8.2. Генераторы колебаний прямоугольной формы.

Наиболее часто используемый в настоящее время вид генераторов,

без которых не может обойтись ни одно электронное устройство, имеющее

в своем составе цифровые интегральные микросхемы.

Принцип построения генераторов колебаний прямоугольной формы

(прямоугольных импульсов) базируется на выполнении двух основных ма-

тематических операций: интегрирования и сравнения. Наиболее просто он

реализуется с помощью релаксационных генераторов (мультивибраторов).

В таких генераторах колебания создаются путем периодического заряда и

разряда конденсатора до некоторых пороговых уровней током, полярность

которого изменяется с помощью некоторой внешней цепи. Наиболее про-

стые схемы мультивибраторов строят, охватывая ОУ цепями положитель-

ной и отрицательной обратной связи, причем ПОС по своему действию во

времени должна быть опережающей по отношению к ООС. Тогда цепь

ПОС обеспечивает лавинообразный переход генератора из одного состояния в другое, а – ООС (совместно с цепью ПОС) ограничивает время пребывания устройства в каждом из состояний.

Одна из простейших схем релаксационного генератора на основе ОУ

показана на рис. 2.56,а, а временная диаграмма ее работы – на рис. 2.56,б.

ПОС осуществляется с помощью резистивного делителя R3, R4, а цепь

ООС содержит пассивный интегратор R1, С1. Резистор R2 и двусторонний

(двуханодный) стабилитрон VD образуют параметрический стабилизатор.

После включения питания генератор, благодаря ПОС, обязательно окажется в одном из двух крайних состояний, характеризующихся насыщением выхода ОУ (Uн+ или Uн–) и пробоем стабилитрона, в результате чего на выходе возникает напряжение Uст+ или Uст– соответственно. Если считать, что в начальный момент времени t=0 uвых=Uст+, то напряжение на неинвертирующем входе ОУ окажется равным

ub=βпUст+, (2.120)

Через резистор R1 начинает заряжаться конденсатор С1 до тех пор,

пока напряжение на нем uа, изменяющееся по закону

где τ=R1С1 – постоянная времени интегратора, не превысит в момент вре-

мени t=tи напряжение ub. Тогда за счет большого усиления ОУ и действия

ПОС выходное напряжение генератора скачком изменится и станет равным uвых=Uст–. Соответственно изменится и напряжение на неинвертирующем входе

ub=βпU_ст–.

Конденсатор С1 начинает разряжаться, пока напряжение на нем, из-

меняющееся по закону, аналогичному (2.121), в момент времени t=T не

окажется меньше, чем ub. Состояние схемы снова скачком изменится, вы-

ходное напряжение станет положительным. Таким образом, процесс заряда-разряда конденсатора оказывается периодическим.

Если уровни стабилизации Uст+ и Uст– одинаковы, то период колеба- ний Т можно определить, приравнивая (2.120) и (2.121) в момент времени

t=tи=Т/2. В результате получим

При R3=R4 частота генерируемых прямоугольных импульсов со

скважностью Q=T/t_и=2 рассчитывается по формуле

Для обеспечения стабильности по частоте (это касается всех схем

мультивибраторов) необходимо, чтобы скорость нарастания или спада на-

пряжения на времязадающем конденсаторе в моменты изменения состояния схемы была достаточно велика. Чем круче наклоны экспонент относительно уровней Uст+ и Uст– стабилитрона, тем меньше влияние дрейфа этих

напряжений друг относительно друга на период колебаний. Поэтому не

следует задавать значения βп>0,5. Кроме того, целесообразно выбирать

быстродействующие ОУ, желательно без коррекции частотных характери-

стик.

Для уменьшения влияния входных токов ОУ предпочтительным яв-

ляется выбор сопротивления резистора R1, равного

Стабилитрон VD используется для устранения влияния нестабильности напряжения питания ОУ (и тем самым Uн), на амплитуду выходного

напряжения генератора.

Ток через стабилитрон не должен превышать максимального значения выходного тока ОУ Iвыхmax. Если сопротивление нагрузки мультивиб-

ратора велико, то ориентировочное значение сопротивления резистора R2

составляет

Точную установку частоты можно осуществить подстройкой резистора R3. Существуют схемы мультивибраторов, в которых цепь ООС образована резистивным делителем, а цепь ПОС выполнена дифференцирующей. Принцип их действия ничем не отличается от вышерассмотренной с интегратором в цепи ООС.

Релаксационный генератор колебаний прямоугольной формы может

быть реализован и на токоразностных усилителях. причем они обеспечивают ряд преимуществ. Во-первых, легко получить импульсы с низким

уровнем напряжения, близким к 0 В. Во-вторых, достаточно просто фор-

мируются импульсы со скважностью, существенно отличающейся от 2.

В мультивибраторах на токоразностных усилителях пороги срабатывания определяются токами, а не напряжениями. В схеме на рис. 2.57,а

уровень выходного сигнала меняется от U_max≈U_п–(1÷2)U_бэ до

U_min=(1÷2)U_бэ.

Достоинством данного мультивибратора является его питание от однополярного источника напряжения.

Генераторы колебаний прямоугольной формы на основе ОУ и токо-разностных усилителей имеют максимальные частоты генерации, обычно

не превышающие десятков килогерц из-за задержки насыщения каскадов

усиления и конечной скорости нарастания. Значительные преимущества

имеют компараторы (см. § 2.12.1), в особенности быстродействующие

схемы с выходом типа «открытый коллектор». Такие мультивибраторы

способны генерировать прямоугольные импульсы с частотами, состав-

ляющими несколько сотен килогерц.

Для повышения стабильности частоты вырабатываемого напряжения

прямоугольной формы в схемы генераторов вводят кварцевые резонаторы,

обычно включаемые в цепь положительной обратной связи. С их помощью, используя быстродействующие компараторы, можно получать прямоугольные импульсы с частотой, превышающей 1 МГц, при погрешности и дрейфе ее порядка 10–4 %.

Простые, с хорошими характеристиками генераторы колебаний пря-

моугольной формы строятся на основе интегральных таймеров, причем

питание их осуществляется от источника напряжения только одной поляр-

ности.

Расчет цепи.

Генераторы колебаний прямоугольной формы.

Анализ схемы мультивибратора позволяет записать дифференциальное уравнение:

При начальных условиях uc(0) = –Uп решение этого уравнения имеет вид:

Значение напряжения, равное порогу срабатывания триггера Шмитта (условие Uc(t)=Uп), будет достигнуто спустя время

Период колебаний мультивибратора, таким образом, равен:

T = 2*10⁴ *10^-8ln[1+2*10³/10⁵] = 3.96*10^-6 c

Как видно из последней формулы, период колебаний мультивибратора не зависит от напряжения Uм, которое, в свою очередь определяется напряжением питания Uпит. Поэтому частота колебаний мультивибратора на ОУ мало зависит от питающего напряжения.

ν=1/T= 1/3.96*10^-6= 0.25МГц

Данный результат соответствует практическому и теоретическому исследованию схемы.