Дослідження мультивібраторів на

ОПЕРАЦІЙНИХ ПІДСИЛЮВАЧАХ

 

Мета роботи:

1) ознайомлення з особливостями побудови та використання генераторів та формувачів імпульсних сигналів;

 

2) дослідження мультивібратора в автоколивальному режимі;

3) набуття навиків дослідження основних параметрів автоколивальних мультивібраторів;

4) набуття навиків налаштовування схем за допомогою експериментального підбору номіналів резисторів та конденсаторів;

5) дослідження загальмованого мультивібратора.

 

Стислі теоретичні відомості

1. Автоколивальні мультивібратори

 

Автоколивальний мультивібратор – це релаксаційний автогенератор напруги прямокутної форми. Термін “автогенератор” означає, що він генерує коливання, які не згасають без будь-якого впливу ззовні і не має стійких станів рівноваги. Релаксаційний характер вихідних коливань вказує на те, що умови самозбудження виконуються в широкому діапазоні частот. У мультивібраторі частота слідування імпульсів прямокутної форми, що періодично повторюються, визначається параметрами кіл, які задають тривалість перемикання властивостями схеми й режимами її живлення. На частоту автоколивань впливає навантаження. Часто автоколивальний мультивібратор застосовують як генератор імпульсів великої тривалості, які далі використовують для формування імпульсів необхідної тривалості та амплітуди. Таким чином, мультивібратори, що працюють в автоколивальному режимі, застосовують найчастіше як задавальні генератори. У зв’язку з цим до мультивібратора ставляться вимоги високої стабільності частоти, якої можна досягти лише застосуванням спеціальних заходів. Відносна нестабільність частоти під впливом дестабілізувальних факторів становить приблизно кілька відсотків.

У процесі проектування автоколивальних мультивібраторів як елементну базу використовують біполярні транзистори, а також аналогові та цифрові інтегральні схеми (ОП і логічні елементи). Напівпровідникові прилади в мультивібраторах працюють у ключовому режимі.

Мультивібратори на операційних підсилювачах. Для побудови автогенераторних пристроїв з прямокутною формою генерованих коливань необхідно скористатися компараторним ввімкненням ОП з позитивним зв’язком. Основою мультивібратора (рис. 13.1, а) є компараторний пороговий вузол на ОП з пороговою характеристикою. Режим автоколивань у схемі забезпечується позитивним зворотним зв’язком, що ОП підсилювач з його виходу на неінвертувальний вхід за допомогою подільника напруги на резисторах R 1, R 2. Коло, що складається з конденсатора C та резистора R, забезпечує процес перемикання схеми з одного тимчасового стійкого стану в інший. Воно ввімкнене між виходом ОП та інвертувальним входом і утворює коло негативного зворотного зв’язку. Для нормальної роботи мультивібратора позитивний зворотний зв’язок має бути сильнішим.

Розглянемо суть перебігу процесів у мультивібраторі. Припустимо, що в інтервалі часу від t = 0 до t = t_i рівень напруги на виході ОП U _вих = U ⁺ _вих» E ⁺ _с. Тоді напруга на неінвертувальному вході також позитивна і стала:

U ⁺ _вих = b U ⁺ _вих,

де b = R 1/(R 1+ R 2), а напруга на інвертувальному вході, яка дорівнює напрузі на конденсаторі (U ^– _вх= U_с), експоненційно збільшується, прагнучи до асимптотичного рівня U ⁺ _вих внаслідок зарядження конденсатора через резистор R. У момент часу t = t⁺_i напруга на інвертувальному U⁺ _вхвході (на конденсаторі) досягає рівня напруги на неінвертувальному вході U ^– _вх (U ⁺ _вх= U ^– _вх) і ОП входить у підсилювальний режим. Вихідна напруга зменшується, а отже, зменшується, через подільник R 1, R 2 напруга U _вх, що викликає подальше зменшення вихідної напруги і т. д.

Такий лавиноподібний регенеративний процес закінчується тим, що U _вих стрибкоподібно досягає рівня U ^– _вих = - E с, а U⁺ _вх = b U ^– _вих (відбувається перемикання ОП у протилежний стан).

Тепер конденсатор С розряджається через транзистор R та вихід ОП, і напруга на інвертувальному вході зменшується з тією самою сталою часу , що і при зарядженні конденсатора, прагнучи до асимптотичного рівня U ^– _вих.

У момент t=t ₂, коли при перезарядженні напруга на конденсаторі U _вх (вході, що інвертує) зрівняється з напругою на інвертувальному вході U⁺ _вх, знову відбувається перемикання ОП. Цим завершується формування негативного імпульсу вихідної напруги тривалістю . При цьому , а шпаруватість імпульсної напруги дорівнює двом. У подальшому процеси повторюються із заданою періодичністю. Період коливань імпульсної напруги симетричного мультивібратора за умови рівності тривалостей підтримування високого й низького рівнів напруги ():

.

Частота слідування імпульсів: F =1/ T =1/2 t_i.

Інтервал часу t_i можна визначити, наприклад, через інтервал часу t⁺_i, протягом якого відбувається перезарядження конденсатора С через резистор R у колі з напругою U⁺ _вих від - b U ^– _вих до U⁺ _вих (рис. 13.1, б):

t_i= t ln(1+2 R 1/ R 2).

а б

Рис. 13.1. Автоколивальний мультивібратор на ОП:

а – схема вмикання ОП; б – осцилограми напруг

Несиметричний мультивібратор на ОП можна створити за схемою симетричного мультивібратора, замінивши в ній резистор R на коло з двох діодних ключів (рис. 13.2, а). При цьому сталі часу t = R₅C та t¢ = R ₄ C для позитивних та негативних вихідних імпульсів, які проходять по черзі через резистори R 4та R 3, можна зробити різними (R 3 ¹ R4), що забезпечує отримання необхідної шпаруватості генерованих імпульсів. Форму вихідних імпульсів для R 3 > R 4показано на рис. 13.2, б.

а

Рис. 13.2. Несиметричний мультивібратор:

а – схема вмикання ОП;

б – осцилограма вихідної напруги