Методы регулирования длительности импульса

Регулировать t_И можно изменением постоянной времени R2 * C2. Для этого надо изменять емкость С2 или сопротивление R2. Объясним это. С увеличением постоянной времени уменьшается скорость, с которой изменяется на­пряжение на базе VT2 в течение рабочего состояния. Напряжение U_{Б 2} позже достигает порогового значения Un, и длительность им­пульса возрастает. Этот метод можно применять при небольших пределах изменения tu, так как при увеличении R2 транзистор VT2 может выйти из насыщения, а при сильном умень­шении R2, наоборот, может вой­ти в глубокое насыщение, и ре­жим работы одновибратора нару­шится. Кроме этого, увеличение R2 ведет к росту температурной нестабильности, а увеличение ем­кости конденсатора С2 приводит к возрастанию времени восста­новления.

Другой способ регулировки состоит в изменении начального напряжения на конденсаторе времязадающей цепи. Данный спо­соб регулировки показан на рис. 8. Регулирующее напряжение Up на конденсаторе С2 подают через диод VD, причем Up < Eк.

В исходном состоянии диод VD открыт напряжением Ек и по­тенциал на коллекторе закрытого транзистора фиксируется на уровне Up. Разность Ек—Up падает на резисторе R_К2 из-за проте­кания через него тока открытого диода. Конденсатор С2 оказыва­ется заряженным до напряжения Uc2= Up — U_{БЭ НАС 2}. Таким обра­зом, после запуска мультивибратора напряжение на базе закрытого транзистора VT2 будет изменяться от значения Up — U_{БЭ НАС 2}, стремясь к Ек. (рис. 8,б). Чем меньше Up, тем раньше напряжение U_{Б 2} достигнет порогового значения Un и тем меньше длительность выходного импульса.

 

Рис. 8.

 

Наряду с регулированием длитель­ности выходного импульса в мультивибраторе (рис. 8,а) умень­шается длительность восстановления. Это явление поясняют вре­менные диаграммы, приведенные на рис. 8,б. После обратного опрокидывания устройства конденсатор С2 заряжается и напряже­ние на коллекторе транзистора VT1 растет, стремясь к Ек. Однако в тот момент, когда U_К1 достигает значения, примерно равного Up, от­крывается диод и процесс восстановления заканчивается.

 

АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ МУЛЬТИВИБРАТОР

Схема и принцип действия. На рис. 9-а представлена схема автоколебательного мультивибратора, а на рис. 9-б — временные диаграммы, поясняющие его работу.

Мультивибратор состоит из двух каскадов на транзисторах VT1 и VT2. Причем вход каж­дого каскада (база) подключен через конденсатор к выходу дру­гого (к коллектору). Такое включение обеспечивает наличие пет­ли положительной обратной связи в то время, когда оба транзис­тора работают в активном режиме. Мультивибратор имеет все элементы, присущие релаксационному генератору: конденсаторы C1 и С2 являются накопителями энергии, транзисторы VT1 и VT2 выполняют роль коммутирующих устройств. Резисторы R1, R2 вхо­дят в цепи разряда конденсато­ров.

Первое квазиустойчи­вое состояние. Будем счи­тать, что к моменту t₁ мульти­вибратор перешел в очередное квазиустойчивое состояние, при этом VT1 закрылся, а VT2 от­крылся и вошел в насыщение. К этому моменту напряжение U_С1 на конденсаторе C1 имело макси­мальное значение, равное Ек - U_{БЭ НАС 1} (конденсатор C1 заря­жен, а конденсатор С2 разряжен).

 

 

Рис. 9-а.

 

К базе транзистора VT1i через открытый VT2 прикладывает­ся напряжение U_Б1 ≈ - U_С1 (напряжение U_Б1 между базой и эмиттером транзистора VT1 определяется суммированием напряжения вдоль внешнего по отношению к транзистору контура при обходе его от базы к эмиттеру).

Таким образом, транзистор VT1 удерживается в закрытом со­стоянии под действием отрицательного напряжения с конденсато­ра C1, приложенного к базе. Транзистор VT2 остается открытым, поскольку в его базу поступает ток I_Б2 = I_R2 + I_C2, где I_R2 —состав­ляющая базового тока, протекающая через резистор R2, I_C2 — со­ставляющая базового тока, протекающая через R_К1 и С2. С момента t₁ начинаются два процесса — разряд C1 и заряд C2.

Разряд C1 в автоколебательном мультивибраторе аналогичен соответствующему процессу в квазиустойчивом состоянии ждуще­го мультивибратора.

Разряд конденсатора C1 осуществляется током I_C1, протекающим в цепи: положительный полюс источника Ек, резистор R1, конденса­тор C1, открытый переход коллектор—эмиттер транзистора VT2, земля, отрицательный полюс источника Ек.

 

 

Рис. 9-б.

 

Под действием этого тока, являющегося частью коллекторного тока транзистора VT2, конденсатор С2 стремится не просто разрядиться, а переза­рядиться до напряжения, близкого к Ек, но противоположной по­лярности. При этом напряжение на базе транзистора VT1, меняющееся так же, как и напряжение на C1, нарастает по экспо­ненте с постоянной времени R1 * C1 от минимального значения стремясь к значению Ек. В момент t₂, когда напряжение U_{Б 1} достигает порого­вого значения, транзистор VT1 открывается. Отрицательное напря­жение с зарядившегося конденсатора C2, примерно равное - Ек, через открытый VT1 прикладывается к базе VT2, вследствие чего VT2 закрывается и мультивибратор переходит в новое квазиус­тойчивое состояние.

