Главная страница
Финансы
Экономика
Математика
Начальные классы
Биология
Информатика
Медицина
Сельское хозяйство
Ветеринария
Дошкольное образование
Вычислительная техника
Воспитательная работа
История
Этика
Религия
Философия
Логика
Физика
Социология
Политология
Русский язык и литература
Языкознание
Языки
Юриспруденция
Право
Другое
Строительство
Доп
образование
Промышленность
Энергетика
Физкультура
Связь
Электротехника
Автоматика
Технология
Классному руководителю
Иностранные языки
Химия
Геология
Логопедия
География
Культура
Искусство
Экология
ИЗО, МХК
Школьному психологу
Директору, завучу
Обществознание
Казахский язык и лит
ОБЖ
Социальному педагогу
Языки народов РФ
Музыка
Механика
Астрономия
Украинский язык
Психология

Мультивибраторы


Скачать 1.02 Mb.
НазваниеМультивибраторы
Анкор4.docx
Дата29.05.2018
Размер1.02 Mb.
Формат файлаdocx
Имя файла4.docx
ТипДокументы
#17845

ГЕНЕРАТОРЫ НЕСИНУСОИДАЛЬНЫХ (ПОЛИГАРМОНИЧЕСКИХ)

КОЛЕБАНИЙ.
Данный класс устройств также называется импульсными генераторами.
Требование к схеме: , как и для генераторов синусоидальных сигналов.
Схем генераторов великое множество.

МУЛЬТИВИБРАТОРЫ.
Автогенераторный (автоколебательный)

мультивибратор.
По сути это схема двухкаскадного усилителя:








Оба транзистора находятся в активном режиме.

Начальные условия:

Потенциал коллектора транзистора больше, чем потенциал базы , поэтому и плюсик больше.
После определения начальных условий, замкнем цепочку (соединим выход транзистора со входом транзистора :

(1). Поскольку напряжение на конденсаторе не может измениться скачком, то, при замыкании обратной связи, потенциал базы транзистора увеличится, что приведет к открыванию транзистора и переходу его в режим насыщения.

(2). Когда транзистор откроется, потенциал на коллекторе станет равным нулю. Потенциал на слева резко упал, поэтому справа тоже упадет и станет отрицательным.
(3). Из-за отрицательного потенциала транзистор закроется, значит на коллекторе будет .
(4). Так как напряжение на емкости не может измениться скачком, из-за возникновения слева на потенциала , справа он тоже увеличится, что еще больше увеличит потенциал на базе транзистора и еще больше загонит его в насыщение.
Пауза.


заряд через

разряд через
Переключение транзисторов из открытого состояния в закрытое и наоборот происходит очень быстро (гораздо быстрее, чем длятся паузы).

заряд через


разряд через

И так далее.

Паузы между тактами вызваны перезарядом емкостей.
Стоит заметить, что генератор симметричного сигнала скорее всего и выглядит симметрично.



Для мультивибратора основная задача – определить параметры выходного импульса.
– постоянная времени заряда конденсатора.

– постоянная времени разряда конденсатора.


Приравнивая выражение к нулю, получим момент окончания импульса.
если будет разное, то можно регулировать скважность.
если емкости и будут разными, можно регулировать интервалы времени.



Период



На практике используется следующая схема:


Убирается источник .


Триггер Шмитта.

Примечание:



То есть, напряжение на выходе ОУ конечно.

Характеристика самого ОУ:
Данная характеристика растянута по оси в пределах малых значений .
1.

2.

Передаточная характеристика самого ОУ:


Коэффициент усиления самого ОУ . Поэтому:

То есть, ОУ, с точки зрения переходной характеристики – переключающий элемент. Но мы не делаем его переключающим элементом потому что охватываем его ОС.
Если

Если


Если напряжение на инверсном сходе больше, чем напряжение на прямом входе, то . Следовательно, пока напряжения на прямом и инверсном входах не будут равны между собой, .
Если напряжение на инверсном входе станет равным напряжению на прямом входе, то произойдет обратное переключение.
Если напряжение на входе будет колебаться:

То напряжение на выходе погасит эти колебания за счет петли гистерезиса.

