Лабораторная работа №7 мультивибратор

ЦЕЛЬ РАБОТЫ – ознакомление с принципом работы мультивибратора в автоколебательном режиме; исследование параметров колебаний, которые генерирует мультивибратор.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Генерирование периодических колебаний различной формы и частоты осуществляется в автогенераторах – устройствах, преобразующих с помощью электронных приборов (ЭП) энергию источников постоянного напряжения в энергию автоколебаний. Работа автогенераторов основана на использовании положительной обратной связи (ПОС) в усилительных цепях и нелинейности вольт-амперных характеристик (ВАХ) ЭП. Автогенератор как система с обратной связью (ОС) может быть представлен в виде структурной схемы, показанной на рис. 7.1. Его комплексная передаточная функция связана с комплексными передаточными функциями звена прямой передачии звена ОСзависимостью

. (7.1)

При условии 1 в системе с обратной связью самопроизвольно, без внешнего воздействия, возникают колебания.

Рис. 7.1. Структурная схема автогенератора

Мультивибратор является автогенератором периодической последовательности импульсов. Название «мультивибратор» в переводе означает «генератор множества колебаний» и отражает основную особенность – генерируемые им колебания имеют сложную форму, образованную суммой множества гармонических колебаний.

Мультивибраторы применяются в импульсной технике в качестве задающих генераторов прямоугольных импульсов, расширителей импульсов, делителей частоты, в качестве пусковых и переключающих устройств. Мультивибраторы могут работать в трех режимах: ждущем, автоколебательном и синхронизации.

В ждущем режиме мультивибратор имеет одно состояние устойчивого равновесия, из которого он может быть выведен пусковым импульсом. При подаче пускового импульса схема переходит в состояние временно устойчивого равновесия (квазиравновесия). В состоянии квазиравновесия в схеме протекают релаксационные процессы, связанные с зарядом (разрядом) емкостей в цепях связи. Эти процессы в итоге приводят к возвращению схемы в исходное состояние устойчивого равновесия.

В автоколебательном режиме мультивибратор работает как генератор с самовозбуждением. Этот режим характеризуется наличием двух различных состояний квазиравновесия, которые периодически сменяют друг друга.

В режиме синхронизации мультивибратор работает как генератор с самовозбуждением, но на него воздействует извне еще специальное синхронизирующее напряжение, частота которого определяет частоту генерируемых им колебаний.

Рассмотрим работу мультивибратора в автоколебательном режиме на примере схемы, выполненной на биполярных транзисторах. Как видно из рис. 7.2, он представляет собой двухкаскадный инвертирующий усилитель на резисторах, охваченный ПОС. Выход первого каскада, собранного на транзисторе VT1 и резисторах ,, подключен через емкостьк входу второго каскада, собранного на транзисторе VT2 и резисторах,, а выход второго каскада через емкостьподключен к входу первого каскада. Согласно структурной схеме рис. 10.1 в мультивибраторе как системе с ОС один каскад инвертирующего усилителя образует звено прямой передачи, а другой каскад – звено обратной связи.

Рис. 7.2.Мультивибратор на биполярных транзисторах

Работа мультивибратора основана на следующих принципах.

1. Имеется широкополосная ПОС, которая обеспечивает условие самовозбуждения в идеальном случае во всем частотном диапазоне (<).

2. ПОС – глубокая, что обусловливает работу ЭП в ключевом режиме (транзистор находится или в закрытом, или в насыщенном состоянии).

3. Имеется времязадающая - цепь, которая управляет временем включения ПОС и определяет время, в течение которого схема находится в одном из квазиустойчивых состояний,

, (7.2)

где – пороговое напряжение, при котором транзистор открывается;– напряжение в установившемся режиме ();

–начальное напряжение на емкости ,= 1, 2.

При включении источника питания через оба транзистора потекут коллекторные токи, емкости и будут заряжаться. Однако, состояние схемы, когда оба транзистора открыты, неустойчиво. Даже при постоянном напряжении питанияколлекторные токи подвержены некоторому колебанию из-за флуктуации носителей зарядов – электронов и дырок. Случайное изменение коллекторных токов из-за глубокой ПОС приводит к лавинообразному процессу, ток одного транзистора достигает максимального значения, а ток другого скачком падает до нуля. Состояние схемы, когда один транзистор насыщен, а другой закрыт, является временно устойчивым.

Работу мультивибратора поясняют временные диаграммы напряжений, изображенные на рис. 7.3.

