Описание схемы исследуемого устройства. Мультивибратор – бистабильное релаксационное устройство, в котором переключение состояний определяется характером заряда-разряда RC-цепей

Мультивибратор – бистабильное релаксационное устройство, в котором переключение состояний определяется характером заряда-разряда RC-цепей. Автоколебательный мультивибратор – импульсное устройство, состояния которого чередуются периодически с постоянной продолжительностью пребывания в них. Ждущий мультивибратор – устройство, в котором переключение состояния на заданную продолжительность происходит при поступлении запускающего импульса, по завершении которого устройство возвращается в исходное состояние. Автоколебательный мультивибратор относится к числу генераторов периодических импульсов. Ждущий мультивибратор относится к числу генераторов одиночных импульсов.

Автоколебательный мультивибратор. Принцип работы мультивибратора основан на использовании положительной обратной связи. Устройство (рис. 3.1, а) содержит времязадающую цепочку, включающую сопротивление R₁ и конденсатор С, и цепь положительной обратной связи, состоящую из потенциометрического делителя, реализованного на сопротивлениях и . ОУ используется в качестве компаратора, состояние которого изменяется при выполнении условия:

если > , то = ;

если < , то = ,

где и – соответственно напряжение на неинвертирующем и инвертирующем входах ОУ, и – соответственно положительный и отрицательный уровни насыщения ОУ. При симметричном питании ОУ, как правило, ê ê= ê ê = .

Рассмотрим принцип работы. Допустим, что при подключении ОУ к питанию на его выходе установилось напряжение = (рис. 3.1, в). Это вызовет заряд конденсатора по цепи . Заряд будет длиться до тех пор, пока не достигнет уровня = b . Как только =

= достигнет уровня U_ВХ+, состояние ОУ изменится в соответствии с приведенным ранее условием и на его выходе установится напряжение = . Теперь на неинвертирующем входе установится напряжение = b , а конденсатор С начнет перезаряжаться до уровня =

= b . Таким образом, процесс заряда-перезаряда С будет определяться изменением состояний ОУ.

Продолжительность заряда (перезаряда) конденсатора С, а следовательно, и длительность импульса будут определяться соотношением =

= ln[(1 + b)/(1 – b)], а период следования импульсов = 2 , так как заряд-перезаряд С осуществляется через одну и ту же цепь . Скважность импульсов, формируемых рассматриваемой схемой (рис. 3.1, а), Q = / =

= 2. Для формирования импульсов произвольной скважности необходимо разделить цепи заряда и перезаряда С. Это достигается введением в схему полупроводниковых диодов и (рис. 3.1, б), которые обеспечат заряд С по цепи , а разряд – по цепи . Длительность формируемых импульсов для рассматриваемой схемы будет определяться соотношением =

= ln[(1 + b)/(1 – b)], а период следования = ( + )ln[(1 + b)/(1 –

– b)].

Ждущий мультивибратор. Для рассматриваемой схемы (рис. 3.2, а) в исходном состоянии напряжение на выходе ОУ = , так как только при таком напряжении диод VD₁ будет открыт и выполнится условие

= +b > = ,

где – напряжение прямо смещенного p-n-перехода диода .

Рис. 3.1. Автоколебательный мультивибратор:

а – симметричный; б – с импульсами произвольной скважности; в – временные диаграммы

Подаваемый на вход ждущего мультивибратора запускающий импульс дифференцируется цепочкой . Импульсы отрицательной полярности с сопротивления поступают через диод на неинвертирующий вход ОУ, который до этого момента имел исходное смещение = b . Дифференцированный импульс отрицательной полярности смещает вход ОУ до уровня ниже = , что переводит ОУ из состояния = в состояние = . В этот момент времени диод закрывается, а конденсатор начинает перезаряжаться с уровня до уровня = = b (рис. 3.2, б). Достигнув этого уровня, ОУ изменит свое состояние до уровня = , что мгновенно откроет диод и переведет мульти-

Рис. 3.2. Ждущий мультивибратор:

а – функциональная схема; б – временные диаграммы

вибратор в исходное устойчивое состояние до поступления очередного запускающего импульса. Длительность формируемого импульса не зависит от временных характеристик запускающего импульса и будет равна:

= ln[( + )( + )/( )] ~

~ ln[( + )/ ].

В том случае, когда период следования запускающих импульсов будет меньше длительности формируемых ждущим мультивибратором импульсов , он не будет реагировать на очередной запускающий импульс, пока не вернется в исходное состояние, т. е. будет пропускать часть запускающих импульсов. Таким образом, ждущий мультивибратор будет работать как делитель частоты импульсного сигнала с коэффициентом деления =

= Entire( / ).

Порядок выполнения работы

1. Собрать на макетном поле схему автоколебательного мультивибратора (рис. 3.1, а). Сопротивления и взять из расчета обеспечения b =

= 0,1¼0,2; и взять из расчета обеспечения частоты формируемых импульсов в диапазоне от 1,0 до 100,0 кГц.

2. Изменяя сопротивления и выявить характер зависимости от и . Определить скважность формируемых импульсов.

3. Собрать на макетном поле схему автоколебательного мультивибратора (рис. 3.1, б). Сопротивления и взять из расчета обеспечения b =

= 0,1¼0,2; , и взять из расчета обеспечения длительности импульсов в диапазоне от 1,0 до 100,0 мc.

4. Варьируя сопротивления и выявить характер изменения частоты импульсов от и . Определить скважность формируемых импульсов.

5. Собрать на макетном поле схему ждущего мультивибратора (рис. 3.2, а). Сопротивления и взять из расчета обеспечения b = 0,15; и взять из расчета обеспечения постоянной времени дифференцирующей цепочки = 0,1 мc; и взять из расчета формирования импульсов длительностью в диапазоне от 1,0 до 30,0 мc.

6. Варьируя номиналы сопротивлений , и выявить характер изменения длительности формируемых импульсов от значений перечисленных сопротивлений.

7. Изменяя частоту запускающих импульсов от 1,0 до 50 кГц исследовать процесс деления частоты импульсов мультивибратором.

Содержание отчета

1. Функциональные схемы автоколебательных и ждущего мультивибраторов.

2. Таблицы зависимости длительности и периода следования импульсов автоколебательного мультивибратора от сопротивлений и .

3. Таблицы зависимости длительности импульсов, формируемых ждущим мультивибратором, от сопротивлений и .

3. Анализ влияния элементов схемы мультивибраторов на амплитуду и длительность формируемых импульсов.

Контрольные вопросы

1. Каким образом глубина обратной связи b влияет на амплитуду и длительность импульсов, формируемых автоколебательным и ждущим мультивибраторами?

2. Какие элементы схемы мультивибраторов влияют на стабильность частоты и длительности формируемых импульсов?

3. Какие параметры импульсов, формируемых автоколебательным и ждущим мультивибраторами, изменятся при изменении напряжения питания ОУ?

4. При какой амплитуде запускающих импульсов ждущий мультивибратор не будет срабатывать?

5. Объясните работу ждущего мультивибратора в режиме деления частоты.

6. Как влияют характеристики диодов, используемых в схемах автоколебательного и ждущего мультивибраторов, на параметры формируемых импульсов?

7. Какие элементы схемы мультивибраторов определяют предельную частоту и ограничивают длительность формируемых импульсов?

Лабораторная работа № 4