12.3. Методика расчета мультивибратора
Исходные данные для расчета: амплитуда генерируемых импульсов Um или напряжение Uп; длительность импульса tи или частота f ; длительность фронта tф.
Порядок расчета.
1. Выбор типа операционного усилителя. Проверяется допустимость использования ОУ при заданном напряжении питания, а также по известной из справочных данных скорости нарастания выходного напряжения dUвых/dt возможность обеспечения заданной длительность фронта импульса:
dUвых/dt Um / tф.
2. Выбираются сопротивления резисторов схемы из условия, что параллельное соединение всех резисторов, подключенных к выходу ОУ не создает его перегрузки:
(R1║(R2+R3)║Rн) ≥ Rн min или (R1║(R2+R3)║Rн) Rвых,
где Rн min и Rвых – минимально допустимое сопротивление нагрузки ОУ или выходное сопротивление соответственно.
Рассчитываются сопротивления резисторов R2 и R3 исходя из оптимального коэффициента деления 0.1, где = R3/(R2 + R3).
Рассчитывается постоянная времени цепи перезаряда конденсатора:
5. Уточняется сопротивление резистора R1 исходя из полученной постоянной времени , выбранной емкости конденсатора С и ограничения по максимальному значению R1. Необходимо, чтобы емкость конденсатора С многократно превышала паразитную емкость монтажа, включая емкость кабеля осциллографа, а сопротивление R1 было бы много меньше сопротивления утечек монтажа: С 50 пФ, R1<< 10 МOм.
Частота генерации в рассмотренной схеме мультивибратора на ОУ изменяется при колебаниях напряжения питания, в силу того что напряжение на неинвертирующем входе ОУ изменяется мгновенно и пропорционально изменениям Uп, а напряжение на конденсаторе С связано с Uп через экспоненциальную зависимость от времени.
Лучшей стабильностью частоты обладает мультивибратор на интеграторе и триггере Шмитта (рис. 12.2). Данная схема может быть также отнесена к классу функциональных генераторов, так как наряду с прямоугольными импульсами типа “меандр” она является источником сигналов пилообразной формы. Частота выходных импульсов схемы задается RC-цепью интегратора, выполненного на ОУ DA1, и зависит также от задаваемого порога срабатывания триггера Шмитта, который реализован на ОУ DA2.
Возникающие на выходе триггера Шмитта скачки напряжения с амплитудой, равной выходному напряжению насыщения ОУ (±Uнас), преобразуются на выходе интегратора в линейно изменяющееся напряжение. Когда выходное напряжение интегратора достигает порога срабатывания триггера Шмитта UТШ, напряжение на его выходе Uвых2 скачком меняет знак. Вследствие этого напряжение на выходе интегратора Uвых1 начинает изменяться в противоположную сторону, пока вновь не достигнет напряжения UТШ с противоположным знаком. Амплитуда пилообразного напряжения Uвых1 зависит только от установки порога срабатывания триггера Шмитта UТШ, который для данной схемы включения триггера определяется выражением:
UТШ = ±Uнас·R2 / R3.
Очевидно, что UТШ должно быть ниже Uнас, поэтому должно выполняться условие R3 > R2. Обычно принимают R3 = (2...10)R2.
В период воздействия плоской вершины импульса с выхода триггера Шмитта ток на входе интегратора имеет неизменное значение: I0 = ±Uнас /R1. В результате, угол наклона пилообразного напряжения Uвых1 рассчитывается по формуле: dUвых1/dt = I0/C.
В процессе генерации импульсов напряжение Uвых1 изменяется от – UТШ до + UТШ за 1/2 периода выходных импульсов. Исключая I0, в результате получим выражение для расчета периода следования Т выходных импульсов мультивибратора на интеграторе и триггере Шмитта:
Т = 4R1C (R2/R3). (12.1)
Последовательность расчета данного триггера включает в себя действия, аналогичные пунктам 1, 2 и 5 из методики расчета предыдущего мультивибратора, а далее с помощью формулы (12.1) производится окончательный выбор R1, C, R2 и R3 для получения заданного периода Т.