Министерство образования и науки РФ

Федеральное агентство по образованию

Саратовский государственный технический университет

Исследование работы мультивибратора и одновибратора на операционном усилителе

Методические указания

к лабораторной работе по курсу

"Физические основы электроники"

для студентов специальности 180500

направления 654500

Электронное издание локального распространения

Одобрено

редакционно-издательским советом

Саратовского государственного

технического университета

Саратов – 2006

Все права на размножение и распространение в любой форме остаются за разработчиком.

Нелегальное копирование и использование данного продукта запрещено.

Составители: Фурсаев Михаил Александрович,

Беляева Юлия Александровна

Под редакцией М.А.Фурсаева

Рецензент А.А.Гурьянов

410054, Саратов, ул. Политехническая, 77, Научно-техническая

библиотека СГТУ

тел.: 52-63-81, 52-56-01

http://lib.sstu.ru

Регистрационный

номер 060255Э

© Саратовский государственный

технический университет, 2006

Цель работы: изучить принцип работы и провести эксперимен­тальные исследования симметричного мультивибратора и одновибратора на операционном усилителе.

Основные понятия

Мультивибратором называется релаксационный автогенератор, предназначенный для получения периодически повторяющихся им­пульсов прямоугольной формы. Одновибратором называется устройс­тво, предназначенное для формирования прямоугольного импульса заданной длительности при подаче на вход короткого запускающего импульса. В этих устройствах формирующиеся на выходе импульсы получаются в результате преобразования энергии источника посто­янного питания.

Существует большое разнообразие схем построения мультивиб­ратора и одновибратора (например, на транзисторах и логических элементах). В настоящей работе исследуются схемы, построенные на операционном усилителе (ОУ), который является активным элемен­том и к которому подключается источник питания.

ОУ представляет собой интегральную микросхему усилителя постоянного тока, обеспечивающего усиление широкого спектра частот вплоть до постоянной составляющей. Малый дрейф нуля ОУ достигается тем, что в микросхеме в качестве входных используются дифференциальные каскады. Он имеет два входа: неинвертирующий и инвертирующий. Полярности выходного и входного напряже­ний совпадают при подаче сигнала на неинвертирующий вход ОУ, а при подаче сигнала на инвертирующий вход полярность выходного напряжения противоположна входному.

ОУ характеризуется высоким коэффициентом усилении по к напряжению (К_U= 2000 - 100.000) в области линейного режима усиления, весьма большим входным сопротивлением (R_ВХ = 100 – 400 кОм) и низким выходным сопротивлением, обычно не превышающим 100 Ом.

Рис. 1

Рис. 2

На рис. 1 представлена передаточная характеристика ОУ для случая подачи сигнала на инвертирующий вход при заземленном неинвертирующем входе. При подаче на неинвертирующий вход опорного напряжения происходит смещение передаточной характеристики вдоль оси абсцисс на величину опорного напряжения. Направление этого смещения определяется знаком опорного напряжения.

В течение импульса ОУ в схемах мультивибратора и одновибратора работает в нелинейном режим, т.е. используются горизонтальные участки передаточной характеристики. Участок характеристики, соответствующий линейному режиму, имеет большую крутизну вследствие высокого значения коэффициента усиления. Этим объясняется большая крутизна фронтов выходных импульсов напряжения в исследуемых устройствах.

На рис.2 приведена схема исследуемого мультивибратора, вырабатывающего периодически повторяющиеся прямоугольные импульсы положительной и отрицательной полярности одинаковой длительнос­ти. Такой мультивибратор называется симметричным. В основу работы схемы положено совместное использование положительной и отрицательной обратной связи. Величина напряжения на неинвертирующем входе ОУ u_ВХ⁽⁺⁾, поступающего по цепи положительной обратной связи, определяется сопротивлениями резисторов R₁ и R₂, образующих делительную цепочку. Поскольку входное сопротивление ОУ велико

, (1)

где , (2)

а u_ВЫХ – мгновенное значение выходного напряжения. Величина напряжения на инвертирующем входе ОУ, обусловленная наличием отрицательной обратной связи, определяется напряжением на конденсаторе С.

Принцип работы мультивибратора рассматривается ниже с использованием временных диаграмм, приведенных на рис.3 и включающих графические представления зависимости напряжений на выходе устройства, а также на неинвертирующем и инвертирующем входах ОУ от времени.

Предполагается, что в начальный момент времени на выходе ОУ, а, следовательно, мультивибратора напряжение максимально, U_{ВЫХ m} и имеет отрицательную полярность, а конденсатор не заряжен. Напряжение на инвертирующем входе ОУ равно нулю, а на неинвертирущем согласно соотношению (1)

, (3)

Рис.3

Вид передаточной характеристики ОУ, соответствующий начальному моменту времени, представлен на рис.4 сплошной линией. В связи с подачей на неинвертирующий вход опорного напряжения характеристика смещена влево относительно приведенной на рис.1 на величину . Рабочая точка соответствуетu_ВХ^(-) = 0.

