Теория
Для начала рассмотрим теорию, для этого откроем даташит на данную микросхему, а именно разберемся с тем, за что отвечает каждый пин: рисунок 1.
Рисунок 1. Распиновка микросхемы
Как видно, микросхема содержит два операционных усилителей и RS триггер. Для понимания работы микросхемы приведу таблицу работы RSтриггера: таблица 1.
Таблица 1. Работа RS Триггера
| R | S | 
| 
|
| * | |||
| * |
По таблице:
Если подать на S “1”, то на ПРЯМОМ выходе устанавливается “1”.
Если подать на R“1”, то на ПРЯМОМ выходе будет “0”.
А на нижней схеме рисунка 1 видно, что с RSтриггера снимается ИНВЕРСНОЕ (Рисунок 2) значение.
Рисунок 2. Выход триггера
Что означает:
Если подать на S “1”, то на ИНВЕРСНОМ выходе устанавливается “0”.
Если подать на R“1”, то на ИНВЕРСНОМ выходе будет “1”.
Если от инверсного выхода идти к выходу самой микросхемы (OUTна рисунке 1), то сигнал проходит через инвертор: рисунок 3.
Рисунок 3. Инвертор.
А это значит, что сигнал с ИНВЕРСНОГО выхода триггера ИНВЕРТИРУЕТСЯ, следовательно, становится прямым:
Если подать на S “1”, то на выходе МИКРОСХЕМЫустанавливается “1”.
Если подать на R“1”, то на выходе МИКРОСХЕМЫбудет “0”.
Теперь рассмотрим, как на входы “R” и “S” триггера подается логический “0” или “1”. А делается это с помощью операционных усилителей, на основе которых собраны компараторы: рисунок 4.
Рисунок 4. Компараторы.
Операционные усилители нужны, чтобы подавать на входы RSтриггера напряжение логического уровне, тогда как на входы компараторов (2 и 6 входы микросхемы) подается аналоговый сигнал в виде нарастающего или спадающего напряжения.
Что же сравнивают компараторы?
А сравнивают они напряжение входа с опорным напряжением, снимаемым с резистивного делителя напряжения, который делит напряжение на два уровня (без учета уровня питания и уровня земли): рисунок 5.
Рисунок 5. Резистивный делитель напряжения.
Как видно на рисунке 5 номиналы всех резисторов одинаковые: по 5кОм. Значит на верхний компаратор на ИНВЕРСНЫЙ вход (минусовой) подается 2/3 напряжения питания, а на нижний компаратор на ПРЯМОЙ вход (плюсовой) подается 1/3 напряжения питания. С этими значениями и будут сравниваться поступающие из вне значения:
THRESHOLDсравнивается с 2/3Vcc. Если на THRESHOLD>2/3Vcc, то на Rподается логическая “1”, при этом, если на Sподан логический ”0”, то на ИНВЕРСОНМ выходе триггера будет “1”. На вход транзистора (рисунок 6) подан высокий потенциал (через базу пойдет ток, что позволит при прямом напряжении коллектор-эмиттер открыть транзистор)транзистор откроется и подтянет базу к выходу DISCHARGE (ножка 7). На ножке OUTPUT (нога 3) будет “0”.
TRIGGERсравнивается с 1/3VccЕсли на TRIGGER<1/3Vcc, то на Sподается логическая “1”, при этом, если на Rподан логический ”0”, то на ИНВЕРСОНМ выходе триггера будет “0”. На вход транзистора (рисунок 6) подан низкий потенциал транзистор закрыт и НЕ подтянет базу к выходу DISCHARGE (ножка 7). На ножке OUTPUT (нога 3) будет “1”.
Мультивибратор
Когда рассмотрен принцип действия данной микросхемы можно рассмотреть работу мультивибратора на основе 555 микросхемы. Схема мультивибратора приведена на рисунке 6.
Рисунок 6. Схема мультивибратора.
Принцип работы по пунктам:
1) Выход 5 CONTROLVOLTAGEиспользоваться не будет (он изменяет уровни сравнения: напряжение сравнения верхнего компаратора станет равно напряжению на ножке CONTROLVOLTAGE, а для нижнего компаратора 1/2напряжению на ножке CONTROLVOLTAGE), поэтому его через конденсатор цепляем на землю, чтобы убрать помехи.
2) Vcc (8 ножка)цепляется на “+” источника питания от 4.5В до 16В.
3) GND (1 ножка) на землю (“–” питания).
4) Reset (4 ножка) цепляется к Vcc, чтобы разрешить триггеру работать, если на Resetподключить землю, то ШИМ не будет формироваться (это можно использовать для обеспечения сдвига по фазе между несколькими такими схемами: чтобы схемы выдавали высокий сигнал по очереди).
5) TRIGGER и THRESHOLDподключаются к конденсатору. Сразу стоит cказать, что на выходе (ножка 3) образуется “0”, если THRESHOLD>2/3Vcc. На выходе образуется “1”, если TRIGGER<1/3Vcc.
6) Если напряжение THRESHOLD>2/3Vcc, то с 7 ножки DISCHARGEподтягивается земля, в которую начинает уходить высокий потенциал (разряжаться конденсатор C1). В течении этого времени на выходе будет логический “0”. Как только напряжение на С1 упадет до 1/3Vcc (TRIGGER<1/3Vcc) то ножка DISCHARGEзакроется, а значит конденсатор вновь начнет заряжаться.
Математика и расчеты мультивибратора
Рассмотрим, как заряжается и разряжается конденсатор C1:
1)При зарядке C1 заряжается через R1 и R2 (после некоторого времени после включения, то есть после зарядки С1 до 1/3Vcc) от 1/3Vccдо 2/3Vcc. Можно написать уравнение:
2) При разрядке конденсатор С1 сбрасывает напряжение с 2/3Vccдо 1/3Vcc, только через резистор R2.
3)Период T=t1+t2. Скважность равна T/t2.
И последнее: Выбирать резисторы R2 и R1 нужно с учетом, что ток через DISCHARGE во время разрядки конденсатора не должен превышать номинальный (100nA). Тут стоит учесть, что ток течет как из конденсатора, так и из источника. Формула расчета этого тока приведена ниже:
Для достоверности формул проведу эксперимент в EWB:
Расчеты по формуле:
На рисунке 7 приведена исследуемая схема:
Рисунок 7. Исследуемая схема.
Результаты в EWB приведены на рисункех 8 и 9:
рисунок 8. Период ШИМ.
Период примерно 98мс. Расчеты и эксперимент совпадают.
Рисунок 9. Длительность зарядки С1.
Высокий уровень примерно длится 65мс, как и в эксперименте.
Как видно, приведенные математичческие формулы соответствуют модели, однако стоит проверить теорию в реальной жизни. К данной статье приложу видео, в котором провожу данный эксперимент.