Работа № 8. Исследование релаксационных генераторов на цировых интегральных микросхемах типа и-не
Цель работы – изучение принципа работы, методов расчета и особенностей настройки мультивибратора. Продолжительность работы — 2 часа.
Теоретическая часть
Принципиальные схемы мультивибраторов, выполненных в виде гибридных микросхем, отличаются от мультивибраторов на дискретных транзисторах наличием элементов, улучшающих свойства мультивибраторов. Такие элементы выполняются в едином технологическом цикле со схемой и не влияют на стоимость или габариты микросхемы.
В интегральных мультивибраторах К218ГФ1 и К218Ф2 серии 218 для улучшения формы прямоугольного импульса используются диоды, блокирующие коллекторные потенциалы запирающихся транзисторов, чтобы предотвратить пробой перехода эмиттер–база транзисторов, в базовые цепи включены ограничивающие диоды.
В автоколебательных мультивибраторах, например К218ГФ1 серии 219, для обеспечения мягкого режима самовозбуждения используется нелинейная обратная связь, не допускающая перехода открывающегося транзистора в режиме насыщения.
Мультивибраторы на основе логических ИМС обычно применяют в цифровой аппаратуре, т.к. при этом наиболее полно обеспечивается унификация элементной базы. Кроме того, не требуется согласование по уровням сигналов релаксационных генераторов и других устройств аппаратуры.
Схема мультивибратора на ИМС типа И-НЕ представлена на рис.1а.
Логические схемы ИМС3 и ИМС4 имеют вспомогательное назначение и служат для создания режима мягкого самовозбуждения колебаний в схеме.
При включении питания и возможном появлении на обоих выходах микросхем ИМС1 и ИМС2 сигналов логической единицы сработают ИМС3 и ИМС4. На вход ИМС2 поступает напряжение высокого уровня, которое вызывает переключение ИМС2 в состояние логического 0 на выходе и приводит к возникновению режима автоколебаний.
В момент времени t1 (рис.1б) напряжение Uвх2 достигает порогового значения Uпор.сх., при котором происходит переключение микросхемы ИМС2.
Напряжение Uвых2 изменяется от уровня Uoвых (логический 0) до уровня U'вых (логическая 1). Так как конденсатор С1 представляет собой в момент времени t1 цепь, замкнутую накоротко (напряжение на конденсаторе скачком измениться не может), то Uвх1(t1) = U'вых и, следовательно, Uвых1(t1) = U0вых.
Скачок напряжения Uвых1 от значения U1 вых до U0 вых через конденсатор С2 передается на вход микросхемы ИМС2 и создает нежелательный отрицательный выброс напряжения. Чтобы исключить отрицательные выбросы на входах ИМС1 и ИМС2, резисторы R1 и R2 шунтируют диодами D1 и D2.
После момента времени t1 конденсатор С1 начинает заряжаться с постоянной времени
зар1 = R1C1 ,
а напряжение Uвх1 стремится к нулю с той же постоянной времени. По достижении напряжения Uвх1 порогового значения Uпор.сх, при котором переключается микросхема ИМС1, напряжение Uвых1 скачком изменяется до значения логической 1, т.е. Uвых1(t2) = Uвых1, что приводит к изменению напряжения Uвх2(t2) = Uвых1, а, следовательно,
Uвых2(t2) = U о вых .
Таким образом, мультивибратор переходит в следующее квазиустойчивое состояние, за время которого происходит заряд конденсатора С2 и изменение напряжения Uвх2 с постоянной времени
зар2 = R2C2.
При Uвх2(t3) = Uпор.сх мультивибратор переходит в новое квазиустойчивое состояние, во время которого заряжается конденсатор С1 , то есть цикл повторяется.
Длительность импульса выходного напряжения Uвых2
.
Длительность паузы между соседними выходными импульсами напряжения:
,
где
UR1
, UR2
— падение напряжения на резисторах R1,
R2
от протекания входного тока
микросхемы при низком уровне входного
напряжения;
,
;
— выходное
сопротивление микросхемы при высоком
уровне выходного напряжения. Обычно
выбирают R1
= R2
= R.
При выполнении неравенства R
>>
будем иметь
,
.
Описание макета
Макет, схема которого показана на рис.2, позволяет исследовать схему мультивибратора, выявить влияние величин резисторов и конденсаторов на частоту и скважность генерируемых прямоугольных импульсов, снять временные диаграммы работы мультивибратора, экспериментально определить длительности формируемых импульсов и сравнить их с расчетными величинами.
Резисторы и конденсаторы имеют следующие номиналы:
R1 = R3 = 3.9 кОм; R2 = R4 = 0.5·3.9 кОм;
С1 = С2 = 0.047 мкФ; С3 = 3300 пФ;
С4 = С5 = 2·0.047 мкФ; С6 = 2·3300 пФ;
VD1,
VD2
— KD510A; ИМС — К155ЛА3.
Рис.2. Схема макета лабораторной работы (мультивибраторы на логических микросхемах).
Задание
Исследовать схему мультивибратора при скважности генерируемых импульсов Q = 2. Зарисовать осциллограммы изменения сигналов в точках КТ1, КТ2, КТ3, КТ4.
Определить экспериментально длительность выходных импульсов. Сравнить полученное значение tu c расчетным. Оценить расхождение расчетных величин и измеренных.
Исследовать возможности схемы для изменения частоты генерируемых импульсов при сохранении скважности Q = 2. Зарисовать осциллограммы изменения сигналов и определить экспериментально длительность выходных импульсов.
Исследовать возможности схемы для изменения скважности генерируемых импульсов (Q = 2). При максимальной скважности (Q = ?) зарисовать осциллограммы изменения сигналов и определить экспериментально tu, tn, Q и f.
Исследовать влияние нагрузочных конденсаторов С3, С6 на параметры генерируемых импульсов.
Контрольные вопросы
Объясните работу мультивибратора на логических элементах типа И-НЕ.
Какое назначение ИМС3 и ИМС4 в схеме?
Что такое квазиустойчивые состояния мультивибратора и чем они обеспечиваются в схеме?
Когда наступает переход схемы из одного квазиустойчивого состояния в другое: в конце заряда или разряда конденсаторов?
Какие соотношения должны быть между времязадающими элементами схемы, чтобы обеспечить Q = 2 и Q > 2?
Чем обусловлено ограничение на Qmax?
Как изменить частоту генерируемых импульсов?
Литература
1. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника и микропроцессорная техника. — М.: Высшая школа, 2004.
2. Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника. — М.: Горячая Линия–Телеком, 2000. — С. 673-677.
3. Электротехника и электроника. Книга 3. Электрические измерения и основы электроники. / Под ред. В.Г.Герасимова. — М.: Энергоатомиздат, 1998.