Generatory - cz.5.
Generatory – multiwibratory
Multiwibratory są to układy wytwarzające okresowe lub nieokresowe przebiegi prostokątne,
czyli przebiegi składające się z dużej liczby sygnałów harmonicznych. Układy generują więc
sygnały jak gdyby o wielu częstotliwościach i stąd wywodzi się ich nazwa. Przebiegi
prostokątne mogą być wytworzone w układach, w których elementy czynne pracują w trybie
przełącznika (element włączony lub wyłączony) z bardzo krótkimi czasami przełączania.
Można to uzyskać w układach z elementami o ujemnej rezystancji dynamicznej lub w
układach tranzystorowych z silnym dodatnim (regeneracyjnym) sprzężeniem zwrotnym. Silne
sprzężenie zwrotne powoduje, że tranzystory w takich układach nie pracują w zakresie
liniowym, lecz są przełączane od stanu zatkania do stanu nasycenia (lub do stanu aktywnego).
Wówczas przebieg sinusoidalny jest silnie zniekształcony (ograniczony) i przyjmuje kształt
zbliżony do prostokąta. Na wyjściu są więc dwa stany, które mogą być stabilne lub nie: stan
włączenia (niskie napięcie) lub stan wyłączenia (wysokie napięcie).
Multiwibratory dzieli się na:
·
astabilne (nie ma stanu stabilnego);
·
monostabilne (jeden stan stabilny i chwilowy stan niestabilny);
·
bistabilne (przemiennie przyjmowany jeden z dwu stanów stabilnych).
W multiwibratorach astabilnych zmienia się cyklicznie stan wyjściowy. Generują więc
okresowy sygnał o kształcie prostokątnym. Okres cyklu zależy od stałych czasowych układu.
Multiwibratory monostabilne mają jeden stan stabilny, w którym normalnie pozostają.
Pobudzenie zewnętrzne (sygnał wyzwalający) powoduje zmianę stanu układu na chwilowy
stan niestabilny. Po czasie zależnym od stałych czasowych układu powraca on do stanu
stabilnego. Wytwarza więc pojedynczy impuls prostokątny o określonym czasie trwania,
zapoczątkowany sygnałem zewnętrznym.
Multiwibratory bistabilne mogą pozostawać w jednym z dwóch stanów stabilnych. Przejście z
jednego stanu do drugiego jest powodowane zewnętrznym sygnałem przełączającym.
Multiwibratory astabilne są najczęściej stosowane w układach cyfrowych jako generatory
taktujące (zegarowe). Multiwibratory monostabilne są stosowane jako układy wytwarzania
lub odtwarzania pojedynczych impulsów, a także jako układy opóźnień czasowych.
Multiwibratory bistabilne są zwykle stosowane jako układy pamiętające w systemach
cyfrowych.
Na potrzeby bieżącego artykułu ograniczymy się jedynie do omówienia multiwibratorów
astabilnych. Gdyby w przyszłości zaszła taka potrzeba artykuł uzupełnimy o opis pozostałych
typów multiwibratorów.
Multiwibratory astabilne są generatorami impulsów prostokątnych pracującymi
samowzbudnie, tzn. bez zewnętrznego pobudzenia. Generatory takie są budowane z
elementów dyskretnych lub z cyfrowych układów scalonych (bramek logicznych,
uniwibratorów scalonych). Do generacji impulsów prostokątnych mogą być również
wykorzystane wzmacniacze operacyjne. Przyjęte rozwiązanie konstrukcyjne zależy od
przeznaczenia generatora i pożądanych parametrów generowanego przebiegu. W układzie
multiwibratora astabilnego występuje pętla dodatniego sprzężenia zwrotnego oraz elementy R
i C określające parametry czasowe generowanych impulsów (czas trwania, okres).
Układ tranzystorowego multiwibratora astabilnego przedstawiony na rysunku poniżej jest
zbudowany z dwustopniowego wzmacniacza o sprzężeniu pojemnościowym, objętego pętlą
dodatniego sprzężenia zwrotnego.
Załóżmy, że tranzystor T
1
, osiągnie stan nasycenia (wówczas napięcie na jego kolektorze
U
CE1
= U
CEsat
i jest w przybliżeniu równe 0,1V), a T
2
stan zatkania (wówczas napięcie
kolektora U
CE2
jest w przybliżeniu równe U
CC
). W tym stanie kondensator C
2
jest ładowany
przez rezystor R
2
i tranzystor T
1
, do napięcia U
CC
. Gdy napięcie na kondensatorze osiągnie
wartość ok. 0,7 V, czyli napięcie, przy którym tranzystor T
2
zaczyna przewodzić, to napięcie
kolektora tego tranzystora U
CE2
zacznie się zmniejszać. Ta ujemna zmiana napięcia jest przez
kondensator C
1
podawana na bazę tranzystora T
1
, powodując jego zatkanie. Wzrasta więc
napięcie kolektora tego tranzystora U
CE1
(dodatnia zmiana napięcia), które z kolei poprzez
kondensator C
2
oddziałuje na bazę tranzystora T
2
, powodując jego silniejsze przewodzenie.