Если входной сигнал идеален, то произойдет одно переключение:
Но, на самом деле, напряжение на входе не может быть идеальным и будет иметь, например, такую форму:
Соответственно, должно произойти несколько переключений (лишних переключений, которые будут ложными).

Но, за счет петли гистерезиса, переключение произойдет несколько позже, но будет истинным и единственным:

Компаратор – это устройство сравнения. Его назначение – сравнивать между собой два входных сигнала по принципу больше-меньше.

Пример простейшего компаратора:


Передаточная характеристика идеального компаратора:


Передаточная характеристика реального компаратора:

Стоит заметить, что данная передаточная характеристика сильно растянута по оси .

Наклон появляется из-за конечности . Точка находится не в нуле из-за того, что существует (которое позволяет двигать точку влево и вправо). В реальных ОУ порядка милливольт.


делитель сопротивлений

Компаратор – устройство, которое включает (или выключает), к примеру, какой-нибудь бытовой прибор при определенной температуре.

может меняться от до (в зависимости от результата деления напряжений).
Система находится в «дребезжащем» режиме: в точке переключения она будет включаться и выключаться.

Триггер Шмитта – пример устройства автоматического регулирования. За счет регулирования ширины петли гистерезиса изменением номиналов и , можно менять пороги срабатывания и отпускания. Триггер Шмитта зачастую используется для защиты от частых и ложных срабатываний.


Электрические параметры компаратора.

1. .

2. Скорость нарастания выходного напряжения .

3. .

4. (разность входных токов, зависит от температуры).

5. .

6. .

7. Диапазон .
И так далее (как у ОУ).

Пусть устройство передает в устройство импульс:

Будучи переданным по линиям связи между устройствами, импульс изменится:


Если инвертор, то на :


Если на вход устройства установить триггер Шмитта, то помехи значительно снизятся.
æ напряжение срабатывания .

æ напряжение отпускания .

Ширина зоны гистерезиса :
æ

Если ввести в схему опорное напряжение :


То пороги срабатывания и отпускания будут выражаться с учетом следующим образом:



æ .

Автоколебательные мультивибраторы на ОУ.
Ранее мы рассматривали мультивибраторы на БПТ. Напомним, что для того, чтобы устройство было мультивибратором, необходимо выполнение следующего условия: . Но у ОУ коэффициент усиления , поэтому можно сделать мультивибратор и на основе ОУ.

Схема будет выглядеть следующим образом:


Стоит заметить, что в реальной схеме никакого ключа нет. Ключ введен нами специально, он поможет нам понять принцип работы схемы.
В ООС стоит дифференцирующая цепочка.
В ПОС – триггер Шмитта.
Сделаем предположение, что до момента времени : (то есть ).
Когда ключ замкнут , то на выходе либо , либо (как в триггере Шмитта).

Предположим, что :


Рассмотрим по порядку каждый отрезок времени:

1. ключ замкнут (предположение).

2. в момент времени ключ размыкаем. После размыкания ключа емкость начнет заряжаться напряжением через сопротивление начнет уменьшаться со скоростью, определяемой величиной . Если этот процесс не остановить, что напряжение достигнет величины . Однако, когда достигнет величины , произойдет переключение (в момент времени ).

3. в момент времени : æ . Идет процесс заряда емкости напряжением через резистор .
Далее происходит повторение описанных процессов, и на выходе мы получаемый желаемый сигнал:

Так как заряд и разряд конденсатора идет через одну и ту же цепь, то .
Если бы питание подавалось на вход в момент времени , то до : и .

Частота выходного сигнала:

.

