Длительность импульса одновибратора

, (3.1)

где U(1) — уровень логической единицы; — пороговый уровень логического элемента.

По окончании выходного импульса конденсатор С разряжается через резистор R. Для уменьшения времени восстановления включен диод Д, который открывается на время разрядки конденсатора С.

На рис. 3.54 приведена схема мультивибратора на логических элементах НЕ (в качестве которых могут быть использованы элементы ИЛИ — НЕ или И — НЕ с объединенными входами). Схема отличается от схемы рис. 3.53 включением конденсатора С в цепь обратной связи с выхода элемента на вход элемента и добавлением цепи на входе элемента . Состояние квазиравновесия («1» на выходе одного элемента и «0» на выходе другого) удерживается в течение времени, требуемого для перезарядки конденсатора (или ) до уровня, соответствующего порогу срабатывания элемента (или ). После этого состояния логических элементов изменяются на противоположные и процессы повторяются. На выходах 1 и 2 мультивибратор генерирует прямоугольные импульсы противоположных полярностей. Если , , то импульсы симметричны и мультивибратор называют симметричным. Длительность импульса определяется выражением (3.1), а частота повторения импульсов

.

Мультивибраторы и одновибраторы на логических элементах позволяют получить импульсы с малой длительностью фронта и среза. Однако температурная стабильность и диапазон регулирования длительности импульсов у них ниже, чем в схемах на операционных усилителях.

Как отмечалось, мультивибраторы применяют в качестве генераторов импульсов прямоугольной формы. Одновибраторы используют для различных целей. Одна из типовых функций одновибратора — расширение импульсов — реализуется благодаря тому, что длительность импульса одновибратора определяется параметрами схемы и не зависит от длительности запускающего импульса. Другая важная функция одновибратора — задержка сигнала на заданное время. Входной сигнал (запускающий импульс) может быть задержан на время, равное длительности импульса одновибратора, если к его выходу подключить устройство (например, динамический триггер), реагирующее на перепад напряжения, соответствующий окончанию - выходного импульса. На этом принципе реализуют реле времени — устройство, предназначенное для выдачи сигнала спустя заданное время после входной команды. Для задания точных регулируемых в широком диапазоне интервалов времени применяют специальные устройства — таймеры (от англ. time — время), выпускаемые в виде интегральных микросхем, например КР1006ВИ1.

3.9 Генераторы линейно изменяющегося напряжения [ГЛИН]

Линейно изменяющимся (пилообразным) напряжением (ЛИИ) называют импульсное напряжение, которое в течение некоторого времени изменяется практически по линейному закону, а затем возвращается к исходному уровню (см. рис. 3.1, е).

ЛИН характеризуется следующими основными параметрами (рис. 3.55): периодом Т, длительностью рабочего хода , длительностью обратного хода , амплитудой , коэффициентом нелинейности

,

где и — соответственно скорость изменения напряжения в начале и в конце рабочего хода.

Рис. 3.55. Импульсы линейно изменяющегося напряжения

С

 

Рис. 3.56. Функциональная схема ГЛИН

В ГЛИН, используемых на практике, изменяется от десятых долей микросекунды до десятков секунд, - от единиц до тысяч вольт, - от 1 до 50% от . В большинстве реальных схем %.

Обычно линейное изменение напряжения получают при зарядке и разрядке конденсатора.

Как известно, напряжение на конденсаторе связано с током, проходящим через конденсатор, соотношением

. (3.2)

В случае линейного изменения напряжения

. (3.3)

Подставляя (3.2) в (3.3), получаем

т. е. для обеспечения линейности необходимо, чтобы зарядный ток конденсатора был постоянен. Тогда

.

 

Для получения периодической последовательности импульсов ЛИН требуется периодически заряжать конденсатор. Таким образом, функциональная схема ГЛИН должна иметь вид, показанный на рис. 3.56. При разомкнутом ключе К конденсатор С заряжается от источника тока постоянным током . Замыкание ключа К приводит к разрядке конденсатора, затем процесс повторяется.

