Исходные данные. 10 страница

Управление одновибратором в большинстве случаев осуществляется сигналами положительной полярности. Подаем в момент времени t1 на вход транзистора VT1 импульс тока i_вх1 положительной полярности (рис.в). В соответствии с принципом действия триггера, транзистор VT1запрется, а транзистор VT2 откроется, т.к. на его базу через резисторы Rc и R_К1 (рис.б) подается отрицательное напряжение смещение Uо (рис.д) от (-Ек). Под действием коллекторного напряжения открытого транзистора VT2 происходит разряд конденсатора С по цепи (рис.б): (+Ек)-VT2-С-Rб-(-Ек). На базу Б₁ транзистора VT1 подается напряжение Uб₁, изменяющееся от (+Ек) до 0 в интервале от t1 до t2 (рис.г), в течении которого транзистор VT1 будет удерживаться в закрытом состоянии (временно устойчивое состояние), и на его выходе (рис.е) будет прямоугольный импульс отрицательной полярности:

Uкз=-ЕкRс/(Rc+Rк₁)

(по аналогии с триггером). По окончании разряда конденсатора (момент t2, рис.г) в соответствии с принципом работы мультивибратора откроется транзистор VT1, а транзистор VT2 закроется, т.е. одновибратор переключится снова, в длительное устойчивое состояние. На входе закрытого транзистора VT2 будет отрицательный импульс (рис.ж), характерный для мультивибратора с экспоненциальным срезом, длительность которого составляет 3СRк и амплитудой (-Uк), близкой к (-Ек).

Продолжительность генерируемого импульса можно определить как полупериод колебаний мультивибратора, т.е. Ти=0,7СR.

Интервал времени между пусковыми импульсами одновибратора должен быть выбран с учетом времени, необходимого для подготовки (заряда) конденсатора С, после чего одновибратор приходит в первоначальное состояние (момент t3 на рис.ж). При нарушении этого условия заряд конденсатора окажется неполным и длительность выходного импульса (Tи на рис.е) будет меньше расчетной. Наименьший интервал между пусковыми импульсами называется разрешающим временем одновибратора.

Для нормальной работы одновибратора необходимо обеспечить насыщение VT1 и VT2 в открытых состояниях и надежное запирание в закрытых. При невыполнении этих условий в одновибраторе могут возникнуть автоколебания, т.е. одновибратор будет только временно устойчивыми состояниями и в нем возникнут колебания с некоторой собственной частотой.

БЛОКИНГ- ГЕГНЕРАТОР.

Блокинг- генератор (блокинг-генератор) в отличие от мультивибратора позволяет получить мощные импульсы, весьма малой длительности (несколько десятков долей микросекунд) и сочень крутым фронтом (сотые доли микросекунд). Кроме того, он позволяет осуществить трансформаторную связь с нагрузкой, что во многих случаях бывает необходимо. Блокинг-генератор может работать как в режиме автоколебаний, так и в ждущем режиме.

Рисунок. Блокинг-генератор, работающий в автоколебательном режиме.

При подаче напряжения на блокинг-генератор появляется незначительный коллекторный ток, который протекает через обмотку W1, создает магнитный поток, пересекающий обмотки W2 и W3. В обмотке W3 наводится ЭДС, плюс которой приложен к эмиттеру, а минус через конденсатор С к базе транзистора VT. Обмотка W3 в данном случае является источником питания эмиттерно- базовой цепи, под действием которого транзистор VT открывается и коллекторный ток лавинообразно нарастает. Так же лавинообразно, но с крутым передним фронтом происходит нарастание выходного напряжения Uвых в обмотке W2 и на резисторе нагрузки Rнагр. Когда транзистор открыт полностью (режим насыщения), напряжение на его коллекторе становится равным 0, и ток в первичной обмотке протекает не изменяясь, в это время происходит формирование выходного импульса. В следствии отсутствия изменения тока в обмотке W1 транзистор теряет свои усилительные свойства и нарушается обратная связь коллектора с базой через обмотку W3 (в режиме насыщения установившийся ток не наводит ЭДС в обмотках W2 и W3). На этом этапе происходит рассасывание накопленных в базе неосновных носителей электричества, которые образуют сравнительно большой базовый ток, обеспечивающий окончательный заряд конденсатора. Через небольшой отрезок времени процесс рассасывания носителей электричества в базе заканчивается, напряжение на конденсаторе С возрастает до величины, при который начинается его разряд через резистор Rсм и обмотку W3, вызывающий запирание транзистора VT. С этого момента ток в коллекторной цепи уменьшается, в следствии чего в обмотке W3 наводится ЭДС (восстанавливается обратная связь) положительный полюс которой через конденсатор С приложен к базе, а отрицательный- к эмиттеру транзистора, т.е. в обратном направлении. Происходит формированное запирание транзистора, при котором ток коллектора изменяется от установившегося значения до нуля, вызывая резкое уменьшение выходного напряжения. Так формируется срез выходного импульса.

