Теоретические основы

Приборы, макеты, программы

Цель работы

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6.

ИССЛЕДОВАНИЕ МУЛЬТИВИБРАТОРА

Ознакомление с принципом работы мультивибратора на транзисторах n– p –n типа; определение основных параметров (расчет, моделирование, эксперимент).

-Компьютер ACER;

- Программа Multisim 10.

Мультивибраторы являются релаксационными генераторами, т.к. работают на принципе заряда и разряда емкостей. Они генерируют импульсные сигналы, близкие к прямоугольной форме. Мультивибраторы применяются в импульсной и вычислительной технике, устройствах автоматики, радиотехнике и др. Их используют в качестве задающих генераторов с требуемой длительностью импульсов, для получения заданных отрезков времени, деления частоты, в качестве переключающих устройств и др.

Схема мультивибратора представляет собой двухкаскадный усилитель с положительной обратной связью. По режиму работы мультивибраторы делятся на автоколебательные и ждущие. Автоколебательные мультивибраторы генерируют непрерывную по­следовательность импульсов, а ждущие мультивибраторы - одиночный импульс или ограниченную се­рию импульсов. Автоколебательные мультивибраторы могут быть симметричными и несимметричны­ми. В симметричных мультивибраторах элементы схем в обоих усилителях одинаковы, в несимметричных – различны, что приводит к появлению на коллекторах транзисторов импульсов неодинаковой длительности.

Основными параметрами автоколебательного мультивибратора являются:

- длительность генерируемых импульсов;

- амплитуда импульса;

- скважность импульсов Q = T/t_u, где Т – период колебаний; t_u – длительность импульса;

- период колебаний мультивибратора Т = t_u+ t_п, где t_п – длительность паузы;

- частота колебаний f = 1/T;

- длительность фронта импульса , длительность спада импульса .

Основными параметрами ждущего мультивибратора (одновибратора) служат:

- время восстановления исходного состояния схемы после окончания действия выходного импульса. Оно характеризует время, через которое возможен повторный запуск схемы;

- длительность выходного импульса ;

- амплитуда импульса U_m.

Ждущие мультивибраторы часто используются для получения заданных временных интервалов, начало и конец которого определяется началом и окончанием действия импульса.

Примерная форма реального импульса, генерируемого мультивибратором, показана на рис.1.

Рис.1. Форма выходного импульса мультивибратора

Импульс характеризуется следующими параметрами:

_ф – длительность фронта импульса, определяемая на уровне 0,1 и 0,9 от высоты импульса;

_и – длительность импульса, определяемая на уровне 0,5 от высоты импульса;

_с- длительность спада импульса. Определяется также как и _ф;

U_m- амплитуда импульса.

На рис.1. изменение напряжения выходного импульса на коллекторе одного из транзисторов указано в относительных единицах, где U_k – текущее напряжение импульса; U_m – максимальное значение напряжения. Это позволяет упростить определение параметров импульса, т.к. отпадает необходимость измерения текущих значений напряжения в точках 0.1 и 0.9, в которых принято измерять параметры импульса.

Рассмотрим принцип работы мультивибратора на примере симметричного автоколебательного мультивибратора. Принципиальная электрическая схема мультивибратора изображена на рис.2. Положительная обратная связь между усилительными каскадами в мультивибраторе осуществляется через конденсаторы С₁ и С₂, емкости которых, как и сопротивления баз R_б1 и R_б2, устанавливаются исходя из заданной длительности генерируемых импульсов.

Е_к

+

R_к1 R_б1 R_б2 R_к2

–

C₁ C₂

U_k1 U_k2

VT1 VT2

Рис.2. Электрическая схема автоколебательного мультивибратора

Положительная обратная связь работает следующим образом.

При появлении, например, на базе транзистора VT1 скачка положительного напряжения ток через транзистор VT1 возрастет, что приведет к появлению отрицательного скачка напряжения на коллекторе. Этот скачок напряжения через емкость конденсатора С₁ поступит на базу транзистора VT2,что приведет к уменьшению тока коллектора. В результате на коллекторе транзистора VT2 возникнет положительный скачок напряжения, который через емкость C₂ поступит на базу транзистора VT1, увеличивая возникший на базе скачок напряжения. Это приведет к росту отрицательного скачка напряжения на VT1, который еще сильнее будет запирать транзистор VT2, а импульс с транзистора VT2 открывать транзистор VT1. В результате разовьется лавинообразный процесс, который приведет к полному закрыванию транзистора VT2 и полному открыванию транзистора VT1.

Теперь рассмотрим принцип работы мультивибратора более подробно, с использованием эпюр напряжений на электродах обоих транзисторов (рис.3).

