Зайцев А.П. Общая электротехника и электроника. Учебное пособие: Часть II

91

8.3 ГЕНЕРАТОРЫ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ ИМПУЛЬСОВ

Генераторы прямоугольных импульсов могут иметь различные прин-

ципы работы (мультивибраторы, блокинг-генераторы) и различное испол-

нение (на дискретных элементах, на логических элементах, на ОУ). Огра-

ничимся рассмотрением лишь мультивибраторов на основе ОУ и логиче-

ских элементов.

Все мультивибраторы могут работать как в автоколебательном, так и

ждущем режимах. Схема автоколебательного мультивибратора представ-

лена на рис. 8.15. Резисторы R

1

и R

2

образуют положительную обратную

связь, благодаря которой и возникает автоколебательный режим работы.

Резистор R включен в цепь отрицательной обратной связи и предназна-

чен в основном для установки требуемого значения и стабилизации коэф-

фициента усиления ОУ по инвертирующему входу.

В зависимости от полярности напряжения на выходе, которое может

принимать значения напряжения источника питания (либо +Е

пит

, либо

-Е

пит

), на неинвертирующем входе ОУ (рис. 8.16) соответственно поляр-

ности выходных напряжений устанавливаются напряжения

U

+1

=Е

пит

R

2

/(R

1

+R

2

) или U

+2

= - Е

пит

R

2

/(R

1

+R

2

). (8.5)

вых

U

+

U

U_U

c

=

Рис. 8.15

92

Рис. 8.16

Конденсатор С входит в цепь отрицательной обратной связи. Он переза-

ряжается в зависимости от состояния выхода ОУ с постоянной времени

τ

=

=RC. Напряжение на конденсаторе U

c

равно напряжению U_ на инверти-

рующем входе. Оно стремится принять уровень напряжения +Е

пит

, либо

уровень напряжения -E

пит

. До момента времени t

1

напряжения U

+

- U_ =

=U

+1

– U

c

> 0, операционный усилитель находится в режиме насыщения и

на его выходе устанавливается напряжение +Е

пит

. С момента времени t

1

разность U

+

- U_ изменяет знак, и на выходе ОУ устанавливается напря-

жение -E

пит

.

До момента времени t

2

U

+

- U_ = U

+2

– U

c

< 0 и выходное на-

пряжение ОУ удерживается на уровне -E

пит

.

С момента времени t

2

раз-

ность U

+

- U_ снова изменяет знак, и процессы в схеме повторяются, т.е. в

схеме имеет место автоколебательный режим работы.

Период повторения импульсов Т определяется выражением

(8.6)

.

R

lnRCT













+=

1

2

212

U_

2

U

+

1

U

+

пит

Е-

пит

Е-

пит

Е+

пит

Е+

вых

u

RC

=

τ

t

1

t

2

t

0

T

93

Если мультивибратор выполнить по схеме, показанной на рис. 8.17, то

благодаря наличию цепочек R

3 – D1 и R4 – D2 с различными по омическому

значению резисторами

постоянные времени

τ

1

=R

3

C и

τ

2=R

4

C будут отли-

чаться по величине, а в мультивибраторе установится несимметричный

режим работы.

U

вых

Uc=U_

U

+

Рис. 8.17

Каждая из диодных цепочек из-за встречного включения диодов под-

ключается к конденсатору С при разных полярностях выходного напряже-

ния. В остальном процессы в данной схеме полностью аналогичны процес-

сам в предыдущей схеме мультивибратора.

Мультивибраторы на основе логических ИМС (рис. 8.18) обычно при-

меняют в цифровой аппаратуре, так как при этом наиболее полно обеспе-

чивается унификация элементной базы и не требуется согласования по

уровням сигналов с другими устройствами цифровой аппаратуры.

Логические элементы МС3 и МС4 имеют вспомогательное назначение

и служат для создания мягкого самовозбуждения колебаний в схеме. При

включении схемы и возможном появлении на обоих выходах микросхем

МС1 и МС2 сигналов логической единицы срабатывают микросхемы МС3

и МС4. На вход МС2 поступает высокий уровень напряжения, который

вызывает переключение МС2 в состояние логического нуля на выходе и

приводит к возникновению режима автоколебаний.

Временные диаграммы, поясняющие работу схемы, показаны на рис.

