Электроника Ч2

121

жения заряда и разряда конденсатора является выход ОУ. Нагрузкой интегрирующих цепей является инвертирующий вход ОУ.

Включим питание ОУ в момент времени t1. Выходное напряжение ОУ Uвых может отклониться как в положительном, так и в отрицательном направлениях. Допустим, что Uвых получило положительное приращение U вых . Через цепь ПОС R3, R4 это приращение подается на прямой вход ОУ, усиливается им и, в свою очередь, вызывает при-

ращение Uвых′ .. Процесс развивается лавинообразно. В результате в момент t1 на выходе ОУ напряжение скачком принимает значение

U вых = U вых m .

Рис. 26.1. Схема а) и графики б), поясняющие принцип работы мультивибратора

Положительное напряжение ОУ U вых m открывает диод D1. Начинается

заряд конденсатора С через резистор R1. Скорость заряда определяется по-

стоянной цепи τ 1 = R1C . Нарастающее по экспоненте напряжение конден-

сатора UC подается на инвертирующий вход ОУ.

122

На прямой вход ОУ, через цепь ПОС R3, R4 подается напряжение UOC, причем,

В момент времени t2 напряжение на конденсаторе UC достигает значения U0С. Происходит переключение компаратора. Он скачком переходит в об-

ласть отрицательного насыщения, когда U вых = −Uвых m . Одновременно (в мо-

мент времени t2) скачком изменяется напряжение обратной связи до величины

Отрицательным напряжением на выходе ОУ диод D1 закрывается, а диод D2 открывается. Начинается перезаряд конденсатора С через резистор

R2 до напряжения − U вых m . Скорость перезаряда определяется постоянной

времени τ 2 = R2 C . Когда напряжение на конденсаторе UC достигает значе-

ния – UOC (момент времени t3), происходит регенеративное переключение компаратора. Далее процессы периодически повторяются.

В установившемся режиме (от момента t2 и далее) напряжение конденсатора изменяется от UОС до - UОС и обратно. На графиках рис. 26.1, б интервал времени t2 – t3 определяет длительность паузы, а интервал t3 – t4 – длительность импульса. Аналитические выражения, определяющие временные параметры генерируемых импульсов, имеют вид:

– для длительности импульса

– для длительности паузы

123

Выражения (26.1) ÷ (26.4) позволяют выполнить расчет параметров мультивибратора. Кроме того, они позволяют определить способы регулировки частоты и скважности. Так, при регулировке частоты скважность не должна изменяться. Следовательно, величину сопротивлений R1, R2 целесообразно оставлять неизменной. Частоту целесообразно регулировать изменением R3 или R4.

При регулировке скважности частота должна оставаться неизменной. Это значит, что R3 и R4, а также (R1 + R2) должны быть постоянными величинами. Отсюда следует, что для регулировки скважности R1 и R2 следует выполнять как составляющие одного потенциометра. Крайние точки такого потенциометра подключаются к диодам D1 и D2, а средняя – к инвертирующему входу ОУ.

Схема ждущего мультивибратора приведена на рис. 26.2, а. Работу схемы поясняют графики рис. 26.2, б.

В схеме рис. 26.2, а ОУ и цепь R3, R4 образуют компаратор с ПОС, конденсатор С1 и резистор R – интегрирующую цепь. Источником питания этой цепи служит выходное напряжение компаратора, нагрузкой – инвертирующий вход ОУ. Диод D1 служит для фиксации начального напряжения на конденсаторе С – UC (0). Конденсатор С2 и резистор R5 образуют дифферен-

124

цирующую цепь. Диод D2 пропускает на прямой вход ОУ только положительные импульсы. Эти импульсы служат для запуска ждущего мультивибратора.

В исходном состоянии U вх = 0 . Компаратор находится в отрицатель-

ном насыщении, т. е. U вых = −U вых m . Отрицательным напряжением диод D1

открыт и поддерживает на конденсаторе С1 напряжение UC (0)= 0. Напряжение обратной связи отрицательное, причем,

Так как – UOC1 < UC (0), то исходное состояние устойчиво, мультивиб-

ратор может находиться в нем как угодно долго.

Пусть в момент времени t1 с выхода дифференцирующей цепочки на прямой вход ОУ поступает короткий положительный импульс, амплитуда

которого больше амплитуды U OC1 . Напряжение на прямом входе становит-

ся положительным, и компаратор регенеративно переключается в область

125

положительного насыщения, когда U вых = U вых m . Этим напряжением диод D1

закрывается, а конденсатор С1 начинает заряжаться через резистор R. На прямой вход ОУ подается положительное напряжение обратной связи:

Теперь UОC > UC(0), и этим напряжением ОУ поддерживается в со- стоянии положительного насыщения. Значит, входной импульс необходим только для срабатывания компаратора и может быть очень коротким.

Скорость заряда конденсатора С1 определяется постоянной времени RC1, которая и задает длительность формируемого импульса - τ u . Этап фор-

мирования импульса завершается в момент времени t2, когда напряжение на

конденсаторе достигает значения . В этот момент компаратор регене-

ративно переключается в область отрицательного насыщения. Длительность

После переключения компаратора в область отрицательного насыще- ния напряжение на конденсаторе скачком не изменяется. Под воздействием UC диод D1 остается закрытым. Поэтому после момента времени t2 начина- ется этап восстановления исходного состояния, когда конденсатор С1 разря-

жается через резистор R от источника - U вых m . Скорость разряда определя-

ется постоянной времени RC1. В момент времени t3 напряжение на конден-

саторе UC (t3 ) = 0 . В этот момент открывается диод D1, который препятству-

ет дальнейшему уменьшению напряжения на конденсаторе С1. Исходное со- стояние восстановлено. Схема готова к поступлению нового входного им- пульса. Длительность этапа восстановления определяется выражением:

126

Следовательно, максимально допустимая частота входных импульсов для ждущего мультивибратора равна:

2. ГЕНЕРАТОРЫ ЛИНЕЙНО ИЗМЕНЯЮЩЕГОСЯ НАПРЯЖЕНИЯ

Генераторы линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН) формируют напряжение пилообразной формы (рис. 26.3, а). Напряжение пилообразной формы используется для создания разверток на экранах осциллографов, те- левизоров и др. индикаторов, для преобразователей аналоговых величин в цифровые, преобразователей амплитуда - время и для др. целей. Рассмотрим принцип формирования такого напряжения.

