12.4. Задание на проведение исследований

1. По результатам расчетов собрать схему (рис. 12.1). С помощью осциллографа измерить параметры выходных импульсов и сравнить их с исходными данными.

2. Увеличивая сопротивление резистора R₁ при расчетном значении емкости С, а затем уменьшая С при расчетном R₁, снять зависимости длительности и формы импульсов от номиналов указанных элементов до достижения срыва генерации.

3. Собрать схему (рис. 12.2). Измерить параметры выходных импульсов и сравнить их с расчетными значениями.

4. Снять зависимость формы и длительности импульсов от сопротивления R₂, увеличивая его до срыва генерации.

5. Зарисовать осциллограммы сигналов, построить полученные зависимости.

12.5. Содержание отчета

Отчет должен содержать исследуемые схемы, расчет значений всех элементов схем, графики всех полученных зависимостей (зависимости длительности и формы импульсов от номиналов элементов), сравнение экспериментальных значений с расчетными, осциллограммы сигналов, выводы.

12.6. Вопросы для самопроверки

1. Какие элементы схем мультивибраторов определяют длительность импульсов?

2. Чем объясняется в схеме мультивибратора на одном ОУ выбор отношения R₃/R₂ около 1/10?

3. Почему мультивибратор на интеграторе и триггере Шмитта неработоспособен при R₂ = R₃?

4. Влияет ли на работу мультивибраторов наличие у ОУ напряжения смещения?

5. Какие изменения нужно внести в схему мультивибратора (рис. 12.1), чтобы получить одновибратор?

Лабораторная работа №13

ИССЛЕДОВАНИЕ МУЛЬТИВИБРАТОРА НА ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТАХ

Цели работы – научиться рассчитывать и настраивать мультивибраторы на ЛЭ, сравнить достоинства и недостатки наиболее распространенных схем мультивибраторов на логических элементах.

13.1. Исходные данные

1. В лабораторной работе рассчитываются, монтируются и исследуются две схемы мультивибраторов на логических элементах: симметричная (с перекрестными связями) и несимметричная. Справочные данные на логические элементы 2И–НЕ типа 74HC00 приведены в приложении.

2. Параметры выходных импульсов задаются преподавателем.

3. Для питания схем следует использовать стабилизированные напряжения U_п = +5 В.

4. Контроль формы и амплитуды напряжений в исследуемых схемах осуществляется с помощью осциллографа.

13.2. Основные теоретические сведения

Простейшая схема мультивибратора на логических элементах сходна по своему принципу действия с симметричным мультивибратором на транзисторах, имея два инвертора ЛЭ1 и ЛЭ2 и перекрестные емкостные связи (рис. 13.1).

Резисторы R₁ и R₂ выбираются таким образом, чтобы вытекающий из ЛЭ ток создавал на них падения напряжения, соответствующие активному участку характеристики перехода входа ЛЭ из состояния логического нуля U⁰ в состояние логической единицы U¹. На этом участке ЛЭ работает подобно инвертирующему усилителю со значительным коэффициентом усиления. Для ТТЛ-логики такой режим соответствует напряжениям на входе ЛЭ от 0.8 до 1.6 В. Это обеспечивается при R₁ = R₂ = (0.25...2.5) кОм. На крайних пределах генерация самостоятельно уже может не возникнуть, так как на входе ЛЭ присутствуют либо глубокий лог. 0, либо устойчивая лог. 1.

Итак, сопротивления R₁ и R₂ должны быть заданы, а емкости конденсаторов С₁ и С₂ находят из следующих простых выражений, полученных из рассмотрения переходных процессов на входах ЛЭ:

(13.1)

где U_пор – пороговое напряжение перехода из лог. 0 в лог. 1 или наоборот, из лог. 1 в лог. 0.

Напряжения U¹, U⁰ и U_пор не являются константами и зависят от числа присоединенных входов к одному выходу ЛЭ, а также от температуры. Автогенераторы обычно не принято использовать без буферных элементов, поэтому можно принять U¹ и U⁰ близкими к значениям для ЛЭ без нагрузки: U¹ = 3.6 В, U⁰ = 0.2 В. Напряжение U_пор при комнатной температуре принимают U_пор = 1.4 В. При подстановке данных значений в формулу (13.1) получим численный коэффициент 0.9. Для инженерных расчетов симметричного мультивибратора (R₁ = R₂, С₁ = С₂) с учетом разброса характеристик ЛЭ принимают: t_и = t_п = (0.7...1.1) RС.

Длительности фронта и среза импульсов (t_ф и t_с) приближенно принято считать t_ф = t_с = t^0,1_зд.р.ср + t^1,0_зд.р.ср, где t^0,1_{зд.р. ср} и t^1,0_зд.р.ср – среднее время задержки распространения сигнала для выбранной серии интегральной схемы при переходе из лог. 0 в лог. 1 и из лог. 1 в лог. 0, соответственно.

Недостатком рассмотренной простейшей схемы мультивибратора на ЛЭ является жесткий режим самовозбуждения и связанное с этим возможное отсутствие колебательного режима работы. Этот недостаток схемы можно исключить, если дополнительно ввести логический элемент И (рис. 13.2).

Наряду с рассмотренными схемами, в простых схемах автоматики находят широкое применение несимметричные генераторы, в которых уменьшено количество навесных элементов (рис. 13.3).

Длительность импульсов в данной схеме можно задавать резистором R₂, а частоту – резистором R₁. Как и в предыдущей схеме, резисторы обеспечивают, наряду с работой в дифференцирующей цепи, сдвиг рабочей точки ЛЭ в область переходной характеристики. Рекомендуемые значения сопротивлений R₁ и R₂ находятся в пределах от 0.3 до 2.5...5.1 кОм. Благодаря конденсатору С через R₂ возникает положительная обратная связь между выходом схемы и входом ЛЭ2, что создает неоднозначность характеристики и приводит к самовозбуждению схемы. Конденсатор участвует в формировании как импульса, так и паузы. Расчет длительности импульсов и паузы связан с использованием конкретных входных и передаточных характеристик логических элементов. Для практического применения оказывается более простым сначала задать t_и и t_п по приближенным формулам, а затем произвести подстройку параметров выходного сигнала до заданных значений. Тогда для приведенной несимметричной схемы автогенератора можно записать:

t_и = k₁C R₂, t_п = k₂C R₁, (13.2)

где k₁ и k₂ – числовые коэффициенты, зависящие от типа ЛЭ (в порядке первого приближения можно принять k₁ = k₂ = 0.25).