Ждущие мультивибраторы (одновибраторы)

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Мультивибратор — релаксационный генератор сигналов электрических прямоугольных колебаний с короткими фронтами. Термин предложен голландским физиком ван дер Полем, так как в спектре колебаний мультивибратора присутствует множество гармоник — в отличие от генератора синусоидальных колебаний («моновибратора»). Впервые мультивибратор был описан Икклзом и Джорданом в 1918 году.

Мультивибратор является одним из самых распространённых генераторов импульсов прямоугольной формы. В электронной технике используются самые различные варианты схем мультивибраторов, которые различаются между собой по типу используемых элементов (ламповые, транзисторные, тиристорные, микроэлектронные и так далее), режиму работы (автоколебательный, ждущие синхронизации), видам связи между усилительными элементами, способам регулировки длительности и частоты генерируемых импульсов и так далее.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ. ИМПУЛЬСНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

Общие сведения об импульсных генераторах

Импульсными генераторами называют устройства, преобразующие энергию источников постоянного напряжения в энергию электрических импульсов. Одна из разновидностей импульсных генераторов - генераторы прямоугольных импульсов. Генераторы прямоугольных импульсов формируют сигналы, по форме близкие к прямоугольным. Генераторы прямоугольных импульсов, как и другие типы генераторов электрических сигналов, являются системами с положительной обратной связью. В зависимости от способа создания положительной обратной связи различают двухкаскадные генераторы с RC -цепями обратной связи и генераторы с трансформаторной обратной связью. Примерами первых являются мультивибраторы, вторых - блокинг-генераторы. Отдельной разновидностью рассматриваемых генераторов являются генераторы, выполненные на приборах с отрицательным сопротивлением. В этих устройствах обратная связь является "внутренней", определяется особенностями ВАХ использованного прибора с отрицательным сопротивлением.

Для получения импульсов прямоугольной формы широко применяются релаксационные генераторы, получившие название мультивибраторов. В схемном отношении мультивибраторы представляют собой двухкаскадный усилитель на резисторах, замкнутых петлей обратной связи. В зависимости от конкретных требований к устройству и решаемых задач мультивибратор может работать в трех основных режимах: автоколебательном, синхронизации и деления частоты следования импульсов.

Классификация импульсных генераторов

Кварцевый генератор

Кварцевый генератор — автогенератор электромагнитных колебаний с колебательной системой, в состав которой входит кварцевый резонатор. Предназначен для получения колебаний фиксированной частоты с высокой температурной и временной стабильностью, низким уровнем фазовых шумов.

Внешнее напряжение на кварцевой пластинке вызывает её деформацию. А она, в свою очередь, приводит к появлению электрического заряда на поверхности кварца (пьезоэлектрический эффект). В результате этого механические колебания кварцевой пластины сопровождаются синхронными с ними колебаниями заряда на её поверхности и наоборот.

Для обеспечения связи резонатора с остальными элементами схемы непосредственно на кварц наносятся электроды, либо кварцевая пластинка помещается между обкладками конденсатора.

Для получения высокой добротности и стабильности резонатор помещают в вакуум и поддерживают постоянной его температуру.

Кварцевые генераторы используют для измерения времени (кварцевые часы), в качестве стандартов частоты. Кварцевые генераторы широко применяются в цифровой технике в качестве генераторов тактовых импульсов.

Характеристики кварцевого генератора:

1. Частота. Частота собственных колебаний кварцевого генератора может находиться в диапазоне от нескольких кГц до сотен МГц. Она определяется физическими размерами резонатора, упругостью и пьезоэлектрической постоянной кварца, а также тем, как вырезан резонатор из кристалла. Так как кварцевый резонатор является законченным электронным компонентом, его частоту можно изменять внешними элементами и схемой включения в очень узком диапазоне выбором резонансной частоты (параллельный или последовательный) или понизить параллельно включённым конденсатором. Существуют, однако, кустарные методики подстройки резонатора. Это целесообразно в случаях, когда желательно иметь несколько резонаторов с очень близкими параметрами. Для уменьшения частоты на кристалл кратковременно воздействуют парами иода (это увеличивает массу серебряных обкладок), для увеличения частоты обкладки резонатора шлифуют.

2. Стабильность частоты. Колебания кварцевого генератора характеризуются высокой стабильностью частоты (10−5 ÷ 10−12), что обусловлено высокой добротностью кварцевого резонатора (104 ÷ 105).

