фоэ, 2ч

В данной работе исследуется симметричный триггер со счетным запуском по коллекторам, рис. 8.3. На счетный вход триггера поступают импульсы от генератора ГПИ. Пусть в исходном состоянии VT1 закрыт, VT 2 – открыт, насыщен. Диоды VD1 и VD2 закрыты и отключают генератор запускающих импульсов от схемы триггера в статическом режиме. Диод VD1 закрыт, т.к. напряжение на нем близко к нулю, a VD2 надежно закрыт обратным напряжени-

ем, близким к Eк. При поступлении переднего фронта прямоугольного запус-

кающего импульса дифференцирующая цепь C1, R1 формирует из него короткий остроконечный положительный импульс в точке X1, который через диоды VD1 и VD2 не пройдет и поэтому переключения триггера не вызовет. При окончании запускающего прямоугольного импульса цепь C1, R1 формирует из его заднего фронта отрицательный остроконечный импульс, который откроет диод VD1, попадет на коллектор VT1, а далее на базу VT 2, вызывая его запирание и переключение триггера, как описано выше. Диод VD2 не откроется, т.к. амплитуда короткого отрицательного импульса в точке X1 меньше обратного напряжения, которым закрыт VD2. В новом состоянии триггера (VT1 открыт, VT 2 закрыт) диод VD1 надежно закрыт, а VD2 тоже закрыт, но напряжение на нем близко к нулю. Второй короткий остроконечный отрицательный импульс, сформированный дифференцирующей цепью из заднего фронта входного прямоугольного импульса, откроет теперь диод VD2 (VD1 остается закрытым) и попадет на коллектор VT 2, а далее - на базу VT1, вызывая его запирание и переключение триггера, как описано выше. Таким образом, в схеме счетного запуска диоды предотвращают срабатывание триггера по переднему фронту входного прямоугольного импульса и выполняют функцию коммутирующих элементов: при формировании отрицательных импульсов в точке X1 диоды открываются поочередно и направляют отрицательный запускающий импульс на базу открытого в данный момент транзистора. На рис. 8.2 б видно, что триггер со счетным запуском делит частоту входных запускающих импульсов на два.

8.3. Триггер Шмитта (триггер с эмиттерной связью)

Если в схеме симметричного триггера с коллекторно-базовыми связями (рис. 8.1) одну коллекторно-базовую связь заменить связью через общее эмиттерное сопротивление, получим схему несимметричного триггера с эмиттерной связью, рис. 8.4. Этот триггер, как и любой другой, имеет два состояния устойчивого электрического равновесия: 1) VT1 –закрыт, VT 2 – открыт и насыщен, 2) VT1 –открыт и насыщен, VT 2 – закрыт.

На резисторе RЭ создается запирающее для обоих транзисторов напряжение. Положительное (открывающее) напряжение поступает на базу VT1 с делителя R1, R2, а на базу VT 2- с делителя R , RБ . В зависимости от соот-

ношения величин этих напряжений один из транзисторов всегда закрыт, другой - открыт и насыщен.

20

Триггер Шмитта используется как пороговое устройство: на вход схемы поступает непрерывно изменяющееся напряжение произвольной формы, а переход триггера из одного состояния в другое происходит каждый раз, когда

входное напряжение достигает поочередно то одного Uср , то другого Uотп по-

рогового уровней срабатывания и отпускания.

При включении источника питания триггер занимает определенное исходное состояние: VT 2 – насыщен, VT1 – закрыт. В исходном состоянии тран-

зистор VT 2 открыт подачей положительного смещения на базу через R , RБ с коллектора закрытого транзистора VT1. Транзистор VT1 будет закрыт, при условии (рис. 8.4 б), что Uбэ1 < 0, где

U бэ1 =U R2 −U э' .

Для закрывания VT1 необходимо, чтобы падение напряжения U э' , создаваемое на резисторе RЭ током открытого транзистора VT 2, было больше, чем напряжение, U R2 , определяемое делителем R1, R2 (U э' >UR2 )

При достижении входным сигналом порогового напряжения срабатывания Uср напряжение Uбэ1 становится больше нуля, и транзистор VT1 откроет-

ся. Ток коллектора IК1 увеличивается, потенциал коллектора VT1 уменьшается, вызывая уменьшение потенциала базы и уменьшение тока транзистора VT 2. Падение напряжения на резисторе RЭ уменьшается и становится меньше

напряжения U R2 . При этом напряжение UБЭ1 становится положительным, и

это приводит к еще большему отпиранию VT1. Таким образом, в схеме развивается лавинообразный процесс переключения, который закончится, когда VT1 войдет в насыщение, a VT 2 закроется.

Во втором состоянии равновесия VT 2 закрыт напряжением U э'' на резисторе RЭ, создаваемым током открытого транзистора VT1. Для того чтобы транзистор VT1 был открыт, необходимо чтобы выполнялось условие

Uбэ1 >0.

