18.5. Мультивибраторы

Если главной задачей является получение прямоугольного напряжения, а линейность треугольного напряжения не играет особой роли, описанные выше схемы функциональных генераторов можно значительно упростить. Такие упрощенные схемы обычно называют мультивибраторами. Простейшая схема мультивибратора, состоящая из двух транзисторов уже была рассмотрена в гл. 8. В этом разделе будет описано еще несколько схемных реализации мультивибраторов, выполненных в основном на интегральных микросхемах.

18.5.1. НИЗКОЧАСТОТНЫЕ МУЛЬТИВИБРАТОРЫ

Мультивибратор, изображенный на рис. 18.32, состоит из инвертирующего триггера Шмитта, охваченною обратной связью с помощью фильтра нижних частот.

Когда потенциал на N-входе достигает порога срабатывания триггера Шмитта, схема переключается и ее выходное напряжение скачком принимает противоположное предельное значение. При этом потенциал на N-входе начинает изменяться в противоположную сторону, пока не достигнет другого порога срабатывания. Схема переключается в первоначальное состояние. Временная диаграмма работы схемы показана рис. 18.33.

Согласно изложенному в разд. 17.6.1, уровни срабатывания триггера Шмитта

Анализ схемы мультивибратора позволяет записать дифференциальное уравнение для V_N

При начальных условиях V_N (t = 0) = Ueвкл-Uмахс решение

Рис. 18.32. Мультивибратор на базе операционного усилителя.

Рис. 18.33. Временная диаграмма работы мультивибратора.•

этого дифференциального уравнения имеет вид

Значение напряжения, равное порогу срабатывания триггера Шмитта, будет достигнуто спустя время

Период колебаний мультивибратора, таким образом, равен

Мультивибратор на базе прецизионного триггера Шмитта

С помощью схемы прецизионного триггера Шмитта, изображенного на рис. 17.36, можно построить универсальный мультивибратор с высокой стабильностью частоты выходного напряжения. При этом на частотах до 20 кГц может использоваться интегральная микросхема таймера типа 555. На более высоких частотах может применяться сдвоенный компаратор, выпускаемый в интегральном исполнении под названием NE 521, который включается аналогично с помощью нескольких внешних .элементов. (См. разд. 17.6.3.)

Схема прецизионного мультивибратора представлена на рис. 18.34. Номера выводов указаны для микросхемы таймера типа 555. При помощи внутреннего делителя напряжения R₃ пороги срабатывания триггера Шмитта установлены равными l/3V⁺ и 2/3V⁺. Используя вывод 5 микросхемы, эти значения можно изменять в некоторых пределах. Когда потенциал на конденсаторе С достигнет верхнего порога срабатывания, сигнал R установится на низком уровне L. Выходное напряжение RS-тригтера также установится на низком уровне L, и транзистор T откроется. Конденсатор С при этом станет разряжаться через резистор R₃ до тех пор, пока напряжение на нем не достигнет нижнего порога срабатывания, равного l/3V⁺. Это произойдет за время

После дoстижения нижнего порога срабатывания триггера Шмитта сигнал S примет значение L и RS-триггер опрокинется в обратную сторону. Выходное напряжение RS- триггера установится на высоком уровне Н, и транзистор Т закроется. При этом начнется заряд конденсатора через два последовательно включенных резистора R₁ и R₂ Напряжение на конденсаторе опять достигнет верхнего порога срабатывания за время

Частота выходного напряжения мультивибратора составит

Рис. 18.34. Мультивибратор на основе ИС таймера 555.

Рис. 18.35. Временная диаграмма работы мультивибратора на основе ИС таймера 555.

Временная диаграмма напряжений мультивибратора представлена на рис. 18.35. При подаче нулевого сигнала на вход сброса 4 генерацию можно остановить.

Путем подачи на вход 5 некоторого напряжения можно изменить пороги срабатывания триггера Шмитта. При этом изменится время заряда конденсатора ti, а вместе с ним и частота генерации f. Если потенциал V₅ = 2/3V⁺ изменить на величину V₅, то относительное изменение частоты будет равно

При небольших изменениях напряжения на входе 5 можно таким образом осуществлять частотную модуляцию выходного напряжения с приемлемой линейностью.

Микросхема таймера типа 555 также может успешно применяться для формирования одиночных импульсов. Длительности импульсов выдержки времени могут изменяться от 1 мкс до нескольких минут. Соответствующее включение этой микросхемы показано на рис. 18.36.