3. Уровень фазовых шумов. У лучших генераторов спектральная плотность мощности фазовых шумов может быть менее −100 дБн/Гц на отстройке 1 Гц и менее −150 дБн/Гц на отстройке 1 кГц при выходной частоте 10 МГц.

4. Мощность. Мощность кварцевого генератора не превышает нескольких десятков ватт. При более высокой мощности кварцевый резонатор может разрушиться из-за возникающих в нём сильных механических напряжений. На практике, при необходимости получения большей мощности применяется усилитель.

5. Тип выходного сигнала. Генераторы могут изготавливаться как в модификации с синусоидальным выходным сигналом, так и с сигналом прямоугольной формы, совместимым по логическим уровням с одним из стандартов (TTL, CMOS, LVCMOS, LVDS и т. д.).

6. Наличие и тип термостабилизации:

– термокомпенсированные (TCXO);

– термостатированные (OCXO, DOCXO).

7. Возможность перестройки частоты:

– фиксированной частоты;

– частота управляется напряжением (VCXO);

– частота управляется цифровым кодом (NCXO).

Рисунок 1.1 – Схема простого кварцевого генератора

Ждущие мультивибраторы (одновибраторы)

Моностабильный мультивибратор — разновидность ждущего мультивибратора, имеющего одно стабильное состояние и одно неустойчивое. При поступлении переключающего импульса одностабильный мультивибратор переключается в неустойчивое состояние, а затем возвращается в устойчивое состояние. Иногда также называется одновибратором. Одновибраторы применяются для преобразования формы импульсов в расширителях импульсов.

Бистабильный мультивибратор — разновидность ждущего мультивибратора, который имеет два стабильных состояния, характеризующихся разными уровнями напряжения на выходе. Как правило, переключаются эти состояния сигналами, поданными на разные входы, как показано на рисунке 1.2. В этом случае бистабильный мультивибратор представляет собой триггер RS -типа. В некоторых схемах для переключения используется один вход, на который подаются импульсы различной либо одной полярности. Бистабильный мультивибратор кроме выполнения функции триггера применяется также для построения генераторов, синхронизированных с внешним сигналом. Такой тип бистабильных мультивибраторов характеризуется минимальным временем пребывания в каждом из состояний или минимальным периодом колебаний. Изменение состояния мультивибратора возможно только по прошествии определенного времени с момента последнего переключения и происходит в момент поступления синхронизирующего сигнала. Временная диаграмма работы одновибратора представлена на рисунке 1.3.

В мультивибраторах на операционном усилителе конденсатор С и резисторы R1, R2 образуют интегрирующую RC -цепь: при заряде конденсатора открыт диод V1, ток проходит через R1, при разряде — открыт V2, ток идет через R2. Источником напряжения E является входная цепь ОУ. Компаратор выполнен на ОУ с положительной обратной связью через цепь R3R4. При переключении компаратора на его выходе происходит коммутация цепей заряда и разряда конденсатора C, то есть ОУ выполняет сразу несколько функций: источника напряжений разряда и заряда конденсатора, компаратора и ключа.

Рисунок 1.2 – Схема ждущего мультивибратора на основе линии задержки

Рисунок 1.3 – Временная диаграмма работы одновибратора

Таблица 1.1 - Техническая характеристика ждущего мультивибратора

Триггер Шмитта

Триггер Шмитта — электронный двухпозиционный релейный (переключающий) элемент, статическая характеристика которого имеет зону неоднозначности (петлю гистерезиса). Триггер Шмитта используется для восстановления цифрового сигнала, искаженного в линиях связи, фильтрах дребезга, в качестве двухпозиционного регулятора в системах автоматического регулирования, в двухпозиционных стабилизаторах-регуляторах напряжения. Этот триггер стоит особняком в семействе триггеров: он имеет один аналоговый вход и цифровой выход.

Триггер Шмитта, как и другие триггеры, обладает свойством памяти — его состояние в зоне неоднозначности определяется предысторией — ранее действовавшим входным сигналом.

Триггер Шмитта представляет собой схему, переключение которой зависит от амплитуды запускающих импульсов (рисунок 1.4). Такие схемы успешно применяются в вычислительных устройствах и различных промышленных установках, где требуется изменять форму импульсов, формировать прямоугольные импульсы из синусоидальных колебаний и фиксировать превышение сигналом постоянного тока установленного уровня (порога).

Рисунок 1.4 – Схема кварцевого генератора на триггере Шмитта