Чтобы найти эту частоту, рассмотрим отдельно цепь:



Чтобы найти и :

.
Через время или напряжение на выходе приобретет значение . Поэтому выражение для зависимости напряжения на емкости от времени будет выглядеть так:





Подставим и найдем :

æ


Считая, что , получаем, что параметр будет выглядеть так:
æ.
Отсюда, полное выражение для напряжения на емкости будет выглядеть следующим образом:
æ
:

æ æ


Следовательно, если , то

Зная , можно найти частоту импульсов:

.
Кроме частоты, существует такой параметр импульсов, как скорость нарастания :
.
Например, если , а , то .
Следует отметить, что это крайнее время фронта. Например, если , то выходной импульс уже будет иметь форму пилы, а не прямоугольников.


Для того, чтобы изменить скважность сигнала (другими словами– получить несимметричные импульсы), нужно разделить цепь заряда и цепь заряда конденсатора.

Практическая схема разделения цепей:


Вместо и ставим переменное сопротивление. Меняя постоянную времени разряда, настраиваем мультивибратор, выбирая нужную скважность.


Диоды в данной схеме нужны для формирования положительной и отрицательной полуволны.

Ограничения, которые накладываются реальностью ОУ:

1. Максимальное изменение входного напряжения не должно превышать максимального дифференциального напряжения на входе ОУ:


или

æ

2. Ток нагрузки должен быть ниже максимального тока, указанного в data-sheet’e на ОУ (чтобы ОУ мог выдать нужный ток):




3. Сопротивление должно быть меньше входного сопротивление ОУ:


Кроме того, сопротивление цепи заряда должно быть меньше выходного сопротивления (примерно в раз):

.


Можно собрать мультивибратор по другой схеме:

За основу берется неинвертирующий усилитель (на инвертирующий вход сигнал не подается, нужно подавать сигнал на неинвертирующий вход). Для того, чтобы система заработала, нужно охватить ОУ положительной обратной связью (ПОС).

Зависимости, отражающие работу этого устройства:

напряжение на инверсном входе
напряжение на прямом входе

– коэффициент деления напряжения относительно отрицательного входа
– коэффициент деления напряжения относительно положительного входа


Так как входное сопротивление ОУ, то соединительный проводник можно убрать, и верхняя часть схемы будет выглядеть так:
В момент переключения, сопротивление конденсатора , то есть конденсатор можно убрать, и будет определяться и .
Но, нас интересует установившийся режим. В этом случае, сопротивление емкости , можем убрать из схемы соединительный проводник .

описывает амплитудное значение в точке , стремящееся к нулю, но не доходящее до установившегося значения.

Когда потенциалы сравняются, произойдет переключение. В том случае, когда мы уходим в «плюсовое» насыщение. Когда , система перейдет в другое («минусовое») насыщение.

Ждущие мультивибраторы

(одновибраторы).
Одновибраторы – это генераторы, которые формируют импульс заданных параметров (длительности, амплитуды и т.д.) при подаче на его вход запускающего (синхронизирующего) импульса.


Система отвечает на входной импульс – выходным. Причем, какая бы ни была длительность входного импульса, на выходе мы получим импульс с фиксированным .
Нам нужно, чтобы переключение происходило один раз, поэтому схема модифицируется следующим образом:
1. Начальные условия:
закрыт

находится в насыщении
Конденсатор полностью заряжен:



2. Подадим короткий, но интенсивный импульс синхронизации (с большой амплитудой).


открыт

закрыт
продолжает открывать .

3. будет постепенно возрастать из-за заряда емкости через сопротивление .


Одновибратор на ОУ.

Схема работает как мультивибратор. Но, нам нужно запереть один из тактов (для этого ставим диод, который запирает отрицательный такт).

Начальные условия:

æ



Необходимо выполнение следующего условие:
иначе система будет в колебательном состоянии.


Подумать самим: а что, если длина сихронизирующего импульса будет больше длины импульса, который выдает одновибратор?