Когда напряжение на конденсаторе достигает верхнего порога срабатывания схемы, RS-триггер сбрасывается в нулевое состояние и выходное напряжение схемы устанавливается на уровне L. Транзистор Т открывается и разряжает конденсатор. Так как нижний по схеме компаратор не подключен к конденсатору, схема остается в этом состоянии до тех пор, пока RS-триггер не опрокинется в единичное состояние, т.е. пока на вход 2 схемы не придет импульс L-уровня. Длительность импульса выходного напряжения равна времени, в течение которого напряжение на конденсаторе увеличивается от нулевого значения до величины верхнего порога срабатывания триггера Шмитта, равного

Рис. 18.36. Реле времени на основе ИС таймера 555.

2/3 V ^+. Оно составляет

Рис. 18.37. Временная диаграмма работы реле времени.

Если в течение этого времени на вход 2 придет еще один запускающий импульс, то триггер останется в единичном состоянии, т.е. повторный запуск во время заряда конденсатора схемой игнорируется. На рис. 18.37 представлена временная диаграмма работы формирователя одиночных импульсов.

Разряд конденсатора С после окончания выдержки времени осуществляется не мгновенно, так как коллекторный ток транзистора имеет ограниченную величину. Время, необходимое для разряда конденсатора, называется временем восстановления. Если в этот период придет запускающий импульс, то величина выдержки времени сократится. В этом случае величина выдержки времени не может обеспечиваться с достаточной точностью.

Реле времени с перезапуском

Иногда отсчет выдержки времени нужно производить не по первому импульсу из серии, как это осуществлено в предыдущей схеме, а по последнему. Схемы, построенные по такому принципу, называются реле времени с перезапуском. Соответствующее включение микросхемы таймера 555 показано на рис. 18.38. В этой схеме реле времени также используются свойства микросхемы как прецизионного триггера Шмитта.

Рис. 18.38. Реле времени с перезапуском.

Рис. 18.39. Временная диаграмма работы реле времени с перезапуском.

Когда напряжение на конденсаторе достигает верхнего порога срабатывания, выходное напряжение RS-триггера падает скачком до L- уровня. Тем не менее конденсатор при этом не разряжается, так как транзистор T к нему не подключен. Напряжение на конденсаторе продолжает нарастать до величины V⁺. В таком состоянии схема остается до прихода очередного запускающего импульса. Этот импульс прямоугольной формы и достаточной длительности подается на базу транзистора T который при этом разряжает конденсатор; нижний по схеме компаратор устанавливает RS-триггер в единичное состояние. Начинается отсчет времени. Если в этот период на вход схемы поступит еще один запускающий импульс, то конденсатор окажется снова разряженным, на выходе RS-триггера останется напряжение L-уров-ня, а отсчет времени начнется сначала. Схема при этом переключится в исходное состояние только спустя время

после прихода последнего импульса. Благодаря такому свойству рассмотренная схема называется также детектором подавления импульсов. Диаграмма напряжений схемы для случая прихода серии запускающих импульсов представлена на рис. 18.39

18.5.2. ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ МУЛЬТИВИБРАТОРЫ

Для генерирования прямоугольных импульсов с частотой свыше 200 кГц можно использовать схемы, работающие по тому же принципу, что и схема на рис. 18.32. Как показано на рис. 18.40, в качестве компаратора в таких схемах используют простейший дифференциальный усилитель.

Положительная обратная связь в схеме триггера Шмитта обеспечивается непосредственным соединением выхода усилителя с его Р-входом, т,е. сопротивление резистора R₂ в делителе напряжения выбирают равным нулю. Согласно формуле (18.16), в такой схеме должен был бы получиться бесконечно большой период колебаний, однако это не совсем так. При выводе этого уравнения предполагалось, что усилитель, используемый в качестве компаратора, имеет бесконечно большой коэффициент усиления, т.е. что процесс переключения схемы происходит при разности входных напряжений, равной нулю. В этом случае порог переключения схемы будет равен выходному напряжению, и напряжение на конденсаторе С достигнет этой величины только за очень большое время.

Рис. 18.40. Мультивибратор на базе дифференциального усилителя.