Рис.4

Под действием отрицательного выходного напряжения конденсатор С начинает заряжаться через резистор R, а поэтому отрицательное напряжение на инвертирующем входе ОУ увеличиваться (см. рис.3.в). В результате рабочая точка будет смещаться влево по горизонтальному участку передаточной характеристики рис. 4. При достижении напряжением u_ВХ^(-) значения, равного напряжению на неинвертирующем входе ОУ, т.е. определяемого соотношением (3), происходит изменение величины напряжения на выходе ОУ и мультивибратора с -U_ВЫХm на +U_ВЫХm. Данный процесс, называемый «опрокидыванием», происходит скачком, поскольку участок передаточной характеристики ОУ, соответствующий линейному режиму усиления, имеет очень большую крутизну. Следовательно, условием опрокидывания мультивибратора является выравнивание напряжений на инвертирующем и неинвертирующем входах ОУ.

В связи с изменением выходного напряжения мультивибратора изменяется напряжение на неинвертирующем входе ОУ, оно становится равным +χU_ВЫХm. В результате происходит смещение передаточной характеристики вправо (пунктирная характеристика на рис.4). При опрокидывании мультивибратора напряжение на инвертирующем входе ОУ остается неизменным из-за наличия конденсатора С, однако после времени конденсатор начи­нает разряжаться через резистор R, а затем вновь заряжаться под действием положительного напряжения на выходе мультивибра­тора. Вследствие этого перезаряда происходит измене­ние (по экспоненциальному закону) величины напряжения на инвертирующем входе ОУ, что отражено на рис.3.в. На рис.4 данный процесс отражается дрейфом ра­бочей точки вправо по верхнему горизонтальному (пунктирному) участку смещенной передаточной характеристики, а поэтому выходное напряжение остается неизменным и равным +U_ВЫХm.

Увеличение положительного напряжения будет продол­жаться до момента времени, когда вновь достигается выравни­вание напряжений на инвертирующем и неинвертирущем входах ОУ (верхний пунктир на рис. З.в). В момент временипроисходит скачком изменение полярности напряжения на выходе мультивибра­тора с положительной на отрицательную. Отрицательное напряжение на выходе мультивибратора будет сохраняться до времени. В интервале времени-будут происходить процессы, аналогич­ные рассмотренным выше для интервала времени - с той лишь разницей, что перезаряд конденсатора С приводит к изменению напряжения на инвертирующем входе ОУ с величины до, а величина напряжения на выходе мультивибратора все это время будет равной -U_ВЫХm. В момент времени выравнивание напряжений на обоих входах ОУ достигается при отрицательных значениях.

Таким образом, из анализа следует, что мультивибратор пре­бывает в двух квазистатических состояниях, соответствующих ре­жимам насыщения ОУ при положительном и отрицательном значениях выходного напряжения. Каждое из этих состояний соответствует импульсам положительной (интервал -) и отрицатель­ной (интервал -) полярности на выходе мультивибра­тора. Амплитуда этих импульсов равна, т.е. зависит от типа используемого ОУ. Состояния мультивибратора названы ква­зистатическими, поскольку в течение времени, когда на выходе напряжение остается неизменным, в самом устройстве происходит переходной процесс, который и приводит к смене состояний мультивибратора.

Как следует из анализа, длительность импульса мультивибра­тора определяется временем перезаряда конденсатора С: в тече­ние положительного импульса на выходе напряжение на конденсато­ре изменяется с до, а в течение отрицательного импульса - сдо. Поэтому соотношение для расче­та длительности можно получить при_; использовании уравнения, описывающего изменение во времени напряжения на конденсаторе при его перезаряде через резисторR

, (4)

где - напряжение после полного установления переход­ного процесса, - напряжение в начальный момент времени, - постоянная времени переходного процесса.

При определении длительности импульса положительной поляр­ности за нулевой момент времени необходимо принять - начало этого импульса.

. (5)

В конце импульса, т.е. при

. (6)

Напряжение не достигается вследствие того, что заряд конденсатора прерывается "опрокидыванием" мультивибратора. Ес­ли бы ограничения процесса заряда не было, то напряжение на конденсаторе достигло бы величины напряжения источника, т.е.(см. построения, отмеченные пунктиром на рис. З.в).

. (7)

После подстановки в уравнение (4) при соотношений (5) - (6) и (2) нетрудно получить

. (8)

Для симметричного мультивибратора, в котором , период релаксации определяется как

. (9)

Следовательно, длительность импульса и период релаксации мультивибратора зависят лишь от параметров пассивных элементов схемы.

Зависимости длительности импульса мультивибратора от вели­чин параметров пассивных элементов схемы могут быть поняты из анализа временных диаграмм рис.З. Действительно, длительность импульса определяется двумя факторами:

- шириной интервала изменения напряжения на инвертирующем входе ОУ при перезаряде конденсатора (ширина полосы между гори­зонтальными пунктирными линиями на рис. З.в), пропорциональной величине параметра ;

- скоростью изменения напряжения на инвертирующем входе ОУ (крутизной зависимости на рис. З.в), определяемой постоянной пе­реходного процесса RC.