Длительность импульса Ти определяется временем, в течении которого транзистор находится в открытом состоянии. Оно зависит от индуктивности обмотки обратной связи, емкости конденсатора С и величины нагрузочного сопротивления Rнагр. После закрытия транзистора образуется пауза между импульсами. При этом образуется отрицательный импульс выходного напряжения в результате выброса коллекторного напряжения, вызываемого рассеиванием энергии, накопленной в трансформаторе. Длительность паузы Тп определяется временем, в течении которого происходит разряд конденсатора до напряжения, равного нулю. После этого начинается формирование нового импульса.

Блокинг- генератор в ждущем режиме.

При подаче напряжения Ек на блокинг-генератор транзистор VT остается в закрытом состоянии благодаря положительному напряжению на базе, подаваемому через Rсм от источника смещения Есм. Конденсатор С разряжен.

Транзистор блокинг-генератор открывается подачей отрицательного импульса с нулевым уровнем. Коллекторный ток, протекая по обмотке W1, наводит ЭДС в выходной обмотке W2 и обмотке обратной связи W3. Последняя формирует открытие транзистора и переход его в режим насыщения, т.к. является прямой по отношению к эмиттерно- базовому переходу транзистора. Одновременно заряжается конденсатор С. По окончании импульса входного напряжения транзистор закроется положительным напряжением смещения. Кроме того, формированию запирания транзистора способствует разряд конденсатора, при котором от него подается положительный потенциал на базу, а отрицательный- через W3 на эмиттер. На этом заканчивается цикл работы блокинг-генератор, а новый цикл наступит с поступлением следующего отрицательного импульса на вход. Ждущий блокинг-генератор находит широкое применение в выходных цепях автоматики на полупроводниковых элементах, нагрузкой которых являются электромагнитные реле.

ОДНОВИБРАТОР НА ОПЕРАЦИОННОМ УСИЛИТЕЛЕ.

Одновибратор является формирователем одиночного импульса прямоугольной формы и фиксированной длительности, возникающего на выходе при поступлении на вход запускающего короткого импульса. Одновибратор применяется либо в качестве формирователя прямоугольных импульсов, либо в качестве узла задержки импульсов на заданное время.

Одновибратор содержит конденсатор С₁, связанный с выходом компаратора на ОУ через резистор R. В качестве компаратора использована схема с ПОС через цепочку R₃R₄. Микросхема ОУ выполняет в одновибраторе несколько функций:компаратора, источника напряжения для заряда конденсатора и ключа., так как коммутация цепей заряда и разряда конденсатора осуществляется при переключении компаратора. Диод V1 служит для фиксации начального напряжения на конденсаторе Uсо. Элементы С₂,R₄, R₅, V2 составляют цепь запуска, через них на схему поступает короткий запускающий импульс Uвх. Цепочка R₂R₅ является дифференцирующей.

Рассмотрение работы одновибратора нужно проводить по этапам, в соответствии с порядком его работы.

1-ый этап.(исходное состояние, "ждущий" этап), Uвх=0. Будем считать, что компаратор ранее был приведен в состояние Uвых=-Uвых мах. Конденсатор С₁ разряжен, т.к. диод V1 препятствует его заряду выходным напряжением ОУ через резистор R. Нетрудно убедиться, что рассматриваемое состояние устойчиво, т.е. может длиться сколь угодно долго: Uос<Uс, следовательно, компаратор действительно находится в состоянии отрицательного насыщения.