8.19. В момент времени t

1

происходит смена состояний микросхем МС1 и

МС2. Напряжение U

вых2

изменяется от уровня логического нуля U

0

до

уровня логической единицы U

1

. В переходном процессе напряжение на

конденсаторе С2 изменяется по закону

94

(8.7)

где

0

2

0

2

вхвх

R

I;RIU = – входной ток микросхемы при низком уровне

входного напряжения; t – время, отсчитываемое от начала переходного

процесса.

Рис. 8.18

Входное напряжение U

вх1

через промежуток времени t

и

примет значе-

ние порогового напряжения (напряжения, при котором микросхема МС1

переключится в единичное состояние):

(8.8)

где – ток заряда конденсатора С

2

.

Из последнего уравнения следует

(8.9)

В момент времени t

2

микросхемы МС1 и МС2 изменят свое состояние

на противоположное.

),e)(UUU(U

CR

t

R

c

21

1

0

2

1

2

−

−−+=

.ln

0

2

1

21

пор

R

и

U

UUU

CRt

−+

≈

,e)UUU(

d

t

dU

CRRiUU

CR

t

R

c

Rпорвх

и

21

0

2

1

2

21111

−

−+==≈=

d

t

dU

Ci

C

R

2

21

=

95

Рис. 8.19

В силу идентичности процессов заряда конденсатора С

1

во время пау-

зы

t

п

и заряда конденсатора С

2

во время t

и

длительность паузы приближен-

но определится выражением

(8.10)

На рис. 8.20 показана схема ждущего мультивибратора (одновибрато-

ра) на основе ОУ.

Назначение ждущего мультивибратора заключается в том, чтобы на

выходе формировать одиночный импульс заданной длительности и ампли-

U

вх

U

вх2

U

вых1

U

вых2

U

0

вых

U

0

вых

U

1

вых

U

1

вых

t

1

t

2

t

3

t

и

t

п

R

1

C

2

R

2

C

1

U

по

р

U

по

р

U

R2

U

R1

T

.ln

0

2

1

12

пор

R

п

U

UUU

CRt

−+

≈

96

туды, который бы совпадал по переднему фронту с одиночным входным

прямоугольным импульсом. Другими словами, ждущий мультивибратор

предназначен для нормирования параметров выходного импульса.

От схемы автоколебательного мультивибратора схема ждущего муль-

тивибратора отличается только входными цепями. На инвертирующем

входе включен диод D

2, обеспечивающий ждущий режим, а на неинверти-

рующем – запускающая цепь на элементах C

1, R3, D1. Схема может нахо-

диться только в одном устойчивом состоянии, когда на выходе установле-

но отрицательное напряжение -

E

пит

.

Рис. 8.20

Диаграммы напряжений в различных точках ждущего мультивибратора

показаны на рис. 8.21.

В начальном состоянии, когда на выходе ОУ установилось напряжение

- E

пит

, диод D2 находится в проводящем состоянии и замыкает накоротко

конденсатор С. При этом напряжение на инвертирующем входе U_

≈

0, а на

неинвертирующем входе напряжение

U

+

=U

+2

= -E

пит

R

2

/(R

1

+R

2

), диффе-

ренциальное напряжение

U

+

- U_

<

0, диод D1 закрыт. В момент времени t

1

входной сигнал U

вх

открывает этот диод, на неинвертирующий вход по-

ступает положительный сигнал, и на выходе ОУ устанавливается положи-

тельное напряжение

+E

пит

. Этим напряжением диод D2 запирается, а кон-

денсатор С заряжается с постоянной времени

τ

= RC. При этом напряже-

ние

U

+1

= E

пит

R

2

/(R

1

+R

2

). С момента времени t

2

дифференциальное на-

пряжение

U

+

- U_

>

0, на выходе ОУ устанавливается отрицательное на-

пряжение

-E

пит

, и конденсатор С начинает перезаряжаться от этого напря-

жения.

вых

u

вх

u

97

Рис. 8.21

В момент времени t

3

(момент перехода напряжения на конденсаторе С

от положительной полярности к отрицательной) открывается диод D

2, за-

корачивая конденсатор. Схема приходит в исходное состояние и находится

в нем до прихода очередного запускающего входного импульса

8.4 ГЕНЕРАТОРЫ ЛИНЕЙНО ИЗМЕНЯЮЩЕГОСЯ

НАПРЯЖЕНИЯ

Генераторы линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН) широко при-

меняются в импульсной электронике (формирователи широтно-

модулированных импульсных последовательностей, задатчики линейно

изменяющегося напряжения и т.д.).

