Генератори імпульсів (мультівібратор, автогенератори).

Варіант найпростішого генератора (мультівібратор) показано на рис. 1а.

Рис.1. Генератор імпульсів на двох інвертора
Рис.1. Генератор імпульсів на двох інвертора

Схема має два динамічних стану. У першому з них, коли на виході D1.1 стан лог. "1" (вихід D1.2 лог. "0"), конденсатор С1 заряджається. У процесі заряду напруга на вході інвертора D1.1 зростає, і при досягненні значення Uпор = 0,5 Uпіт відбувається стрибкоподібний перехід у другу динамічний стан, в якому на виходах D1.1 лог. "О", D1.2 – "1". У цьому стані відбувається перезаряд ємності (розряд) струмом зворотного напрямку. При досягненні напруги на С1 Unop відбувається повернення схеми в першому динамічний стан. Діаграма напруг пояснює роботу. Резистор R2 є обмежувальним, і його опір не повинно бути менше 1 кОм, а щоб він не впливав на розрахункову частоту, номінал резистора R1 вибираємо значно більше R2 (R2 <0,01 R1). Обмежувальний резистор (R2) іноді встановлюють послідовно з конденсатором. При використанні неполярної конденсатора С1 тривалість імпульсів (tі) і пауза (tо) будуть майже однаковими: tі = to = 0,7 R1C1. Повний період T = 1,4 R1C1. Резистор R1 і конденсатор С1 можуть знаходитися в діапазоні 20 к0м … 10 МОм; 300 ПФ … 100 мкФ.

При використанні в схемі (рис. 1б) двох інверторів мікросхеми К561ЛН2 (вони мають на вході тільки один захисний діод) перезаряд конденсатора буде відбуватися від рівня Uпіт + Unop. У результаті чого симетричність імпульсів порушується tі = 1,1 R1C1, to = 0,5 R1C1, період T = 1,6 R1C1.

Так як поріг перемикання логічних елементів не відповідає точно половині напруги живлення, щоб отримати симетричність імпульсів, в традиційну схему генератора можна додати ланцюг з R2 і VD1, рис. 1в. Резистор R2 дозволяє підстроюванням отримати меандр (tі = to) на виході генератора.

Рис 2. Генератор імпульсів з роздільним установкою тривалості імпульсу і паузи між ними
Рис 2. Генератор імпульсів з роздільним установкою тривалості імпульсу і паузи між ними.

Схема на рис. 2 дає можливість роздільно регулювати тривалість і паузу між імпульсами: tі = 0,8 C1R1, to = 0,8 C1R2. При номіналах елементів, зазначених на схемі, тривалість імпульсів близько 0,1 с, період повторення 1 с.

Рис. 3. Генератор імпульсів на трьох інвертора
Рис. 3. Генератор імпульсів на трьох інвертора.

Більш стабільна частота у генераторів, виконаних на трьох інвертори (Мал. 3). Процес перезарядження С1 у бік зменшення напруги на лівій обкладки починається від напруги Uпіт + Unop, в результаті чого на це йде більше часу tі = 1,1 C1R2. Повний період коливань складе T = 1,8 C1R2.

Рис. 4. Генератор імпульсів з роздільним регулюванням а) тривалості імпульсів і паузи між ними б) шпаруватості імпульсів
Рис. 4. Генератор імпульсів з роздільним регулюванням а) тривалості імпульсів і паузи між ними б) шпаруватості імпульсів

На рис. 4 наведені схеми аналогічних генераторів, які дозволяють роздільно регулювати тривалість і паузу між імпульсами або при незмінній частоті регулювати шпаруватості імпульсів. Мультівібратор на основі тригера Шмідта показано на рис. 5.

Рис. 5. Генератор перекриваються імпульсів
Рис. 5. Генератор перекриваються імпульсів.

Якщо потрібно отримати на виході наведених вище схем генераторів симетричні імпульси без підстроювання, то після схеми необхідно ставити тригер або ж скористатися схемою на трьох інвертора, рис. 6.

Рис. 6. Генератор з симетричними імпульсами на виході.
Рис. 6. Генератор з симетричними імпульсами на виході.

Елемент D1.1 використовується для створення другої ланцюга негативного зворотного зв'язку, що охоплює інвертор D1.2 (головну ланцюг зворотного зв'язку для сигналу утворює резистор R5) Елемент мікросхеми D1.1 працює в режимі з низьким коефіцієнтом підсилення при замкнутої зворотного зв'язку подібно операційного підсилювача працює в лінійної частини характеристики У результаті цього Інвертований порогове напруга інвертора D1 1 може бути підсумував з напругою негативного зворотного зв'язку та подано на вхід елемента D1.2. Якщо співвідношення R2/R1 дорівнює відношенню R3/R5 може бути отримана повна компенсація помилок обумовлених зміною порогових напрузі елементів D1.1 і D1.2 При цьому передбачається, що всі елементи схеми розташовані в одному корпусі і їх порогові напруги фактично рівні Частота імпульсів такої схеми визначається зі співвідношення F = 1/R5C1 (вона буде приблизно в два рази вище в порівнянні зі схемою, показаної на рис. 1).