Wskutek tego dodatniego sprzężenia zwrotnego tranzystor T
2
wchodzi bardzo szybko w stan
nasycenia i napięcie U
CE2
osiąga wartość U
CEsat
w przybliżeniu równe 0,1 V. Ten skok
napięcia na kolektorze tranzystora T
2
(od U
CC
do U
CEsat
spowoduje szybkie zatkanie
tranzystora T
1
. Napięcie na jego bazie osiągnie bowiem wartość ujemną - (U
CC
- 0,7 V), gdyż
przed przełączeniem wynosiło ok. 0,7 V. Na kolektorze tranzystora T
2
było bliskie U
CC
, czyli
kondensator C
1
był naładowany do napięcia U
CC
- 0,7 V. Włączenie tranzystora T
2
w stan
nasycenia powoduje więc przełączenie dodatnio naładowanej okładki kondensatora C
1
z
potencjału U
CC
do U
CEsat
bliskiego zeru.
Na bazie tranzystora T
1
wystąpi wówczas napięcie o wartości przeciwnej do naładowania
kondensatora C
1
. Gdy tranzystor T
1
jest zatkany, a T
2
nasycony, to kondensator C
1
jest
przeładowywany od napięcia - (U
CC
- 0,7 V) do napięcia dodatniego U
CC
. Jednak, gdy
napięcie na bazie tranzystora T
1
osiągnie wartość około 0,7 V, tranzystor ten zaczyna
przewodzić i napięcie na jego kolektorze maleje. Ta zmiana napięcia jest podawana przez
kondensator C
2
na bazę tranzystora T
2
, powodując jego zatykanie, czyli wzrost napięcia U
CE2
,
które oddziałując poprzez kondensator C
1
na bazę tranzystora T
1
powoduje silniejsze jego
przewodzenie. Wskutek więc wzajemnego oddziaływania tranzystorów T
1
i T
2
w pętli
dodatniego sprzężenia zwrotnego, tranzystor T
1
osiągnie bardzo szybko stan nasycenia,
natomiast T
2
zostanie zatkany i cykl przełączania tranzystorów powtarza się.
Pracę układu multiwibratora astabilnego ilustrują przebiegi czasowe napięć na kolektorach i
bazach tranzystorów T
1
i T
2
na rysunku powyżej. Okres cyklu, zależny od czasów t
1
i t
2
przeładowywania pojemności C
1
i C
2
, wyznacza się ze wzoru:
Zmieniając stałe czasowe R
1
C
1
i R
2
C
2
można uzyskiwać przebiegi napięcia wyjściowego o
różnej częstotliwości powtarzania (1/T) i różnych współczynnikach wypełnienia (t
1
/T). Aby
jednak tranzystory T
1
i T
2
osiągały stan nasycenia, rezystancje R
1
i R
2
powinny spełniać
warunki: R
1
≤ R
C1
i R
2
≤ R
C2
, gdzie jest wzmocnieniem prądowym tranzystorów. Gdy R
1
= R
2
= R oraz C
1
= C
2
= C, wówczas częstotliwość powtarzania cyklu, przy współczynniku
wypełnienia 1/2, wynosi:
Na rysunku poniżej przedstawiono układ multiwibratora zbudowanego z dwóch bramek
NAND (lub inwerterów) objętych pętlą sprzężenia zwrotnego.
Jest zbudowany podobnie do układu tranzystorowego. Bramki pełnią funkcję układów
odwracających fazę, a więc sprzężenie zwrotne jest dodatnie i układ pracuje samowzbudnie.
Jego działanie, bardzo podobne do działania układu tranzystorowego, wyjaśniają przebiegi
napięć na powyższym rysunku. Częstotliwość powtarzania multiwibratora można wyznaczyć
z przybliżonej zależności:
Zaleca się, aby R
1
= R
2
i w przybliżeniu wynosiły 2k . Zmianę częstotliwości oraz
współczynnika wypełnienia generowanego przebiegu można więc uzyskać przez zmianę
pojemności C
1
i C
2
.
