41

Ждущий мультивибратор (одновибратор)

    Обычное назначение ждущего мультивибратора получение одиночного импульса заданной длительности. Отсчет длительности импульса начинается от фронта (или уровня) специального запускающего импульса. Для того, чтобы перейти от схемы автоколебательного к схеме ждущего мультивибратора, необходимо ввести дополнительно цепь запуска и цепь торможения•. Схема одновибратора приведена на рис. 34а.

Рис. 34. Схема одновибратора (а) и временнaя диаграмма его работы (б)

     Если выходное напряжение ОУ отрицательное максимальное, то диод VD1 открыт, и напряжение на времязадающем конденсаторе u_c небольшое отрицательное, равное примерно 0,5 В. При правильном выборе параметров схемы напряжение на неинвертирующем входе ОУ

,

    поэтому при отсутствии запускающего импульса U_зап схема находится в устойчивом состоянии. По приходе положительного запускающего импульса достаточной амплитуды операционный усилитель за счет положительной обратной связи переключается в такое состояние, при котором его выходное напряжение равно +U_м. Диод VD2 закрывается и на р-входе ОУ устанавливается напряжение U_п, определяемое выражением (37). К времязадающей цепи RC теперь приложено напряжение +U_м, под действием которого закрывается диод VD2 и начинается заряд конденсатора С. Когда, спустя время t₁, напряжение u_c достигнет порога U_п, операционный усилитель переключится и вернется в первоначальное состояние. Конденсатор С начнет разряжаться и, спустя промежуток времени t_р, называемый временем релаксации, напряжение u_c станет отрицательным, диод VD1 откроется и цикл закончится.

    Процессы в схеме описываются тем же уравнением (38), но начальное условие иное, и его решение для одновибратора имеет вид:

u_c(t) = U_M - (U_M + U_Д)e^-t/RC,

где U_Д падение напряжения на открытом диоде VD1. Отсюда по условию u_c(t₁) = U_п найдем длительность импульса одновибратора:

t₁ = RCln{[1 + (R₁/R₂)][1 + (U_Д/U_М)]}.

    Из последнего выражения видно, что длительность импульса одновибратора зависит от выходного напряжения насыщения ОУ, которое, в свою очередь определяется напряжением питания. Другим недостатком рассмотренной схемы является значительное время релаксации, в течение которого на одновибратор нельзя подавать запускающий импульс (иначе будет сокращена длительность выходного импульса). Эти недостатки отсутствуют у одновибратора, выполненного на специализированных ИМС, называемых аналоговыми таймерами.

42

Автоколебательный мультивибратор

    Схема автоколебательного мультивибратора приведена на рис.33а. Он состоит из инвертирующего триггера Шмитта, охваченного отрицательной обратной связью с помощью интегрирующей RC-цепочки.

Рис. 33. Схема мультивибратора (а) и временнaя диаграмма его работы (б)

    Когда напряжение u_c достигает порога срабатывания триггера Шмитта, схема переключается и ее выходное напряжение скачком принимает противоположное значение. При этом конденсатор начинает перезаряжаться в противоположном направлении, пока его напряжение не достигнет другого порога срабатывания. Схема переключается в первоначальное состояние (рис. 33б).

    Анализ схемы мультивибратора позволяет записать дифференциальное уравнение:

.

(38)

    При начальных условиях u_c(0) = U_п решение этого уравнения имеет вид:

     Значение напряжения, равное порогу срабатывания триггера Шмитта (условие u_c(t)=U_п), будет достигнуто спустя время

t₁ = RCln[1 + 2R₁/R₂].

     Период колебаний мультивибратора, таким образом, равен

T = 2t1 = 2RCln[1 + 2R1/R2].

(39)

    Как видно из последней формулы, период колебаний мультивибратора не зависит от напряжения U_м, которое, в свою очередь определяется напряжением питания U_пит. Поэтому частота колебаний мультивибратора на ОУ мало зависит от питающего напряжения.

43 Генераторы линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН

Генераторы линейно изменяющегося (пилообразного) напряжения (ГЛИН) применяют для развертки электронного луча в электроннолучевых трубках телевизионных, осциллографических и радиолокационных устройств, а также в схемах сравнения для задержки импульсов во временя и т. п.

