Исследование мультивибраторов на ОУ

Цель работы:

Изучение принципов работы, методов расчета и особенностей настройки автоколебательных и ждущих мультивибраторов, приобретение навыков реализации их на ОУ.

11.1. Теоретические сведения.

11.1.1. Автоколебательные генераторы.

Автоколебательные генераторы прямоугольных импульсов (ГПИ)

или мультивибраторы (МВ) - это устройства, способные поочередно

находиться в двух временно устойчивых (квазиустойчивых) состояниях, в каждое из которых они переходят автоматически за счет переходных процессов, протекающих в схеме. МВ могут выполняться на дискретных элементах, логических интегральных схемах и ОУ.

Типовая схема МВ на ОУ показана на рис. 11.1.

Рис. 11.1.

При подаче питающего напряжения в момент времени t0 (рис. 11.2.) инвертирующий вход ОУ по переменному току заземлен конденсатором С, а на неинвертирующий вход по цепи ОС поступает небольшое напряжение (положительное или отрицательное), так как на выходе ОУ всегда присутствует напряжение сдвига. Разница напряжений между входами переводит ОУ в режим насыщения, когда например, Uвых = -Uнас. Конденсатор С начинает заряжаться с постоянной времени t = RC, и напряжение на нем изменяется, стремясь к значению +Uнас. При Uс = +Uнас*R1/(R1 +R2) выходное напряжение скачком изменяется, достигая своего отрицательного предела -Uнас. Конденсатор С перезаряжается, а напряжение на нем стремится к значению -Uнас. Когда напряжения на входах ОУ сравняются происходит скачок выходного напряжения к положительному пределу +Uнас.

Рис. 11.2.

Длительности квазиустойчивых состояний tи1 и tи2 определяют из формулы:

tи1 = tи2 = R*C*ln(1 + 2*R2/R1).

Для измерения частоты и скважности выходных импульсов можно подать на резистор R1 (отключив его от общего провода) напряжение смещения Uсм и установить вместо резистора переменный резистор.

Расчет элементов и параметров производится из выражения:

R2 = (5 - 10)*Rн доп; T = tи1 + tи2.

11.1.2. Ждущие мультивибраторы.

Ждущие мультивибраторы (ЖМ), называемые также одновибраторами (ОВ) - это устройства, способные поочередно находиться в одном длительно устойчивом или в другом - кратковременном (квазиустойчивом) состоянии. Для перевода из длительно устойчивого состояния в кратковременно устойчивое на вход схемы подается внешний запускающий импульс, после которого она формирует одно переключение, а затем самостоятельно возвращается в исходное состояние. Одновибраторы широко используются в устройствах автоматики и систем управления в самых различных модификациях. Они могут выполняться на дискретных элементах, логических микросхемах или ОУ.

Схема одновибратора на ОУ представлена на рис. 11.3.

Рис. 11.3.

В одновибраторе на ОУ, в приведенной выше схеме, конденсатор С времязадающей цепи подключен к инвертирующему входу ОУ. Эта схема отличается от схемы автоколебательного МВ наличием диода V1, подключенного к инвертирующему входу ОУ, что позволяет при Uвых = - Uнас, зафиксировать потенциал на конденсаторе С времязадающей цепи на нулевом уровне.

В исходном устойчивом состоянии ОУ находится в насыщении

Uвых = -Uнас и конденсатор шунтируется открытым диодом V1 и разряжен. Напряжение на неинвертирующем входе ОУ

U+вх = a*Uнас,

где a = R2/(R1+R2) – коэффициент передачи делителя R1, R2.

Для перевода схемы в квазиустойчивое состояние достаточно

через конденсатор С1 дифференцирующей цепи подать на неинвертирующий вход ОУ короткий положительный импульс с амплитудой Uвх > a*Uнас. Возникающий в результате запуска регенеративный процесс завершается переключением ОУ в состояние насыщения с высоким выходным уровнем напряжения Uвых = +Uнас. При этом на неинвертирующем входе ОУ устанавливается новое значение напряжения U+вх = a*Uнас. Диод VI закрывается и начинается заряд конденсатора С через резистор R к напряжению близкому +Uнас. Такое состояние схемы сохраняется до момента, когда напряжение на конденсаторе Uс достигнет значения a*Uнас. Тогда ОУ переходит в режим усиления, восстанавливается действие положительной ОС, происходит восстановление состояния схемы и напряжение на выходе принимает исходное значение Uвых = -Uнас. Конденсатор перезаряжается через резистор R от напряжения Uнac к напряжению -Uнас. Однако при Uc = 0 диод VI открывается и напряжение фиксируется на нулевом уровне.

Длительность формируемого импульса

tи = R*С*ln(1/(1 - a))

а длительность восстановления

tв = R*С*ln(1 + a).

Длительность импульса регулируется изменением коэффициента a или параметров времязадающей цепи.

11.2. Подготовка к работе.

11.2.1. Изучить принцип работы мультивибраторов и одновибраторов и особенности их схемной реализации.

11.2.2. Для схемы МБ (рис. 11.4. Приложение 1) по заданным преподавателем параметрам схемы и заданной частоте выходного сигнала произвести расчет резистора R48.

11.2.3. Для схемы ОБ (рис. 11.5. Приложение 1) по заданным преподавателем параметрам схемы и длительности выходного сигнала произвести расчет резистора R48.

11.2.4. Нарисовать исследуемые схемы генераторов.

11.2.5. Ознакомиться с порядком сборки схем на стенде.

11.3. План работы.

11.3.1. Соберите схему МБ, представленную на рис. 11.4. Приложение 1.

11.3.2. Установить рассчитанное значение резистора R48 и подать на генератор напряжение питания. Снять и зарисовать осциллограмму выходного напряжения и замерить частоту выходного сигнала с помощью частотомера (или по осциллографу).

11.3.3. Изменяя величину резистора R48 оценить влияние его

на форму выходного сигнала и возможность возникновения незатухающих колебаний. Зарисовать полученные осциллограммы. Определить значение R48, при котором происходит срыв колебаний.

11.3.4. Собрать схему одновибратора на ОУ, представленную

на рис. 11.5. Приложение 1.

11.3.5. Установить рассчитанное значение резистора R48, подать на схему ОВ напряжение питания и прямоугольные импульсы частотой 1 кГц от генератора ГС2. Снять и зарисовать осциллограмму выходного напряжения. Замерить параметры выходного сигнала с помощью осциллографа.

11.3.6. Изменяя величину резистора R48 оценить его влияние

на форму и параметры выходного сигнала. Зарисовать полученные осциллограммы.

11.3.7. Сравнить результаты практического исследования данных схем с теоретическими расчетами и сделать выводы.

11.4. Контрольные вопросы.

11.4.1. Объяснить физические принципы изменения частоты и

скважности генерируемых импульсов в рассмотренных схемах МВ.

11.4.2. Как изменить скважность импульсов в схеме МВ на ОУ?

11.4.3. Какова роль источника смещения, подключаемого к одному из выводов резистора цепи ОС.

11.4.4. Какие способы изменения длительности выходных им-

пульсов можно применять в схемах ОВ.

11.4.5. С помощью каких изменений схемы ОВ можно поменять на обратную полярность формируемого на ее выходе импульса?

11.4.6. Изменится ли при этом длительность tи, если

12. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА N 12

Дата добавления: 2015-03-29