, где



При :


Время восстановления:

Это время нужно максимально снизить.
Для этого в схему вводится цепочка, включающая сопротивление и диод, форсирующая время восстановления:

Когда на выходе «», конденсатор начинает разряжаться через сопротивление . Из-за этого и появляется .

Сопротивление ограничивает ток диода после переключения ОУ на отрицательное выходное напряжение, .


Очевидно, что чем меньше величина , тем меньше время восстановления.


Важно:


Рассмотрим влияние емкости :
Система запускается через данную цепочку:


Емкость позволяет из длинного запускающего импульса получить короткий импульс:


И, кроме того, она позволяет отделить потенциал от потенциала источника запуска (от запускающего потенциала).

Ждущий мультивибратор на логических элементах.

Диод защищает логический элемент от отрицательного потенциала при перезарядке конденсатора.
В установившемся режиме конденсатор заряжен, ток через него не протекает, , напряжение второго логического элемента соответствует логической единице «».
определяется
ОС нужна в схеме для того, чтобы система не перебросилась в начальное состояние, если запускающий импульс короче выходного.


Простейший мультивибратор на логических элементах.

Сначала схема управляется логическим нулем «», затем – логической единицей «».
В точке картина будет такая:

Задача 1.

Рассчитать мультивибратор на ОУ, имеющем следующие свойства: , (скорость нарастания выходного напряжения), , , . Необходимо получить период повторения импульсов . Нарисовать временные диаграммы.

Решение:



Из ограничения :







Выбрав , мы оставляем больший запас для выбора , величину которого мы пока не считали.

Из ограничения :

æ

æ
Выберем

æ .

Из ограничения выберем




Получаем:


Период повторения импульсов:


Откуда

.
Найдем длительность фронта:
, .
Схема, исследованная в данной задаче, будет работать при большом разбросе номиналов элементов. Для других значений будут другие значения , но время импульса будет оставаться неизменным. Только мы не должны выходить за пределы ограничений и .
Стоит заметить, что в расчете мы все время выбираем средние значения номиналов элементов, уходя от предельных значений.


Задача 1’.

Рассчитать несимметричный мультивибратор на ОУ с , .
Решение:

Решение данной задачи аналогично решению Задачи 1, только в данном случае мы будем считать отдельно положительную и отрицательную часть импульса. Схема также немного видоизменится: будет присутствовать четкое разделение обратных связей.

Задача 2.

Рассчитать одновибратор на ОУ с . Найти амплитуду запускающего импульса.
Решение:

Решение данной задачи аналогично решению Задачи 1.

Задача 3.

Подумать самостоятельно: как работает данная схема?

ГЕНЕРАТОР ЛИНЕЙНО-ИЗМЕНЯЮЩИХСЯ НАПРЯЖЕНИЙ

(ГЛИН).


Параметры, характеризующие данную картинку:
1. Начальное напряжение (остаточное напряжение на насыщенном транзисторе).
2. длительность рабочего хода.
время восстановления.
длительность периода.
3. скорость нарастания (определяет угол наклона).
4. коэффициент нелинейности.
5. коэффициент использования напряжения питания.

Существуют две схемы реализации ГЛИН: последовательная и параллельная.

последовательная схема ГЛИН параллельная схема ГЛИН

На этих схемах: ключ, зарядное устройство.

Схема простейшего ГЛИН:

Роль зарядного устройства выполняет через это сопротивление заряжается конденсатор.
Роль ключа выполняет транзистор – через него конденсатор разряжается.
Постоянная времени определяется входным конденсатором , значение больше, чем период выходного напряжения ГЛИН.
Имеем схему, преобразующую входной линейный (прямоугольный) сигнал в линейно-изменяющийся. Линейный участок маленький, поэтому коэффициент использования будет маленьким.

Задача.

Рассчитать все величины, которые характеризуют изменение напряжения в схеме.

Решение:
Когда ключ замкнут:
– напряжение, которое остается на транзисторе, когда он насыщен.

