Генераторы прямоугольных импульсов

В электронной технике широко применяются устройства, форма выходного напряжения которых резко отличается от синусоидальной. Такие колебания называют релаксационными, мультивибратор представляет собой разновидность одного из релаксационных генераторов. Мультивибратор (от латинских слов multim – много и vibro – колебание) – релаксационный генератор импульсов прямоугольной формы, выполненный в виде усилительного устройства с цепью положительной обратной связи (ПОС).

Генераторы импульсных сигналов могут работать в одном из трех режимов: автоколебательном, ждущем или синхронизации.

В автоколебательном режиме генераторы непрерывно формируют импульсные сигналы без внешнего воздействия. В ждущем режиме генераторы формируют импульсный сигнал по приходу внешнего (запускающего) импульса. В режиме синхронизации генераторы вырабатывают импульсы напряжения, частота которых равна или кратна частоте синхронизирующего сигнала.

Сущность работы мультивибратора – переключение энергии конденсатора C с заряда на разряд, от источника питания к резистору R. Это переключение осуществляется с помощью электронных ключей.

Мультивибратор можно построить на базе биполярных и полевых транзисторов, операционных усилителей, таймеров, выполненных в виде интегральных микросхем, потенциальных логических элементов или специализированных интегральных микросхем. Последний вариант получает все большее распространение.

Генераторы импульсов на операционных усилителях. На рис. 16.7 показан классический релаксационный RС-генератор. Работает он таким образом: допустим, что когда впервые прикладывается напряжение, выходной сигнал ОУ выходит на положительное насыщение (каким образом это произойдет – неважно). Конденсатор начинает заряжаться до напряжения U_{ВХ ВЫКЛ} спостоянной времени, равной τ = RC.Когда напряжение конденсатора достигнет напряжения U_{ВХ ВЫКЛ} R₁ / (R₁+R₂), ОУ переключается в состояние отрицательного насыщения (он включен как триггер Шмитта) и конденсатор начинает разряжаться до U_{ВХ ВКЛ}R₁/(R₁+R₂), с той же самой постоянной времени. Цикл повторяется с не зависящим от напряжения питания периодом (рис. 16.8):

T = . (16.7)

В случае использования вместо резистора R двух разных резисторов и диодов можно построить несимметричный мультивибратор (рис.16.9), у которого длительности положительного и отрицательного импульсов не совпадают.

Разная длительность положительного и отрицательного импульсов обеспечивается различными постоянными времени перезаряда емкостей τ₁ и τ₂:

τ₁ = R₃ C; и τ₂ =R₄ C. (16.8)

Рис. 16.7. Генератор прямоугольных импульсов на ОУ

Рис.16.8. Временные диаграммы работы генератора

Функциональные генераторы, которые одновременно вырабатывают колебания различных видов: прямоугольные, треугольные, синусоидальные, можно реализовать на ОУ. Генерация переменного напряжения треугольной формы осуществляется по простой схеме с помощью интегратора и триггера Шмитта. В свою очередь, используя простой блок формирования синусоидальной функции (например, фильтр нижних частот) из треугольного напряжения можно получить синусоидальное. Структурная схема такого генератора изображена на рисунок 16.10.

Рис.16.9. Несимметричный мультивибратор

Рис. 16.10. Структурная схема функционального генератора

Генератор треугольного и прямоугольного напряжений состоит из последовательно включенных интегратора и триггера Шмитта. Интегратор интегрирует имеющееся на выходе триггера Шмитта постоянное напряжение. Когда выходное напряжение интегратора достигает порога срабатывания триггера Шмитта, напряжение на выходе триггера Шмитта скачком меняет свой знак. Вследствие этого, напряжение на выходе интегратора начинает изменяться в противоположную сторону, пока не достигнет другого порога срабатывания триггера Шмитта. Изменяя постоянную интегрирования, можно в широком диапазоне перестраивать частоту формируемого напряжения.

Рис. 16.11. Принципиальная схема функционального генератора

Амплитуда треугольного напряжения зависит только от установки уровня срабатывания триггера Шмитта и составляет

U_D = U_макс , (16.9)

где U_макс– граница насыщения операционного усилителя DA₁. Период колебаний равен удвоенному времени, которое необходимо интегратору, чтобы его выходное напряжение изменялось от до . Отсюда следует:

Т = 4RC . (16.10)

Таким образом, частота формируемого напряжения не зависит от уровня границы насыщения U_макс операционного усилителя.

Одновибратор – это мультивибратор в ждущем режиме. Исходя из функциональных признаков, одновибратору часто присваивают и другие названия: спусковая система, заторможенный мультивибратор, однотактный релаксатор и др. Однако независимо от названия одновибратор представляет собой устройство с положительной обратной связью, имеющее одно устойчивое и одно временно-устойчивое состояние, формирующие одиночный прямоугольный импульс.

Формирование импульса прямоугольной формы осуществляется одновибратором после поступления запускающего импульса, который переводит одновибратор из устойчивого состояния во временно устойчивое. Момент окончания временно устойчивого состояния определяется времязадающей цепочкой. Изменяя постоянную времени цепочки (плавно или скачком), можно регулировать длительность выходных импульсов в широких пределах. Поэтому одновибраторы широко применяются для формирования прямоугольных импульсов заданной длительности и амплитуды и для задержки импульсов на заданное время.

Одновибратор может быть получен из автоколебательного мультивибратора, если его принудительно запереть в одном из временно устойчивых состояний, превратив его в устойчивое (рис. 16.12).

В схему введены диод VD₂, осуществляющий ждущий режим и цепь запуска на элементах С₁, R₃, VD₁. Схема имеет одно устойчивое состояние, когда напряжение на выходе равно отрицательному напряжению насыщения ОУ U_– .

В исходном состоянии (на выходе U_–) диод VD₂ открыт, напряжение на инвертирующем входе U_И примерно равно нулю, а напряжение на неинвертирующем входе U_Н = U_– R₂ / (R₁ + R₂), U_Н – U_И < 0, U_ВЫХ = U_– .Диод VD₁, подключенный к неинвертирующему входу, заперт. В момент времени t₁ (рис. 16.13) входной сигнал открывает этот диод, на неинвертирующий вход подается положительный сигнал, (на инвертирующем входе остается нулевой сигнал), на выходе ОУ появляется положительной напряжение. После этого начинается заряд конденсатора C. Когда напряжение на нем становится больше напряжения U_Н = U₊ R₂ / (R₁ + R₂), дифференциальный сигнал U_Н – U_И становится отрицательным и ОУ возвращается в исходное устойчивое состояние. Очередной запускающий импульс можно подавать только после момента времени t₃.

Рис.16.12. Принципиальная схема одновибратора

Рис.16.13. Временные диаграммы работы одновибратора