В момент времени , который примем за исходный, транзистор VT1 находится в состоянии насыщения, а транзистор VT2 заперт. Емкостьразряжается по цепи, указанной на рис. 7.4а. Затем она начнет перезаряжаться. В момент времени напряжение на емкостидостигнет напряжения отпирания транзистора0,6 В. Транзистор VT2 открывается. Увеличение коллекторного токаприводит к уменьшению напряжения на коллекторе VT2 (). Через емкость связиэто уменьшит напряжение на базе VT1, и транзистор VT1 начнет закрываться. Из-за глубокой ПОС схема лавинообразно перейдет в новое состояние квазиравновесия: транзистор VT1 заперт, а VT2 – насыщен. Напряжение на коллекторе VT1 увеличивается не мгновенно, а по экспоненте, так как параллельно ему подключена емкость, которая заряжена до напряженияпо цепи, указанной на рис. 7.4б.

Время заряда емкости через резисторопределяет длительность фронта импульса. За счет протекания большого начального тока заряда емкостичерез конечное сопротивление перехода база – эмиттер транзистора VT2наблюдается всплеск напряжения. На интервале времениввиду малого сопротивления в состоянии насыщения транзистора VT2 положительно заряженная обкладка емкостиоказывается замкнутой практически на корпус. Поэтому отрицательное напряжение емкостиприложено к базе транзистора VT1 и поддерживает его в закрытом состоянии. В момент времениемкость находится под напряжением -Оно является начальным при формировании положительного импульса напряжения(). Начиная с, емкостьначнет разряжаться по цепи – источник напряжения, резистор (аналогичной цепи, показанной на рис. 7.4а). После разряда емкость начнет перезаряжаться. И если бы она не была подключена к базе транзистора VT1, то в установившемся режимезарядилась бы до напряжения(). Однако, перезарядившись до напряжения, в момент временитранзистор VT1 открывается и за счет глубокой ПОС лавинообразно переходит в квазиравновесие: VT1 – насыщен, VT2 – закрыт. На интервале времениподобным же образом формируется импульс напряжения.

Рис. 7.3. Зависимостинапряжений, поясняющие работу мультивибратора

Следующие друг за другом два состояния квазиравновесия образуют колебательный процесс, в результате которого мультивибратором формируется периодическая последовательность импульсов, близких к прямоугольной форме. Как следует из (7.2), длительность импульсов определяется как

, =1, 2, (7.3)

поскольку   10 В, а  = 0,6 В  0 В.

Период следования импульсов равен .

а) б)

Рис. 7.4. Времязадающаяцепь

а) цепь разрядаемкости ,

б) цепь заряда емкости

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Лабораторная установка состоит из базового устройства, выполненного на отдельном шасси по схеме рис. 7.2. Переключатели SA1 и SA2 позволяют переключать номиналы емкостей и , переменный резисторпозволяет изменять величину сопротивления. Эти изменения дают возможность наблюдать влияниеи емкостей на длительность импульсов. Переменный резисторпозволяет управлять длительностью фронта импульса, который формируется на коллекторе транзистора VT1.

Напряжение питания = 10 В подается от отдельного источника постоянного напряжения. Для исследования сигналов при выполнении лабораторной работы используется электронный осциллограф.

ПОДГОТОВКА К РАБОТЕ

1. Изучить основные принципы работы мультивибратора в автоколебательном режиме.

2. Нарисовать в рабочей тетради один каскад инвертирующего усилителя на резисторах и принципиальную схему мультивибратора на биполярных и полевых транзисторах.

3. Решить задачу заряда конденсатора в - цепи от источника постоянного напряжения при начальном условии:= 0 при= 0.

ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАДАНИЕ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

1. Исследовать влияние величин емкостей ина длительность импульсовии период следования импульсов Т. Для этого просмотреть и зарисовать осциллограммы напряжений,,,. Измерения,провести при минимальных значениях,, чему соответствует== 2 кОм и== 51 кОм. Рассмотреть симметричный случай:== 4700 пФ и несимметричные случаи:= 4700 пФ,= 0,01 мкФ;= 0,01 мкФ,= 4700 пФ.

2. Исследовать влияние на колебательный процесс. Просмотреть и зарисовать осциллограммы напряжений, провести измерение параметров импульсов в случае=при= 51 кОм (минимальное значение) и= 98 кОм (максимальное значение).

3. Исследовать влияние на колебательный процесс при фиксированных значениях,идля случаев= 2 кОм и= 6,7 кОм. Просмотреть и зарисовать осциллограммы напряжений,, измерить длительность фронтов импульсов.

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Материалы подготовки к выполнению работы.

2. Осциллограммы напряжений ,,,для рассмотренных случаев.

3. Измеренные и расчетные значения ,,,.

4. Выводы по приведенным исследованиям.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. На чем основана работа автогенераторов?

2. Назовите основные принципы работы мультивибратора.

3. Проанализируйте схему мультивибратора, указав наличие ПОС.

4. Объясните принцип действия мультивибратора.

5. Какое влияние оказывают на параметры импульсов величины емкостей связи ,и резисторов,?

6. Как влияет на форму импульсов?

ЛИТЕРАТУРА: [1] – [7], [22].