4. Рабочее задание

1.Собрать схему мультивибратора в соответствии с рис. 3 и исследовать его работу.

−При разных параметрах элементов схемы измерить длительность импульса и паузу между импульсами. Рассчитать период и

скважность. Экспериментальные данные и расчеты занести в таблицу.

С, нФ				1,5				5,0
R4, кОм			1		10		1		10
R, кОм		10	100	10	100	10	100	10	100
tи, мкс	расч
	эксп
tп, мкс	расч
	эксп
T, мкс	расч
	эксп
Q	расч
	эксп

−Для одного из вариантов зарисовать осциллограммы напряжений на выходе мультивибратора, на времязадающем конденсаторе и на выходе разрядного транзистора интегрального таймера.

−При максимальной частоте работы мультивибратора определить фронт t01 и спад t10 выходного импульса.

2.Собрать схему мультивибратора с регулируемой скважностью импульсов (рис. 6) и исследовать его работу (R4=10кОм, С=5,1нФ).

−Измерить длительность импульса tи и паузу tп между импульсами при разных положениях ручки потенциометра R1 и рассчитать скважность Q.

R1bc, кОм		0	10	30	50	70	100
tи, мкс	расч
	эксп
tп, мкс	расч
	эксп
Q	расч
	эксп

−На рассчитанный при подготовке к работе график Q(R1bc) нанести экспериментальные точки.

3.Собрать схему одновибратора на интегральном таймере (рис. 7) и исследовать его работу:

−подать с выхода импульсного генератора на вход одновибратора отрицательные запускающие импульсы длительностью. Амплитуду выходных импульсов генератора увеличивать до тех пор, пока не запустится одновибратор;

−зарисовать совмещенные осциллограммы напряжений на входе схемы, на времязадающем конденсаторе С и на выходе схемы при R4=10кОм

иС=5,1нФ;

−измерить длительность импульса при разных параметрах схемы и

сравнить экспериментальные и расчетные данные;

С, нФ			1,5		5,1
R4, кОм		1	10	1	10
tи, мкс расч
	эксп

−для случая R4=10кОм, С=5,1нФ измерить длительность импульса и время восстановления. Сравнить экспериментальные и расчетные данные.

tи, мкс tв, мкс

Расчет

Эксперимент

Оформить отчет, включающий в себя домашнюю подготовку, рисунки всех исследуемых схем и результаты экспериментальных исследований.

5. Краткие сведения об интегральных таймерах и их применении

Структурная схема интегрального таймера и назначение элементов

Интегральные таймеры (ИТ) - это интегральные полупроводниковые схемы средней степени интеграции, предназначенные для формирования точных, стабильных временных интервалов. Стабильность обеспечивается применением в схемах таймеров мостовых времязадающих цепей, в которых напряжение Uc (t) , изменяющееся по экспоненциальному закону, достигает

порогового уровня при максимальной крутизне экспоненты dUdtc при

заданной длительности импульса. Схемы интегральных таймеров помимо элементов времязадающего моста содержат и ряд других элементов: триггеры, ключи, формирователи. Это позволяет реализовывать на основе таймера различные импульсные устройства. Диапазон длительности генерируемых прямоугольных импульсов в схемах на ИТ очень широк: от долей микросекунды до суток (для таймера типа К1006ВИ1 - от 10мкс до 1 часа).

Рис. 2. Структурная схема интегрального таймера

На рис. 2 представлена внутренняя структура таймера. Схема таймера состоит из двух компараторов (верхний КН2 и нижний КН1), триггера Т, разрядного ключа на транзисторе VT1, прецизионного резистивного делителя R1, R2 и R3 (резисторы имеют одинаковые номиналы по 5 кОм) и выходного формирователя на транзисторах VT2 и VT3. Временные интервалы задаются с помощью внешних R и C элементов. Внешний хронирующий конденсатор C включается обычно между выводом 6 компаратора КН2 и выводом 1 (земля), а резистор R между выводом 6 и шиной питания 8. Временной интервал задается мостом, образованным внешней RC-цепью и резистивным делителем R1- R2- R3. Верхний компаратор КН2 производит сравнение

напряжения на конденсаторе и опорного напряжения в точке 5 (опорное или управляющее напряжение может подаваться также от внешнего источника).

Резистивная цепь делителя, включающая три одинаковых резистора, устанавливает пороговые напряжения верхнего и нижнего компараторов

U2=0,66Uпит и U1=0,33 Uпит соответственно.
При подаче на	вход запуск (2) сигнала ниже 1/3Uпит, переключается
компаратор КН1 и	RS-триггер переводится в	единичное состояние,

обеспечивающее на выходе (3) высокий уровень. Таймер остаётся в этом состоянии до тех пор, пока на входе порог (6) не появится сигнал выше 2/3Uпит. В этом случае срабатывает компаратор КН2 и триггер сбрасывается, обеспечивая на основном выходе (3) переход с высокого уровня на низкий. Одновременно открывается транзистор VT1, в результате чего на выходе разряд (7) устанавливается низкий уровень.