Для формирования линейно изменяющегося напряжения чаще всего используют заряд или разряд конденсатора постоянным током. Простейшая схема ГЛИН приведена на рис. 26.3, б. Она включает в свой состав идеаль- ный источник тока I. При разомкнутом ключе К конденсатор С заряжается от источника тока I и напряжение на нем нарастает по линейному закону:

В момент времени t = t1 ключ К замыкается и конденсатор разряжает- ся через резистор R и ключ К по экспоненциальному закону.

Разработано много схем ГЛИН. Большими преимуществами обладают схемы на ОУ. В них в качестве источника постоянного тока применяются интеграторы на ОУ, а в качестве ключа – компараторы.

127

Если напряжение на входе ОУ постоянное, то на его выходе формиру- ется линейно изменяющееся напряжение

Uвых = − U вх t ,

RC

причем знак приращения обратный знаку входного напряжения.

Схема ГЛИН с внешним управлением приведена на рис. 26.4, а. На рис. 26.4, б приведены диаграммы напряжений, поясняющие его работу.

Схема состоит из компаратора и интегратора. Допустим, что в исход- ном состоянии напряжение на входе отсутствует: Uвх = 0. Под воздействием напряжения Е0 компаратор находится в состоянии отрицательного насыще- ния – Uвых.m. Это напряжение поступает на вход интегратора и вызывает за-

ряд конденсатора С до напряжения U вых m .

128

Пусть в момент времени t1 на прямой вход поступает прямоугольный импульс, амплитуда которого Um > E0. Компаратор переходит в положи- тельное насыщение, т. е. напряжение на его выходе U вых = U вых m . Это на-

пряжение является входным для интегратора. Открывается диод D1, начина-

Рис. 26.4. Схема ГЛИН на ОУ а), графики напряжений ГЛИН в ждущем б) и автоколебательном в) режимах работы

По окончании импульса компаратор регенеративно переходит в отри- цательное насыщение (под воздействием Е0). Диод D1 закрывается. Откры-

вается диод D2. Начинается перезаряд конденсатора С до напряжения U вых m .

Напряжение UГЛИН возрастает по линейному закону

U ГЛИН = − (−U вых m ) t.

R2C

129

Максимального значения оно достигает за время t = R2C. Если пауза τ n > R2C , то ГЛИН переходит в устойчивое состояние (U ГЛИН = U вых m ) до

поступления следующего импульса управления.

Кроме рассмотренной схемы, часто применяются ГЛИН в автоколеба- тельном режиме. Чтобы получить такой ГЛИН, достаточно в схему рис. 26.4, а ввести ОС – R3, R4 на прямой вход компаратора с выходов компара- тора и интегратора (пунктирная линия на рис. 26.4, а). Напряжение обрат- ной связи UОС будет определяться напряжением на выходе компаратора

± U вых m и напряжением на выходе интегратора UГЛИН. На рис. 26.4, в приве-

дены графики напряжений, поясняющие работу генератора.

Пусть в момент времени t1 = 0 компаратор перешел в состояние отри-

цательного насыщения. Его Uвых = −Uвых m . Открывается диод D2, и на ин-

теграторе начинается формирование линейно нарастающего напряжения UГЛИН. Напряжение обратной связи UОС найдем методом суперпозиции:

- линейно нарастающее напряжение UГЛИН.

Видим, что UОС также линейно нарастает. В момент времени t2 насту- пает равенство UOC = Е0. Компаратор переключается, напряжение его на вы-

ходе скачком изменяется до U вых m . Напряжение интегратора скачком изме-

ниться не может. Поэтому напряжение обратной связи скачком увеличива- ется до UOCm, причем

Напряжением U вых m открывается диод D1. На интеграторе начинает-

ся формирование линейно падающего напряжения. Напряжение UOC также

130

линейно убывает и в момент t3 принимает значение:

Компаратор вновь переключается, и далее процесс периодически по- вторяется.

Рассмотрим пример.

Пусть в схеме компаратора R3 = 10 кОм; R4 = 50 кОм; Е0 = 1 В; U вых m =

±10 В.

Определим UГЛИН и UОС в моменты времени t1; t2; t3.

1. В момент времени t1 включается питание. Напряжение на выхо- де компаратора:

Uвых = −Uвых m ≈ −10B.

Конденсатор С до включения питания был разряжен. Напряжение UC

= 0 и скачком измениться не может. Значит, U ГЛИН (t1 ) = 0 , и, в соответст-

вии с (16.13),

UOC (t1 ) = −10 10 = −1,66B. 60

2.Для момента времени t2:

Отсюда определим UГЛИН

U ГЛИН (t2 ) = 1 + 1,66 = 3,2B . 0,83

Найдем значение UOC (t2 ) сразу после переключения, когда значение

U вых = U вых m , а UГЛИН еще не изменилось: