Мультивибраторы и одновибраторы.

Мультивибраторы являются генераторами прямоугольных импульсов с высокой крутизной фронта и среза. Они относятся к релаксационным генераторам, суть которых состоит в медленном накоплении энергии на реактивных элементах (например, конденсаторах) и быстрым ее выделением в следующей фазе. Мультивибраторы применяются в импульсной и вычислительной технике и могут быть выпущены в интегральном исполнении.

Мультивибратор можно представить как два усилителя, вход каждого из которых присоединен к выходу другого. Если оба усилителя одинаковые, мультивибратор называется симметричным. Симметричный мультивибратор выдает две импульсные последовательности, сдвинутые по фазе на 90⁰. Изменением элементов мультивибратора (емкостей и сопротивлений) можно выполнить несимметричный мультивибратор, скважности импульсов в каждой из последовательностей которого неодинаковы.

На рисунке а показана схема простейшего мультивибратора, а на рисунке б упрощенная диаграмма напряжений в выделенных точках схемы.

Пусть в некоторый момент транзистор VT 1 закрыт, а транзистор VT 2 открыт. Для этого необходимо, чтобы на базе транзистора VT 1( в точке Б1) напряжение было равно нулю или отрицательно, а в точке Б2 напряжение должно быть положительно. В точке К1 напряжение равно напряжению источника питания, а в точке К2—нулю. Конденсатор С1 заряжен до напряжения источника питания, т.е. на первой обкладке напряжение равно напряжению источника питания, а на второй –ноль. Конденсатор С₂ разряжен, на обеих обкладках напряжение равно напряжению источника питания.

Пусть пока по неизвестной причине транзистор VT 1 стал открываться. Как только начался этот процесс, напряжение в точке К1 стало приближаться к нулю (см. диаграмму), так как открывание транзистора ведет к уменьшению его сопротивления.. Так как конденсатор С1 не может разрядиться мгновенно, напряжение на его второй обкладке останется ниже напряжения на первой обкладке на величину заряда конденсатора. На первой обкладке напряжение близко к нулю, на второй станет отрицательным. Напряжение в точке Б2 тоже станет отрицательным. Транзистор VT 2 закроется. В точке К2 напряжение вырастет до напряжения близкого к напряжению источника питания. На базу транзистора VT 1 (точка Б1) будет подано положительное напряжение, транзистор еще более откроется. Так будет продолжаться до тех пор, пока транзистор не перейдет в область насыщения. Чем больше открывается транзистор, тем меньше падение напряжения на нем. Это приведет к понижению напряжения на обеих обкладках конденсатора С1, т.е. к большей степени запирания транзистора VT 2 (до режима отсечки). Процесс переключения происходит очень быстро, что показано на диаграмме вертикальными линиями. Переход к режиму отсечки не происходит мгновенно, что на диаграмме выражается изгибом фронта напряжения в верхней части U _К2 транзистора VT 2 (точка К2). Итак: как только транзистор VT 1 стал открываться, транзистор VT 2 закрывается. Это приведет к устойчивому состоянию, когда VT 1открыт и насыщен, VT 2закрыт. На диаграмме состояние транзистора показано напряжением его коллектора, т.е. точек К1 и К2: транзистор открыт—напряжение ноль, закрыт—напряжение источника питания. Такое состояние могло бы продолжаться бесконечно, если бы конденсаторы сохранили свой заряд. Так как конденсаторы перезаряжаются, состояние называется квазиустойчивым.

Точки Б1 и Б2 соединены с плюсом источника питания сопротивлениями R _б1 и R _.б2. В точке Б2 напряжение отрицательное. Значит, по сопротивлению R _.б2 будет протекать ток (см. участок 1 диаграммы), который будет поднимать напряжение второй обкладки конденсатора С1 т.е. напряжение точки Б2 (б олее строго этот процесс можно назвать разрядом конденсатора С1 по цепи: первая обкладка—открытый транзистор VT 1— источник питания -- R _.б2 —вторая обкладка). В то же время конденсатор С2 заряжается по пути: плюс источника питания— R _К2 —конденсатор С2—базовый переход транзистора VT 1 —минус источника питания. Как только напряжение U _Б2 дойдет до нуля, транзистор VT 2 откроется (см. участок 2 диаграммы), в точку Б1 будет подано отрицательное напряжение, транзистор VT 1 закроется. Происходит процесс, подобный описанному выше. Мультивибратор переходит во второе квазиустойчивое состояние, когда VT 2 открыт и насыщен, VT 1закрыт.