ГЛИН могут работать в режиме самовозбуждения и в ждущем режиме, когда период повторения пилообразного напряжения определяется запускающими импульсами. Режим самовозбуждения применяют, например, для получения непрерывной развертки в осциллографах, а ждущий режим - для получения ждущей развертки.

Напряжением пилообразной формы называется напряжение, которое в течение определенного времени нарастает или убывает пропорционально времени (линейно), а затем быстро возвращается к исходному уровню. Пилообразное напряжение может быть линейно нарастающим (рис. 1) или линейно падающим (рис. 2).

Рис. 1 - Линейно изменяющееся нарастающее напряжение

Рис. 2 - Линейно изменяющееся падающее напряжение

Пилообразное напряжение характеризуется длительностью прямого или рабочего хода t_р.х.в течении которого напряжение изменяется линейно; длительностью обратного хода t_о.х., в течении которого напряжение обычно изменяется по экспоненте, и амплитудой U_max.

Принцип получения пилообразного напряжения заключается в медленном заряде (или разряде) кондера через большое сопротивление во время прямого хода и в быстром его разряде (или заряде) через малое сопротивление во время обратного хода. В упрощенном виде это показано на рисунке 3.

Рис. 3 - Принцип получения пилообразного напряжения

Кондер С заряжается при разомкнутом ключе К через резик R_з, а разряжается при замкнутом ключе К через резик R_р.

Такая схема не позволяет получить напряжения высокой линейности, поскольку повышение напряжения на кондере уменьшает зарядный ток. Для получения линейного напряжения кондер необходимо заряжать постоянным во все время заряда током. Поэтому смотрим на схемку:

Рис. 4 - Генератор пилообразного напряжения на транзисторах

Электронный ключ собран на транзисторе VT1 и управляется импульсами положительной полярности, транзистор VT2 - эмиттерный повторитель - является следящей связью. В исходном состоянии, когда на входе отсутствует прямоугольный импульс (рис. 5), транзистор VT1 закрыт и кондер С3 заряжается. Ток заряда все время остается постоянным, т. к. напряжение на верхнем выводе R2 следит за напряжением на кондере С3 на его нижнем выводе. Диод VD1 закроется и в течение всего времени дальнейшего формирования линейного нарастания напряжения будет закрыт. Формируется рабочий ход пилообразного напряжения.

Рис. 5 - Формирование прямого и обратного хода

При воздействии входного импульса транзистор VT1 открывается и кондер С3 быстро через него разряжается. Формируется обратный ход пилообразного напряжения. В это время кондер С2 подзаряжается до своего первоначального значения.

Еще ответ на этот вопрос…выбирайте сами

ГЛИН представляют собой электронные устройства, выходное напряжение которых в течение некоторого времени изменяется по линейному закону. Часто такое напряжение меняется периодически. В этом случае ГЛИН называется генератором пилообразного напряжения (ГПН) или генератором напряжения треугольной формы (рис. 4.10, а, б). Если напряжение меняется от минимального значения к максимальному (по абсолютной величине), то его называют линейно-нарастающим напряжением. Если меняется от максимального значения к минимальному - линейно-падающим.

ГЛИН нашли широкое применение в отклоняющих системах осциллографов, телевизоров, в радиолокации, в преобразователях “напряжение-временной интервал”, широтно-импульсных модуляторах и т.д.

ГЛИН строятся на принципе заряда и разряда конденсатора. Схема простейшего ГПН, работающего по принципу заряда конденсатора, показана на рис. 4.10, в. Она состоит из времязадающего конденсатора С, резистора R_к и транзисторного ключа VT1. На вход транзисторного ключа подается последовательность прямоугольных импульсов с заданным интервалом между импульсами и длительностью (рис. 4.10, г). Когда на базе транзистора нулевое напряжение (промежуток времени между импульсами), транзистор закрыт и происходит заряд конденсатора через резистор R_к. Если постоянная времени цепи R_к C достаточно большая, т.е. существенно больше периода следования прямоугольных импульсов, напряжение на конденсаторе нарастает линейно. Заряд конденсатора продолжается до поступления импульса, открывающего транзистор VT. Когда транзистор открывается, начинается процесс разряда конденсатора. Интервал времени между отпирающими импульсами должен быть достаточным для полного разряда конденсатора С.