2-ой этап(формирование импульса). При Uвх>0, к прямому входу ОУ прикладывается входное напряжение, которое действует сильнее, чем сигнал с выхода ОУ через R₃. Напряжение на прямом входе становится положительным. Поскольку на инвертирующем входе сохраняется Uо(t1)=0, то компаратор регенеративно переключается и напряжение на его выходе скачком достигает Uвых=Uвых.мах. На этапе формирования импульса надобность в поддержании напряжения на входе после переключения компаратора отпадает, т.к. положительное насыщение ОУ поддерживается положительным напряжением с его выхода на прямой вход по цепи R₃R₄. Поэтому, входной импульс одновибратора может быть весьма коротким. При t>t1 конденсатор С₁ заряжается напряжением Uвых.мах через резистор R, причем, t=RC₁. Этап формирован импульса завершается в момент t2, когда напряжение на конденсаторе достигает значения напряжения ПОС на прямом входе:

Uс(t2)=Uос(t2)=Uвых.мах =Uо₂

В этот момент компаратор регенеративно переключается.

3-ий этап (стадия восстановления исходного состояния). Итак, в момент t2 скачком устанавливается Uвых=-Uвых.мах. Конденсатор С₁ начинает разряжаться через резистор R от источника напряжения (-Uвых.мах), при этом t=RC₁. В момент t3 напряжение на конденсаторе достигает Uc(t3)=0, открывается диод V1, который препятствует дальнейшему уменьшению напряжения на конденсаторе. В момент t3 стадия восстановления завершается, одновибратор готов к приходу нового импульса на входе.

Рассчитаем основные стадии работы одновибратора.

Рассчитаем длительность импульса.

Начало его формирования происходит в момент t1, Uc(0)=0, Е=Uвых.мах, постоянная времени t=RC₁. В момент срабатывания компаратора Uс(t2)=Uо₂. Учитывая связь Uо₂ и Uвых.мах, получаем:

.

Аналогично рассчитываем длительность стадии восстановления t_В=t3-t2.

Uо(0)=Uо₂, Е=-Uвых.мах., t=RC₁, Uc(t3)=0.

Получим:

.

Регулировка длительности импульса одновибратора может осуществляться следующими способами:

а) изменением R или C₁ (последнее обычно не применяется, т.к. конденсатор с переменной емкостью обладает большими габаритами и массой), при этом изменяется скорость заряда конденсатора С_1.

б) изменением соотношения R₃/R₄. При этом изменяется напряжение срабатывания компаратора Uо₂, а с ним и время, в течении которого напряжение на конденсаторе нарастает до величины Uо₂.

При использовании одновибратора не следует забывать, что схемы с ПОС имеют низкую помехоустойчивость. В исходном состоянии напряжение на прямом входе ОУ Uос=Uо₁ должно быть много больше уровня помех. Естественно, что и амплитуда входного сигнала при этом должна быть большей, чтобы обеспечить переключение компаратора в начале стадии формирования импульса.

ГЕНЕРАТОРЫ ЛИНЕЙНО ИЗМЕНЯЮЩИХСЯ НАПРЯЖЕНИЙ.

Генераторы линейно изменяющихся напряжений (ГЛИН) формируют напряжения пилообразной формы.

Для создания линейной зависимости напряжения от времени чаще всего используют заряд (или разряд) конденсатора постоянным током.

Простейшая схема ГЛИН:

Рисунок. а)- простейшая схема для формирования линейно изменяющегося напряжения,

б)- временные диаграммы напряжений в схеме.

При разомкнутом ключе Кл конденсатор С заряжается от источника тока I и напряжение на нем нарастает:

.

где t=0- момент начала заряда.

В момент t=t1 замыкается ключ Кл и конденсатор экспоненциально разряжается через ключ и резистор R, который введен в схему для ограничения разрядного тока. После разряда конденсатора до напряжения Uс(0)=0 ключ Кл может быть разомкнут, тогда начнется вновь процесс формирования линейно нарастающего напряжения.