Низкий уровень на входе сброс	(4)	переводит	триггер в нулевое
состояние, устанавливая на выходе (3)	низкий уровень.
К достоинствам интегрального таймера относится широкий диапазон
напряжения питания (от 5 до 15 В). Это позволяет			согласовать ИТ с
логическими ИС, в частности, с ТТЛ ИС, в		которых	напряжение питания
5 В, а также с операционными	усилителями,		в которых обычно
Uпит =5…15 В.

Мультивибраторы на интегральных таймерах

На рис. 3 показан мультивибратор на интегральном таймере. Заряд конденсатора С осуществляется через резисторы R и R4 при разомкнутом состоянии транзистора VT1 (см. рис. 2).

Рис. 3.	Рис. 4. Переходные процессы в схеме
Схема мультивибратора	мультивибратора

Конденсатор С заряжается в соответствии с законом:

Uc (t) =(Uпит −U1 )(1 −exp(−τtз ))+U1,

где U1 - начальный уровень напряжения на конденсаторе С, а τз=C(R+R4).

Заряд происходит до уровня U2, определяемого порогом срабатывания компаратора КН2 (рис. 4).

Длительность импульса равна

tи =(R + R4 )C ln Uпит −U1 .

Uпит −U2

После срабатывания компаратора КН2 замыкается ключ (транзистор VT1 переходит в режим насыщения), и напряжение на выводе 7 становится близким к нулю, а конденсатор C разряжается по закону:

Uc (t) =U2 exp(−τtр ) ,

где τр=CR.

Разряд заканчивается при Uс=U1. Длительность паузы, следовательно, равна

tп = RC ln U2 . U1

Пороги срабатывания компараторов U1 и U2 определяются делителем R1...R3 таймера. Номиналы резисторов выбраны равными, поэтому пороговые напряжения соответственно равны: U1=0,33Uпит и U2=0,66Uпит. Они имеют высокую температурную и временную стабильность из-за идентичности интегральных резисторов. Пороги близки к оптимальным и с точки зрения наивысшей стабильности временных интервалов. Следовательно,

tи =(R + R4 )C ln 2 =0.69(R + R4 )C , tп = RC ln 2 =0.69RC ,

т.е. не зависят от напряжения Uпит. При R>>R4 длительность импульса равна

длительности паузы tи=tп, а скважность Q = tи +tп = 2 . tи

Рис. 5. Схема генератора с большой	Рис. 6. Схема мультивибратора
скважностью импульсов	с регулировкой скважности импульсов

Для мультивибратора, генерирующего импульсы с Q<2, можно предложить схему, показанную на рис. 5. Заряд конденсатора С происходит

через резистор

R1, а

разряд –

через резистор

R2. Обычно R2<<R1,

тогда

t

и

=0.69R C

и t

п

=0.69R C , а Q

=1 +

R2

.

1

2

R1

Для плавной регулировки скважности можно использовать схему с

диодным мостом, показанную на рис. 6. Здесь

заряд

конденсатора С

происходит

по цепи

R4-VD1-R1ab, а разряд – по цепи

R1bc-VD2-R2, где R1ab и

R1bc – верхняя и нижняя части потенциометра

R1.

Тогда длительность

импульса

равна

tи =0.69(R4 + R1ab )C ,

а

длительность

паузы

tп =0.69(R2 + R1bc )C .

Скважность импульсов

в

таком

генераторе

равна

Q =

R4 + R1 + R2

.

R

+ R

4

1ab

Одновибраторы на интегральных таймерах

На рис. 7 показан одновибратор на интегральном таймере. Входной импульс подается на вход компаратора КН1 (вывод 2 ИТ) через разделительный конденсатор Ср.

Рис. 7. Схема одновибратора

Рис. 8. Переходные процессы в схеме одновибратора

В исходном состоянии RS-триггер (см. рис. 2) поддерживает разрядный транзистор VT1 во включенном состоянии, поэтому конденсатор С разряжен. В момент tо запускающий импульс отрицательной полярности переключает компаратор КН1 и RS-тригггер, что приведет к запиранию транзистора VT1. Напряжение на конденсаторе С начинает возрастать, стремясь к уровню Uпит с постоянной τ = R4C (рис. 8):

Uc (t) =Uпит(1 −exp(−τt )).

Заряд происходит до уровня U2.				Таким образом, на выходе таймера
(вывод 3 ИТ) формируется прямоугольный импульс с длительностью
t	и	= R C ln		Uпит	=1.1R C
		4	Uпит −U2		4
					.

В момент t=t1 компаратор КН2 переводит RS-триггер таймера в исходное состояние. Транзистор VT1 открывается, конденсатор С разряжается через малое выходное сопротивление rкн транзистора, работающего в режиме насыщения. Длительность времени восстановления равна tв ≈3rкнС и может

быть весьма малой - в сотни раз меньше длительности импульса tи, так как

rкн=5...20Ом.

В заключение можно отметить, что схемы на интегральных таймерах позволяют генерировать импульсы с частотами от 0,001 Гц до сотен кГц. Глубина плавной регулировки частоты и скважности достигает 104. Стабильность временных параметров менее 1% при изменении напряжения питания и температуры в широких пределах.