, где

В момент размыкания ключа напряжение на емкости :



(начальный наклон):

(конечный наклон):

Коэффициент нелинейности:


Максимальное напряжение:

Коэффициент использования напряжения питания:

Коэффициент нелинейных искажений:


Если захотим, чтобы и .


Если вместо источника напряжения будем использовать источник тока, то получим идеальный ГЛИН.


(в случае получаем уравнение прямой ).





, так как схема с ОБ.

(то есть, используется весь диапазон напряжения питания).


Можно собрать качественный ГЛИН и на ОУ.


Простейший ГЛИН на ОУ.


Транзистор в обратной связи выполняет функцию ключа, восстанавливает процесс разряда.

Временные диаграммы этого устройства:
А может быть такая картина:


Время обратной работы неоправданно возрастает.
Скорость нарастания больше, раньше уйдем в насыщение:

Необходимо, чтобы участок разряда конденсатора был максимально узким, и чтобы конденсатор успевал максимально разряжаться.

Для идеализированного ОУ :

где начальные условия (напряжение, от которого ГЛИН начинает работать),

формула, описывающая график изменения напряжения на выходе интегратора.

В нулевой момент времени:


Сопротивление замкнутого ключа мало .

точка заряда конденсатора . Конденсатор разряжается не полностью



где выражение для идеального ГЛИН (выходное напряжение линейно зависит от времени),

погрешность.

Рассмотрим такт заряда емкости:
очень мал, так как .
Так как получился очень малым, мы получили очень хороший ГЛИН.

зависит от длительности импульса:


Но, , в противном случае мы достигнем насыщения и получим, так называемую, «полочку» в форме выходного сигнала.


Теперь рассмотрим такт разряда емкости:




Ток разряда:





Чем больше сопротивление , тем медленнее происходит разряд. Сопротивление ограничивает , чтобы он не достиг максимально допустимого значения.


Пример:





Выбрать величину , параметры и .
Решение.

лучше брать большое, но помнить, что чем больше емкость , тем дольше она разряжается.





Мы рассмотрели процесс разряда.
Самостоятельно рассмотреть процесс заряда и выбрать параметры и .

Добавка в компаратор.


В данной схеме сравниваются два напряжения, но подаются они на один вход.

.
Полученное устройство сравнивает и с весовыми коэффициентами, которые определяются номиналами резисторов и .

Схемы генераторов на и контурах не обладают высокой стабильностью. Высокой стабильностью обладают кварцевые генераторы.

Создание высокостабильных генераторов.
Кварц – двуокись кремния. Используются монокристаллы.


Кварцевая пластина обладает пьезоэлектрическими свойствами:
При механических воздействиях на гранях пластины возникает разность потенциалов. И наоборот: если на пластину воздействовать электрическим полем, произойдет механическая деформация.
То есть, существует такая частота, при которой подаваемое напряжение попадает в резонанс с механическими колебаниями пластины. Резонансные частоты зависят от геометрии пластины резонансная частота очень стабильна.
Включая такой резонатор в электрический контур, соблюдая условие баланса амплитуд, мы получим генератор, который будет работать на резонансной частоте кварцевой пластины.


Эквивалентная схема замещения:

статическая емкость. На частотах, далеких от частоты резонанса кварцевой пластины, кремний ведет себя как обычный конденсатор с емкостью .
динамические параметры, оказывающие влияние только при частотах, близких к частоте резонанса.
емкостной коэффициент.

Параметры кварцевых генераторов:
1. Основной параметр номинальная частота , . К примеру, .
2. Из-за того, что пластина неидеальна, будет наблюдаться расхождение: .




Величина разброса (постоянная ошибка):

3. Температурная стабильность.
4. Емкость нагрузки.
5. Диапазон допустимых температур эксплуатации .
6. Долговременная стабильность – характеризуется постепенным старением кристалла.
написать администратору сайта