Генераторы импульсов (мультивибраторы) для цифровых устройств можно реализовать на базе логических элементов. Классическая симметричная схема мультивибратора содержит два инвертора (например ТТЛ) с резистивно-емкостной обратной связью (рис.11.22,а). Если в начальный момент t = 0 на выходе инвертора D1 имеется высокое напряжение u1 = U 1, то конденсатор С1 перезаряжается и его ток создает высокое напряжение на резисторе R1 (входе инвертора D2). В силу низкого значения напряжения на выходе инвертора D2 ток через конденсатор С2 практически отсутствует, что обеспечивает низкий уровень напряжения на входе инвертора D1.
Рис.11.22. Схема мультивибратора на ЛЭ (а) и диаграммы работы (б)
По мере разряда конденсатора С1 ток его уменьшается и напряжение u20 снижается. При его равенстве напряжению переключения u20 = Uп в момент t1 происходит смена состояния инвертора D2 и установление на выходе высокого напряжения u2 = U 1. Перепад напряжения с выхода через конденсатор С2 передается на вход инвертора D1, вызывая его переключение. Далее происходит процесс перезаряда конденсатора С2 до следующего переключения в момент t2. Период повторения импульсов для симметричного мультивибратора R1 = R2 = R и С1 = С2 = С при небольшом выходном сопротивлении инвертора rвых < R определяется соотношением
.
Существует множество способов построения мультивибраторов и генераторов последовательностей импульсов отличной от прямоугольной формы. Широкое распространение получили генераторы линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН) и разных типов треугольных («пилообразных») импульсов, которые применяют в блоках развертки осциллографов, формирователях заданного временного сдвига и других приложениях. Импульсы требуемой формы получают соответствующим выбором цепей положительной и отрицательной обратных связей.
Генератор импульсов треугольной формы можно получить с помощью триггера Шмитта и интегратора (рис.11.23,а).
Рис.11.23. Структура генератора (а), его схема (б) и диаграммы работы (в)
Интегратор и триггер реализованы на ОУ с положительной ОС (рис.11.23,б). На вход интегратора поступает напряжение с выхода триггера. В результате интегрирования на выходе образуется линейно спадающее или нарастающее напряжение . При достижении порога срабатывания триггера V1 или V2 происходит его переключение, и знак линейного изменения напряжения становится противоположным (рис.11.23,в). Период колебаний генератора практически не зависит от порогов срабатывания триггера.
Генераторы линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН) строят по такому же принципу с использованием ключа s для обеспечения быстрого разряда емкости интегратора (рис.11.24,а).
Рис.11.24. Структура (а), схема (б) и диаграммы работы (в) ГЛИН
В качестве ключа обычно используют транзистор Т, управляемый выходным сигналом быстродействующей схемы сравнения (компаратора) D2 (рис.11.24,б). При низком уровне напряжения на выходе компаратора транзистор закрыт, конденсатор С заряжается и выходное напряжение интегратора изменяется по линейному закону (рис.11.24,в). В момент равенства выходного напряжения опорному сигналу компаратор выдает на выходе высокое напряжение, которое открывает транзистор, обеспечивая быстрый разряд емкости интегратора. Схема возвращается в исходное состояние и процесс интегрирования повторяется.
В микроэлектронных устройствах нашли применение многофункциональные ИМС генераторов импульсов. Универсальная схема таймера содержит набор элементов, необходимых для построения различных генераторов (рис.11.25,а). В структуру таймера входят два компаратора D1 и D2, RS триггер, разрядный транзистор Т и буферный усилитель (инвертор). Для получения автоколебаний заданной формы необходимо подключить к таймеру источник напряжения V и внешние компоненты R1, R2 и С (рис.11.25,б). Внутренний резистивный делитель задает на входах компараторов уровни напряжений uα = V/ 3 и uβ = 2V/ 3.
Рис.11.25. Структура таймера (а), схема блока (б) и диаграммы работы (в)
В момент включения электропитания конденсатор С разряжен u2 = 0 и высокое выходное напряжение компаратора D1, поданное на вход R триггера обеспечивает его состояние Q = 0 и соответственно высокое напряжение на выходе u3 = U1. При этом транзистор Т закрыт и конденсатор С заряжается от источника V через последовательно соединенные резисторы R1 и R2: , где τ1 = (R1+R2)С (рис.11.25,в). В момент времени t1 при выполнении условия u2(t1) = 2V/ 3 напряжение на неинвертирующем входе компаратора D2 достигнет уровня срабатывания и на его выходе появится высокое напряжение, которое вызовет опрокидывание триггера и отпирание транзистора Т. Конденсатор будет разряжаться через открытый транзистор и резистор R2: где τ2 = R2С. Процесс разряда продолжается до момента времени t2, когда u2(t2) = V/ 3 и триггер возвращается в исходное состояние. Режим перезаряда конденсатора приводит к периодическому переключению триггера и изменению уровней напряжения на выходе.
Подбирая внешние компоненты можно получить колебания различной формы в широком частотном диапазоне.
|