Известны многочисленные варианты этой схемы отличающиеся только способами построения источника тока I и ключевого элемента. Большими технико- экономическими преимуществами обладают схемы ГЛИН, построенные на ИМС. Среди них широкое распространение получили схемы с ОУ.

В схеме интегратора конденсатор заряжается постоянным током, если на вход подано постоянное напряжение. При подаче на вход Uвх>0 напряжение на выходе уменьшается по линейному закону:

.

Выходное напряжение нарастает так же по линейному закону

Рассмотрим ГЛИН с внешним управлением:

Рисунок. Схема ГЛИН с внешним запуском(а) и временные диаграммы сигналов (б).

Uу- управляющее напряжение. Схема состоит из компаратора и интегратора. Длительность tи входного положительного импульса Uу определяет длительность стадии спада выходного напряжения Uглин (см.рис.б), длительность стадии нарастания Uглин равна паузе tп между импульсами Uу.

При поступлении входного напряжения, амплитуда которго Uуm>Ео компаратор переходит в состояние положительного насыщения U’=Uвых.mo. Открывается диод V1, и напряжение Uглин убывает по линейному закону, в (1) подставим R=R₁. Крутизна напряжения Uглин на интервале спада t1-t2:

Sс=dUглин/dt=-Uвых.мах/R₁C

При прекращении импульса Uу компаратор под воздействием напряжения Ео на инвертирующем входе переходит в состояние отрицательного насыщения U’=-Uвых.мах. Открывается диод V2 и интегратор формирует линейно нарастающее напряжение, в (2) подставим R=R₂. Крутизна нарастания Uглин на интервале t2-t3: Sн=dUглин/dt=Uвых.мах/R₂C.

ГЛИН с внешним управлением имеет важную принципиальную особенность. Установившийся режим достигается только в том случае, если равны DUглин на этапах нарастания или спада, в противном случае среднее значение выходного напряжения начинает нарастать (или убывать), что в конечном случае приводит к насыщению ОУ интнграатора. Условие устойчивой работы ГЛИН сводится к требованию: -tиSс=tпSн (3)

Учитывая возможную нестабильность крутизны и длительностей tи и tп, ориентироваться на невыполнение условия (3) в схеме (см.рис.а) нереально. В практических схемах максимальное и минимальное значения напряжения Uглин ограничивается. В схеме (см.рис.а) для ограничения Uглин введены стабилитроны V3 и V4. Напряжение между входами ОУ интегратора приблизительно равно нулю: U»0. При 0<Uглин<U₁, на стабилитроне V4 действует прямое напряжение Uаv₄»0, стабилитрон V3 смещен в обратном направлении и через цепочку стабилитронов протекает малый ток Iо»0.

Таким образом, стабилитроны в этом случае практически не влияют на процесс разряда конденсаторов. При достижении =U₊=|Uстv₃|, (где Uстv₃- напряжение стабилизации V3) V3 работает в режиме электрического пробоя, разряд конденсатора С прекращается и ток i_ОС=U’/R₁ переходит с конденсатора на цепочку стабилитронов. Таким образом, напряжение Uглин сверху ограничено значением U₊. Аналогично снизу напряжение Uглин ограничено значением U_-=-|Uстv₄|, где Uстv₄- напряжение стабилизации V4.

На рисунке б, справа, показана работа стабилитронного ограничителя в момент t5. Интервал паузы t4-t6 задан достаточно большим, поэтому в момент t5 напряжение ГЛИН достигается значение U₊. С приходом очередного импульса Uу начинается процесс формирования спада Uглин, процесс описывается выражением (1) при Uвых(0)=Uглин(t5)=U₊.

Помимо ГЛИН с внешним управлением часто применяется ГЛИН, работающий в автогенераторном режиме, т.е. без управляющего сигнала. Широкое распространение получила схема с ГЛИН на ОУ.

Эта схема отличается от рассмотренного выше ГЛИН наличием цепи обратной связи R₃R₄, которая связывает прямой вход компаратора с выходом компаратора и интегратора.

