ГЕНЕРАТОРЫ СИГНАЛОВ прямоугольной ФОРМЫ

Мультивибратор — это генератор напряжения с формой, близкой к прямоугольной. Его название отражает тот факт, что прямоугольное напряжение, используя разложение в ряд Фурье, можно представить бесконечным гармоническим рядом, содержащим много высших гармоник (мульти — много).

Мультивибратор, как и другие генераторы с формой напряжения, отличной от синусоидальной, можно выполнить на операционном усилителе, характеристика которого при подаче сигнала на его инвертирующий вход (рис. 34, а) имеет вид, показанный на рис. 34, б.

 

Рис. 34. Операционный усилитель (а) и его характеристика при малых (б) и больших (в) сигналах на входе

 

Благодаря большому усилению (k_U= 10³¸10⁶) выходное напряжение операционных усилителей пропорционально входному только при очень малых сигналах (милли- и микровольты). При напряжениях же на входе, срав­нимых с выходным (вольты), линейная зона настолько сужается, что характеристика приобретает вид, показанный на рис. 34, в, когда U_вых может иметь лишь два значения U+_вых или U-_вых причем скачок выходного напряжения происходит при близком к нулю входном напряжении (точнее, при близкой к нулю разности потенциалов между инвертирующим и неинвертирующим входами).

На операционном усилителе можно создать схему, выходное напряжение которой имеет одно из двух возможных значений U+_вых или U-_вых при U_вх=0 и меняет полярность U_вых на противоположную при подаче на вход импульса (или потенциала) той или иной полярности (триггерный режим работы). Схема с делителем напряжения R₁-R₂ (рис. 35, а) имеет именно такую характеристику (рис. 35, б). При U_вх= 0 за счет напряжения обратной связи U_ос, снимаемого с сопротивления R₁ и передаваемого на неинвертирующий вход усилителя, U_вых поддерживается равным одному из значений U±_вых в зависимости от того, каким был последний сигнал U_вх.

Значения U_вх, при которых происходит скачкообразное изменение U_вых (т. е. при которых разность (U_вх—U_ос=0),

где g — коэффициент обратной связи.

Рис. 35. Мультивибратор на операционном усилителе с внешним возбуждением (триггер Шмитта)

 

При подаче +U_вх>U₂ выходное напряжение скачком переходит в U-_вых; при подаче -U_вх<U₁ оно скачкообразно переходит в U+_вых. Изменения напряжения показаны стрелками на характеристике. Схема с характеристикой (рис. 35, б) называется триггером Шмитта.

Подав в качестве U_вх синусоидальное напряжение, получим мультивибратор с внешним возбуждением, у которого период колебаний выходного напряжения равен периоду колебаний задающего, внешнего генератора синусоидального входного сигнала (рис.35, в).

Автоколебательный мультивибратор.Еслимультивибратор, собранный по схеме рис. 35, а, дополнить обратной связью через R₃С-цепочку (рис. 36, а), то в нем возникает режим самовозбуждения и мультивибратор становится автоколебательным.

Рис. 36. Автоколебательный мультивибратор

 

Предположим, что в момент t₁ (рис. 36, б) напряжение U_вых изменилось скачком с U-_вых до U+_вых. Конденсатор С начинает перезаряжаться током (учитывая второе допущение операционного усилителя током I_вх можно пренебречь), протекающим через резистор R₃ под действием напряжения U+_вых, причем напряжение на конденсаторе U_C изменяется по экспоненте, стремясь к U+_вых. Напряжение U_C представляет собой U_вх (ср. с рис. 35, а), и когда в момент t₂ оно достигает значения U₂, операционный усилитель скачком изменяет U_вых на U-_вых. Конденсатор начнет перезаряжаться, стремясь к U-_вых но, достигнув значения U₁ к моменту t₃, он заставит усилитель инвертировать выходное напряжение на U+_вых, и далее процесс будет повторяться. Генераторы, основанные на рассмотренном принципе, называются релаксационными.

Период колебаний такого мультивибратора

причем t_и1=t_и2. Такой вид колебаний называется «меандр».

Генератор импульсов треугольной формы. Схема на рис. 35, а инвертирует входной сигнал и может быть названа инвертирующим триггером Шмитта. Чтобы получить неинвертирующий триггер, применяют схему (рис. 37, а). Так как инвертирующий вход операционного усилителя соединен с корпусом (нулевым потенциалом), то в силу первого допущения таких усилителей, близок к нулю и потенциал точки А. Поэтому ток обратной связи, протекающий под действием разности потенциалов U_вых и точки А I_ос = U_вых/R₂.