Рис. 7. Симетричні мультівібратор а) на RS тригері з двома конденсаторами, б) з одним конденсатором, в) з резисторами з'єднаними з джерелом живлення, г) на двох RS тригерах
Рис. 7. Симетричні мультівібратор а) на RS тригері з двома конденсаторами,
б) з одним конденсатором, в) з резисторами з'єднаними з джерелом живлення,
г) на двох RS тригерах

Симетричний мультівібратор можна виконати на основі RS-тригері, рис 7. Варіант схеми на рис. 7в дозволяє резистори R1 і R2 вибирати більш низькоомним, тому що діоди поділяють ланцюг заряду від виходів тригера. Другою перевагою цієї схеми є те, що вона дозволяє легко і незалежно регулювати в певних межах період і шпаруватості генерованих імпульсів. Шпаруватості можна регулювати лінійно, якщо R1 і R2 об'єднати в один потенціометр, а період – якщо загальний кінець R1 і R2 з'єднати з джерелом живлення через потенціометр. З метою зменшення кількості дискретних елементів запропонована схема мультівібратор на двох RS-тригерах, рис. 7г.

Рис. 8. Автогенератор на основі двох логічних елементів.
Рис. 8. Автогенератор на основі двох логічних елементів.

Симетричний мультівібратор можна виконати на двох ЛЕ, рис. 8 або одновібраторах, рис. 9.

Рис. 9. Автогенератор на двох одновібраторах.
Рис. 9. Автогенератор на двох одновібраторах.

Це також дозволяє мати роздільну регулювання тривалості імпульсів і інтервалу між ними.

Рис. 10. Симетричні мультівібратор.
Рис. 10. Симетричні мультівібратор.

Найпростіші схеми симетричних мультівібратор наведені на рис. 10. При цьому, якщо R1 = R2, R3 = R4, С1 = С2, повний період визначається зі співвідношення Т = 1,4 RC.

Рис. 11. Генератор імпульсів з підвищеною навантажувальною здатністю.
Рис. 11. Генератор імпульсів з підвищеною навантажувальною здатністю.

Генератор з малим споживанням енергії можна виконати на двох ключах мікросхеми К561КТЗ, рис. 11. Після включення напруги живлення обидва ключі розімкнуті. Конденсатор С1 розряджений, тому напруги на ньому немає, зарядний струм від джерела живлення протікає через послідовно включені резистори R1 і R2. Так як R1> R2, напруга на резисторі R2 не досягне порогу спрацьовування ключа D1.2, а надалі, у міру зменшення зарядного струму, цю напругу прагне до 0. У той же час у міру накопичення заряду на конденсаторі напруга на виводі D1/12 експоненціально зростає. Коли воно досягне порогу спрацьовування ключа D1.1, з'єднається ланцюг між висновками 11 і 10, що приведе до спрацьовування ключа D1.2. Відразу після замикання обох ключів нижня обкладка конденсатора С1 підключається до шини "+" живлення. Заряд, накопичений раніше на конденсаторі, не може змінитися миттєво, тому напруга на D1/12 стрибком зростає до рівня, що перевищує Uпіт на величину, рівну порога спрацьовування ключа D1.1. Після цього напруга на С1 починає зменшуватися з постійною часу, рівний C1R1R3 / (R1 + R3), і прагне досягти рівня, що задається подільником напруги на резистора R1, R3. У процесі перезарядження конденсатора напруга на С1 зменшиться до порога розмикання ключа D1.1. В результаті розвивається лавиноподібний процес розмикання обох ключів. Для захисту ключа D1.2 від негативного викиду напруги в схему вводиться діод. Після розмикання ключів конденсатор починає заряджатися через послідовно включені резистори R1 і R2 – описані вище процеси повторюються.

При заданій ємності конденсатора тривалість паузи між імпульсами регулюється t2 резистором R1, однак зміна тривалості паузи підбором резистора R1 призводить і до зміни тривалості імпульсу t1. Тому, щоб встановити потрібну тривалість імпульсу, не змінюючи паузу, необхідно скористатися резистором R3. Регулювання параметрів імпульсів здійснюється в широких межах, при цьому відношення t1/t2 може бути як менше, так і більше 1.

Щодо всіх автогенераторів на МОП мікросхемах можна відзначити, що якщо схема мультівібратор не симетрична, то зростає її чутливість до зміни напруги живлення (для мікросхем П'ятсот шістьдесят перші серії період може змінюватися на 35% при зміні Uпіт від 3 до 15 В), тому розрахункові співвідношення справедливі для максимальної напруги живлення.

Рис. 12. Найпростіші схеми мультівібратор з кварцовою стабілізацією частоти
Рис. 12. Найпростіші схеми мультівібратор з кварцовою стабілізацією частоти.

Рис. 13. Схеми забезпечують підвищену стабільність частоти
Рис. 13. Схеми забезпечують підвищену стабільність частоти при зміні навколишньої температури в широкому діапазоні

При стабілізованої харчуванні, зміна тривалості імпульсів мультівібратор і частоти в генераторах на RC-ланцюгах зазвичай не краще 1% на 15 ° С (у разі застосування термостабільні конденсаторів). Велику стабільність частоти можна отримати, використовуючи кварцову стабілізацію. На рис. 12 і 13 наведені типові схеми побудови таких генераторів. Для невеликої підстроювання частоти іноді послідовно з кварцовим резонатором встановлюють конденсатор 10 … 100 пФ. Частота імпульсів і їх стабільність в цьому випадку у генератора задається параметрами кварцового резонатора.

Джерело матеріалу