Автоколебательный мультивибратор на логических элементах

Мультивибраторами называются импульсные устройства, которые находятся в состоянии квазиравновесия или имеют не более одного состояния устойчивого равновесия. Мультивибраторы относятся к классу устройств релаксационного типа, у которых происходит заряд или разряд конденсаторов в цепях обратной связи. Мультивибраторы преобразуют энергию источника постоянного тока в энергию электрических колебаний.

Мультивибраторы могут работать в одном из трех режимов: автоколебаний; ждущем; синхронизации. На практике чаще применяются устройства, использующие первые два режима.

В режиме автоколебаний мультивибратор обладает двумя временно устойчивыми состояниями. Мультивибратор переходит из одного состояния квазиравновесия в другое без внешних воздействий, генерируя импульсы.

В ждущем режиме работы мультивибратор имеет устойчивое состояние равновесия и состояние квазиравновесия, в которое он переходит под действием внешнего запускающего импульса.

В режиме синхронизации на автоколебательный мультивибратор подается синхронизируемый сигнал. Время пребывания в состояниях квазиравновесия зависит не только от параметров мультивибратора, но так же от периода синхронизирующего напряжения. При снятии синхронизирующего напряжения мультивибратор работает в автоколебательном режиме.

Мультивибраторы на логических интегральных элементах

При работе мультивибраторов в цифровых устройствах они обычно выполняют вспомогательные функции, к ним не предъявляется жестких требований по стабильности временных параметров генерируемых сигналов.

В качестве элементов мультивибратора используются те же элементы, что и для всего цифрового устройства, это позволяет унифицировать элементную базу и обеспечить хорошее их согласование с цифровой аппаратурой. Использование ключевого режима работы транзисторов в цифровых логических элементах означает, что в автоколебательных мультивибраторах возбуждение колебаний может быть жестким.

Мультивибраторы, работающие в автоколебательном режиме, строятся

по схемам с постоянным и автоуправляемым смещением.

Автоколебательный мультивибратор с постоянным смещением

Схема автоколебательного мультивибратора с использованием логических элементов И–НЕ приведена на рис. 9.37. Логические элементы D1 и D2 выполняют роль инверторов. Резисторы R1 и R2 совместно с конденсаторами С1 и С2 выполняют роль времязадающих цепей мультивибратора. Диоды VD1, VD2, шунтирующие резисторы, защищают входы схемы от больших выбросов напряжений, возникающих на резисторах при разряде конденсаторов через насыщенные выходные транзисторы элементов D1, D2.

Мультивибратор работает следующим образом. Предположим, что на промежутке времени 0 ≤ t ≤ t1 логический элемент D1 закрыт, а D2 открыт. На выходе D1 действует высокий уровень напряжения (U1вых), которым заряжается конденсатор С1. На резисторе R2 создается падение напряжения, которое во времени уменьшается по экспоненциальному закону (рис. 9.37,б) и, поступая на вход элемента D2, удерживает его в открытом состоянии. Постоянная цепи заряда конденсатора C1 определяется выражением τз = R2*C1. За время заряда конденсатора C1 происходит разряд конденсатора C2 по цепи: нижняя обкладка конденсатора C2, насыщенный транзистор инвертора элемента D2, корпус, диод VD1, верхняя обкладка конденсатора C2. Время разряда конденсатора C2 определяется выражением

Как только напряжение на входе элемента D2 станет меньше порогового Uпор, он начинает закрываться. Увеличение напряжения Uвых2 через конденсатор С2 передается на вход элемента D1, который начинает открываться. Уменьшение Uвых, через конденсатор С1 передается на вход элемента D2, схема начинает переходить во второе квазиравновесное состояние. После этого конденсатор C2 начнет заряжаться, а C1 – разряжаться.

Длительность импульса и паузы определяется по формулам

Автоколебательные мультивибраторы с автоуправляемым смещением

Мягкий режим возбуждения можно обеспечить при помощи дополнительных логических элементов, исключающих срыв колебаний. В зависимости от сочетания уровня выходного напряжения на дополнительных логических элементах вырабатывается управляющее напряжение смещения, исключающие жесткий режим работы.

Схема мультивибратора с автоуправляемым смещением представлена на рис. 9.38. Мультивибратор состоит из симметричного мультивибратора (D1, D2, С1, С2, R1, R2, VD1 и VD2) и схемы выработки управляющего напряжения смещения (собранной на элементах D3 и D4). Логический элемент D3 осуществляет логическую операцию И–НЕ, а элемент D4 служит инвертором.

