Генераторы прямоугольных импульсов

Для получения импульсов прямоугольной формы с крутыми фронтами широко применяются устройства, принцип работы которых основан на использовании электронных усилителей с положительной обратной связью (ПОС), действующей в широкой полосе частот. К этим устройствам относятся так называемые релаксационные генераторы. Релаксационные генераторы, в которых ПОС создается с помощью RC – цепей, называют мультивибраторами. Если ПОС создается с помощью импульсного трансформатора, то такие релаксационные генераторы называют блокинг – генераторами. Эти генераторы могут работать в одном из следующих режимов: ждущем, автоколебательном, синхронизации или деления частоты.

В ждущем (заторможенном) режиме генератор имеет одно устойчивое состояние равновесия. Внешний запускающий импульс вызывает скачкообразный переход ждущего генератора в новое состояние, которое не является устойчивым. В этом состоянии, называемом квазиравновесным, или временно устойчивым, в схеме генератора происходят относительно медленные изменения, которые в конечном итоге приводят к обратному скачку, после чего восстанавливается исходное устойчивое состояние. Длительность состояния квазиравновесия, определяющая длительность генерируемого прямоугольного импульса, зависит от параметров схемы генератора.

Основными требованиями к ждущим генераторам являются стабильность длительности формируемого импульса и устойчивость его исходного состояния. Ждущие генераторы применяют, прежде всего, для получения определенного временного интервала, начало и конец которого фиксируются соответственно фронтом и спадом генерируемого прямоугольного импульса, а также для расширения импульсов и других целей.

В автоколебательном режиме генератор имеет два состояния квазиравновесия и не имеет ни одного устойчивого состояния; в этом режиме без какого – либо внешнего воздействия генератор последовательно переходит скачком из одного состояния квазиравновесия в другое. При этом генерируются сигналы, амплитуда, длительность и частота повторения которых определяются в основном только параметрами генератора.

Основным требованием, предъявляемым к автоколебательным генераторам, является стабильность частоты автоколебаний. Между тем в результате изменений питающих напряжений, схемы и старения элементов, воздействия других факторов (температура, наводки и т.п.) стабильность частоты автоколебаний генератора обычно невелика.

В режиме синхронизации или деления частота повторения генерируемых импульсов определяется частотой внешнего синхронизирующего напряжения (синусоидального или импульсного), подаваемого в схему генератора: частота повторения импульсов равна или кратна частоте синхронизирующего напряжения.

Мультивибраторы могут быть построены на дискретных, логических элементах или на операционных усилителях. Мультивибраторы на основе логических элементов обычно применяют в цифровой аппаратуре, так как при этом наиболее полно обеспечивается унификация элементной базы. Кроме того, не требуется согласования по уровням сигналов релаксационных генераторов и других устройств аппаратуры.

Ждущие мультивибраторы на интегральных логических элементах могут быть построены с использованием времязадающей дифференцирующей RC-цепи или элемента задержки (чаще всего интегрирующей RC-цепи) и RS-триггера.

Ждущий мультивибратор с дифференцирующей времязадающей RC – цепью.Принципиальная схема ждущего мультивибратора и временные диаграммы, иллюстрирующие его работу, приведены на рис. 5.9.

В исходном состоянии напряжение на входе элемента D2 при соответствующем выборе сопротивления резистора R

_,

поэтому элемент D2 закрыт, так как на обоих его входах действуют сигналы логического нуля.

Запуск мультивибратора осуществляется положительными импульсами U_ЗАП через формирователь, состоящий из дифференцирующей цепи C1R1 и инвертора на элементе D3. В момент времени t₁ с выхода формирователя на вход элемента DI поступает короткий отрицательный запускающий импульс (сигнал 0), и элемент D1 запирается, на его выходе формируется положительный перепад напряжения, который передается через конденсатор С на вход элемента D2. Последний отпирается, на его выходе устанавливается сигнал логического 0, который поддерживает элемент D1 в закрытом состоянии и после окончания действия запускающего импульса.

Таким образом, в результате действия запускающего импульса мультивибратор перешел в состояние квазиравновесия, когда элемент D1 закрыт, а элемент D2 открыт. В этом состоянии происходит заряд конденсатора С через выходное сопротивление элемента D1 и резисторы R_ОГР и R. По мере заряда конденсатора С убывают ток заряда и напряжение на резисторе R, а, следовательно, и напряжение на входе элемента D2. При уменьшении напряжения на входе элемента D2 до порогового уровня U_ПОР элемент D2 начинает закрываться, формирование импульса заканчивается.

