4.2. Мультивибраторы

Мультивибраторы – это генераторы сигналов, форма которых близка к прямоугольной, т.е. таких импульсов, у которых длительность переходных процессов во много раз меньше периода колебаний Т. Импульсы вырабатываются непрерывно, обычно на время действия сигнала разрешения.

Элементной базой для мультивибратора могут быть любые активные элементы, охваченные ПОС так, что условия баланса амплитуд и фаз выполняются в широкой полосе частот от частоты ω=1/Т до частоты ω_i>ω. Благодаря этому активный элемент мультивибратора переходит от одного предельного состояния к другому скачком. Параметры генерируемых мультивибратором импульсов зависят как от свойств активных элементов, так и от параметров ОС.

1. Рассмотрим несколько примеров мультивибраторов на ИМС малой сложности, в частности на пороговых ИС (триггерах Шмитта). Охват триггера Шмитта обратной связью (рис. 20,а) приводит к генерации с Т≈t_зг, в частности, для К155ТЛ2 f=35 МГц, при этом скважность γ≠2. Для регулирования частоты могут применяться постоянные (рис. 20, б) или подстроечные пассивные элементы (рис. 20, в).

а

б

в

Рис. 20

2 . Мультивибраторы на логических микросхемах известны студентам из курса электроники. Схемных решений таких мультивибраторов множество (см., например, / 9, 10/), основой их являются усилительные свойства логических микросхем, у которых коэффициент передачи на участке переключения К≈20. Рассмотрев работу каждого генератора и определив цепи заряда и разряда емкости, можно регулировать скважность, включая в эти цепи, например, диоды.

Для стабилизации частоты генерации в цепь ОС нередко включают кварцевые резонаторы, которые на схемах обозначаются как ВQ или ZQ (рис. 21). Эквивалентная схема кварцевого резонатора КР и его частотная характеристика приведены на рис. 22.

Рис. 22

Индуктивность L в эквивалентной схеме отражает инерционные свойства резонатора, емкость С – его механическую упругость, R – потери энергии при колебаниях. Емкость С₀, называемая статической, представляет собой емкость конденсатора, образованного обкладками пьезоэлемента. Из эквивалентной схемы и частотной характеристики видно, что для пьезоэлемента возможны два резонанса – резонанс напряжений в RLС-цепи (последовательный резонанс с ) и резонанс токов между этой цепью и конденсатором С₀ (параллельный резонанс или антирезонанс с ). Вблизи резонансов КР ведет себя как колебательный контур, когда при переходе через частоту резонанса резко изменяются значение сопротивления цепи и его характер.

Физически явления резонанса имеют механический характер, а связь этих процессов и электрических сигналов возникает благодаря пьезоэлектрическому эффекту. Состояние генерации для приведенной выше схемы возможно только на частоте f_Р, когда сопротивление КР становится минимальным и обеспечивает эффективную ПОС без сдвига по фазе. В таком случае при анализе КР можно заменить резистором с сопротивлением R_Z = R.

3. Генераторам прямоугольных импульсов на транзисторно-транзисторной логике присущи следующие недостатки:

• малое сопротивление хронирующих резисторов и, как следствие, большая емкость времязадающих конденсаторов,

• ограниченный диапазон плавного регулирования частоты,

• низкая стабильность частоты при изменении напряжения питания и температуры.

Все это обусловлено большим пороговым напряжением микросхем ТТЛ, их значительным температурным дрейфом и большим входным током переключения. Если эти недостатки существенны, то для их устранения вместо первого логического элемента ставят транзистор в режиме ключа. Такой ключ имеет малый входной ток и малое пороговое напряжение. Примеры генераторов с транзисторным каскадом приведены на рис. 23 а, б. Для построения таких генераторов удобно использовать микросхемы, включающие два транзистора высокой частоты и два логических элемента. Это 155ЛП7, 1102АП5 (I_вых=300 мА, U_вых=15 В, соответственно t_зр=21 нс и t_зр=15 нс), а

а

б в

также 1102АП10 (U_вых=30 В, t_зр =33 нс), УГО которых приведено на рис. 23, в.

Рис. 23

Для плавной перестройки в цепи обратной связи вместо резистора может быть использован полевой транзистор с подачей управляющего напряжения на затвор. Полевой транзистор может стоять и на входе генератора.

Следует отметить, что во многих случаях рационально строить мультивибраторы на МОП-логике, имеющей значительно меньший ток переключения, чем ТТЛ.

4. Встречаются генераторы и на триггерных схемах (например, 564ТМ2 в режиме RS-триггера.

5. Мультивибраторы на одновибраторах АГ1 и АГ3, охваченных ОС, приведены на рис. 24 (можно было соединить и S2). Свободные входы S и R могут быть использованы для включения и срыва генерации. Схема на АГ3 дает короткие импульсы. Если нужно получить скважность γ = 2, можно использовать обе половины микросхемы, создав между ними перекрестные связи – изобразите самостоятельно, с учетом состояния незадействованных входов (см. рис. 17).

Рис. 24

В

Рис. 25

составе ТТЛ-серий существуют законченные интегральные схемы мультивибраторов, например, двухканальные мультивибраторы К531ГГ1, К555ГГ2 (рис. 25) с частотой, управляемой входным напряжением. На рис. 25 входы СХ предназначены для подключения навесного конденсатора, FC – для подачи регулирующего напряжения, EG# – для подачи сигнала разрешения (добавьте к схеме потенциометр и конденсатор).

ЗАДАНИЕ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ

1. Продумайте, на какой микросхеме можно наиболее рационально собрать схему начального сброса с внешним входом.

2. Проанализируйте, как повлияет на сдвиг фронта и среза RC-схем задержки параллельное и последовательное включение диода.

3. Проанализируйте, какой вид сигнала и в какой момент вы получите, применив в составе детекторов фронтов и срезов следующие типы логических элементов: И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ, исключающее ИЛИ.

4. Скомпонуйте формирователь короткого сигнала на микросхеме К155ЛА3 без пассивных элементов задержки, оцените длительность выходного сигнала, предложите разводку проводников связи (в рабочей тетради).

5. Поясните действие известных вам детекторов событий, оцените длительность выходных импульсов и их сдвиг относительно детектируемых событий.