Мультивибратор
Симметричный мультивибратор
Если разобраться, вся электроника состоит из большого числа отдельных кирпичиков. Это транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы, индуктивные элементы. А уже из этих кирпичиков можно сложить всё, что угодно.
От безобидной детской игрушки издающей, например, звук «мяу», до системы наведения баллистической ракеты с разделяющейся головной частью на восемь мегатонных зарядов.
Одной из очень известных и часто применяющихся в электронике схем, является симметричный мультивибратор, который представляет собой электронное устройство вырабатывающее (генерирующее) колебания по форме, приближающиеся к прямоугольной.
Мультивибратор собирается на двух транзисторах или логических схемах с дополнительными элементами. По сути это двухкаскадный усилитель с цепью положительной обратной связи (ПОС). Это значит, что выход второго каскада соединён через конденсатор со входом первого каскада. В результате усилитель за счёт положительной обратной связи превращается в генератор.
Для того чтобы мультивибратор начал генерировать импульсы достаточно подключить напряжение питания. Мультивибраторы могут быть симметричными и несимметричными.
На рисунке представлена схема симметричного мультивибратора.
В симметричном мультивибраторе номиналы элементов каждого из двух плеч абсолютно одинаковы: R1=R4, R2=R3, C1=C2. Если посмотреть на осциллограмму выходного сигнала симметричного мультивибратора, то легко заметить, что прямоугольные импульсы и паузы между ними одинаковы по времени. t импульса (tи) = t паузы (tп). Резисторы в коллекторных цепях транзисторов не влияют на параметры импульсов, и их номинал подбирается в зависимости от типа применяемого транзистора.
Частота следования импульсов такого мультивибратора легко высчитывается по несложной формуле:
,где f — частота в герцах (Гц), С — ёмкость в микрофарадах (мкФ) и R — сопротивление в килоомах (кОм). Например: С = 0,02 мкФ, R = 39 кОм. Подставляем в формулу, выполняем действия и получаем частоту в звуковом диапазоне приблизительно равную 1000 Гц, а точнее 897,4 Гц.
Сам по себе такой мультивибратор неинтересен, так как он выдаёт один немодулированный «писк», но если элементами подобрать частоту 440 Гц, а это нота Ля первой октавы, то мы получим миниатюрный камертон, с помощью которого можно, например, настроить гитару в походе. Единственно, что нужно сделать, это добавить каскад усилителя на одном транзисторе и миниатюрный динамик.
Основными характеристиками импульсного сигнала принято считать следующие параметры:
Частота. Единица измерения (Гц) Герц. 1 Гц – одно колебание в секунду. Частоты, воспринимаемые человеческим ухом, находятся в диапазоне 20 Гц – 20 кГц.
Длительность импульса. Измеряется в долях секунды: мили, микро, нано, пико и так далее.
Амплитуда. В рассматриваемом мультивибраторе регулировка амплитуды не предусмотрена. В профессиональных приборах используется и ступенчатая и плавная регулировка амплитуды.
Скважность. Отношение периода (Т) к длительности импульса (t). Если длина импульса равна 0,5 периода, то скважность равна двум.
Исходя из вышеприведенной формулы, легко рассчитать мультивибратор практически на любую частоту за исключением высоких и сверхвысоких частот. Там действуют несколько другие физические принципы.
Для того чтобы мультивибратор выдавал несколько дискретных частот достаточно поставить двухсекционный переключатель и пять шесть конденсаторов разной ёмкости, естественно одинаковые в каждом плече и с помощью переключателя выбирать необходимую частоту. Резисторы R2, R3 так же влияют на частоту и скважность и их можно сделать переменными. Вот ещё одна схема мультивибратора с подстройкой частоты переключения.
Уменьшение сопротивления резисторов R2 и R4 меньше определённой величины зависящей от типа применяемых транзисторов может вызвать срыв генерации и мультивибратор работать не будет, поэтому последовательно с резисторами R2 и R4 можно подключить переменный резистор R3, которым можно подобрат частоту переключений мультивибратора.
Практическое применение симметричного мультивибратора очень обширно. Импульсная вычислительная техника, радиоизмерительная аппаратура при производстве бытовой техники. Очень много уникальной медицинской техники построено на схемах, в основе которых лежит тот самый мультивибратор.
Благодаря исключительной простоте и невысокой стоимости мультивибратор нашёл широкое применение в детских игрушках. Вот пример обычной мигалки на светодиодах.
При указанных на схеме величинах электролитических конденсаторов С1, С2 и резисторов R2, R3 частота импульсов будет 2,5 Гц, а значит, светодиоды будут вспыхивать примерно два раза в секунду. Можно использовать схему, предложенную выше и включить переменный резистор совместно с резисторами R2, R3. Благодаря этому можно будет посмотреть, как будет изменяться частота вспышек светодиодов при изменении сопротивления переменного резистора. Можно поставить конденсаторы разных номиналов и наблюдать за результатом.
