усилителем и цепью ОС.

Выполнение условия баланса амплитуд гарантирует компенсацию потерь в контуре, а баланс фаз - положительный характер обратной связи.

Рассмотрим LC - генератор на ОУ (рис.4.10). ОУ, включенный по схеме не инвертирующего усилителя, имеет коэффициент усилителя К*=А.

Рисунок 4.10

Согласование низкоомного выхода ОУ с высокоомным сопротивлением LC - контура осуществляется резистором R. Для схемы справедливо уравнение, записанное на основе закона Кирхгофа для точки а:

Так как U₂=A , уравнение примет вид

.

Это дифференциальное уравнение 2 порядка имеет решение

А = К*=1+ ,

где - =(1-А)/2RC, .

При А<1, >0 амплитуда колебаний в контуре падает по экспоненциальному закону (затухающие колебания), что эквивалентно нарушению условия ба­ланса амплитуд. Баланс амплитуд вы­полняется при А=1, =0, и колебания в контуре имеют незатухающий ха­рактер с постоянной амплитудой и частотой . Нарастание колебаний в контуре после включения питания схемы (самовозбуждение) возможно лишь при А>1. В этом случае после подачи питания амплитуда колебаний будет на­растать до тех пор, пока усилитель не войдет в режим ограничения и коэффициент усиления не уменьшится до значения К=1. Форма колебаний на выходе ОУ будет отличаться от синусоидальной. При высокой добротности Q = /r, = ко­лебательный контур обладает хорошими избирательными свойствами - выделяет основную гармонику и подавляет все кратные частоты (2 , 3 ...). Поэтому форма напряжения на LC - контуре будет близка к синусоидальной даже при глубо­ком ограничении усилителя. Стабильность частоты генератора определяется в ос­новном стабильностью элементов L и С и составляет / = . Для получения более высокой стабильности частоты / < используют кварцевые резона­торы.