Лекция 26. генераторы импульсных

СИГНАЛОВ

1. МУЛЬТИВИБРАТОРЫ

Мультивибратором называется генератор периодически повторяющихся прямоугольных импульсов. Мультивибраторы могут работать в ждущем режиме, в режиме автоколебаний или в режиме синхронизации.

В ждущем режиме мультивибратор генерирует только один прямоугольный импульс заданной длительности при воздействии на вход управляющего сигнала. В автоколебательном режиме мультивибратор генерирует импульсы, амплитуда, частота и длительность которых определяются только параметрами схемы. В режиме синхронизации осуществляется принудительная генерация импульсов с частотой внешнего источника.

Схема мультивибратора может быть построена на транзисторах, ОУ или на логических элементах. Рассмотрим схему мультивибратора на ОУ, работающего в автоколебательном режиме (рис.26.1, а). Графики напряжений, поясняющие работу схемы, приведены на рис. 26.1, б.

В схеме рис. 26.1, а ОУ и цепь R₃ R₄ образуют компаратор с ПОС. При переключениях компаратора на его выходе формируются напряжения U_вых.m (оно открывает диод D₁) или -U_вых.m (оно открывает диод D₂).

Конденсатор С и резисторы R₁, R₂ образуют две интегрирующие цепи. Цепь заряда конденсатора R₁C включена, когда открыт диод D₁. Цепь разряда конденсатора R₂C включена, когда открыт диод D₂. Источником напряжения заряда и разряда конденсатора является выход ОУ. Нагрузкой интегрирующих цепей является инвертирующий вход ОУ.

Включим питание ОУ в момент времени t₁. Выходное напряжение ОУ U_вых может отклониться как в положительном, так и в отрицательном направлениях. Допустим, что U_вых получило положительное приращение . Через цепь ПОС R₃, R₄ это приращение подается на прямой вход ОУ, усиливается им и, в свою очередь, вызывает приращение ._. Процесс развивается лавинообразно. В результате в момент t₁ на выходе ОУ напряжение скачком принимает значение .

Положительное напряжение ОУ открывает диод D₁. Начинается заряд конденсатора С через резистор R₁. Скорость заряда определяется постоянной цепи . Нарастающее по экспоненте напряжение конденсатора U_C подается на инвертирующий вход ОУ.

На прямой вход ОУ, через цепь ПОС R₃, R₄ подается напряжение U_OC, причем,

.

В момент времени t₂ напряжение на конденсаторе U_C достигает значения U_0С. Происходит переключение компаратора. Он скачком переходит в область отрицательного насыщения, когда . Одновременно (в момент времени t₂) скачком изменяется напряжение обратной связи до величины

.

Отрицательным напряжением на выходе ОУ диод D₁ закрывается, а диод D₂ открывается. Начинается перезаряд конденсатора С через резистор R₂ до напряжения . Скорость перезаряда определяется постоянной времени . Когда напряжение на конденсаторе U_C достигает значения – U_OC (момент времени t₃), происходит регенеративное переключение компаратора. Далее процессы периодически повторяются.

В установившемся режиме (от момента t₂ и далее) напряжение конденсатора изменяется от U_ОС до - U_ОС и обратно. На графиках рис. 26.1, б интервал времени t₂ – t₃ определяет длительность паузы, а интервал t₃ – t₄ – длительность импульса. Аналитические выражения, определяющие временные параметры генерируемых импульсов, имеют вид:

– для длительности импульса

, (26.1)

– для длительности паузы

(26.2)

– для периода повторения

, (26.3)

– для скважности

(26.4)

Выражения (26.1) ÷ (26.4) позволяют выполнить расчет параметров мультивибратора. Кроме того, они позволяют определить способы регулировки частоты и скважности. Так, при регулировке частоты скважность не должна изменяться. Следовательно, величину сопротивлений R₁, R₂ целесообразно оставлять неизменной. Частоту целесообразно регулировать изменением R₃ или R₄.

При регулировке скважности частота должна оставаться неизменной. Это значит, что R₃ и R₄, а также (R₁ + R₂) должны быть постоянными величинами. Отсюда следует, что для регулировки скважности R₁ и R₂ следует выполнять как составляющие одного потенциометра. Крайние точки такого потенциометра подключаются к диодам D₁ и D₂, а средняя – к инвертирующему входу ОУ.

