28 Импульсные устройства. Генераторы прямоугольных сигналов. Триггер Шмитта. Мультивибраторы.

ИМПУЛЬСНЫЕ УСТРОЙСТВА - устройства, предназначенные для генерирования и преобразования импульсных сигналов, а также сигналов, форма к-рых характеризуется быстрыми изменениями, чередующимися со сравнительно медленными процессами (паузами). И. у. применяют в разл. радиоэлектронных устройствах и электронных системах, включая ЭВМ. Они входят в состав многих физ. приборов и установок, в частности связанных с физикой элементарных частиц: ускорителей, анализаторов излучений и др. В эксперим. ядерной физике процессы в детекторах частиц преобразуются в электрич. импульсы, к-рые затем подвергают временному и амплитудному анализу. При временном анализе устанавливают временные характеристики одиночных импульсов и потоков импульсов. Амплитудный анализ состоит в установлении распределения амплитуд импульсов.

Генератор прямоугольного сигнала на Операционном усилителе

Принцип работы:

Колебания зарождаются благодаря наличию отрицательной обратной связи, причем с порогом срабатывания на 1/11 от напряжения амплитуды (соотношение резисторов R1/(R1+R2))

Генератор прост в изготовлении, принцип работы генератора:

При включении конденсатор С1 разряжен и в зависимости от шума и сигналов между входами ОУ, он принимает или положительное или отрицательное значение напряжения на выходе. Как только появляется полярность у выходного сигнала, он моментально подхватывается положительной обратной связью (Резисторы R1 R2) и на входе ОУ имеем 0В на негативном входе и 1/11 от напряжения питания на позитивном.

Таким образом ОУ перешел в стабильное состояние, пока конденсатор С1 не зарядится до напряжения, сравнимого с напряжением на позитивном входе. В этот момент выходное напряжение ОУ меняется, поскольку изменяется знак разности напряжений между входами. И ОУ снова переходит в устойчивое состояние, пока не перезарядится конденсатор уже до напряжения -1/11 от напряжения питания.

Частота колебаний в этом случае вычисляется по закону заряда и разряда RC цепочки.

Полупериод колебаний равен длительности заряда конденсатора С1 от напряжения -R1*U/(R1+R2) до напряжения R1*U/(R1+R2) через сопротивление Roc от напряжения U, где напряжение U - это амплитуда выходного сигнала операционного усилителя. Зачастую она на 1 Вольт меньше напряжения питания. Выше рассуждение шло для Rail-to-Rail операционного усилителя, когда амплитуда выходного сигнала равна напряжению питания.

Время зарядки tz можно рассчитать через формулу заряда конденсатора dU/dt=I/C, где dU / dT - производная напряжения по времени, I - ток заряда, равный (Uпит-U)/R, C - емкость конденсатора. 

tz = R*C*ln[(Uпит-U₁)/(Uпит-U₂)] U1 и U2 - напряжения на конденсаторе до и после зарядки соответственно. Итого формула принимает вид tz = Roc*C₁*ln[1+2R₁/R₂]

и для периода колебаний: T = 2*Roc*C₁*ln[1+2R₁/R₂]

Определение триггера Шмитта

Триггер Шмитта (ТШ) обладает двумя устойчивыми состояниями. На его выходе может быть высокое (высокое состояние) или низкое (низкое состояние) напряжение. Переход из одного состояния в другое осуществляется при изменении входного напряжения.

Различают два вида триггеров Шмитта. Первый вид - неинвертирующий, переходит в высокое состояние при повышении напряжения, в низкое - при понижении. Второй вид - инвертирующий, переходит в высокое состояние при понижении напряжения, в низкое - при повышении.

Неинвертирующий триггер Шмитта переходит в высокое состояние, если напряжение на входе становится выше, чем Uon, переходит в низкое состояние, если напряжение на входе становится ниже, чем Uoff. Причем Uon больше, чем Uoff на величину Электрического гистерезиса триггера Шмитта.

Инвертирующий триггер Шмитта переходит в высокое состояние, если напряжение на входе становится ниже, чем Uon, переходит в низкое состояние, если напряжение на входе становится выше, чем Uoff. Причем Uon менбше, чем Uoff на величину Электрического гистерезиса триггера Шмитта.

Если напряжение на входе находится между Uon и Uoff, то триггер Шмитта сохраняет свое состояние.