4.4.2 Одновибратор на операционном усилителе

Одновибратор является формирователем одиночного импульса прямоугольной формы и фиксированной дли­тельности, возникающего на выходе при поступлении на вход запускающего короткого импульса. Одновибратор применяется либо в качестве формирователя прямоуголь­ных импульсов, либо в качестве узла задержки импульсов на заданное время.

Схема одновибратора на ОУ приведена на рис.4.12,а. Сравним эту схему со структурной схемой рис. 4.10. Одно­вибратор содержит конденсатор C1, связанный с выходом компаратора на ОУ через резистор R. В качестве компа­ратора использована хорошо нам знакомая схема с ПОС через цепочку R3R4. Микросхема ОУ выполняет в одновибраторе несколько функций: ком­паратора, источника напряжения для заряда конденсато­ра и ключа, так как коммутация цепей заряда и разряда конденсатора осуществляется при переключении компара­тора. Диод V1 служит для фиксации начального напряже­ния на конденсаторе Uc(0). Элементы С₂, R4, R5, V2 со­ставляют цепь запуска, через них на схему поступает ко­роткий запускающий импульс и_вк. Цепочка C₂R₅ является дифференцирующей, Временные диаграммы напряжений в схеме одновибратора приведены на рис. 4.12, б. Рассмотрение работы одновибратора нужно проводить по этапам в соответствии с порядком его работы.

1 этап (исходное состояние, «ждущий» этап), uвх=0. Будем считать, что компаратор ранее был приведен в со­стояние Uвых=—Uвых max. Конденсатор C1 разряжен, так как диод V1

препятствует его заряду выходным напряжением ОУ через резистор R. Нетрудно убедиться, что рас­сматриваемое состояние устойчиво, т. е. может длиться сколь угодно долго: и_ос<ис, следовательно, компаратор действительно находится в состоянии отрицательного на­сыщения

2 этап (формирование импульса). При и_вх>0 к прямому входу ОУ прикладывается входное напряжение, которое действует сильнее, чем сигнал с выхода ОУ через Rз. Напряжение на прямом входе становится положительным. Поскольку на инвертирующем входе сохраня­ется uc(t1)=0, то компаратор регенеративно переключа­ется и напряжение на его выходе скачком достигает U_вых=Uвыхmax. На этапе формирования импульса надоб­ность в поддержании напряжения на входе после переклю­чения компаратора отпадает, так как положительное на­сыщение ОУ поддерживается положительным напряжени­ем, подаваемым с его выхода на прямой вход по цепи R3R4. Поэтому входной импульс одновибратора может быть весьма коротким. При t>t1 конденсатор С1 заряжается напряжением U_ВЫх max через резистор R, причем =RC₁. Этап формирования импульса завершается в момент t₂, когда напряжение на конденсаторе достигает значения на­пряжения ПОС на прямом входе:

В этот момент компаратор регенеративно переключается.

3 этап (стадия восстановления исходного состояния). Итак, в момент t₂ скачком устанавливается Uв_ык = - Uвыхmax. Конденсатор С1 начинает разряжаться через резистор R от источника напряжения - Uвыхmax. притом =RC1. В момент t3 напряжение на конденсаторе дости­гает U_с(t3)=0, открывается диод V1, который препятству­ет дальнейшему уменьшению напряжения на конденсато­ре. В момент t₃ стадия восстановления завершается, одновибратор готов к приходу нового импульса на входе.

Рассчитаем длительность импульса. Начало его форми­рования происходит в момент t1, Uс(0) = 0, Е=Uвыxтах, постоянная времени =RC1. В момент срабатывания компаратора u_c(t2) = U₀₂. При подстановке этих величин в (3.9), учитывая связь U₀₂ и Uвыхmax, по­лучаем

tи= RC1 ln(U вых макс/(U вых макс – Uо2)) = RC1 ln(1+R4/R3)

Аналогично рассчитываем длительность стадии восста­новления t_B=t3—t2. Для этого подставим в (3.9) U_c(0) = U02, E =- Uвыхmax, =RC1, u_C(t3) = 0.

Получим

Регулировка длительности импульса одновибратора t_и может осуществляться следующими способами:

а) изменением R или C1 (последнее обычно не приме­няют, так как конденсатор с переменной емкостью облада­ет большими габаритами и массой), при этом изменяется скорость заряда конденсатора С₁; .

б) изменением соотношения R3/R4. При этом изменя­ется напряжение срабатывания компаратора U02, а с ним и время, в течение которого напряжение на конденсаторе нарастает до величины U₀₂.

При использовании одновибратора не следует забы­вать, что схемы с ПОС имеют низкую помехоустойчивость. В исходном состоянии напряжение на прямом входе ОУ. Uoc = U₀₁ должно быть много больше уровня помех. Естест­венно, что и амплитуда входного сигнала при этом долж­на быть большой, чтобы обеспечить переключение компа­ратора в начале стадии формирования импульса.