Жесткое самовозбуждение мультивибратора будет тогда, когда элементы D1 и D2 одновременно открыты. Для предотвращения этого режима на логические

входы элементов D1 и D2 подают положительное напряжение. Это осуществляется таким образом: на входы элемента D3 подаются уровни высокого напряжения U1вых

с выходов мультивибратора. Под действием этих сигналов элемент D3 открывается, и его низкое выходное напряжение поступает на вход инвертора D4. Высокое выходное напряжение U1вых с выхода элемента D4 поступает через резисторы R1 и R2 на входы D1, D2, открывая их, обеспечивая мягкий режим самовозбуждения мультивибратора.

При одновременном открывании элементов D1 и D2 на их выходах формируется низкое напряжение U0вых, которое, поступая на вход элемента D3, закрывает его. На выходе элемента D3 формируется высокое напряжение U1вых, которое открывает инвертор D4. Резисторы R1 и R2 через малое выходное напряжение подключаются на корпус, замыкая входы мультивибратора на корпус. Элементы D1 и D2 начинают закрываться, что приводит к возбуждению колебаний мультивибратора.

В режиме автоколебаний логические элементы D1 и D2 поочередно находятся в открытом и закрытом состояниях. Элемент D4 будет всегда открыт и замыкать резисторы R1 и R2 на корпус.

Регулировка длительности и периода повторения импульсов осуществляется дискретно с помощью конденсаторов C1 и С2.

Дата добавления: 2015-02-10 ; просмотров: 388 ; Нарушение авторских прав

Мультивибраторы на операционном усилителе имеют ограниченный частотный диапазон из-за сравнительно низкого быстродействия операционного усилителя. Применение логических элементов позволяют получить частоты генерации до единиц гегогерц. Существует множество схем мультивибраторов на логических элементах, ограничимся одной, приведенной на рис. 6.10.

Рис. 6.10 Автоколебательный мультивибратор на логических элементах

Временные диаграммы напряжений МВ приведены на рис. 6.11.

Рис. 6.11 Временные диаграммы напряжений мультивибратора

Будем считать, что переключение логических элементов происходит при напряжении равном половине питания, уровень логической единицы равен напряжению питания, уровень логического нуля совпадает с потенциалом общей точки, что справедливо для КМОП логики.

Исходное состояние логических элементов после подачи напряжения питания может установиться в одно из двух состояний. Предположим, что в начальный момент напряжение на конденсаторе С1 равно нулю, напряжение U₁ равно единице, соответственно напряжение U_ВЫХ равно нулю. Конденсатор заряжается по цепи . Напряжение на входе элемента DD1 повторяет напряжение конденсатора С1 (сопротивление R2 много меньше входного сопротивление логического элемента КМОП типа).

Когда напряжение конденсатора достигнет порога переключения логического элемента DD1, равного , элемент DD1 переключится, его нулевое выходное напряжение приведет к переключению элемента DD2, что вызовет скачок напряжения на входе элемента DD1. Схема перейдет в новое состояние: на выходе элемента DD1 логический ноль, на выходе элемента DD2 логическая единица. Напряжение . Конденсатор перезаряжается по цепи . Когда напряжение U3 достигнет порога переключения, схема вернется в начальное состояние: на выходе элемента DD1 логическая единица, на выходе элемента DD2 логический ноль. Конденсатор начнет заряжаться по цепи , то есть процесс повторяется бесконечно.

Импульс и пауза имеют одинаковую длительность, которую определим по времени перезаряда емкости от напряжения до напряжения , при перепаде напряжения

, отсюда

, соответственно

, . (6.16)

Входы логических элементов КМОП типа защищены по входу на уровне питания защитными диодами. Чтобы заряд конденсатора, когда , не вывел защитные диоды из строя, установлен резистор . Резистор и защитные диоды дополнительно разряжают конденсатор С₁ при , соответственно, формула (6.16) дает приближенное (больше реального) значение длительности периода.

При использовании в мультивибраторе TTЛ-логики, для расчета длительности периода используют номограмму, так как невозможно получить точные расчетные соотношения.

Мультивибратор на логических элементах

Если посмотреть на путь развития радиоэлектроники, то нетрудно заметить, что прогресс двигался не только от простого к сложному, но и от большого и громоздкого к маленькому и даже миниатюрному. Современное развитие нанотехнологий позволяет создавать устройства, которые можно увидеть только в микроскоп, хотя в обозримом прошлом они имели размеры с хороший стол .

