1.4. Контрольные вопросы

1.4.1. Какие устройства называются компараторами?

1.4.2. Для чего применяются компараторы?

1.4.3. При каких условиях ОУ будет работать в нелинейном режиме?

1.4.4. Что показывает передаточная характеристика компаратора?

1.4.5. Как задаётся пороговое напряжение компаратора на ОУ?

1.4.6. Чем определяется уровень выходного напряжения компаратора?

1.4.7. Что такое дребезг компаратора? Что необходимо сделать для его устранения?

1.4.8. В чём отличие компаратора от триггера Шмита ?

1.4.9. Что такое гистерезис передаточной характеристики компаратора и какими схемными решениями можно его получить?

1.4.10. Как определить характер обратной связи, применённой в триггере Шмита?

1.4.11. Как изменить ширину петли гистерезиса у триггера Шмита?

ЛИТЕРАТУРА. [1] – c. 114…118, [2] – c. 184…187, [4] – c. 77…83.

Лабораторная работа №2

Исследование генераторов прямоугольных импульсов

Цель работы – изучение схем, принципа работы и исследование характеристик релаксационных генераторов прямоугольных импульсов: мультивибраторов и одновибраторов.

2.1. Краткие теоретические сведения

Для получения прямоугольных импульсов широко используются устройства, называемые релаксационными генераторами (релаксаторами) Релаксаторы, как и триггеры, относятся к классу спусковых устройств и основаны на применении усилителей с положительной обратной связью или электронных приборов с отрицательным сопротивлением, например туннельных диодов или тиристоров.

В отличие от триггеров, обладающих двумя состояниями устойчивого равновесия, релаксаторы имеют не более одного состояния. Кроме того, они имеют состояния квазиравновесия, характеризуемые сравнительно медленными изменениями токов и напряжений, приводящими к некоторому критическому состоянию, при котором создаются условия для скачкообразного перехода релаксатора из одного состояния в другое.

Релаксаторы работают в одном из трёх режимов: 1) ждущем; 2) автоколебаний; 3) синхронизации.

В ждущем режиме релаксатор имеет состояние устойчивого равновесия и состояние квазиравновесия. Переход из первого состояния во второе происходит под воздействием внешнего запускающего импульса, а обратный переход – самопроизвольно по истечению некоторого времени, определяемого параметрами устройства. Таким образом, в ждущем режиме релаксатор генерирует один импульс с определёнными параметрами при воздействии запускающего импульса.

В режиме автоколебаний в релаксаторе нет состояния устойчивого равновесия, имеется только два состояния квазиравновесия. Релаксатор переходит из одного состояния квазиравновесия в другое без внешних воздействий, генерируя импульсы, параметры которых зависят от параметров релаксатора.

В режиме синхронизации частота повторения импульсов релаксатора определяется частотой внешнего синхронизирующего напряжения. Релаксатор имеет два чередующихся состояния квазиравновесия, а время пребывания в этих состояниях зависит не только от параметров релаксатора, но также от периода синхронизирующего напряжения. Если синхронизирующее напряжение снять, устанавливается режим автоколебаний.

Мультивибраторы – это релаксационные генераторы периодически повторяющихся импульсов формой близкой к прямоугольной с требуемыми параметрами (амплитудой, длительностью, частотой следования и др.). Название отражает тот факт, что такая форма импульсов при разложении в ряд Фурье представляется рядом, содержащим много высших гармоник (мульти – много). Мультивибратор, работающий в ждущем режиме, называют одновибратором.

Принцип работы релаксационных генераторов основан на использовании процессов заряда – разряда (релаксаций) конденсаторов RC- цепей. Процесс получения импульсного напряжения основывается на преобразовании энергии источника постоянного тока.

Мультивибратор в подавляющем большинстве случаев выполняет функцию задающего (ведущего) генератора, формирующего запускающие входные импульсы для последующих узлов и блоков в системе импульсного или цифрового действия.

Существует большое разнообразие средств и методов построения схем мультивибраторов. В настоящее время для построения мультивибраторов наибольшее распространение получили операционные усилители в интегральном исполнении.