Схема дифференциального усилителя, на базе которой выполнен генератор на рис. 18.40, имеет довольно низкий коэффициент усиления. По этой причине схема переключится еще до того, как разность входных сигналов усилителя станет равной нулю. Если, например, такую схему реализовать, как показано на рис. 18.41, на базе линейного усилителя, изготовленного по ЭСЛ- технологии (например, на базе интегральной микросхемы МС 10116), то разность входных сигналов, при которой происходит переключение схемы, составит -около 150мВ. При амплитуде выходного напряжения около 850 мВ, типичной для схем, выполненных на базе ЭСЛ- технологии, период импульсов генерируемого сигнала равен

Рассмотренная схема позволяет генерировать импульсное напряжение с частотой до 50 МГц.

Аналогичный генератор может быть также выполнен на основе ТТЛ- схем. Для этих целей подходит готовая микросхема-триггер Шмитта (например, 7414 или 74132), так как она уже имеет внутреннюю положительную обратную связь. Соответствующее включение такой микросхемы показано на рис. 18.42. Так как через резистор R триггера Шмитта должен протекать входной ток ТТЛ- элемента, то его сопротивление не должно превышать 470 Ом. Это необходимо для уверенного переключения схемы на нижнем пороге срабатывания. Минимальная величина этого сопротивления определяется выходной нагрузочной способностью логического элемента и равняется около 100 Ом. Пороги срабатывания триггера Шмитта составляют 0,8 и 1,6 В. Для амплитуды выходного сигнала около 3 В, типичного для ИС ТТЛ- типа, частота импульсов генерируемого сигнала равна

Рис. 18.41. Мультивибратор на основе линейного усилителя, выполненного по ЭСЛ- технологии.

Максимально достижимое значение частоты составляет около 10 МГц.

Наиболее высокие частоты генерации достигаются при использовании специальных схем мультивибраторов с эмиттерными связями (например, микросхемы 74S 124 или МС1658). Принципиальная схема такого мультивибратора представлена на рис. 18.43. Кроме того, указанные интегральные микросхемы снабжены дополнительными оконечными каскадами, выполненными на базе ТТЛ- или ЭСЛ- схем.

Рассмотрим принцип действия схемы. Допустим, что амплитуда переменных напряжений во всех точках схемы не превышает величины Uss= 0,5 В. Когда транзистор T₁ закрыт, напряжение на его коллекторе практически равно напряжению питания. Напряжение на эмиттере транзистора T₂ составляет (V⁺ — 1,2) В. Ток эмиттера

Рис. 18.42. Мультивибратор на основе триггера Шмитта, выполненного по ТТЛ- технологии.

Рис. 18.43- Мультивибратор с эмиттерными связями.

транзистора T₂ равен I₁ + I₂. Чтобы при этом на резисторе R₁ выделялся сигнал желаемой амплитуды, его сопротивление должно составлять R₁== 0,5B/(I₁+I₂). Тогда в рассматриваемом состоянии схемы напряжение на эмиттере транзистора T₄ будет равно (V⁺—1,1)В. В течение времени, когда транзистор T₁ закрыт, ток левого по схеме источника течет через конденсатор С, в результате чего напряжение на эмиттере транзистора T₁ снижается со скоростью

Транзистор T₁ открывается, когда напряжение на его эмиттере снижается до значения (V⁺—1,7)В. При этом напряжение на базе транзистора T₂ снижается на 0,5 В и транзистор T₂ закрывается, а напряжение на его коллекторе возрастает до величины V⁺. За счет наличия эмиттерного повторителя на транзисторе T₄ с ростом напряжения на коллекторе транзистора T₂ увеличивается также и напряжение базы транзистора T₁. Вследствие этого напряжение на эмиттере транзистора T₁ скачком увеличивается до значения (V⁺ — 1,2)В. Этот скачок напряжения через конденсатор С передается на эмиттер транзистора T₂, так что напряжение в этой точке скачком увеличивается от (V⁺ - 1,2)В до (V⁺ -0,7)В.

В течение времени, когда транзистор Т₂ закрыт, ток I₂ протекающий через конденсатор С, вызывает снижение напряжения на эмиттере транзистора Т₂ со скоростью

Транзистор T₂ остается закрытым до тех пор, пока потенциал его эмиттера не снизится от значения (V⁺ — 0,7)В до значения (V⁺ - 1,7)В. Для транзистора Т₂ это время составляет

или в общем виде

Рис. 18.44. Временная диаграмма работы мультивибратора с эмиттерными связями.