Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Контрольная по СвСУ / схемотехника-учебник.pdf
Скачиваний:
360
Добавлен:
24.02.2016
Размер:
3.43 Mб
Скачать
Рис. 4.8. Генератор RC-типа на неинвертирующем усилительном каскаде

резисторы, номиналы которых для каждого последующего звена берутся в n раз больше, чем в предыдущем звене, и конденсаторы, номиналы которых, наоборот, уменьшаются для каждого последующего звена в n раз. Так, при n = 5 в трехзвенной цепи χ ≈ 1/11.

Необходимо отметить, что в RC-генераторах в цепи ПОС могут быть использованы не

только ФВЧ, но и ФНЧ. Однако в этом случае для получения заданной f0 требуется применять R и С больших номиналов со всеми вытекающими отсюда последствиями.

Если неинвертирующий усилитель охватить ПОС, то он будет генерировать колебания и без использования фазовращающих RC- цепей. Однако условия (4.1) в таком генераторе будут выполняться для целого спектра частот, что приведет к появлению колебаний несинусоидальной формы. Для осуществления генерации только синусоидальных электрических колебаний в устройстве должна быть использована цепь ПОС, обеспечивающая условие баланса фаз только для одной частоты f0 . В такой RC-цепи на частоте f0 фазовый сдвиг должен быть равен нулю. Этим свойством обладает мост Вина, широко применяемый в RC-генераторах (рис. 4.8).

4.2. Генераторы прямоугольных импульсов

Для получения импульсов прямоугольной формы широко используются релаксационные генераторы, построенные на основе усилителей с положительной обратной связью. Релаксационные генераторы, в которых ПОС создается с помощью RC-цепей, называют мультивибраторами. Если ПОС создается с помощью импульсного трансформатора, такие релаксационные генераторы называют

блокинг-генераторами.

Релаксационные генераторы могут работать в двух режимах: автоколебательном и ждущем.

194

Рис. 4.9. Автоколебательный мультивибратор на ИМС (а), временнûе диаграммы (б), характеризующие работу мультивибратора

В автоколебательном режиме схема имеет два квазиустойчивых состояния, длительность каждого из которых определяется времязадающей цепью.

В ждущем режиме схема имеет одно устойчивое состояние, в котором может находиться неограниченно долгое время. Под действием короткого запускающего внешнего импульса схема скачком переходит в квазиустойчивое состояние, а затем самостоятельно возвращается в исходное состояние, формируя импульс заданной длительности.

Генераторы на интегральных микросхемах. В настоящее время широко применяются мультивибраторы, выполненные в виде гибридных ИМС, а также на базе логических ИМС и операционных усилителей. Мультивибраторы на основе логических ИМС обычно применяют в цифровой аппаратуре, так как при этом наиболее полно обеспечивается унификация элементной базы.

Кроме того, не требуется согласование по уровням сигналов релаксационных генераторов и других устройств аппаратуры.

На рис. 4.9, а представлена принципиальная схема автоколебательного мультивибратора на ИМС, реализующих логическую функцию И—НЕ. Логические микросхемы Э3 и Э4 имеют вспомогательное назначение и служат для создания режима мягкого самовозбуждения колебаний в схеме. При включении питания и возможном появлении на обоих выходах микросхем Э1 и Э2 сигналов логической единицы, срабатывают микросхемы Э3 и Э4. На вход Э2 поступает высокий уровень напряжения, который

195

вызывает переключение Э2 в состояние логического нуля на выходе и приводит к возникновению режима автоколебаний.

Временнûе диаграммы, характеризующие работу схемы в режиме автоколебаний, приведены на рис. 4.9, б. В момент времени t1 напряжение Uвх2 достигает порогового значения Uпop сx, при котором происходит переключение микросхемы Э2 . Напряжение U вых2 изменяется от уровня U 0вых, соответствующего логическому нулю, до уровня U 1вых логической единицы. Так как конденсатор С1 представляет собой в момент времени t1 цепь, замкнутую накоротко (напряжение на конденсаторе скачком измениться

не может), то Uвх1(t1) = U 1вых и, следовательно, Uвых (t1) = U 0вых. Скачок напряжения Uвых1 от U 1вых до U 0вых через конденсатор

С2 передается на вход микросхемы Э2 и создает нежелательный отрицательный выброс напряжения Uвх2. Чтобы исключить отрицательные выбросы на входах Э1 и Э2 , резисторы R1 и R2 шунтируют диодами VD1 и VD2.