Будучи ещё школьником, я собирал на мультивибраторе переключатель ёлочных гирлянд. Всё получилось, но вот когда подключил гирлянды, то мой приборчик стал переключать их с очень высокой частотой. Из-за этого в соседней комнате телевизор стал показывать с дикими помехами, а электромагнитное реле в схеме трещало, как из пулемёта. Было и радостно (работает же!) и немного страшновато. Родители переполошились ненашутку.
Такая досадная промашка со слишком частым переключением не давала мне покоя. И схему проверял, и конденсаторы по номиналу были те, что надо. Не учёл я лишь одного.
Электролитические конденсаторы были очень старые и высохли. Ёмкость их была небольшая и совсем не соответствовала той, что была указана на их корпусе. Из-за низкой ёмкости мультивибратор и работал на более высокой частоте и слишком часто переключал гирлянды.
Приборов, которыми можно было бы измерить ёмкость конденсаторов в то время у меня не было. Да и тестером пользовался стрелочным, а не современным цифровым мультиметром.
Поэтому, если ваш мультивибратор выдаёт завышенную частоту, то первым делом проверяйте электролитические конденсаторы. Благо, сейчас можно за небольшие деньги купить универсальный тестер радиокомпонентов, которым можно измерить ёмкость конденсатора.
Источник
Мультивибраторы и триггеры.
Лекция №30.Импульсные устройства
Цель: получить основные сведения об импульсных устройствах.
Образовательные результаты по ФГОС:
Знать:сущность физических процессов, протекающих в электронных приборах и устройствах; принципы включения электронных приборов и построения электронных схем;
типовые узлы и устройства электронной техники.
Уметь:определять и анализировать основные параметры электронных схем и устанавливать по ним работоспособность устройств электронной техники; производить подбор элементов электронной аппаратуры по заданным параметрам.
Задание:составить конспект лекции, выделить главное, ответить на контрольные вопросы.
Тема: 1.Основные сведения об электронных генераторах прямоугольного и пилообразного
2.Простейшие схемы электронных генераторов прямоугольного и пилообразного
3. Мультивибраторы и триггеры.
Основные сведения об электронных генераторах прямоугольного и пилообразного напряжения.
Напряжением пилообразной формы называется такое напряжение, которое в течении некоторого времени изменяется по линейному закону (возрастает или убывает), а затем возвращается к исходному уровню. Различают:
Генератор пилообразных импульсов — устройство, формирующее последовательность пилообразных импульсов. Предназначены для получения напряжения и тока, изменяющегося во времени по линейному закону.
Классификация генераторов пилообразных импульсов:
По элементной базе:
* на интегральных микросхемах (в частности, на ОУ);
· генераторы пилообразного напряжения (ГПН) (другое название — генераторы линейно изменяющегося напряжения — ГЛИН);
· генераторы пилообразного тока (ГПТ) (другое название — генераторы линейно изменяющегося тока — ГЛИТ);
По способу включения коммутирующего элемента:
По способу повышения линейности формируемого напряжения:
· с токостабилизирующим элементом;
В основе построения генераторов пилообразных импульсов лежит электронный ключ, коммутирующий конденсатор с заряда на разряд и принцип получения возрастающего или падающего напряжения объясняется процессом заряда и разряда конденсатора (интегрирующего цепь). Но, т.к. поступление импульсов на интегрирующую цепь необходимо коммутировать, используется транзисторный ключ.
Простейшие схемы электронных генераторов прямоугольного и пилообразного
Напряжения.
Схематично генератор пилообразных импульсов представлен рисунках 1-4.
При размыкании электронного ключа (рисунок 1) конденсатор медленно, через сопротивление R заряжается до величины Е, формируя при этом пилообразный импульс. При замыкании электронного ключа конденсатор быстро разряжается через него. Выходной импульс имеет форму, представленную на рисунке 2.
Рисунок 1-Параллельная схема ключа Рисунок 2-Форма выходного импульса
При смене полярности источника питания Е форма выходного сигнала будет симметрична относительно оси времени.
При замыкании электронного ключа (рисунок 3) конденсатор быстро заряжается до величины источника питания Е, а при размыкании — разряжается через сопротивление R, формируя при этом линейно падающее напряжение пилообразной формы, которое имеет вид на рисунке 4.
Рисунок 3-Последовательная схема ключа Рисунок 4-Форма выходного импульса
При смене полярности источника питания, форма выходного напряжения Uвых (t) изменится на линейно возрастающее напряжение.