Схема ждущего мультивибратора приведена на рис. 26.2, а. Работу схемы поясняют графики рис. 26.2, б.

В схеме рис. 26.2, а ОУ и цепь R₃, R₄ образуют компаратор с ПОС, конденсатор С₁ и резистор R – интегрирующую цепь. Источником питания этой цепи служит выходное напряжение компаратора, нагрузкой – инвертирующий вход ОУ. Диод D₁ служит для фиксации начального напряжения на конденсаторе С – U_C (0). Конденсатор С₂ и резистор R₅ образуют дифференцирующую цепь. Диод D₂ пропускает на прямой вход ОУ только положительные импульсы. Эти импульсы служат для запуска ждущего мультивибратора.

В исходном состоянии . Компаратор находится в отрицательном насыщении, т. е. . Отрицательным напряжением диод D₁ открыт и поддерживает на конденсаторе С₁ напряжение U_C (0)= 0. Напряжение обратной связи отрицательное, причем,

.

Так как – (0), то исходное состояние устойчиво, мультивибратор может находиться в нем как угодно долго.

Пусть в момент времени t₁ с выхода дифференцирующей цепочки на прямой вход ОУ поступает короткий положительный импульс, амплитуда которого больше амплитуды . Напряжение на прямом входе становится положительным, и компаратор регенеративно переключается в область положительного насыщения, когда . Этим напряжением диод D₁ закрывается, а конденсатор С₁ начинает заряжаться через резистор R. На прямой вход ОУ подается положительное напряжение обратной связи:

Теперь U_ОC > U_C(0), и этим напряжением ОУ поддерживается в состоянии положительного насыщения. Значит, входной импульс необходим только для срабатывания компаратора и может быть очень коротким.

Скорость заряда конденсатора С₁ определяется постоянной времени RC₁, которая и задает длительность формируемого импульса - . Этап формирования импульса завершается в момент времени t₂, когда напряжение на конденсаторе достигает значения . В этот момент компаратор регенеративно переключается в область отрицательного насыщения. Длительность формируемого импульса определяется выражением:

(26.5)

После переключения компаратора в область отрицательного насыщения напряжение на конденсаторе скачком не изменяется. Под воздействием U_C диод D₁ остается закрытым. Поэтому после момента времени t₂ начинается этап восстановления исходного состояния, когда конденсатор С₁ разряжается через резистор R от источника - . Скорость разряда определяется постоянной времени RC₁. В момент времени t₃ напряжение на конденсаторе . В этот момент открывается диод D₁, который препятствует дальнейшему уменьшению напряжения на конденсаторе С₁. Исходное состояние восстановлено. Схема готова к поступлению нового входного импульса. Длительность этапа восстановления определяется выражением:

(26.6)

Следовательно, максимально допустимая частота входных импульсов для ждущего мультивибратора равна:

(26.7)

2. ГЕНЕРАТОРЫ ЛИНЕЙНО ИЗМЕНЯЮЩЕГОСЯ НАПРЯЖЕНИЯ

Генераторы линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН) формируют напряжение пилообразной формы (рис. 26.3, а). Напряжение пилообразной формы используется для создания разверток на экранах осциллографов, телевизоров и др. индикаторов, для преобразователей аналоговых величин в цифровые, преобразователей амплитуда - время и для др. целей. Рассмотрим принцип формирования такого напряжения.

Для формирования линейно изменяющегося напряжения чаще всего используют заряд или разряд конденсатора постоянным током. Простейшая схема ГЛИН приведена на рис. 26.3, б. Она включает в свой состав идеальный источник тока I. При разомкнутом ключе К конденсатор С заряжается от источника тока I и напряжение на нем нарастает по линейному закону:

(26.8)

В момент времени t = t₁ ключ К замыкается и конденсатор разряжается через резистор R и ключ К по экспоненциальному закону.

Разработано много схем ГЛИН. Большими преимуществами обладают схемы на ОУ. В них в качестве источника постоянного тока применяются интеграторы на ОУ, а в качестве ключа – компараторы.

Схема интегратора на ОУ приведена на рис. 26.3, в. Очевидно, что ; . Так как , то , причем,

.

Мы уже установили, что для ОУ напряжение между входами . Поэтому U_вых = U_C, причем,

.