На рис. 3.57, а приведена электрическая схема простейшего ГЛИН. На транзисторе Т собран ключ, управляемый прямоугольными импульсами отрицательной полярности (рис. 3.57, б). В исходном состоянии транзистор насыщен (ключ замкнут), что обеспечивается выбором соотношения сопротивлений резисторов и . При воздействии входного импульса длительностью транзистор закрывается (ключ разомкнут) и конденсатор С заряжается от источника через резистор . Напряжение на конденсаторе изменяется по экспоненте (рис. 357, б): . По окончании входного импульса транзистор переходит в режим насыщения (ключ замкнут) и конденсатор быстро разряжается через промежуток коллектор – эмиттер (рис. 3.57, а). Используя начальный участок экспоненты, линейность которого достаточно высока, можно получить импульсы с малым коэффициентом нелинейности. Однако при этом отношение мало, в чем и состоит основной недостаток схемы. Высококачественные ГЛИН создают на основе операционных усилителей. На рис. 3.58, а приведена схема такого ГЛИН, выполненного на операционном усилителе (например на микросхеме 153УД2).

 

 

t

 

R

			T

 

m

U

Выход

C

+

Вход

			t

 

Рис. 3.57. Принципиальная схема (а) и временные диаграммы (б) простейшего ГЛИН

 

 

 

 

а) б)

Рис. 3.58. Схема (а) и временная диаграмма (б) ГЛИН на операционном усилителе

 

Если исключить тиристор, включенный параллельно конденсатору С, то изображенное на рис. 3.58, а устройство будет представлять собой формирователь линейно изменяющегося напряжения в виде интегратора. Действительно, отрицательная обратная связь, охватывающая операционный усилитель, реализована интегрирующей RC-цепью. Выходное напряжение определяется выражением

.

Когда выходное напряжение превысит , тиристор откроется и конденсатор С разрядится через него. При этом напряжение снизится до напряжения на тиристоре в открытом состоянии ( В), после чего

 

 

 

Д

 

 

 

а) б)

Рис. 3.59. Схема (а) и временные диаграммы (б) таймера

 

тиристор закроется и процесс зарядки конденсатора постоянным током повторится (рис. 3.58, б). Очевидно, для того чтобы операционный усилитель не входил в насыщение, необходимо выполнить условие . Частота повторения выходных импульсов

. (3.4)

Для схемы, приведенной на рис. 3.58, а (микросхема 153УД2, тиристор КУ105А), при Е=1 В, =6 В, R=100 кОм, С=0,1 мкФ, =1.5 кОм частота повторения f=20 Гц, а максимальное значение импульса =6 В. Из (8.4) следует, что частоту повторения импульсов можно регулировать изменением Е или . Максимальное значение импульса , поэтому его регулирую изменением .

При необходимости синхронизации выходных импульсов с внешними, например в генераторе напряжения развертки осциллографа, управляющий электрод тиристора может быть отключен от и использован как вход синхронизации.

Схема рис. 3.58, а может быть использована в качестве преобразователя «напряжение - частота». Преобразование уровня напряжения в частоту импульсов применяют для точных измерений постоянных напряжений, так как измерен частоты может быть реализовано с наивысшей возможной точностью. Действительно, из (3.4) следует, что частота f пропорциональна величине Е, которую можно считать измеряемой.

На основе схемы рис. 3.58, а можно построить также таймер с регулируемым в широких пределах временем выдержки (рис. 8.59, а). После размыкания ключа К («пуск») на входе первого операционного усилителя появляется линейно изменяющееся напряжение , стремящееся к (рис. 3.59, б). При срабатывает компаратор, выполненный на втором операционном усилителе, и на его выходе устанавливается напряжение . Диод Д пропускает в нагрузку (например, в обмотку электромеханического реле сигнализации) ток только при , т. е. начиная с момента времени . Время выдержки таймера

можно регулировать в широких пределах изменением R, С, и Е. Так, для схемы рис. 3.59, а при R=1 МОм, С=60 мкФ, =10 В, Е=1 В, время выдерж­ки =10 мин.