Мультивибратор постоянно переходит из одного квазиустойчивого состояния в другое. Период колебаний и скважность генерируемых импульсов зависит от длительности заряда-разряда конденсаторов, что в свою очередь зависит от номиналов сопротивлений и конденсаторов.входящих в мультивибратор.                  

Усилители, на которых собран мультивибратор, и процессы, происходящие с них, не могут быть абсолютно одинаковыми. Поэтому при включении питания мультивибратор входит в одно из квазиустойчивых состояний с дальнейшей генерацией импульсов.

Указанная схема обладает некоторыми недостатками (недостаточно прямоугольная форма импульсов, недостаточная крутизна фронтов и срезов и др.). Для устранения этих недостатков применяют достаточно простые и эффективные меры. Встречающиеся на практике схемы включают необходимые для этого элементы.

 

Мультивибраторы на ИМС.

Мультивибраторы выпускают непосредственно в виде микросхем. Но они находят ограниченное применение в связи с тем, что времязадающие элементы (емкости) должны быть достаточно велики. Их приходится подключать внешними связями.

Каждый усилитель, входящий в мультивибратор, можно рассматривать как логический элемент НЕ. Это дает возможность создавать мультивибраторы на логических элементах. Но и их приходится связывать внешними подключениями. Ниже показан мультивибратор, на элементах НЕ (а) и упрощенная диаграмма его работы (б).

Выход каждого из инверторов подается на вход другого через дифференцирующую цепочку, в которую входит конденсатор и сопротивление (одна цепочка R1C1, вторая--R2C2).

Пусть на выходе первого инвертора скачком изменяется напряжение из нуля в единицу (смдиаграмму). Этот скачок передастся на сопротивление R 1 в виде тока заряда конденсатора, который создаст на сопротивлении R 1 падение напряжения U_{R 1}. Это напряжение, которое будет воспринято как логическая единица, будет подано на вход второго инвертора, на выходе которого напряжение будет равно нулю. По мере заряда конденсатора С1 ток уменьшается. Уменьшается и U_{R 1}. Когда это напряжение упадет до порогового значения, соответствующего нулю, на выходе второго инвертора установится единица, которая через вторую дифференцирующую цепочку будет подана на вход первого инвертора. На выходе его установится ноль. Этот процесс будет сопровождаться разрядом конденсатора С1, что создастотрицательный всплеск напряжения на R 1. Чтобы избавиться от него, установлен диод VD 1, через который конденсатор разряжается с малым падением напряжения на нем. Процесс переключений будет продолжаться как угодно долго.

Мультивибратор можно создать и на операционном усилителе. Для этого на инвертирующий вход, к которому присоединен времязадающий конденсатор, необходимо через сопротивление подать напряжение выхода.

Одновибраторы на ИМС.

В ряду элементов многих серий имеется микросхема, представляющая собой ждущий мультивибратор, характеристики импульса которого зависит от внешних элементов. На практике выполнение мультивибратора на логических элементах бывает более оправданным, чем применение специальной микросхемы. На рис. показан один из вариантов такого мультивибратора. Удоб ство такого построения заключается в том, что в одном корпусе содержится несколько логических элементов.часть из которых можно дополнительно использовать для других целей.

       Мультивибратор выполнен на элементах 2И-Не. На входе U _вх логическая единица. На вход логического элемента D 1.2 через сопротивление R подан "0". U _вых =1.

При подаче на вход короткого нулевого импульса (см. диаграмму) на выходе U ₁ возникнет "1", которая через конденсатор будет подана на вход D 1.2. U _вых станет равным "0" и будет поддерживать единичное состояние логического элемента D1.1. При переключении D1.1 в единичное состояние через конденсатор пойдет максимальный ток, который создаст на сопротивлении R падение напря жения U ₂, которое и переключит элемент D1.2.По мере заряда конденсатора ток, а следовательно, падение напряжения на сопротивлении R уменьшается. При некотором (пороговом) напряжении элемент D1.2 переключится в единичное состояние. На вход элемента D 1.1 поступят две единицы, он переключится в нулевое состояние. Разряд конденсатора создаст отрицательный выброс, который на работу влияния не окажет. Схема вернулась в начальное состояние.

Построенные графики не учитывают задержек переключения элементов. Следует также учесть, что уровень логической единицы и уровень логического нуля имеют достаточно широкие пределы, которые нет смысла отражать на диаграмме.