Глотов А.Н., Жаркова Н.А. Учебное пособие Типовые узлы цифровых устройств (2013) (1092077), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Такое устройство называют формирователем импульсаили ждущим мультивибратором. Традиционное изображение его схемы показано нарисунке 3.9.Для регулировки длительности импульса необходимо иметь возможность изменять постоянную времени цепи Rб2 Ct. Дляизменения еѐ в небольших пределах можнопредусмотреть возможность изменения сопротивления резистора Rб2, разделив его на последовательно включенные постоянный резистор Rб2’ и переменный Rб2‖.Rб2 = Rб2’ + Rб2‖.Изменять его сопротивление в широких пределах не позволяет то обстоятельство, что этотрезистор ограничивает ток базы транзистораVT2.Рисунок 3.9Для регулирования длительности импульса в широких пределах необходимо изменятьемкость конденсатора Ct.Рассмотрим работу формирователя в различных режимах работы.Исходное состояние.
Отсутствуют запускающие импульсы на входе Uзап. ТранзисторVT2 насыщен. Его базовый ток определяется составным резистором Rб2, Rр и напряжением питания базовой цепи:I б1 EК U бн U бн U VD1 EК,Rб 2RрRб 2(3.1)I б1 EК, RК 2(3.2)где EК – напряжение питания схемы;β – статический коэффициент передачи тока транзистора.Транзистор VT1 закрыт и напряжение на его базе определяется резисторами Rсми Rб1 и отрицательным напряжением смещения Eсм:ОглавлениеН.А. Жаркова, А.Н.
Глотов «Типовые узлы цифровых устройств»31U бVT1 EСМU КнVT 2EСМ Rб1 RСМ Rб1 .RСМ Rб1RСМ Rб1RСМ Rб1(3.3)Конденсатор Ct заряжен до разности потенциалов коллектора VT1UкVT1 = Eк – Iко·RК1 ≈ Eк(3.4)и базы VT2UбVT2 = Uбн(3.5)UCmax ≈ UкVT1 ≈ ЕК(3.6)Режим запуска. Для запуска мультивибратора необходим отрицательный импульсUзап. Импульс дифференцируется цепью RрCр. Отрицательный укороченный импульспроходит через диод VD1 на базу транзистора VT2, вызывает рассасывание избыточного заряда и переводит VT2 в активный режим.
В активном режиме VT2 усиливает и инвертирует отрицательный запускающий импульс в положительный импульс коллекторного напряжения. Повышение напряжения на коллекторе VT2 компенсирует часть отрицательного напряжения источника смещения -Eсм что приводит к повышению потенциала базы отпиранию транзистора VT1.U бнVT 1 RСМ ( E К EСМ ) EСМRК 2 Rб1 RСМ(3.7)Процесс переключения ускоряется под действием положительной обратной связи, замыкающейся перекрестно с коллектора одного транзистора на базу другого.Генерация импульса (квазиустойчивое состояние).
После окончания переходного процесса, VT1 оказывается в режиме насыщения. Базовый ток определяется следующим соотношением:I б1 E U бнEEКEК СМ СМRк 2 Rб1RСМRк 2 Rб1 RСМ(3.8)Условие насыщения должно учитывать емкостную составляющую коллекторного токаVT1, которая максимальна в начале разряда конденсатора:I б1 U EКEК C maxRк1 Rб 2(3.9)Транзистор VT2 закрыт отрицательным потенциалом, формируемым конденсатором Ct.Конденсатор Ct разряжается по цепи +Eк – Rб2 – Rб2’ – Ct – открытый VT1 – общийпровод.
При этом запирающий потенциал на базе VT2 убывает (по модулю)ОглавлениеН.А. Жаркова, А.Н. Глотов «Типовые узлы цифровых устройств»32U бVT 2 (t ) U C max ( E К U C max ) (1 exp( tр)) , где τр = Ct·Rб2(3.10)В тот момент времени, когда Uб(t) станет положительным и превысит порог отпирания(Uп) VT2, т.е. Uб(tи)>Uп в схеме возникает регенеративный процесс возврата в исходное состояние. С учетом (1.9), (1.10), Uп<<Eп и UCmax можно определить длительностьформируемого импульса:tи Ct Rб 2 lnU C max E КU Ct Rб 2 ln( C max 1) EК U пEКE Ct Rб 2 ln( К 1) 0,69 Ct Rб 2EК(3.11)Восстановление исходного состояния.На этом этапе происходит заряд конденсатора Ct по цепи +Eк – Rк1 – Ct –открытый VT2 – общий провод.
Напряжение на коллекторе VT1 растет по закону:U к1 (t ) E К (1 exp( tЗ)) ,где τЗ = Ct·Rк1.(3.12)Бросок зарядного тока Ct вызывает появление на базе VT2 характерного пиканапряжения, спадающего по мере заряда Ct.Анализируя (3.11) можно заметить, что длительность квазиустойчивого состояния зависит отUCmax, которое равно напряжению на коллектореVT1 в исходном со-стоянии.3.2 Симметричный автоколебательный мультивибратор на биполярных транзисторахКак было показано в предыдущей части, сочетание инвертирующего транзисторного ключа и дифференцирующей цепи обеспечивает под действием запускающегосигнала формирование прямоугольного импульса с длительностью, пропорциональнойпостоянной времени дифференцирования.