Как следует из соотношений (1) и (2), увеличение сопротивления резистора R₂ приводит к увеличению интервала изменения напряжения на инвертирующем входе ОУ, а поэтому и увеличению длительности импульса. Увеличение сопротивления резистора R₁ приводит, наоборот, к уменьшению этого интервала, а, следова­тельно, к уменьшению длительности импульса. Поскольку время пе­резаряда конденсатора пропорционально постоянной переходного процесса, то увеличение как емкости конденсатора С, так и соп­ротивления резистора R приводят к уменьшению наклона кривой зависимости на рис. З.в к оси времени, а поэтому к увеличению дли­тельности импульса.

* *

*

Одновибратор пребывает также в двух состояниях. Но в отли­чие от мультивибратора, одно из этих состояний - устойчивое. Переход из него в квазиустойчивое состояние осуществляется при подаче на вход одновибратора запускающего импульса. Схема муль­тивибратора может быть преобразована в схему одновибратора, если обеспечить прекращение заряда конденсатора до момента "опро­кидывания". С этой целью конденсатор шунтируется диодом Д, как показано на рис. 5. Кроме того, в схеме рис. 5 предусмотрен вход, через который запускающий импульс подводится к неинвертирующему входу ОУ.

Рис. 5

Для рассмотрения принципа работы одновибратора целесооб­разно использовать временную диаграмму, приведенную на рис.6.

Диод в схеме рис. 5 включен так, что он находится в откры­том состоянии, когда на выходе ОУ, а, следовательно, и на като­де диода напряжение отрицательно. Пусть в начальный момент вре­мени на выходе одновибратора напряжение равно - , а кон­денсатор полностью разряжен, т.е. на инвертирующем входе ОУ напряжение равно 0. На неинвертирующем входе ОУ, как и в случае мультивибратора

. (10)

В таком состоянии одновибратор будет находиться до тех пор, пока на неинвертирующем входе ОУ напряжение станет равным или больше напряжения на инвертирующем входе, т.е. пока не будет обеспечено условие опрокидывания схемы. Это достигается подачей на вход одновибратора положитель­ного напряжения в виде импульса малой длительности, амплитуда которого по абсолютному значению будет равным или превышать величину, определяе­мую соотношением (10). На рис. 6.в время соответствует фронту запускающего импульса. После этого момента одновибратор перехо­дит в квазиустойчивое состояние: на его выходе напряжение ста­новится положительным и равным +и оно закрывает диод Д.

Рис.6

Конденсатор С начинает заряжаться через резистор R, в ре­зультате чего напряжение на инвертирующем входе ОУ увеличивается по экспоненциальному закону, что иллюстрируется рис. 6.г. Вместе с изменением полярности выходного напряжения изменяется полярность напряжения на неинвертирующем входе ОУ (см. рис.6.б), величина которого становится равной

.

До этой величины, как и в случае мультивибратора, идет за­ряд конденсатора. В момент времени напряжения на инвертирую­щем и неинвертирующем входах ОУ выравниваются и одновибратор "опрокидывается": на его выходе напряжение становится отрица­тельным. Таким образом, в течение времени-на выходе одновибратора формируется импульс напряжения положительной поляр­ности с амплитудой.

После момента времени на выходе и неинвертирующем входе напряжение становится отрицательным (см. рис. 6.а,б). Однако не­посредственно после момента "опрокидывания" диод остается зак­рытым. Он переходит в открытое состояние только после полного разряда конденсатора. На рис. 6 момент разряда конденсатора и достижения нулевого напряжения на инвертирующем входе ОУ соответствует времени. Только послеодновибратор будет находиться в устойчивом состоянии: он будет готов к очередному за­пуску под действием импульса положительной полярности. Интервал времени -называется временем восстановления.

Для получения соотношений, определяющих длительность импульса, формируемого одновибратором, и время восстановления, используется уравнение (4).

В момент начала положительного импульса напряжения на выходе одновибратора напряжение на инвертирующем входе ОУ и на конденсаторе С

, (11)

а в конце импульса

. (12)

Величина напряжения, до которой зарядился бы конденсатор при отсутствии условия "опрокидывания" одновибратора (см. рис.6.г):

. (13)

Подстановка в уравнение (4), записанного для , со­отношений (11) - (13), а также (2) позволяет получить формулу для расчета длительности импульса

. (14)

При получении соотношения для расчета времени восстановле­ния за начальный момент времени принимается , когда

. (15)

. (16)

В устойчивом состоянии одновибратор пребывает после момен­та времени . Поэтому

. (17)

После подстановки соотношений (15) - (17) и (2) в уравне­ние (4), записанного для t = t_ВОССТ, получается

. (18)

Из соотношений (15) и (18) следует, что длительность им­пульса, формируемого одновибратором, и время его восстановления зависят лишь от величин параметров пассивных элементов схемы. Амплитуда выходного импульса определяется типом ОУ.