Такое несложное устройство как мультивибратор изначально собиралось на электронных лампах, затем наступила очередь транзисторов. На сайте уже рассказывалось о том, как собрать мультивибратор на транзисторах.

На смену транзисторам пришли интегральные схемы с малой степенью интеграции. Сначала микросхемы выполнялись на биполярных транзисторах. Самой недорогой и широко распространённой была серия К155 (К133 её полный аналог, выпускавшийся в планарном корпусе и используемый в оборонной промышленности).

К сериям ТТЛ логики относятся 155, 555, 1533 серии. Их отличает высокое быстродействие и работа на более высоких частотах, но и большой потребляемый ток.

Основным недостатком ТТЛ логики был большой ток потребления и жёсткая привязка к напряжению питания + 5 вольт. В состав серии входил полный набор логических элементов, в том числе широко известная микросхема К155ЛА3, на которой собрать симметричный мультивибратор было очень просто. Микросхема содержала четыре логических элемента 2И – НЕ.

На двух элементах собирался сам мультивибратор, а ещё два элемента можно было использовать как инверторы и для формирования фронтов импульсов. Логические элементы могут быть с любым числом входов, так как в любом случае они объединяются и логический элемент используется как инвертор.

Вот классическая схема симметричного мультивибратора на двух логических элементах 2ИЛИ – НЕ (2И – НЕ). Здесь указана микросхема 561 серии. Её можно заменить на любую микросхему из серий приведённых ниже.

Большее распространение получили микросхемы 176, 561, 564, 1561 серии, выполненные по КМОП технологии, то есть не на биполярных, а на полевых транзисторах с изолированным затвором, что позволило снизить потребляемый ток до десятков микроампер.

Серии на КМОП структурах удобны тем, что они не критичны к напряжению питания, например микросхемы серии 1561 работоспособны при напряжении питания от 3 до 18 вольт. Но эти микросхемы, как и полевые транзисторы смертельно боятся статического электричества. При работе с ними паяльник рекомендуется заземлять, а на руку надевать специальный браслет так же соединённый с общим проводом. Иначе можно испортить микросхему.

При соблюдении равенств R1=R2, C1=C2 период следования импульсов определяется по формуле: T=1,4*R*C.

Симметричный мультивибратор легко собирается на интегральном D триггере. У него имеются вход установки SET, сброса RESET, счётный вход С, вход D ( задержка) и два выхода прямой и инверсный.

На схеме видно, что входы C и D соединены между собой и заземлены, а сам триггер за счёт заряда-разряда конденсаторов С1 и С2 по входам установки и сброса переходит из одного состояния в другое 100 раз в секунду.

Мультивибраторы широко применяются во всевозможных радиолюбительских конструкциях, но поскольку единственное, что делает мультивибратор, это генерирует импульсы определённой частоты, то область применения таких схем достаточно узка. Хотя часто мультивибратор используется в более сложных схемах в качестве, например, генератора тактовой частоты.

Вот схема простейшего электронного звонка на двух логических элементах 2И – НЕ (пример). Кнопка включения на схеме не показана, через неё подаётся напряжение питания, и мультивибратор сразу начинает работать.

С помощью подстроечных резисторов можно поэкспериментировать с частотой и длительностью импульсов. Так же можно менять ёмкости конденсаторов. Для усиления сигнала лучше использовать усилительный каскад на одном транзисторе.

Вот более сложная схема мелодичного электронного звонка на двух мультивибраторах и усилительном каскаде на транзисторе VT2. Данную схему усилительного каскада можно использовать и в первой схеме. Поскольку здесь применяется микросхема К176ЛА7 на КМОП структуре напряжение питания можно выбрать от 4 до 12 вольт, главное соблюдать все требования по защите от статического электричества.

Очень часто бывает так, что правильно собранная схема не работает. Это означает то, что микросхема скорее всего вышла из строя по причине электростатического пробоя.

Напряжение питания от блока питания подключается через кнопку в точку соединения коллекторов транзисторов VT1 и VT2. Схема представляет собой два мультивибратора.

Первый управляет работой второго. За счёт разных величин ёмкостей конденсаторов С1 и С3, на выходе получается модулированное переливчатое звучание. С помощью резисторов PR1 и PR2 можно регулировать частоту каждого генератора, тем самым меняя характер звучания.

Если подойти к работе творчески и использовать несколько мультивибраторов то, настроив их на определённые ноты можно получить звучание аккорда. Для этого придётся использовать логические элементы с большим числом входов для объединения генераторов по схеме логическое «И».