Для выполнения этого условия нужно, чтобы падение напряжения U э'', создаваемое на резисторе RЭ током открытого транзистора VT1, было меньше,

21

Рис. 8.4

22

Для нормальной работы схемы оба условия и закрывания (*) и открывания (**) VT1 должны выполняться. Для этого необходимо, чтобы сопротивле-

ние резистора RК1 , было больше, чем RК2 , (RК1 > RК2 ).

Во втором состоянии равновесия триггер будет находиться до тех пор, пока входной сигнал не достигнет уровня отпускания Uотп. При этом VT1 на-

чинает закрываться, потенциал коллектора VT1 увеличивается, вызывая увеличение потенциала базы и открывание VT 2, ток транзистора VT 2 создает паде-

ние напряжения U э' , которое закрывает транзистор VT1.

В данном состоянии триггер будет находиться до тех пор, пока входной сигнал снова не достигнет значения Uср, при котором транзистор VT1 начнет

открываться, и процессы в схеме повторяются.

Триггер Шмитта применяют в устройствах сравнения напряжений (компараторах) как пороговое устройство и для формирования импульсов прямоугольной формы из напряжения любой, произвольной формы на входе с этой же частотой повторения, что и частота входного сигнала.

8.4. Порядок выполнения

Для выполнения лабораторной работы используется базовый блок, лабораторный макет, 10 проводников, транзисторы n-p-n структуры КТ503В или КТ315В, резисторы 4,3 кОм – 1 шт, 1,2 кОм – 2 шт., 20 кОм – 2 шт, 33 кОм – 2 шт, конденсаторы 680 пФ – 1 шт, 1000 пФ – 2 шт, диоды КД514 – 2 шт., двухлучевой осциллограф.

Подготовьте стенд к работе:

а) на лабораторном макете соберите схему триггера со счетным запуском, рис. 8.4. Ко входу триггера (к гнездам 5 и 6) подключите генератор импульсов ГЕН1; к гнездам 46(+) и 49(–)подключите источник питания ИН2; соедините гнезда 27 и 24, 23 и 28, 7 и 43, 25 и 26; к гнездам 5 и 6 подключите один вход осциллографа, а к 47 и 49 другой вход осциллографа;

б) на приборе 1 базового блока переключатель установите в верхнее положение «», нажмите клавиши «Частота» – «2»,. «U~»,. ручки регулировки

23

частоты «Грубо» и «Точно» и ручку «Уровень» поверните вправо до упора, ручки «Грубо» и «Точно» источника ИН2 поверните вправо до упора;

Рис. 8.4

в) на осциллографе ручки усиления установите в положение, соответствующее 10 В/дел. для обоих лучей, а ручку развертки – примерно 200 μs/дел. Включите осциллограф и базовый блок, добейтесь устойчивого изображения на экране осциллографа;

г) зарисуйте схему, эпюры напряжений на входе триггера в точке (5), на выходе дифференцирующей цепи (гнездо 47), совместив их во времени, а далее подключая последовательно второй вход осциллографа к гнездам 11, 23, 27 и 44 зарисуйте осциллограммы напряжений соответственно на коллекторе VT1, базе VT 2, базе VT1 и коллекторе VT 2, совмещая их во времени с первыми двумя осциллограммами. Определите положение нулевой оси для коллекторных и базовых напряжений;

д) определите амплитуду выходных импульсов, частоту входного и выходного сигналов;

е) проверьте условия насыщения и отсечки транзисторов в схеме тригге-

ра.

8.5. Выполнение работы с использованием программы моделирования электронных устройств “Electronics Workbench”.

8.5.1. Соберите схему для исследования симметричного триггера со счетным запуском, изображенную на рис. 8.5.

24

8.5.4. Активизируйте схему. Срисуйте с экрана изображение осциллограмм. Определите уровни срабатывания Uср и отпускания триггера Шмитта по величине синусоидального напряжения во время фронта и спада выходного импульса соответственно. Сравните полученные значения с теоретическими, рассчитанными по формулам:

где Еп – напряжение питания, U – напряжение между базой и эмиттером транзистора, примерно 0.6 В.

8.5.5. Измените сопротивление эмиттерного резистора Re на 400 Ом. Повторите измерения и расчеты п. 8.5.4. Сделайте выводы.

8.6. Содержание отчета

В отчете приведите схемы исследуемых триггеров с указанием номинальных значений элементов, осциллограммы напряжений, совмещенные во времени с входным сигналом. Проверьте условия насыщения и отсечки транзисторов в схеме симметричного триггера. Рассчитайте пороговые уровни напряжений в триггере Шмитта. Сделайте выводы.

Контрольные вопросы

1.Изобразите схему симметричного триггера и диаграммы напряжений на коллекторах и базах транзисторов.

2.Из каких условий выбираются элементы схемы симметричного триггера? Приведите основные расчетные соотношения.

3.Чем объясняется неидеальность формы выходных импульсов, формируемых триггером?