Возможность создания мультивибратора на операционном усилителе основывается на использовании ОУ в качестве порогового узла (компаратора). Схема симметричного мультивибратора приведена на рис. 2.1а. Его основой служит компаратор с положительной обратной связью (см. рис. 1.5 а). Автоколебательный режим работы создаётся благодаря подключению к инвертирующему входу ОУ времязадающей цепи из конденсатора С и резистора R. Принцип действия иллюстрируют временные диаграммы, приведённые на рис. 2.1 б - г.

Рис.2.1. Схема симметричного мультивибратора на ОУ (а) и его временные диаграммы (б – г).

Предположим, что до момента времени t₁ напряжение между входами ОУ u₀ > 0. Это определяет напряжение на выходе ОУ u_вых = U^-_{вых. max.} и на его неинвертирующем входе u₍₊₎ = - U^-_вых.max (рис. 2.1.б,в), где /- коэффициент передачи цепи положительной обратной связи. Наличие на выходе схемы напряжения –U^-_вых.max обуславливает процесс заряда конденсатора С через резистор R с полярностью указанной на рис 2.1 а без скобок. В момент времени t₁ экспоненциально изменяющееся напряжение на инвертирующем входе ОУ (рис. 2.1г) достигает напряжение на неинвертирующем входе -. Напряжениеu₀ становится равным нулю, что вызывает изменение полярности напряжения на выходе ОУ:

u_вых= U⁺_{вых. max} (рис. 2.1 б) Напряжение u₍₊₎ изменяет знак и становится равным U⁺_{вых max} (рис. 2.1 в), что соответствует u₀ < 0 и u_вых = U⁺_{вых max}.

С момента времени t₁ начинается перезаряд конденсатора от уровня напряжения -U^-_{вых max}. Конденсатор стремится перезарядиться в цепи с резистором R до уровня U⁺_{вых max} c полярностью напряжения, указанной на рис. 2.1 а в скобках. В момент времени t₂ напряжение на конденсаторе достигает значения U⁺_{вых max}. Напряжение u₀ становиться равным нулю, что вызывает переключение ОУ в противоположное состояние (рис. 2.1б – г). Далее процесс в схеме протекает аналогично. Частота следования импульсов симметричного мультивибратора

. (2.1)

Время можно определить по длительности интервала(рис. 2.1 б), характеризующего перезаряд конденсатора С в цепи с резисторомR и напряжением U⁺_{вых max} от -U^-_{вых max} до U⁺_{вых max} (рис. 2.1 г). Процесс перезаряда описывается известным из ТОЭ уравнением

, (2.2)

где ,,

Отсюда

. (2.3)

Положив в выражении (2.3) находим:

(2.4)

и

. (2.5)

Если принять для ОУ то соотношения (2.4), (2.5) примут вид

(2.6)

. (2.7)

Скважность выходного импульсного напряжения

(2.8)

т. е. длительность положительного и отрицательного напряжений на выходе равны. Такой мультивибратор называют симметричным. Если же постоянные времени заряда и разряда конденсатора С не равны (), тои получаетсянесимметричный мультивибратор, который можно реализовать по схеме на рис. 2.2 а где это достигается включением вместо резистора R двух параллельных ветвей, состоящих из резистора и диода. Диод VD₁ открыт при положительной полярности выходного напряжения, а диод VD₂ – при отрицательной. В первом случае во втором -.

Вид кривой выходного напряжения при показан на рис. 2.2 б. Длительности импульсовнесимметричного мультивибратора рассчитывают по формуле (2.6) с подстановкой соответствующего значенияа его частоту – по формуле

. (2.9)

Рис. 2.2. Схема несимметричного мультивибратора на ОУ (а), кривая его выходного напряжения (б).

На выбор коэффициента передачи и значений сопротивлений резисторов в обеих схемах накладываются условия ограничения по предельно допустимым режимам работы операционного усилителя.

Одновибраторы предназначены для формирования прямоугольного импульса напряжения требуемой длительности при воздействии на входе короткого запускающего импульса.