Найдем напряжение Uос методом суперпозиции: Uос=U₁+U₂.

Напряжение U₁ находим при Uглин=0, а напряжение U₂ при U’=0. Получим:

(4)

Временные диаграммы напряжения в схеме показаны на рисунке б. Начнем рассмотрение в момент t1, когда компаратор переходит в состояние отрицательного насыщения: U’=-Uвых.мах. При этом открывается диод V2, и на интеграторе начинается процесс формирования нарастающего напряжения Uглин. Напряжение Uос на интервале t1-t2 так же линейно нарастает в соответствии с выражением (4). Для момента t2 из (4) получим:

(5).

В этот момент t2 компаратор переключается, напряжение на его выходе скачком изменяется до значения U’=Uвых.мах. В соответствии с (4) скачком изменяется и напряжение Uос. Процесс переключения компаратора развивается регенеративно за счет ПОС через резистор R₄.

На интервале t2-t3 открыт диод V1. Интегратор формирует линейно убывающее напряжение Uглин. Напряжение Uос так же линейно убывает и при t=t3 выражение (4) сводится к виду:

(6).

Компаратор вновь регенеративно переключается, начинается формирование линейно нарастающего участка Uглин и т.д.

При расчете схемы ГЛИН в автогенераторном режиме выражения (5) и (6) позволяют связать значения U₊ и U_- со значениями R₃/R₄ и Ео. Крутизна спада Sс и нарастание Sн, а так же длительность участков нарастания и спада могут быть определены из (1) при подстановке Uвых(0)=U₊, R=R₁ и из (2) при подстановке Uвых(0)=U_-, R=R₂. Нетрудно убедиться, что при Ео=0: U₊=U_-.

Эту схему можно так же использовать и в качестве мультивибратора, тогда выходное напряжение снимается с выхода компаратора.

ГЛИН находят очень широкое применение в технике. На их основе строятся системы развертки электронно- лучевых трубок, устройства для испытания различных объектов на электрическую прочность. Очень большую роль в современной технике играют преобразователи различных физических величин в электрические сигналы, например, преобразователи напряжения во временной интервал, в число импульсов, в фазовый сдвиг.

В качестве примера таких устройств рассмотрим следующее импульсное устройство.

Рисунок. Схема преобразователя напряжения в ширину импульсов и число импульсов.

Устройство состоит из ГЛИН, связанного с компаратором К, на второй вход которого подается входной (преобразуемый) сигнал Uвх. Компаратор через диод связан с первым выходом схемы Rн₁ и с управляющей цепью ключа КЛ, который подключает мультивибратор МВ ко второму выходу Rн₂.

Компаратор К фиксирует равенство Uглин(t)=Uвх(t). В момент времени t2: Uглин=Sн, где t2-t1=tи. Отсюда: tи=Uвх/Sн.

При переключениях компаратора на его выходе формируются прямоугольные импульсы, длительность которых прямо пропорциональна текущему значению Uвх. При Uвых₁>0 замыкается ключ Кл и в нагрузку Rн₂ поступает пачка импульсов с выхода мультивибратора, число которых пропорционально интервалу tи и напряжению Uвх. Таким образом, устройство является преобразователем напряжения в число импульсов.

Рис.1 – Схема мультивибратора, б – временные диаграммы мультивибратора.

Параметры рекомендуемого операционного усилителя (ОУ) общего назначения К544УД1А.

- номинальное напряжение положительного и отрицательного источника питания;

- максимальное выходное напряжение;

- допустимое дифференциальное входное напряжение (между входами ОУ);

- напряжение смещения нуля (напряжение, которое надо подать на вход, чтобы выходное напряжение ОУ стало равным нулю);

- входной ток;

- скорость изменения выходного напряжения;

- минимальное сопротивление нагрузки;

- коэффициент усиления по напряжению (по обратной связи).

Исходные данные для расчёта мультивибратора приведены в таблице 1, где:

- частота выходного напряжения,

- коэффициент передачи цепи обратной связи, которые равны:

;

Таблица 1 – исходные данные и .

Вариант
, Гц
	0,2

Дата добавления: 2015-05-06