а) U_k1 Е_к

U_н1 t

t_и1

б) U_б1

U_бн1

t

в

в) U_k2 Е_к

U_н2

б t

а

t_и2

г) U_б2

U_бн2 t

в

Рис.3. Эпюры напряжений на электродах транзисторов мультивибратора

При подключении напряжения питания E_k через сопротивления резисторов R_б1 и R_б2 часть положительного напряжения E_k подается на базы транзисторов VT1 и VT2, а через сопротивления резисторов R_к1 и R_к2 на их коллекторы. Транзисторы открываются и через них начинают течь коллекторные токи I_к1 и I_к2. Конденсаторы С₁ и С₂ начнут заряжаться через коллекторные сопротивления R_к1 и R_к2 и малое сопротивление базы- эммитер транзисторов. Так как элементы усилителей (транзисторы, резисторы, конденсаторы) не могут быть абсолютно одинаковыми из-за разброса их параметров при изготовлении, коллекторные токи окажутся различными, что приведет при наличии положительной обратной связи к самовозбуждению схемы, т.е. возникновению лавинообразного процесса изменения протекающих через транзисторы токов и соответственно напряжений на их коллекторах. В результате транзистор VT1откроется и перейдет в режим насыщения, а транзистор VT2 закроется и перейдет в режим отсечки с возрастанием напряжения на коллекторе до + Е_к. Наличие емкостей С₁ и С₂ приведет к возникновению релаксационных процессов (заряда и разряда этих емкостей) и в схеме установятся автоколебания с появлением на коллекторах импульсов напряжения почти прямоугольной формы.

Пусть, например, при включении напряжения питания Е_к оказалось, что ток I_к1 больше тока I_к2. В результате напряжение на резисторе R_к1 по сравнению с напряжением на резисторе R_к2 возрастет, а напряжение на коллекторе транзистора VT1 упадет и окажется ниже, чем на коллекторе транзистора VT2. Образовавшийся отрицательный скачок напряжения (U_к1 -U_к2) через емкость конденсатора С₁, которая согласно второму закону коммутации мгновенно зарядится от этого скачка не может передаcтся на базу транзистора VT2,что приведет к уменьшению тока коллектора. Возникший на коллекторе транзистора VT2 положительный скачок напряжения через емкость С₂ поступит на базу транзистора VT1 и дополнительно приоткроет его. Это приведет к появлению на коллекторе дополнительного отрицательного скачка напряжения, который вследствие наличия положительной обратной связи сложится в фазе с первоначальным импульсом, увеличивая его амплитуду, а, следовательно, через конденсатор С₁ и амплитуду импульса на входе транзистора VT2, а значит и его выходе.Через емкость C2 этот импульс поступит на базу транзистора VT1. Ток транзистора VT1 опять возрастет, что вновь приведет к росту амплитуды отрицательного импульса на его коллекторе и т.д. Благодаря положительной обратной связи в схеме разовьется лавинообразый процесс (участок а, б на рис. 3, в), который приведет к появлению на коллекторе транзистора VT2 положительного импульса с амплитудой

U_m2=E_k-U_н2,

где U_н2-напряжение насыщения на коллекторе открытого транзистора VT2

Положительный импульс и соответственно закрытое состояние транзистора VT2 будет поддерживаться за счет разряда конденсатора С₁ , минус с которого приложится к базе транзистора VT2, а плюс через открывшейся транзистор VT1 к эммитеру транзистора VT2. Открытое состояние транзистора VT1 будет поддерживаться за счет положительного напряжения смещения, подаваемого через резистор R_б1. При этом конденсатор С₁ будет разряжаться через резисторы R_б1 и R_к2. В схеме установится квазистационарное (как бы стационарное) состояние до момента, когда конденсатор С₁ разрядится до нуля (точка “в” на рис. 3,г). Время разряда этого конденсатора определяет длительность импульса t_и2 (рис.3,в) и после разряда этого конденсатора на базе транзистора VT2 останется положительное напряжение смещения U_бн2, подаваемое на базу от источника питания + Е_к через резистор R_б2.Врезультате транзистор VT2 откроется. Плюс с заряженного конденсатора С₂ через открывшийся транзистор приложится к эмиттеру транзистора VT1, а минус к базе. Скачок напряжения U_б1(рис 3,б) начнет закрывать транзистор VT1. В схеме разовьется второй лавинообразный процесс, который приведет к установлению на коллекторе транзистора VT1 положительного импульса (рис. 3,а). Теперь квазиустойчивое равновесие схемы будет поддерживаться за счет разряда конденсатора С₂, который будет разряжаться через резисторы R_б1 и R_к2,а конденсатор С1начнет вновь заряжатьсячерез резистор Rк1 и базу открывшегося транзистораVT2. Временем разряда конденсатора С₂ до точки “в” (рис. 3,б) будет определяться длительность импульса t_и1. После разряда этого конденсатора транзистор VT1 опять откроется, минус с конденсатора С₁ начнет подаваться на базу VT2. В схеме вновь разовьется лавинообразный процесс, в результате которого транзистор VT2 закроется и т.д. Процесс закрытия и открытия транзисторов начнет повторяться и в схеме установятся автоколебания почти прямоугольной формы (рис 3).В мультивибраторе напряжения на базах транзисторов изменяются по экспоненциальным законам в соответствии с выражениями:

U_б1=2E_k*e^{- tи1/ б1} - E_k

U_б2=2E_k*e^{- tи2/ б2} - E_k, где

t_и1-длительность импульса на коллекторе транзистора VT1;

t_и2-длительность импульса на коллекторе транзистора VT2;

_б1= R_б1*С₂ -постоянная времени разряда конденсатора С₁;

_б2= R_б2*С₁- постоянная времени разряда конденсатора С₂.

В мультивибраторе в момент переброса схемы напряжения на базах транзисторов поочередно проходит через нуль (рис. 3, в). Поэтому приравнивая нулю U_б1=0 из верхнего уравнения найдем: t_и1= _б1*ln2=0,7 R_б1* С₂. Приравнивая U_б2=0 на базе транзистора VT2 во втором уравнении, получим: t_и2= _б2*ln2=0,7 R_б2* С₁. В симметричном мультивибраторе С₁= С₂, R_к1= R_к2, R_б1= R_б2 и поэтому длительности импульсов одинаковы. Расстояние между импульсами на коллекторе каждого транзистора равно длительности импульсов на другом транзисторе. Следовательно, период колебаний генерируемых импульсов можно определить как сумму длительностей импульса t_и1 и t_и2,т.е.

T= t_и1+ t_и2=0,7 R_б1* С₂+0,7 R_б2* С₁.

Можно написать, что период генерируемых импульсов:

T=0,7 R_б1* С₁+0,7 R_б2* С₂=1,4 R_б1* С1.

Частота следования импульсов:

f=1/T=1/1,4 R_б1* С1.

В общем случае длительность импульса на коллекторе транзистора VT1:

t_и1=0,7 С₁* R_б1.

Длительность импульса на коллекторе транзистора VT2:

t_и2=0,7 С₂* R_б2.

У симметричного мультивибратора:

t_и1= t_и2.

Длительность фронта импульса на коллекторе транзистора VT1:

_{ф 1}=3 С₁* R_k1.

Длительность фронта импульса на коллекторе транзистора VT2:

_ф2=3 С₂* R_k2.

В симметричном мультивибраторе:

_{ф 1}= _{ф 2}.

Длительность спада импульса на коллекторе транзистора VT1:

_с1= _в*ln(β* R_k1/ β* R_k1- R_k2-R_вх),

где R_вх- входное сопротивление транзистора.

Длительность спада импульса на коллекторе транзистора VT2:

_с2= _в*ln(β* R_k1/ β* R_k1- R_k2-R_вх), где

_в= β* _а;

β =20/50-коэффициент усиления тока.

_а=1/2π* f_а,

где f_а=5*10⁶Гц - верхняя граничная частота используемого в этой работе транзистора, на которой усиление его падает в раз;R_вх=1500 Ом - входное сопротивление транзисторов в испытуемой схеме мультивибратора.

Если считать рабочими импульсы на коллекторе транзистора VT2, то скважность импульсов:

Q=T/ T_и2=1+ t_и1/ t_и2.

В симметричном мультивибраторе:

t_и1=t_и2 и Q=2.

Относительная погрешность расчета, моделирования и натурного эксперимента при определении каждого параметра находится в процентах по формуле:

δ_А=(ΔА/A)*100%,

где ΔА-абсолютная погрешность;A-значение измеряемого параметра.

Погрешности возникают при расчете, определении погрешностей отсчета на экране дисплея и погрешностей измерительных приборов при проведении натурных экспериментов. Для повышения точности отсчетов при прямых измерениях по экрану дисплея или с помощью измерительного прибора, целесообразно значение каждого параметра повторять,примерно, три раза и в формулу для расчета относительной погрешности подставлять средние значения. В таком случае

ΔА= (ΔА₁+ ΔА₂+ ΔА₃)/3;

А= (А₁+ А₂+ А₃)/3,

где ΔА₁, ΔА₂,ΔА₃ - погрешности отдельных замеров;

А₁, А₂,А₃ - значения отдельных замеров определяемого параметра.

При проведении косвенных измерений для определения результирующей абсолютной погрешности необходимо пользоваться дифференциалами функций. Дифференциалы некоторых функций (<А) указаны в табл.1.

Таблица 1

Функция	ΔА
y=x1+ x2	±(Δx1+ Δx2)
y=x1- x2	± (Δx1+ Δx2)
y=k* x	±k*Δx
y=x1* x2	± (x2*Δx1+ x1*Δx2)
y=x1/ x2	± (x2*Δx1+ x1*Δx2)/ x2^2

Дата добавления: 2015-05-06