После момента времени t1 конденсатор C1 начинает заряжаться с постоянной времени τзар1 = R1С1 напряжение Uвх1 стремится к нулю с той же постоянной времени. По достижении напряжением Uвх1 порогового значения Uпор сх, при котором переключается микросхема Э1, напряжение Uвых скачком изменяется до значения, со-

ответствующего логической единице, т.е. Uвых1 (t2) = U 1вых, что приводит к изменению напряжения Uвх2 (t2) = U 1вых, следовательно,

Uвх2 (t2) = U 0вых. Таким образом, мультивибратор переходит в следующее квазиустойчивое состояние, за время которого происходит заряд конденсатора С2 и изменение напряжения Uвх2 с

постоянной времени τзар2 = R2С2. При Uвх2(t3) = Uпор сх мультивибратор переходит в новое квазиустойчивое состояние, во вре-

мя которого заряжается конденсатор С1, т.е. цикл повторяется. В соответствии с временными диаграммами длительность им-

пульсов выходного напряжения Uвых2 определяется формулой

t

и

= (R

+ R1

)C

ln

U 1вых U вых0 +U R1

.

 

 

1

вых

1

 

U порсх

 

 

 

 

 

 

196

Длительность паузы (tп) между соседними выходными импуль-

сами напряжения:

 

 

)

 

 

 

 

 

вых1 U вых0 +U R2

 

 

(

 

 

1

 

 

 

U

 

tп =

R2

+ Rвых

 

C2 ln

 

 

 

 

 

,

 

 

U пор сх

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где U R1 , U R 2

— падение напряжения на резисторах R1, R2 от про-

текания входного тока микросхемы при низком уровне входного

напряжения (U R1

= Iвх0

R1, UR2

= I вх0 R12); R1вых — выходное сопро-

тивление микросхемы при высоком уровне выходного напряжения.

Обычно выбирают R1

= R2 = R. При выполнении неравен-

ства R . R1вых будем иметь:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U1вых

U вых0

+U R

 

tп =

R2 + C2ln

 

 

 

 

2

 

;

 

 

 

 

U пор сх

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U1вых

U вых0

+U R

 

t

и

= R + C ln

 

 

 

 

1

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

1

 

 

 

 

 

U пор сх

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

На рис. 4.10 приведены принципиальная схема (а) и временные диаграммы работы (б) ждущего мультивибратора на логических микросхемах, реализующих функцию И—НЕ.

В исходном состоянии на выходе элемента Э1 имеем высокий уровень напряжения U 1вых (логическую единицу), так как резистор

подключен к нулевой шине и уровень напряжения на входе Э1 определяется падением напряжения на резисторе R: UR = Iвых0 R от входного тока микросхемы. Это падение напряжения должно быть меньше порогового напряжения Uпор сх . Тогда при высоком уровне напряжения U1вх на входе 1 микросхемы Э2 на ее выходе создается низкий уровень напряжения Uвых2 = U 0вых (логический нуль).

При поступлении на вход 1 элемента Э2 напряжения U 0вх в момент времени t1 на ее выходе устанавливается уровень напряжения, соответствующий логической единице. Возникший при переключении микросхемы Э2 скачок напряжения U 1вых U 0вых = ∆Uлог передается через конденсатор С на вход микросхемы Э1 и переключает ее в состояние логического нуля, когда U 1вых = U 0вых .

197

Рис. 4.10. Принципиальная схема (а) и временнûе диаграммы работы (б) ждущего мультивибратора на ИМС

После момента времени t1 конденсатор С заряжается по экспоненте с постоянной времени τ = RC, а напряжение Uвх1 падает с той же постоянной.

Мультивибратор находится в квазиустойчивом состоянии.

Возвращение сигнала Uвх на входе 1 микросхемы Э2 к прежнему уровню (логической единице) не приводит к изменению ее состояния, так как на входе 2 микросхемы после момента времени t1 устанавливается логический

нуль (U2 = Uвых1 = U 0вых).

В момент времени t2, когда Uвх1 достигает порогового уровня напряжения Uпop cx, происходит переключение Э1 и, соответственно, Э2. Мультивибратор возвращается в исходное состояние.

Для предотвращения отрицательного выброса напряжения Uвх1 в момент времени t2 и уменьшения таким образом времени восстановления исходного состояния схемы резистор R шунтируют диодом VD.

Длительность выходного импульса при R . R1вых определяется из формулы

U вых1

U вых0 +U R

2

 

tи = RC ln

 

 

.

 

Uпор сх

 

 

 

 

 

Принципиальная схема (а) и временные диаграммы работы (б) автоколебательного мультивибратора на операционном усилителе приведены на рис. 4.11.