Рис. 37. Генератор импульсов треугольной формы:

а — неинвертирующий триггер; б — его характеристика; в—схема генератора; г — выходные напряжения

 

В силу второго допущения этот же ток будет протекать и по резистору R₁, создавая на нем напряжение обратной связи, равное U_ос= U_выхR₁/R₂ Так как переключение триггера происходит в момент, когдаU_ос – U_вх»0, то U_вх, при котором происходят переключения триггера, обозначенные U₁ и U₂ на рис. 37, б, определяется выражениями

В схеме генератора треугольных импульсов (рис. 37, в) напряжением U_вх триггера, осуществленного на операционном усилителе ОУ₁ служит напряжение.U_вых2, получаемое на инверторе-интеграторе, выполненном на операционном усилителе ОУ₂. Поясним работу интегратора.

Ток, проходящий через конденсатор, равен произведению его емкости на производную от разности потенциалов на его обкладках (эта разность равна U_вых2 так как потенциал точки А близок к нулевому потенциалу корпуса в силу первого свойства операционного усилителя):

Знак «—» означает, что положительный (как показано стрелкой на рис. 37, в) ток I_C, поступающий на инвертирующий вход, создаст отрицательный потенциал U_вых2.

Так как потенциал точки А близок к нулю, то ток через резистор R в цепи связи между ОУ₁ и ОУ₂

В силу же второго допущения для операционного усилителя I » I_C получим

Проинтегрировав это выражение от 0 до t и разделив обе части на – С, убедимся, что выходное напряжение ОУ₂ пропорционально интегралу от напряжения на его входе (в данной схеме напряжению U_вых1):

Здесь U_вых0 — напряжение на выходе интегратора при t=0.

Пусть в момент времени t₁ триггер подал на вход ОУ₂ напряжение U+_вых1 (рис. 37, г). Так как U+_вых1=соnst (а интеграл от постоянного значения пропорционален времени), то напряжение U_вых2 изменяется по прямой линии до тех пор, пока в момент t₂ оно не достигнет значения U₂, при котором триггер переключится и на вход интегратора подаст U-_вых1. С момента t₂ конденсатор начнет перезаряжаться и напряжение на нем линейно возрастает до момента t₃, после чего процессы повторяются. Данный генератор является таким же мультивибратором, как и схема рис. 36, где напряжение на конденсаторе близко к треугольному. Повышенная линейность данного генератора объясняется использованием второго операционного усилителя-интегратора.

Амплитуда треугольного напряжения на выходе генератора определяется напряжениями переключения триггера. Период колебаний Т такого генератора определяется формулой T=4RCR₁/R₂.

Ждущий генератор (одновибратор). Генераторы, формирующие прямоугольный или треугольный импульс напряжения по сигналу, поданному на вход, называются ждущими. Их получают из мультивибраторов, затормозив их работу. Так, если в схеме 36, а зашунтировать конденсатор диодом Д (рис. 38), то конденсатор, разрядившись от U₁ до U_C=0 (см. рис. 36, б), перестанет перезаряжаться под действием U+_вых, потому что ток от резистора R₃ пройдет через открытый диод, а значит, напряжение на конденсаторе не достигнет значения U₂ и автоколебания сорвутся.

Рис. 38. Ждущий генератор

 

Генератор может быть запущен, если на его неинвертирующий вход поступит отрицательный импульс запуска U_зап, эквивалентный напряжению U₂ на инвертирующем входе. Подобные генераторы одиночных импульсов используются при наладке ЭВМ.

Генератор пилообразного напряжения. Прямолинейно нарастающее напряжение получается на конденсаторе, если его заряжать постоянным током, не зависящим от напряжения на нем, и предотвратить влияние на этот ток сопротивления нагрузки. Интегрируя по времени выражение (разделив переменные)

 

получим

Условие I_С=соnst в схеме рис. 39 с операционным усилителем обеспечивается постоянным напряжением U_вх. Пока транзистор заперт, в течение временипроисходит зарядка конденсатора и выходное напряжение, снимаемое с конденсатора, нарастает по прямой.

Рис. 39. Генератор пилообразного напряжения

 

При подаче импульса U_p транзистор насыщается и через его малое сопротивление (R_ЭК в несколько Ом) конденсатор быстро разряжается за время t_р, после чего процесс зарядки повторяется и поступающее с конденсатора на выход напряжение U_вых приобретает пилообразную форму.

Длительность t_п определяется емкостью С и током зарядки, зависящим от U_вх и сопротивлений резисторов R. Изменяя значение напряжения Е₀, поданного на другой вход усилителя, можно смещать «пилу» по вертикали. Пилообразная форма выходного напряжения сохраняется до тех пор, пока она располагается внутри предельных значений U±_вых (см. рис. 34, в) операционного усилителя.