3. ГЕНЕРАТОРЫ И ФОРМИРОВАТЕЛИ ИМПУЛЬСОВ

3.1. Автоколебательные мультивибраторы

Автоколебательный мультивибратор или просто мультивибратор – это устройство, предназначенное для генерирования прямоугольных импульсов напряжения с заданными параметрами: частотой следования f, скважностью q, амплитудой .

3.1.1. Симметричный мультивибратор, выполненный

на основе операционного усилителя

R₃

U⁺_{вых.ОУmax}

u_вых

Схема симметричного мультивибратора, выполненного на основе операционного усилителя (ОУ), приведена на рис.3.1,а, а передаточная характеристика ТШ, являющегося частью мультивибратора, приведена на рис.3.1,б.

u_вых

DA

C

U_c

u₁

U_отп

U_ср

R₂

R₁

U^-_{вых.ОУmax}

а. б.

Рис.3.1

Операционный усилитель, совместно с резистивным делителем из резисторов и , образуют симметричный инвертирующий триггер Шмитта. Напряжение на конденсаторе является входным напряжением для ТШ. Рассмотрим работу мультивибратора. Временные диаграммы, поясняющие его работу приведены на рис.3.2.

Пусть в начальный момент времени t₁ напряжение на выходе мультивибратора , где напряжение – максимальное положительное напряжение на выходе ОУ. Напряжение на неинвертирующем входе ОУ:

, (3.1)

где – коэффициент передачи делителя, а – напряжение срабатывания ТШ (см. раздел «триггеры Шмитта»). При этом конденсатор С заряжается током, проходящим по цепи: выход схемы – резистор – конденсатор С – общий провод. Напряжение на конденсаторе С возрастает по закону:

, (3.2)

где – постоянная времени, и в момент времени t₂ достигает напряжения – порога срабатывания ТШ, определяемого (3.1). Триггер Шмитта переключается и на его выходе – выходе мультивибратора появляется низкий уровень напряжения , где напряжение – максимальное отрицательное напряжение на выходе ОУ. Напряжение на неинвертирующем входе ОУ:

u_c ,

u₁

Рис.3.2

, (3.3)

где – напряжение отпускания ТШ (см. раздел «триггеры Шмитта»). При этом конденсатор С начинает перезаряжаться током, проходящим по цепи: общий провод – конденсатор С – резистор – выход схемы. Напряжение на конденсаторе С убывает по закону:

, (3.4)

и в момент времени t₃ достигает напряжения – порога отпускания ТШ, определяемого (3.3). Триггер Шмитта вновь переключается и начинается уже рассмотренный процесс заряда конденсатора С, описываемый (3.2).

Подстановка выражений (3.1) и (3.3) в (3.2) и (3.4), соответственно, позволяет определить длительность паузы и длительность импульса (рис.3.2), сумма которых равна периоду работы мультивибратора Т:

. (3.5)

Равная длительность импульса и паузы объясняется симметрией схемы.

Период Т, выраженный через параметры элементов схемы:

. (3.6)

3.1.2. Несимметричный мультивибратор, выполненный на основе операционного усилителя

Схема несимметричного мультивибратора, выполненного на основе операционного усилителя, приведена на рис.3.3, а передаточная характеристика ТШ, являющегося частью мультивибратора, соответствует приведенной на рис.3.1,б.

Рис.3.3

Рассмотрим работу несимметричного мультивибратора. Временные диаграммы, поясняющие его работу, приведены на рис.3.4. Принцип действия этого мультивибратора аналогичен принципу действия симметричного мультивибратора (рис.3.1).

Отличие состоит в том, что заряд конденсатора С с полярностью, указанную на рис.3.3 без скобок, происходит током по цепи: выход схемы – резистор – диод – конденсатор С – общий провод. При этом длительность импульса напряжения на выходе мультивибратора определяется по выражению, аналогичному (3.5):

, (3.7)

где – постоянная времени цепи заряда конденсатора.

u_вых

u_c

u₁

T

t_n

t_u

K_д ^. U⁺_{вых.ОУ.max}

K_д ^. U ^-_{вых.ОУ.max}

t

U⁺_{вых.ОУ.max}

t

U ^-_{вых.ОУ.max}

u₁

u_c

t₁

t₄

t₃

t₂

t₅

Рис.3.4

Перезаряд конденсатора С с полярностью, указанную на рис.3.3 в скобках, происходит током по цепи: общий провод – конденсатор С – диод – резистор – выход схемы. При этом длительность паузы напряжения на выходе мультивибратора определяется по выражению, аналогичному (3.5):

, (3.7)

где – постоянная времени цепи перезаряда конденсатора. Выражения (3.6) и (3.7) получены в предположении что диоды и идеальны и прямое падение напряжения на них пренебрежимо мало. Временные диаграммы (рис.3.4) приведены для случая .

3.1.3. Мультивибратор с регулируемой частотой и скважностью импульсов

Схема несимметричного мультивибратора с регулируемой частотой и скважностью импульсов, выполненного на основе ОУ, приведена на рис.3.5. Временные диаграммы, поясняющие его работу, аналогичны приведенным на рис.3.4. Принцип действия этого мультивибратора аналогичен принципу действия несимметричного мультивибратора (рис.3.3). Отличие состоит в том, что за счет перемещения движка потенциометра обеспечивается изменения постоянных времени заряда и разряда конденсатора С, входящих в выражения (3.6) и (3.7) по которым определяются длительности импульса и паузы напряжения на выходе схемы. При этом период следования импульсов на выходе мультивибратора изменяется незначительно, т. к. увеличение длительности импульса из-за увеличения постоянной времени заряда почти компенсируется уменьшением длительности паузы из-за уменьшения постоянной времени разряда .

И зменение периода следования импульсов на выходе мультивибратора обеспечивается перемещением движка потенциометра , что изменяет величину сопротивления , входящую в выражения (3.6) и (3.7). При этом изменяется коэффициент передачи делителя триггера Шмитта и, соответственно, величины порогов срабатывания и отпускания ТШ. Это приводит к изменению периода следования импульсов напряжения на выходе мультивибратора.

Рис.3.5