Как правило, ГЛИН в обязательном порядке содержат в качестве пер-

вичного формирователя инерционную

RC-цепь. Из теории линейных элек-

трических цепей известно, что если конденсатор заряжать или разряжать

постоянным по величине током, то напряжение на нем будет изменяться

вх

U

1+

U

−

U

1+

U

+

U

2+

U

вых

U

пит

Е+

пит

Е

+

пит

Е

−

0

t

1

t

2

t

3

t

98

по линейному закону. Именно этот принцип положен в основу работы ка-

чественных ГЛИН. В более простых ГЛИН в качестве линейно изменяю-

щегося напряжения используют начальный участок экпоненциального на-

пряжения заряда конденсатора от источника постоянного напряжения.

ГЛИН могут быть выполнены на дискретных элементах, цифровых эле-

ментах, ОУ и т.д. Рассмотрим одну из возможных схем ГЛИН на основе

ОУ, представленную на рис. 8.22,

а. В момент времени t

1

(рис. 8.22, б)

ключ К размыкается под воздействием внешнего сигнала, и начинается

прямой ход.

Рис. 8.22

В момент времени t

2

ключ замыкается, конденсатор С разряжается, и

на выходе устанавливается нулевое напряжение.

Во время прямого хода конденсатор заряжается почти постоянным то-

ком, чем обеспечивается линейный характер напряжения на нем, а следо-

вх

U

вых

U

Е

с

U

c

i

R

i

−

i

а

б

2

t

1

t

0

вых

U

а)

б)

99

вательно, и на выходе схемы. При открытом ключе К протекающий через

резистор R ток определяется как

i

R

= (E – U

вх

) ≅ E/R = const, если считать

операционный усилитель идеальным (

К

у

→∝, U

вх

→0, i_→0). Выходное на-

пряжение определяется как

(8.11)

Согласно первому правилу Кирхгофа,

i

R

= i

C

+ i_

≈

i

C

. Тогда

(8.12)

Последнее выражение подтверждает линейный закон изменения вы-

ходного напряжения.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.

Какие бывают разновидности полупроводниковых ключей на

биполярных транзисторах?

2.

В каких случаях применяют ненасыщенные ключи на биполярных

транзисторах?

3.

Для чего предназначены аналоговые транзисторные ключи?

4.

В чем заключается преимущество ключей на полевых транзисторах?

5.

Какие бывают виды амплитудных ограничителей?

6.

На каких активных элементах выполняют генераторы прямоуголь-

ных импульсов?

7.

Каким образом достигается высокая линейность выходных импуль-

сов у генераторов линейно изменяющегося напряжения?

.dti

C

UUUU

t

CCвхCвых

∫

−=−=+−=

0

1

∫∫

−=−=−=

tt

Rвых

t.

RC

E

dt

R

E

C

dt i

С

U

00

11

100

Глава 9. ЦИФРОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

9.1 СИСТЕМЫ СЧИСЛЕНИЯ

9.1.1 Определение цифровых устройств

Цифровые устройства оперируют с цифровыми сигналами. В цифро-

вом сигнале имеются только два уровня напряжения, например: +5 В и

О В. Для цифровых электронных схем существенны только два значения

напряжения: высокий и низкий уровни. Электронные устройства, в ко-

торых применяются сигналы только двух типов (с высоким и низким уров-

нем), называются цифровыми устройствами. Высокий уровень (+5 В)

называется логической единицей, а низкий уровень (О В) - логическим ну-

лем. Для генерации и обработки цифровых сигналов применяются в ос-

новном интегральные схемы (ИС).

9.1.2 Числа, используемые в цифровой электронике

Счет в десятичной и двоичной системах счисления. Системы счисле-

ния - это код, в котором используют специальные символы для обозна-

чения количества каких-либо объектов. В десятичной системе применяют

10 символов. В двоичной системе счисления используют только два сим-

вола – 0 и 1, и поэтому ее называют системой счисления с основанием 2.

Символы Символы

десятичной системы двоичной системы

0 0

1 1

2 10

3 11

4 100

5 101

6 110

7 111

8 1000

9 1001

Заметим, что обозначения нуля и единицы в двоичной и десятичной

системах совпадают.

Вес разряда. Возьмем десятичное число 648.

сотни дес. ед.

648 = 600 + 40 + 8

Цифра 6 обозначает число 600, так как по своему положению она за-

нимает третий разряд слева после десятичной точки. Цифра 4 представля-

ет число 40, цифра 8 - число 8.

Зайцев А.П. Общая электротехника и электроника. Учебное пособие: Часть II

Подождите немного. Документ загружается.