Na rysunku poniżej przedstawiono układ multiwibratora astabilnego zbudowanego przy
wykorzystaniu wzmacniacza operacyjnego
Rezystory R
2
i R
3
tworzą obwód dodatniego sprzężenia zwrotnego o współczynniku
sprzężenia = R
3
/(R
2
+R
3
), ustalającym na wejściu nieodwracającym wzmacniacza napięcie
U
0
. Elementy R
1
i C tworzą dla sygnału wyjściowego obwód całkujący, włączony w pętlę
ujemnego sprzężenia zwrotnego. Działanie układu polega na okresowej zmianie stanu
nasycenia wzmacniacza (od +U
sat
do - U
sat
i odwrotnie) następującej w chwili, w której
napięcie na przeładowywanym kondensatorze C przekroczy aktualną wartość napięcia na
wejściu nieodwracającym (odpowiednio + U
sat
i - U
sat
). Okres generowanego przebiegu
prostokątnego zależy od stałej czasowej R
1
C i współczynnika sprzężenia zwrotnego według
wzoru:
Jeżeli R
3
jest w przybliżeniu równe 0,9R
2
, czyli jest w przybliżeniu równy 0,47, to
częstotliwość powtarzania impulsów jest wyrażona wzorem:
i może być regulowana przez zmianę R
1
lub C.
Uniwersalny układ czasowy 555 (np. MC 1555), wytwarzany przez wielu producentów i w
różnej technologii (TTL, CMOS), składa się z dwóch komparatorów i przerzutnika
bistabilnego RS.
Wejście "+" (wyprowadzenie 6) pierwszego komparatora i "-" (wyprowadzenie 2) drugiego
komparatora są wejściami układu, natomiast pozostałe wejścia są polaryzowane z
precyzyjnego dzielnika napięcia 2/3 i 1/3 napięcia zasilającego U
CC
przy czym podział ten
może być zmieniony dzielnikiem zewnętrznym dołączonym do wyprowadzenia 5. Zawsze
jednak napięcie odniesienia komparatora 2 jest połową napięcia odniesienia komparatora 1.
Przy U
6
> U
5
na wyjściu przerzutnika RS jest wysoki poziom napięcia, a przy U
2
< U
5
/2 niski.
Niezależnie od napięć na wejściach komparatorów, niski poziom napięcia wejściu CLR
(wyprowadzenie 4) wymusza stan wysoki na wyjściu przerzutnika. Na końcówce 3 jest
typowe wyjście cyfrowe, które może służyć do sterowania innych układów cyfrowych.
Wyjście 7 jest natomiast wyjściem typ otwarty kolektor o dużej wydajności prądowej (do 200
mA). Wykorzystywane jest do rozładowywania "głównego" kondensatora, od którego zależą
parametry czasowe układu.
Układ scalony 555 umożliwia tworzenie różnych układów czasowych, w tym
multiwibratorów mono-, bi- i astabilnych.
W układzie multiwibratora monostabilnego, pokazanego na powyższym rysunku, czas
trwania generowanego impulsu określony jest wzorem: T = 1,1R
A
C.
Częstotliwość powtarzania impulsów w multiwibratorze astabilnym (rysunek poniżej),
określa się natomiast z kolejnej zależności:
W multiwibratorach zbudowanych przy zastosowaniu układu 555 czas trwania impulsu i
okres generowanego przebiegu zależą od stałej czasu ładowania kondensatora dołączonego do
wyjścia 7. Uzależnienie tych czasów od napięcia można uzyskać w układzie ładowania tego
kondensatora stałym prądem o wartości zależnej od napięcia sterującego. Na rysunku poniżej
przedstawiono układ multiwibratora astabilnego (przetwornik napięcie-częstotliwość), w
którym w układzie źródła prądowego ładującego kondensator C zastosowano wzmacniacz
operacyjny.
Przebieg wyjściowy ma postać wąskich ujemnych impulsów. Czas ładowania kondensatora
jest liniowo zależny od prądu źródła ładującego. Rozładowanie kondensatora jest natomiast
bardzo szybkie, bowiem następuje przez nasycony tranzystor wyjściowy (wyprowadzenie 7).
Częstotliwość powtarzania impulsów jest zależna od napięcia wejściowego wg wzoru: f[kHz]
= 4,2 U
I
[V].
Document Outline
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
Generatory cz 6
Generator cz 2
74 Nw 06 Generatory m cz
Generatory cz 1
Generatory cz 3
Generatory cz 4
1996 05 Generator m cz − próbnik
Falomierz Generator w cz (TDO)
1996 07 Falomierz − generator w cz (TDO)
1996 05 Generator m cz − próbnik
1997 01 Prosty generator w cz
Generatory drgan sinusoidalnych, Politechnika Cz˙stochowska Wydzia˙ Elektryczny
więcej podobnych podstron