Напряжение на конденсаторе изменяется по закону:

,

где t = RC - постоянная времени цепи, состоящей из R_к и С; t - текущее значение времени, когда t=0, U_с = Е_п(1- 1) = 0.

Известно, что функцию е^х можно представить в виде степенного ряда

 .

Для значений Х<<1 функцию можно определить первыми двумя членами ряда

е^х = 1+Х,

тогда, используя это выражение для случая заряда конденсатора при t<<t, определяем напряжение на конденсаторе

U_c = E_п(1-  ,

где t/t <<1.

Очевидно, что в случае использования этого процесса в ГПН, t = t_и = t_зар; t = R_к С, тогда

.

Линейно изменяющееся напряжение U_c (t) характеризуется рядом параметров:

- длительностью прямого хода t_пр, т.е. временем, в течение которого конденсатор заряжается через сопротивление R_к до напряжения U_c;

- длительностью обратного хода t_o (время восстановления) - это время, в течение которого происходит разряд конденсатора;

- периодом повторения линейно изменяющегося напряжения (пи-лообразных импульсов) T = t_o + t_пр;

- амплитудой пилообразных импульсов U_m;

- коэффициентом нелинейности g.

Одним из самых важных параметров ГЛИН является коэффициент нелинейности. Для определения g воспользуемся известным утверждением, что линейная функция характеризуется постоянством производной во всех её точках, поэтому отклонение от линейного закона можно оценить коэффициентом нелинейности. Нелинейность определяется максимальным отклонением реальной формы сигнала от идеальной линейной формы. Коэффициент нелинейности находят как отношение изменений производных функции в начале и в конце процесса нарастания

.

Учитывая, что dU_c/dt = i_c/C, где i_c - ток заряда конденсатора, можно получить удобное для расчетов выражение

 ,

где i_н - ток заряда конденсатора в начале процесса (импульса); i_к - ток заряда к моменту окончания импульса.

Если пренебречь обратным током транзистора и током утечки конденсатора i_н можно определить как

i_н = Е_п / R_к.

В конце импульса напряжение, заряжающее конденсатор С, будет меньше напряжения источника питания на величину U_m, следовательно, ток в конце будет определяться как

i_к = (Е_п - U_m) / R_к.

Так как при t_пр <<t U_m = U_c = E_п t_пр/ RC, окончательное выражение коэффициента нелинейности будет иметь вид

 .

Простейший генератор линейного напряжения характеризуется также коэффициентом использования напряжения источника питания

x = U_m / E_п.

Если подставить значение U_m в выражение для коэффициента использования напряжения источника питания, получим

x =  .

Из полученного выражения для коэффициента нелинейности следует, что чем лучше линейность пилообразного напряжения, тем меньше амплитуда напряжения ГЛИН. Например, если напряжение источника питания 10 В, для получения коэффициента нелинейности g = 1 % амплитуда напряжения импульсов ГПН не должна превышать 0,1 В.

Для повышения коэффициента использования напряжения питания при малых значениях коэффициента нелинейности применяются стабилизаторы постоянного тока (ГСТ). Действительно, из выражения для g видно, что при обеспечении постоянства тока заряда (для линейно падающего напряжения - тока разряда) i_н = i_к, следовательно ®g0.

Схема простого генератора пилообразного напряжения со стабилизатором тока в цепи разряда конденсатора показана на рис. 4.11, а. Заряд конденсатора осуществляется через транзистор VT1 и сопротивление R_к. За время заряда напряжение на конденсаторе достигает практически напряжения источника питания. Когда приходит на базу транзисторов нулевой уровень, первый транзистор закрывается, а транзистор VT2 переходит в режим генератора стабильного тока (ГСТ) и через него протекает стабильный постоянный ток разряда конденсатора (рис. 4.11, б).

При определении коэффициента нелинейности импульсов этого генератора пилообразного напряжения необходимо учитывать влияние сопротивления нагрузки R_н на процесс разряда конденсатора. Ток через сопротивление нагрузки обусловлен напряжением на конденсаторе и в конце разряда он равен нулю, так как к концу разряда U_c = 0. С учетом высказанных соображений можно получить выражение для коэффициента нелинейности ГПН с генератором стабильного тока.

 

.

Из полученного выражения следует, что для уменьшения g желательно использовать высокоомные нагрузки или же уменьшать амплитуду импульса сигнала.

44