Таким образом, видно (можно отметить как один из главных недостатков), что чем больше амплитуда напряжения на конденсаторе, тем больше нелинейность импульса. Т.е. необходимо формировать выходной импульс на начальном участке экспоненциальной кривой заряда или разряда конденсатора.
Простейшие схемы генераторов пилообразного напряжения (ГПН) представлены на рисунках 5-8,которые состоят из транзисторного ключа и конденсатора.
Рассмотрим одновременно последовательную и параллельную схемы генераторов пилообразного напряжения и сравним их работу.
На временных диаграммах:
* tпр.х.и. — время прямого хода импульса;
* tоб.х.и. — время обратного хода импульса.
Т.к. конденсатор заряжается экспоненциально, то кривая напряжения нелинейная. Для линейности процесс должно выполняться условие tпр t информационные выходы.
Работу RS-триггера иллюстрируют таблица истинности на рисунке 11б, где указаны значения сигналов на управляющих входах R и S в некоторый момент времени t и соответствующие м значения на выходе Q в момент времени t + 1 после окончания переходного процесса и временная диаграмма (рисунок 11в). Состояние триггера сохраняется (Q = Q t ) при совокупности сигналов на входах R =О и S =О и не определено при R = 1 и S = 1. Последнее состояние запрещено. RS-триггер с инверсными значениями сигналов на входах R и S реализуется на основе логических элементов
И — НЕ. Его схема, таблица истинности и временная диаграмма приведены на рисунке 11 а-в. Состояние триггера сохраняется при значениях сигналов на его входах R = 1 и S = 1 и не определено при R = О и S =1. Последнее состояние запрещено.Условные обозначения RS триггеров с прямым и инверсным входами приведены на рисyнке 12а и б. Кратковременным замыканием ключа К 1 или К 2 устанавливаются устойчивые состояния триггеров Q = 1 или Q =О.
Рисунок 12- Условные обозначения RS триггеров с прямым и инверсным входами
D-mpurrep имеет прямые (рисунок 13а) или инверсные (рисунок 13б) установочные входы R и S, один управляющий вход D и вход синхронизации С. Входы R и S называются установочными потому, что служат для предварительной установки D-триггера в состояние Q = 1 или Q =О, аналогично представленному на рисунке 12. Сигнал на управляющем входе D = 1 или D = О устанавливает триггер в устойчивое состояние с одноим нным начением напрямом информационном выходе Q = 1 или Q =О только при одновременном действии импульса положительной полярности на входе синхронизации. Обычно переключение триггера происходит в течение времени действия переднего фронта импульса синхронизации (рисунок 13в).
Рисунок 13- Схема и временная диаграмма D-триггеров
JК-триггер имеет ряд преимуществ по сравнению с RS- и D-триггерами. Его условные обозначения с прямыми или инверсными установочными входами R и S приведены на рисунке 14а и б, где обозначено: J и К — управющие входы, С — вход синхронизации. Рассмотрим правила работы JКтриггера, положив, что его исходное· состояние установлено.
Рисунок 14- Схема Jк-триггера Рисунок 15-Временные диаграммы Jк-триггера
1. Если J = 1 и К = О, то в течение времени действия передне· го фронта импульса синхронизации положительной полярности триггер установится в состояние Q = 1 (рисунок 15а).
2. Если J = О и К = 1, то в течение времени действия переднего фронта импульса синхронизации положительной полярности триггер установится в состояние Q =О (рисунок 156). 3. Если J = 1 и К = 1, то независимо от своего исходного состояния Q триггер будет переключаться в течение времени действия переднего фронта импульса синхронизации положительной полярности. При этом частота изменения напряжения на выходе триггера будет в два раза меньше частоты импульсов синхронизации (рисунок 15в).
4. Если J = О и К = О, то исходное состояние Q триггера под действием импульса синхронизации не изменится.
На практике часто встречаются двухступенчатые JK -триггеры (условное обозначение ТТ) с прямыми или инверсными установочными входами R и S (рисунок 16 а и б). Правила их работы отличаются от описанных выше тем, что изменение состояния триггера происходит не в течение времени действия переднего фронта пульса синхронизации, а в течение времени действия его заднего фронта.
Рисунок 16- Двухступенчатые JK –триггеры
На основе логических элементов и импульсных устройств строятся цифровые логические автоматы.
1.Изобразите временную диаграмму напряжения на выходе симметричного и несимметричного мультивибратора.
2. В чем различие между асинхронными и синхронными триггерами?
3.Немцов М.В. Н507 Электротехника и электроника: учебник для студ. образоват. учреждений сред. проф. образования/ М. В. Немцов, М.Л. Немцова. — 6-е изд., стер. — М.: Издательский центр «Академия», 2013. — 480 с. ISBN 978-5-4468-0432-0.
Источник