198

Eогр.
E огр+

Рис. 4.11. Принципиальная схема (а) и временнûе диаграммы работы (б) автоколебательного мультивибратора на ОУ

При включении питания дифференциальное напряжение смещения, возникающее на входе ОУ за счет действия ПОС, образованной резисторами R1 и R2, скачком переводит операционный усилитель в режим ограничения выходного сигнала.

Пусть в момент времени t0 на выходе ОУ устанавливается поло-

жительное максимальное напряжение Uвых max = Eогр+ . Вход 1 в мо-

мент времени t0 оказывается заземленным по переменному току, так как напряжение на конденсаторе С при включении питания скачком измениться не может, т.е. U1(t0) = Uс(t0) = 0. Напряжение на входе 2 определяется сопротивлениями резисторов R1 и R2 и равно:

+ (

)

 

Eогр+

R2

+

U 2 t0

 

=

 

 

 

= Eогрγ .

 

R1

+ R2

 

 

 

 

После момента времени t0 конденсатор заряжается с постоянной времени τ = RC и напряжение на нем, а следовательно, на входе 1 ОУ изменяется, стремясь от нуля к значению . Напряжение на входе 2 остается неизменным. В момент времени t1 напряжение Uс(t) достигает значения U 2+ , т.е. Uс(t1) = U 2+ , изменяется знак дифференциального входного напряжения ОУ, а его выходное напряжение скачком достигает своего отрицательного предела – Uвых max =

199

Напряжение U2 становится отрицательным и удерживает схему в состоянии ограничения, когда Uвых = Еогр . Конденсатор С перезаря-

жается, а напряжение на нем стремится кEогр. При|UC| =U 2= Eогр+ γ происходитскачоквыходногонапряжениякположительномупределу.

Длительности квазиустойчивых состояний схемы определяют-

ся из формул:

 

 

 

 

 

 

 

E

 

+U +

 

 

 

2R2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

огр

 

 

 

 

2

 

 

 

 

T1

= RCln

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E

 

 

 

U

 

RCln 1

R1

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

огр

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E+

 

 

+U

 

 

 

2R2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

огр

 

 

 

2

 

 

 

 

 

T2

= RCln

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= T1 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E+

 

 

U +

 

RCln 1+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R1

 

 

 

 

 

 

 

 

огр

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таким образом, схема генерирует импульсы со скважностью, равной двум. Для изменения частоты и скважности выходных импульсов можно: подать в точку а напряжение Е 0; зашунтировать резистор R цепью, состоящей из последовательно соединенных резистора Rи диода VD (на рис. 4.10, а показана пунктиром).

Принципиальная схема (а) и временнûе диаграммы (б) ждущего мультивибратора на операционном усилителе приведены на рис. 4.12. В исходном состоянии, когда Uвх = 0, выходное напряжение ОУ равно положительному предельному значению Е +огр .

Рис. 4.12. Принципиальная схема (а) и временнûе диаграммы работы (б) ждущего мультивибратора на ОУ

200

Диод VD1 открыт, напряжение на конденсаторе С и соответственно на инвертирующем входе 1 усилителя составляет десятые доли вольт. Напряжение на неинвертирующем входе 2 определяется делителем (R1 R2):

U 2+ =

Eогр+ R2

= Eогр+ γ.

 

 

R1 + R2

Этонапряжениеудерживаетусилительврежиме, когдаUвых = Е+огр. При подаче в момент времени t0 на вход мультивибратора отрицательного импульса, обычно прямоугольной формы, схема скачком переходит в квазиустойчивое состояние, для которого Uвых = Eогр+ . Чтобы исключить влияние входного сигнала на работу схемы, применены цепь запуска С1 , R1 и диод VD2. В момент времени t0 диод VD1 закрывается и конденсатор С и начинает заряжаться с постоянной времени τ = RC (диод VD1 закрыт). Напряжение на нем стремит-

ся к значениюEогрпо экспоненте с той же постоянной времени. Схема удерживается в квазиустойчивом состоянии до тех пор,

пока в момент времени t1 напряжение |Uc| = |U1| превысит по абсолютному значению напряжение на неинвертирующем входе U2.

Длительность выходного импульса схемы

tи RC ln

U д1 +

 

Eогр

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Eогр

 

 

U 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Отсюда при Еогр. Uд1 после несложных преобразований получим

tи RC ln

 

 

 

 

 

 

Eогр

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E

 

R

/(R + R

2

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

огр

 

1

1

 

 

 

В момент времени t1 ОУ снова переходит в исходное устойчи-

вое состояние, когда Uвых = Eогр+ , и конденсатор С начинает разряжаться с постоянной времени τ = (R|| R) С RС n τ , так как диод VD3 при Uвык = Eогр+ > 0 открыт. Напряжение Uс стремится

201