В состоянии квазиравновесия напряжение на входе элемента D2 стремится измениться от величины

(5.3)

где – напряжение на входе элемента D2 в момент начала состояния квазиравновесия;

(5.4)

- напряжение на конденсаторе С в исходном устойчивом состоянии;

– выходное сопротивление закрытого элемента D1;

до величины (5.5)

Длительность формируемого импульса можно найти из выражения

, (5.6)

где - постоянная заряда конденсатора С;

- пороговое напряжение логического элемента.

Поэтому длительность формируемого импульса с учетом выражений (5.3), (5.5) и (5.6) можно представить в виде

(5.7)

После окончания формирования импульса развивается регенеративный процесс, приводящий к быстрому запиранию элемента D2 и отпиранию элемента D1. Далее происходит процесс восстановления исходного устойчивого состояния, связанный с разрядом конденсатора С через выходное сопротивление открытого элемента D1, ограничивающий резистор и диод VD. Диод включается для уменьшения времени восстановления и защиты от пробоя по входу элемента D2 отрицательным выбросом напряжения. Резистор ставится для ограничения тока, протекающего через открытый элемент D1 при разряде конденсатора С, до допустимой величины.

Время восстановления можно оценить из выражения

(5.8)

где – выходное сопротивление открытого элемента D1;

- сопротивление открытого диода;

при условии, что сопротивление резистора R и входное сопротивление элемента D2 во много раз больше сопротивления открытого диода.

Ждущий мультивибратор с RS – триггером. Принципиальная схема ждущего мультивибратора на RS- триггере с RC – элементом задержки и временные диаграммы, иллюстрирующие его работу, приведены на рис. 5.10.

Ждущий мультивибратор включает в себя RS – триггер на элементах D1 и D2, интегрирующую RC – цепь задержки с инвертором на элементе D4 и формирователь коротких импульсов запуска на элементе D3.

В исходном устойчивом состоянии элемент D1 RS- триггера открыт, а элемент D2 закрыт. Действительно, на входах элемента D2 действуют (см. рис. 5.10 ) взаимно инвертированные сигналы, а на входах элемента D1 – сигналы, соответствующие уровню логической единицы. Конденсатор С в исходном состоянии заряжен через выходное сопротивление закрытого элемента D4 и сопротивление R до напряжения ,

где – напряжение логической 1 на входе элемента D4.

В момент t₁ на вход элемента D1 RS – триггера (вход S) поступает с формирователя на элементе D3 короткий отрицательный импульс, соответствующий уровню логического 0. Под действием этого импульса RS- триггер переходит в новое устойчивое состояние, когда элемент D1 закрыт, а элемент D2 открыт, что соответствует состоянию квазиравновесия в мультивибраторе. При этом элемент D4 открывается и начинается разряд конденсатора С через резистор R и малое выходное сопротивление Rº_вых элемента D4. Напряжение на конденсаторе С при разряде стремится уменьшится до величины , где – напряжение логического 0 на выходе элемента D4.

В некоторый момент времени t₂ напряжение на конденсаторе С а, следовательно, и на входе элемента D2 (R - вход RS – триггера) достигнет порогового уровня U_ПОР и элемент D2 начинает закрываться. RS – триггер опрокидывается в исходное устойчивое состояние, когда элемент D1 открыт, а элемент D2 закрыт. Состояние квазиравновесия в мультивибраторе заканчивается.

После этого происходит процесс восстановления исходного устойчивого состояния, связанный с зарядом конденсатора С через выходное сопротивление элемента D4 и сопротивление резистора R. Для уменьшения времени восстановления часто резистор R шунтируют цепочкой, состоящей из диода VD и резистора . Резистор вводится для ограничения тока, протекающего через элемент D4 при заряде конденсатора С, до допустимой величины.

Длительность формируемого импульса можно оценить из выражения

, (5.9)

где - постоянная разряда конденсатора С;

– выходное сопротивление открытого элемента D4.

Время восстановления исходного состояния в схеме равно

(5.10)

где – выходное сопротивление закрытого элемента D4;

- сопротивление открытого диода.

Ждущий мультивибратор на RS – триггере обладает рядом достоинств по сравнению с ждущими мультивибраторами с дифференцирующей RC- цепью в цепи обратной связи:

· времязадающая цепь непосредственно не связана ни с одним из выходов и подключение нагрузки к любому из них не влияет на длительность формируемых импульсов;

· на обоих выходах формируются импульсы, форма которых близка к прямоугольной форме;

· отсутствуют нежелательные выбросы напряжения; особенно важно отсутствие отрицательных выбросов, так как режим работы большинства логических элементов с отрицательными входными выбросами не допускается техническими условиями.