Процесс заряда конденсатора С2, аналогичный процессу вос­становления в ждущем мультивибраторе, осуществляется под дей­ствием составляющей базового тока I_{С 2}. Составляющая I_{С 2} протекает в цепи: положительный полюс источника Ек, резистор R_К1, конденсатор С2, открытый переход база — эмиттер транзистора VT2, земля, отрицательный полюс ис­точника Ек и заряжает конденсатор С2. Напряжение на нем рас­тет по экспоненте с постоянной времени R_К1 * С2, стремясь к Ек. По такому же закону уменьшается ток заряда и создаваемое им напряжение на резисторе R_К1. При этом напря­жение U_К1 растет, стремясь к Ек. После окончания заряда конден­сатора С2, когда I_C2 = 0, транзистор VT2 продолжает оставаться открытым благодаря току, протекающему через R2. Процесс заряда конденсатора С2 определяет длительность фронта T_Ф1 выходного импульса, форми­руемого на коллекторе транзистора VT1. Поскольку сопротивление резистора R_К2 всегда бывает меньше сопротивления резистора R1, то заряд конденсатора С2 заканчивается раньше разряда C1 и время нахождения мультивибратора в квазиустойчивом состоя­нии определяется разрядом C1.

 

Второе квазиустойчивое состояние. В новом квазиустойчивом состоянии в мультивибраторе происходят процес­сы, аналогичные описанным выше, только в другой его части. Те­перь разряжается конденсатор С2 частью коллекторного тока транзистора VT1, протекающего по цепи +Ек, R2, C2, VT1, -Ек. При этом напряжение на базе транзистора VT2 изменяется по эк­споненте с постоянной времени R2 * С2 (рис. 9,б). В момент t₃, когда напряжение U_{Б 2} достигнет значения Uп, вновь открывается транзистор VT2 и мультивибратор возвращается в первое квази­устойчивое состояние. В это же время заряжается конденсатор С1, частью базового тока транзистора VT1, протекающего по цепи C1, R_K2, Ек, VT1. Таким образом, автоколебательный мультивибратор периодически переходит из одного квазиустойчивого состояния в другое.

Как видно из временных диаграмм на рис. 9,б, напряжение на коллекторах транзисторов представляет собой последователь­ность импульсов положительной полярности, форма которых близка к прямоугольной.

Параметры формируемой импульсной последовательности. Рас­смотрим основные параметры импульсной последовательности, формируемой мультивибратором.

Процессы, определяющие длительность импульса в каждом квазиустойчивом состоянии мультивибратора, того же характера, что и в ждущем мультивибраторе. Поэтому выражения, описыва­ющие основные параметры ждущего мультивибратора, справедли­вы и в данном случае.

t_И1 ≈ 0,7* R1* C1, t_И2 ≈ 0,7* R2* C2.

Период следования импульсов, как это видно из временных диаграмм на рис. 9,б, равен сумме длительности импульсов:

Т = t_И1 + t_И2

Частота следования импульсов, генерируемых мультивибрато­ром,

F = 1 / T = 1 / (t_И1 + t_И2).

Длительность фронта. Фронт выходного импульса имеет экспоненциальную форму в связи с тем, что зарядный ток времязадающего конденсатора протекает через резистор R_К за­крытого транзистора и создает падение напряжения на R_К, на­правленное встречно Ек. Поэтому напряжение на коллекторе не может сразу после запирания транзистора установиться на уров­не Ек. По мере заряда конденсатора ток заряда и создаваемое им напряжение на R_К уменьшаются, а напряжение на коллекторе закрытого транзистора стремится к установившемуся значению Ек с постоянной времени R_К * С, где С=С1 или С2, а R_К = R_К1 или R_К2. Для инженерных расчетов считают, что длительность фронтов равна:

t_Ф1 ≈ 2,3 * R_К1 * С2, t_Ф2 ≈ 2,3 * R_К2 * С2.

Амплитуда импульсов в отсутствие нагрузки определяется раз­ностью уровней напряжения на коллекторах открытого и закры­того транзистора. Можно считать, что напряжение на коллекторе закрытого транзистора близко к Ек, а на коллекторе открытого примерно равно нулю, т. е.

U_М ≈ Ек.

РЕГУЛИРОВАНИЕ ЧАСТОТЫ АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНОГО МУЛЬТИВИБРАТОРА

Поскольку частота колебаний автоколебательного мультивибратора выражается через длительность выходных импульсов, то для ее регулирования применимы те же методы, что и в ждущем мультивибраторе. При этом следует иметь в виду, что для сохра­нения неизменной скважности регулировку частоты необходимо осуществлять одновременным изменением t_И1 и t_И2 на одинаковое значение.

Способ регулировки частоты изменением постоянной времени времязадающих цепей имеет те же недостатки, которые отмеча­лись при изучении ждущего мультивибратора. Только увеличение емкости времязадающей цепи в данном случае ведет не к увели­чению времени восстановления, а к удлинению фронта выходного импульса. Плавное регулирование частоты мультивибратора мо­жет осуществляться по схеме, приведенной на рис. 10. В этом случае для создания смещения на базах транзисторов используется отдельный источник, напряжение которого можно регулиро­вать.

 

Рис. 10.

 

В процессе формирования выходного импульса напряжение на конденсаторе времязадающей цепи меняется по экспоненциаль­ному закону от Ек, стремясь к значению Un. С уменьшением Ecм должна уменьшаться скорость изменения напряжения на конден­саторе (рис. 10,б), это напряжение позже достигает нулевого значе­ния.