4.1 Автоколивальний мультивібратор
Автоколивальний мультивібратор— це генератор сигналів прямокутної форми. Схема мультивібратора (рис. 4.1) схожа на схему компаратора з гістерезисом, тільки на відміну від нього тут генератор вхідної напруги замінений конденсатором. Резистори R1 і R2 утворюють подільник напруги, з якого частина вихідної напруги подається назад на вхід (+). При Uвих=+Uнac (рис. 4.1,а) ця напруга зворотного зв'язку називається верхньою граничною напругою Unв. Величина її визначається з рівняння [11]:
(4.1)
а б
а – робота при Uвих=+Uнac,
б – робота при Uвих=-Uнac
Рисунок 4.1- Автоколивальний мультивібратор
Резистор Rзз утворює ланку зворотного зв'язку, приєднану до входу (-) ОП. Коли Uвих=+Uнac, струм І+ проходить через Rзз, заряджаючи конденсатор С. Доти поки напруга на конденсаторі Uc залишається нижчою за Uпв, на виході зберігається напруга +Uнас.
У момент заряду конденсатора до величини Uc, трохи більшої за Unв, напруга на вході (-) ОП стає додатною відносно напруги на вході (+). При цьому вихід схеми переключається від рівня +Uнас до -Uнас. На вході (+) буде тепер підтримуватися від'ємний відносно землі потенціал, оскільки напруга зворотного зв'язку в цьому випадку від'ємна і дорівнює:
(4.2)
У момент переключення (виходу схеми в стан Uвих=-Uнac початкова напруга на конденсаторі дорівнює Unв (рис. 4.1,а). Тепер через конденсатор С буде протікати струм І-, що розряджає його до 0 В і перезаряджає його до Unн. Коли Uc стає більш негативною, ніж напруга зворотного зв'язку Unн, схема переключається назад до Uвих=+Uнac. При цьому схема повертається, у початковий стан (рис. 4.1,а), причому С має початковий заряд, рівний Unн. Конденсатор буде розряджатися від Unн до 0 В і перезаряджатися знову до Unв, після чого описаний процес повторюється. Отже, коротко роботу автоколивального мультивібратора можна описати так:
- при Uвих=+Uнac конденсатор С перезаряджається від Unн до Unв і переключає схему у стан Uвих= -Uнac;
- при Uвих=-Uнac конденсатор С перезаряджається від Unв до Unн і переключає схему в стан Uвих= +Uнac. Час, необхідний для заряду і розряду С, визначає частоту роботи мультивібратора.
Частота генерації
На рис. 4.2 показано форму напруги на конденсаторі і виході схеми автоколивального мультивібратора. Опір резистора R2 обрано 0,86·R1 для спрощення обчислення часу заряду конденсатора. Інтервали t1 і t2 показують, як Uc і Uвих змінюються в часі в схемах рис. 4.1, а і б відповідно. Ці інтервали дорівнюють добутку Rзз на С.
Період коливань Т — це час одного повного циклу. Оскільки Т дорівнює сумі t1 і t2, то при R2=0,86·R1:
Т = 2·Rзз·С (4.3)
Частота коливань f величина, обернена до періоду Т:
(4.4)
де Т вимірюється в секундах, f - у герцах, Rзз — в омах, а С — у фарадах.
Рисунок 4.2- Форми напруги в мультивібраторі на рис.4.1
4.2 Очікуючий мультивібратор
Очікуючий мультивібратор (одновібратор) під дією вхідного запускаючого сигналу генерує одиничний імпульс. Тривалість цього імпульсу залежить тільки від параметрів зовнішніх елементів (резисторів і конденсаторів), підключених до ОП. З рис. 4.3 видно, що одновібратор спрацьовує по від'ємному фронту вхідного імпульсу Евх, тривалість якого може бути більша чи менша власної тривалості Т вихідного імпульсу одновібратора. Оскліьки Т змінюється тільки при зміні параметрів резисторів чи конденсаторів, одновібратор у випадку, коли тривалість імпульсу на виході перевищує тривалість вхідного імпульсу, можна розглядати як розширювач імпульсів. Крім того, одновібратор дозволяє одержати регульовану затримку, тобто регульований час між від'ємним фронтом Евх і додатнім фронтом Uвих.
Рисунок 4.3 - Вхідний сигнал Евх і вихідний імпульс в схемі одновібратора
Розглянемо три режими роботи одновібратора: 1) режим очікування, 2) процес переходу в стан витримки і 3) стан витримки (квазістійкий режим).
Режим очікування
На рис. 4.4,а Uвих дорівнює +Uнас. На вхід (+) ОП з подільника напруги R1, R2 надходить напруга зворотного зв'язку Uпн, величина якої визначається рівнянням (4.2). Діод VD1 фіксує на вході (-) додатну напругу на рівні -0,5 В. При цьому напруга на вході (+) буде додатна відносно напруги на вході (-), і ОП підсилює цю диференційну вхідну напругу (Ед=2,1-0,5=1,6 В), підтримуючи на виході Uвих=+Uнac.
Перехід у стан витримки
Якщо вхідний сигнал являє собою постійну напругу з усталеним значенням (як на рис. 4.4,а), на вході (+) зберігається додатній щодо входу (-) потенціал і Uвих= +Uнас. Якщо, однак, Евх стрибком стає від'ємною і приймає пікове значення Евх.пік, рівне ~2·Unв, напруга на вході (+) ОП впаде нижче рівня напруги на вході (-). Як тільки це відбудеться, вихід схеми переключається до Uвих = -Uнac, і одновібратор переходить у режим витримки. Для чіткого спрацьовування схеми варто вибирати Свх ємністю не менше за 0,005 мкФ.
а б
а – робота при Uвих=+Uнac,
б – робота при Uвих=-Uнac
Рисунок 4.4 - Схема одновібратора
Стан витримки
Це нестійкий стан і одновібратора не може дуже довго знаходитися в ньому. Розглянемо, чому. З подільника R1, R2 (рис. 4.4,б) на вхід (+) ОП надходить від'ємна напруга зворотного зв'язку Uпн = -2,1 В. При цьому діод VD1 зміщений напругою -Uнас у зворотному напрямку і фактично являє собою розімкнуте коло. Конденсатор С розряджається до 0 В і перезаряджається до полярності, протилежної тій, що була показана на рис. 4.4,а. При перезарядці конденсатора С потенціал на вході (-) щодо землі стає все більш негативним. Коли напруга на цьому конденсаторі стане ледь більша по абсолютній величині за Uпн вихід схеми переключається до Uвих=+Uнac. Це момент закінчення циклу роботи одновібратора; вихідний імпульс скінчився і схема повернулася у стійкий стан (рис. 4.4,а). Оскільки одновібратор має тільки один стійкий стан, його часто називають також мультивібратором з одним стійким станом.
Якщо R2 на рис. 4.4 вибрати так, щоб його опір дорівнював 1/5 опору R1, то вихідний імпульс буде мати тривалість:
(4.5)
При перевірці схеми можна брати Евх від генератора прямокутних сигналів чи від генератора імпульсів. Діод VD1 запобігає передчасне повернення одновібратора зі стану витримки при додатному перепаді Евх. Щоб одержати одновібратор, що генерує додатний імпульс при збудженні додатнім вхідним сигналом, досить змінити полярності включення діодів.