Одновибраторы, также как мультивибраторы и триггеры, относятся к классу схем, обладающих двумя состояниями. Однако в отличие от мультивибраторов, в которых оба состояния являются неустойчивыми, в одновибраторах (часто называемых также ждущими мультивибраторами) одно состояние устойчивое, а другое - неустойчивое. Устойчивое состояние характеризует исходный режим работы (режим ожидания) одновибратора. Неустойчивое состояние наступает с приходом входного запускающего импульса. Оно продолжается некоторое время, определяемое времязадающей цепью схемы, после чего одновибратор возвращается в исходное устойчивое состояние.

Выходной импульс формируется в результате следования одного за другим двух тактов переключения схемы.

В настоящее время для построения одновибраторов используют преимущественно интегральные операционные усилители. Наибольшее распространение получила схема одновибратора, приведённая на рис. 2.3 а.

Её основой служит схема мультивибратора рис. 2.1 а, в которой для создания ждущего режима работы параллельно конденсатору С включён диодVD₁.

Рис. 2.3. Схема одновибратора (а) и его временные диаграммы (б – д).

При показанном на рис. 2.3 а направлении включения диода VD₁ cхема запускается входным импульсом напряжения положительной полярности. При обратном включении диода VD₁ (а также VD₂) требуется запускающий импульс отрицательной полярности, чему соответствует также изменение полярности выходного импульса.

В исходном состоянии напряжение на выходе одновибратора равно

U^-_{вых max}, что определяет напряжение на неинвертирующем входе ОУ (рис. 2.3 б - г). Напряжение на инвертирующем входе ОУu_(-), равное падению напряжения на диоде VD₁ от протекания тока по цепи с резистором R, близко к нулю (рис. 2.3 д).

Поступающий входной импульс в момент времени t₁ переводит ОУ в состояние U⁺_{вых max}. На неинвертирующий вход ОУ передаётся напряжение U⁺_{вых max} (рис. 2.3. г), поддерживающее его изменившееся состояние. Воздействие напряжения положительной полярности на выходе ОУ вызывает процесс заряда конденсатора С в цепи с резистором R, в которой конденсатор стремиться зарядиться до напряжения U⁺_{вых max} (рис. 2.3 д). Характер процесса заряда находят из уравнения (2.2), где :

. (2.10)

Однако в процессе заряда напряжение на конденсаторе не достигает значения U⁺_{вых max}, так как в момент времени t₂ при u_(-) = u_C = U⁺_{вых max} происходит возвращение ОУ в исходное состояние (рис. 2.3 в,г). Положив в (2.10) u_С (t_И) = U⁺_{вых max}, находим длительность импульса, формируемого одновибратором:

(2.11)

После момента времени t₂ в схеме наступает процесс восстановления исходного напряжения на конденсаторе u_С = 0 (рис. 2.3 д), который обусловливается изменившейся полярностью напряжения на выходе ОУ. Процесс перезаряда конденсатора в цепи с резистором R определяется зависимостью (2.2), где u_С = -U^-_{вых max}, u_С(0) = U⁺_{вых max}. Отсюда

(2.12)

Режим восстановления заканчивается тем, что напряжение на конденсаторе достигает напряжения отпирания диода VD₁, которое можно принять равным нулю. Положив в формуле (2.12) u_C = 0 при t = t_вост, находим время восстановления:

. (2.13)

При U⁺_{вых max} = U^-_{вых max} имеем

. (2.14)

Поскольку коэффициент передачи и 1/(1-) > 1 +, длительность импульса t_И > t_вост.

Процесс восстановления исходного состояния схемы должен быть завершен к приходу очередного запускающего импульса. В тех случаях, когда длительность t_И соизмерима с периодом следования запускающих импульсов, возникает задача сокращения времени t_вост. С этой целью параллельно резистору R включают ветвь из диода VD₂ и резистора , уменьшающую постоянную времени этапа восстановления. При этом постояннаяв выражении (2.14) составит С(R || ), а для t_И она останется без изменений. На выбор и сопротивлений резисторов накладываются те же ограничения, что и для схемы мультивибратора (см. рис. 2.2 а).