4.Каково назначение ускоряющих конденсаторов? Покажите цепи их заряда и разряда.

5.Какие схемы запуска симметричных триггеров существуют?

6.Изобразите триггер со счетным запуском и укажите назначение элементов схемы запуска.

7.Изобразите схему несимметричного триггера Шмитта и диаграммы напряжений на коллекторах и базах транзисторов.

8.Какими элементами схемы триггера Шмитта определяются пороги срабатывания и отпускания?

26

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 9

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ МУЛЬТИВИБРАТОРА В ЖДУЩЕМ И АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНОМ РЕЖИМАХ

Цель работы: исследование работы автоколебательного мультивибратора путем снятия осциллограмм напряжений в различных точках исследуемой схемы, исследование влияния параметров мультивибратора на его работу.

Краткие теоретические сведения

Мультивибраторы используются для генерирования импульсов прямоугольной формы. Наибольшее распространение получили мультивибраторы, выполненные на основе двух транзисторных ключей, замкнутых в кольцо положительной обратной связи.

Мультивибратор может работать в ждущем, автоколебательном режимах

ив режиме синхронизации или деления частоты.

Вждущем режиме мультивибратор имеет одно устойчивое состояние равновесия и одно состояние квазиравновесия. Переход мультивибратора из состояния устойчивого равновесия в состояние квазиравновесия происходит под действием запускающего импульса. Обратный переход из состояния квазиравновесия в устойчивое происходит самопроизвольно. При воздействии запускающего импульса ждущий мультивибратор генерирует только один импульс, длительность которого зависит от параметров схемы. Ждущие мультивибраторы иногда называют кипп-реле, одновибраторами.

На рис. 9.1 изображена схема и эпюры напряжений ждущего мультивиб-

ратора с эмиттерной связью. Устойчивое состояние электрического равновесия для данной схемы: VT 2 – открыт и насыщен, VT1 – закрыт. Закрытое состояние VT1 обеспечивается так же, как в триггере Шмитта (лабораторная работа №8, (*)). Состояние электрического равновесия, когда VT1 – открыт и насыщен, а VT 2 – закрыт, является в данной схеме неустойчивым состоянием квазиравновесия.

При подключении источника питания схема занимает устойчивое состояние. Конденсатор в исходном состоянии заряжен до напряжения, близкого к

напряжению источника питания EК, полярностью, указанной на рисунке.

При поступлении положительного напряжения на базу транзистора VT1 он открывается и входит в режим насыщения. Через очень малое сопротивление открытого и насыщенного транзистора VT1, выполняющего роль замкнутого ключа, заряженный конденсатор C оказывается подключенным параллельно участку база-эмиттер транзистора VT 2. Напряжением на конденсаторе, минусом приложенным к базе VT 2, транзистор VT 2 закрывается. Схема переходит в состояние квазиравновесия.

27

Ek

t и

Ek

Рис. 9.1

28

Далее в состоянии квазиравновесия идет разряд конденсатора Спо экспоненциальному закону по цепи

+Eк → Rб →С →VT1 → Rэ →

спостоянной времени τр =C(RЭ + RБ )≈CRБ, причем конденсатор стремится

перезарядиться. По мере разряда напряжение на конденсаторе, а значит и между базой и эмиттером VT 2, уменьшается. И в тот момент, когда экспонента разряда пересечет нулевую ось, напряжение на базе VT 2 станет положительным по отношению к эмиттеру, транзистор VT 2 начнет открываться, обеспечивая закрывание VT1 (рис 9.1). Происходит восстановление исходного состояния схемы: конденсатор C заряжается по цепи

+ Eк → Rк1 →С → rбэ2 → Rэ → .

Время восстановления приблизительно составляет

tв ≈ (3 ÷5)(Rк1 + Rэ )С.

Схема приходит в исходное устойчивое состояние и находится в нем, пока не поступит новый запускающий импульс.

Таким образом, с приходом короткого запускающего импульса данная схема формирует на коллекторах транзисторов противофазные прямоугольные импульсы, длительность которых зависит от постоянной времени разряда кон-

денсатора C , то есть от хронирующих (времязадающих) элементов C и RБ .

Без учета обратного тока закрытого транзистора длительность выходного импульса приблизительно равна

tи вых ≈ ln 2 CRБ ≈ 0,7СRБ .

Период выходных импульсов определяется периодом следования запускающих импульсов и от параметров схемы не зависит.

9.2. Мультивибратор в автоколебательном режиме

В автоколебательном режиме мультивибратор имеет два состояния временно устойчивого равновесия (квазиравновесия) и ни одного устойчивого. Схема и эпюры напряжений автоколебательного мультивибратора приведены на рис. 9.2 а и б. Рассмотрение работы схемы начнем с момента, когда VT 2 закрылся, a VT1 – только что открылся и вошел в насыщение. Конденсатор C1,

ранее заряженный до напряжения, близкого к EК , через открытый транзистор

29