Temat ćwiczenia: Przerzutniki astabilne i bistabilne.

1. Cel ćwiczenia.

Zapoznanie się z przerzutnikami astabilnymi i bistabilnymi.

2. Wiadomości wstępne.

W przerzutnikach będących układami sekwencyjnymi jest tak iż pewnym kombinacjom sygnałów wejściowych może odpowiadać zarówno sygnał wyjściowy 0, jak i 1. Mówi się w związku z tym, że przerzutnik znajduje się w stanie 0 lub 1.

Stany przerzutnika mogą być albo stanami stabilnymi (stanami równowagi trwałej), albo niestabilnymi. Jeżeli obydwa stany, 0 i 1, są stanami stabilnymi to przerzutnik nazywa się bistabilnym, jeżeli tylko jeden stan jest stabilny - monostabilnym (uniwibratorem), jeżeli żaden - astabilnym (multiwibratorem).

W układach logicznych podstawowe znaczenie mają przerzutniki bistabilne, stosowane m.in. jako układy pamiętające.

Przerzutniki astabilne, nazywane multiwibratorami, są układami relaksacyjnymi, samowzbudnymi, wytwarzającymi przebiegi okresowe o kształcie zbliżonym do prostokątnego. Impulsy prostokątne charakteryzują się następującymi parametrami (rys.2.1): amplitudą U_m, czasem trwania t_i, czasem narastania t_n, czasem opadania t_o, zwisem ΔU_m, czasem przerzutu t_u i amplitudą przerzutu U_mU.

Przebiegi okresowe charakteryzuje się ponadto: częstotliwością f lub okresem powtarzania (repetycji) T i współczynnikiem wypełnienia

Rys. 2.1. Parametry impulsów prostokątnych.

Przerzutniki astabilne realizuje się przy zastosowaniu różnych elementów dyskretnych (tranzystorów bipolarnych i unipolarnych, tranzystorów jednozłączowych, diod tunelowych) lub układów scalonych liniowych i cyfrowych.

Najprostszy przerzutnik astabilny stanowi połączenie dwóch wzmacniaczy tranzystorowych objętych pojemnościowym dodatnim sprzężeniem zwrotnym (rys. 2.2). Sprzężenie to jest tak silne, że tranzystory T1 i T2 przechodzą na przemian ze stanu nasycenia w stan odcięcia i odwrotnie. Pracują więc jako przełączniki elektroniczne.

Rys. 2.2. Tranzystorowy przerzutnik astabilny: a) schemat; b) przebiegi napięć w układzie

3. Przerzutnik astabilny

3.1. Symetryczny

3.1.1. Schemat układu przerzutnika astabilnego symetrycznego.

Rys. 3.1.1. Przetwornik astabilny symetryczny.

3.1.2. Pomiary:

Amplituda 4,7 V

Czas trwania okresu 300 μs

Częstotliwość 3080 Hz

Czas trwania przedniego zbocza 150 μs

Współczynnik wypełnienia

3.1.3. Pomiary dla obniżonej pojemności:

a)

Amplituda 2,7 V

Czas trwania okresu 250 μs

Częstotliwość 4000 Hz

Czas trwania przedniego zbocza 150 μs

Współczynnik wypełnienia

b)

Amplituda 2,7 V

Czas trwania okresu 250 μs

Częstotliwość 4000 Hz

Czas trwania przedniego zbocza 100 μs

Współczynnik wypełnienia

3.2. Ze wzmacniaczem operacyjnym.

3.2.1. Schemat układu przerzutnika astabilnego ze wzmacniaczem operacyjnym.

Rys. 3.2.1. Przetwornik astabilny ze wzmacniaczem operacyjnym.

3.2.2. Pomiary:

Amplituda 8 V

Czas trwania okresu 1,2 ms

Czas trwania przedniego zbocza 100 μs

Czas trwania tylniego zbocza 75 μs

Współczynnik wypełnienia

3.3. Z elementów logicznych.

3.3.1. Schemat układu przerzutnika astabilnego z elementów logicznych.

3.3.2. Pomiary:

Amplituda 5,2 V

Czas trwania okresu 80 μs

Czas trwania przedniego zbocza 40 μs

Czas trwania tylniego zbocza 40 μs

Częstotliwość 9646 Hz

Współczynnik wypełnienia

4. Wnioski

Przerzutnik astabilny symetryczny ma sprzężenie zwrotne o fazie przesuniętej o 360^o. W układzie tym kondensatory wykorzystują złącze tranzystorów baza-emiter w celu zamknięcia obwodu ładowania. Potencjały baz tych tranzystorów obniża się do wartości ujemnych co jest spowodowane tym, że kondensatory w momencie przełączania są naładowane, i potencjał okładziny dodatniej jest przyłączany do masy a w związku z tym potencjał okładziny ujemnej będzie miał wartość ujemną względem masy. Różnica napięcia będzie zależna od wartości naładowania kondensatora. Kondensatory ładują się tu naprzemian. W czasie ćwiczenia zostały również przeprowadzone pomiary z innymi pojemnościami. Dzięki temu wiemy iż zmiana pojemności powoduje zmniejszenie czasu trwania okresu, czasu trwania przedniego i tylniego zbocza, a co za tym idzie różne wartości współczynnika wypełnienia.

Kolejnym wykonanym przez nas ćwiczeniem było przebadanie przerzutnika astabilnego ze wzmacniaczem operacyjnym. Pomiar przebiegu amplitud zostało wykonane w trzech miejscach: na wyjściu (Wy), na wejściach odwracającym (PP2) i nieodwracającym (PP1). Sygnał PP2 przedstawia ładowanie i rozładowanie się kondensatora w kolejnych cyklach, natomiast PP1 jest przebiegiem sygnału wyjściowego pomniejszonego o dzielnik rezystancyjny. Moment przełączania się kondensatora następuje gdy znak różnicy sygnałów PP1 i PP2 jest dodatni lub ujemny. Oprócz tego jak można zauważyć przebiegi składają się z przebiegu prostokątnego i trójkątnego. Przy dużej pojemności i rezystancji charakterystyki napięć są zbliżone do siebie. Natomiast w przypadku gdy pojemność i rezystancja jest niewielka to przebieg trójkątny zaokrągla się i można zauważyć iż napięcia są różne

U_trój > U_prost. A jest tak ponieważ pojemność i rezystancja wpływają na częstotliwość.

Kolejnym etapem ćwiczenia było zbadanie przerzutnika astabilnego zbudowanego z elementów logicznych. W układzie zastosowano sprzężenie zwrotne, którego faza przesunięta jest o 360^o. Układ posiada dwa kondensatory, które naprzemian się ładują i rozładowują. Sygnał wyjściowy ma przeciwny poziom logiczny niż wartość w punkcie PP1. W czasie ładowania C₁ syg. Wy ma „H” a w momencie rozładowania „L” Przerzutnik ten nie wymaga wyzwalania zewnętrznego. Oprócz tego wartość średnia napięcia wynosi 1V.

WYKAZ LITERATURY

[1] Horowitz P.; Hill W.: Sztuka elektroniki. Warszawa, 1999.

[2] Chwaleba A.; Moeschke B.; Płoszajski G.: Elektronika. WSP. Warszawa, 1998.

---