Автоколебательный мультивибратор на логических элементах. На рис. 5.11, представлена принципиальная схема автоколебательного мультивибратора на ИМС, реализующих логическую функцию И-НЕ. Логические схемы D3 и D4 имеют вспомогательное назначение и служат для создания режима мягкого самовозбуждения колебаний в схеме. При включении питания и возможном появлении на обоих выходах элементов D1 и D2 сигналов логической единицы срабатывают элементы D3 и D4_.. На вход D2 поступает высокий уровень напряжения, который вызывает переключение D2 в состояние логического нуля на выходе и приводит к возникновению режима автоколебаний.

Временные диаграммы, характеризующие работу схемы в режиме автоколебаний, приведены на рис. 5.11. В момент времени t₁ напряжение достигает порогового значения , при котором происходит переключение элемента D2. Напряжение изменяется от уровня , соответствующего логическому нулю, до уровня логической единицы. Так как конденсатор С1 представляет собой в момент времени t₁ цепь, замкнутую накоротко (напряжение на конденсаторе скачком измениться не может), то и, следовательно, .

Скачок напряжения от до через конденсатор С2 передается на вход элемента D2 и создает нежелательный отрицательный выброс напряжения . Чтобы исключить отрицательные выбросы на входах D1 и D2, резисторы R1 и R2 шунтируют диодами VD1 и VD2.

После момента времени t₁ конденсатор С1 начинает заряжаться с постоянной времени , а напряжение стремится к нулю с той же постоянной времени. По достижении напряжением порогового значения , при котором переключается элемент D1, напряжение скачком изменяется до значения, соответствующего логической единице, т.е. , что приводит к изменению напряжения , а, следовательно, . Таким образом, мультивибратор переходит в следующее квазиустойчивое состояние, за время которого происходят заряд конденсатора С2 и изменение напряжение с постоянной времени . При мультивибратор переходит в новое квазиустойчивое состояние, во время которого заряжается конденсатор С1, т.е. цикл повторяется.

В соответствии с временными диаграммами (рис. 5.11) длительность импульсов выходного напряжения U_вых2 определяется формулой

Длительность паузы между соседними выходными импульсами напряжения

,

где , - падение напряжения на резисторах R1, R2 от протекания входного тока элемента при низком уровне выходного напряжения ( ; );

– выходное сопротивление элемента при высоком уровне выходного напряжения. Обычно выбирают R1 = R2 = R.

Автоколебательный мультивибратор на операционном усилителе. Принципиальная схема и временные диаграммы работы автоколебательного мультивибратора на операционном усилителе приведены на рис. 5.12.

При включении питания дифференциальное напряжение смещения, возникающее на входе ОУ за счет действия ПОС, образованной резисторами R1 и R2, скачком переводит операционный усилитель в режим ограничения выходного сигнала.

Пусть в момент времени t₀ на выходе ОУ устанавливается положительное максимальное напряжение . Вход 1 в момент времени t₀ оказывается заземленным по переменному току, так как напряжение на конденсаторе С при включении питания скачком измениться не может, т.е. . Напряжение на входе 2 определяется сопротивлениями резисторов R1 и R2 и равно .

После момента t₀ конденсатор заряжается с постоянной времени τ=RC и напряжение на нем, а следовательно, и на входе 1 ОУ изменяется, стремясь от нуля к значению . Напряжение на входе 2 остается неизменным. В момент времени t₁ напряжение достигает значения , т.е. , изменяется знак дифференциального входного напряжения ОУ, а выходное напряжение его скачком достигает своего отрицательного предела - .

Напряжение становится отрицательным и удерживает схему в состоянии ограничения, когда . Конденсатор С перезаряжается, а напряжение на нем стремится к . При происходит скачок выходного напряжения к положительному пределу.

Длительности квазиустойчивых состояний схемы определяются из формул:

;

Таким образом, схема генерирует импульсы со скважностью, равной двум. Для изменения частоты и скважности выходных импульсов можно: подключить резистор R2 к источнику напряжения или зашунтировать резистор R цепью, состоящей из последовательно соединенных резистора и диода VD (на рис. 5.13 эта цепочка показана пунктиром).

Вопросы для самопроверки.

1.Какие существуют типы генераторов?

2.Сформулируйте необходимые и достаточные условия существования автоколебательного режима работы в генераторах гармонических колебаний.

3.Приведите схему LC-генератора гармонических колебаний и поясните назначение ее элементов.

4.Приведите схему RC-генератора гармонических колебаний и поясните назначение ее элементов.

5.Какие устройства называют мультивибраторами?

6.Какую роль в мультивибраторах выполняют конденсаторы?

7.Приведите схему ждущего мультивибратора на логических элементах и укажите элементы схемы, которые определяют длительность, формируемых импульсов.

8.Что понимают под временем восстановления в ждущем мультивибраторе?

9. Какие существуют принципиальные отличия между схемами ждущих и автоколебательных мультивибраторов?

10. Приведите схему автоколебательного мультивибратора на операционном усилителе и поясните принцип его работы.

Глава шестая

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