Подключение к такой схеме аналогичногосочетания ключа и дифференцирующей цепи приведет к формированию импульса,сдвинутого относительно запускающего (рисунки 3.10, 3.11)ОглавлениеН.А. Жаркова, А.Н. Глотов «Типовые узлы цифровых устройств»33Рисунок 3.10Рисунок 3.11Соединение входа Uзап с выходом Q замыкает цепь положительной обратнойсвязи и приводит к генерации бесконечной последовательности импульсов (рисунок3.12). Полученное устройство называют симметричным автоколебательным мультивибратором на биполярных транзисторах.
Традиционно схему такого мультивибратораизображают так, как показано на рисунке 3.13.Рисунок 3.12Рисунок 3.13Сигнал на базе транзистора VT2 может быть определен следующим образом:U (t ) U бнVT 2 U C max et2.(3.13)Учитывая, что UбнVT2 ≈ 0, а UCmax ≈ EК:U (t ) E К et2ОглавлениеН.А. Жаркова, А.Н. Глотов «Типовые узлы цифровых устройств»(3.14)34Период повторения Tп колебаний мультивибратора складывается из двух полупериодов:t1 Ct1 Rб1 lnE К U Ct1 max 1 ln 2 0,7 1EКt 2 Ct 2 Rб 2 lnEК U Ct 2 max 2 ln 2 0,7 2EКTп = t1 + t2 ≈ 0,7(Ct1Rб1 + Ct2Rб2),(3.15)Для регулировки периода повторения и длительности импульсов необходимоиметь возможность изменять постоянные времени цепей Rб1 Ct1 и Rб2 Ct2.
Для изменения в небольших пределах можно предусмотреть возможность изменения сопротивлений резисторов Rб1 и Rб2, включив последовательно дополнительные переменныерезисторы. Как и в случае со ждущим мультивибратором изменять их сопротивление вшироких пределах нельзя.Для регулирования периода и длительности импульса в широких пределахнеобходимо изменять емкость конденсаторов Ct1 и Ct2. На рисунке 3.14 показанодин из способов регулировки временныхпараметров импульсной последовательности.Рисунок 3.14В схему включен дополнительный переменный резистор, оказывающий влияниеодновременно на обе времязадающие цепи.
Его движок подключен к источнику питания, а боковые отводы – к резисторам Rб1 и Rб2. Таким образом, при перемещениидвижка такого резистора происходит перераспределение значений постоянных временипри неизменной их сумме. Поэтому период повторения импульсов, генерируемых такой схемой постоянен, а скважность может быть изменена.ОглавлениеН.А.
Жаркова, А.Н. Глотов «Типовые узлы цифровых устройств»353.3 Мультивибратор на логических элементахАвтоколебательная схема мультивибратора строится на основе двух инвертирующих логических элементов, соединенных перекрестной цепью положительной обратной связи через дифференцирующие цепи (рисунок 3.15).При высоком уровне напряжения на выходе элемента DD1.1 через его выходноесопротивление и резисторы R1 и R1’ происходит заряд конденсатора С1.
Ток заряда создает экспоненциально спадающее напряжение на резисторах R1 + R1’, т.е. на входеDD1.2. Пока это напряжение выше порога отпирания DD1.2, на его выходе будет низкий логический уровень. В это же время конденсатор C2 разряжается через низкое выходное сопротивление DD1.2 и резистор R2, создавая на входе DD1.1 отрицательныйэкспоненциальный импульс (рисунок 3.16).Рисунок 3.15Рисунок 3.16Регенеративное опрокидывание схемы происходит, когда напряжение на входе DD1.2достигает порога срабатывания.
После этого роли элементов схемы меняются местами.Длительность рассматриваемого полупериода определяется следующим образом:t1 τ1 ln(U1/UП) = C1(R1+R1’) ln(U1/UП) ,(3.16)1где U – максимальное напряжение на выходе логического элемента. Его величина зависит от технологии изготовления и серии микросхем, использованных для построениямультивибратора. Обычно для микросхем, изготовленных по технологии ТТЛШ U1 составляет от 2,4 до 4,2 В, а величина порога срабатывания UП – 1,2…1,4 В.3.4 Мультивибратор на операционном усилителеВ схеме, показанной на рисунке 3.17, операционный усилитель DA1 охвачен положительной обратной связью через резистивный делитель R2, R3, превращающий егоОглавлениеН.А.
Жаркова, А.Н. Глотов «Типовые узлы цифровых устройств»36в пороговое устройство (триггер Шмитта). При симметричном выходном напряженииUm пороги срабатывания симметричны относительно нуля и определяются следующимобразом:UП R2U m k U m .R 2 R3(3.17)Напряжение на конденсаторе C1 возрастает по экспоненте от значения, накопленного в предыдущем полупериоде, в соответствии с законом:Рисунок 3.17U C (t ) U П (U m U П ) (1 et( )где τ = R1C1 (3.18)),Когда UC(t) становится больше UП по модулю, пороговое устройство на основе DA1срабатывает, полярность выходного сигнала меняется и начинается формирование нового полупериода (рисунок 3.18).Длительность полупериода можно определить:tи R1 C1 lnUm U ПR2 R1 C1 ln(1 2 ) .U m U ПR3(3.19)Рисунок 3.183.5 Мультивибратор на интегральном таймереДля упрощения процедуры построения формирователей и генераторов прямоугольных импульсов разработаны и выпускаются специализированные микросхемы –таймеры.
Широкое распространение получила микросхема КР1006ВИ1 (зарубежныйаналог – NE555). В ее составе содержатся узлы, позволяющие реализовать на ее основекак ждущий, так и автоколебательный мультивибраторы. Функциональная схема таймера показана на рисунке 3.19. Таймер содержит резистивный делитель, который соОглавлениеН.А. Жаркова, А.Н.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
