Схемы управляемых генераторов импульсов

Генераторы импульсов

Назначение и виды генераторов. Электронное устройство, способное вырабатывать на выходе электрическую величину (напряжение, ток), значение которой изменяется в соответствии с некоторой периодической функцией, называется генератором электрических колебаний. Генерирование электрических колебаний осуществляется обычно путем преобразования энергии источников постоянного тока при помощи электронных приборов. В зависимости от типа электронных приборов различают генераторы на электронных лампах, на транзисторах, на диодах, на газоразрядных и других приборах, а также квантовые генераторы (лазеры, мазеры).

По форме электрических колебаний генераторы делятся на генераторы синусоидальных (гармонических) колебаний, импульсные генераторы, генераторы колебаний специальной формы. В импульсных и цифровых электронных устройствах широкое применение находят различные импульсные генераторы, обеспечивающие переключение элементов схем с требуемой частотой (задающие, синхронизирующие, тактовые генераторы). В зависимости от формы вырабатываемых импульсов различают генераторы прямоугольных импульсов и генераторы линейно изменяющегося напряжения. Генераторы колебаний специальной формы (ждущие мультивибраторы и блокинг-генераторы) обеспечивают формирование коротких импульсов.

В общем виде генератор электрических колебаний содержит: источник энергии постоянного тока; пассивные цепи, в которых возбуждаются и поддерживаются колебания; активный элемент, преобразующий энергию постоянного тока в энергию генерируемых колебаний. Активными элементами являются электронные приборы, как правило, с дополнительными элементами цепи положительной обратной связи.

Для построения генераторов с очень высокой точностью задания частоты используются кварцевые резонаторы. Кварцевый резонатор представляет собой пластину из монокристалла кварца, на две противоположные грани которой методом металлизации нанесены электроды. Приложение электрического напряжения между электродами вследствие ярко выраженных у кварца электро- стрикционных и сегнетоэлектрических эффектов и упругости вызывает появление колебаний с очень высокой стабильностью по частоте. Резонатор обладает высокой добротностью, достигающей десятков тысяч, в отличие от катушек индуктивности и конденсаторов, у которых добротность едва достигает 100. В схемах автоматики, телемеханики, вычислительной и микропроцессорной техники генераторы с кварцевыми резонаторами используются в качестве времязадающих элементов во всевозможных часах и схемах синхронизации.

Генераторы гармонических колебаний. Генераторы обеспечивают колебания по закону U= Umsin(cdt + (р). При реализации схем возникают две проблемы — обеспечение стабильной заданной частоты колебаний со и синусоидальности формы выходного сигнала. В генераторе используется колебательный контур, как правило, из емкости и индуктивности (LC-контур). В таком контуре под влиянием внешних случайных электрических колебаний возникают собственные колебания тока и напряжения. Чтобы колебания не затухали из-за потерь энергии в контуре, ее пополняют от источника постоянного тока пульсирующим током той же частоты с определенной фазой. Это достигается с помощью, например, транзистора. На рис. 8.41 приведены простейшие схемы транзисторных генераторов почти гармонических колебаний. Транзистор, включенный по схеме ОЭ (рис. 8.41, а), усиливает мощность подводимых к цепи базы колебаний, и это позволяет с помощью цепи положительной обратной связи подкачивать энергию в колебательный контур LKCK для его возбуждения и поддержания незатухающих колебаний. Частота колебаний может быть получена от нескольких килогерц до гигагерц.

Недостатком таких простейших генераторов является искажение синусоиды вследствие нелинейности характеристики самого транзистора. Более совершенная схема генератора реализуется на основе операционного усилителя (ОУ), схема которого рассмотрена в последующих разделах. Для улучшения формы колебаний используют RS-генераторы (см. рис. 8.41, б). Основным элементом в схеме является ОУ, охваченный цепью отрицательной обратной связи, со-

Транзисторные генераторы почти гармонических колебаний

Рис. 8.41. Транзисторные генераторы почти гармонических колебаний: а — на одном транзисторе; б — на операционном усилителе стоящей из резисторов R3, R4. Имеется также положительная обратная связь, составленная из резисторов R, R2 и конденсаторов С1,

^ Частота колебаний определяется по выражению со = I—.

Наиболее перспективными являются генераторы с кварцевой стабилизацией (рис. 8.42) на основе упомянутых выше кварцевых резонаторов.

Кварцевые генераторы

Рис. 8.42. Кварцевые генераторы:

а — последовательного резонанса с кварцевым резонатором в колебательном контуре; б — осцилляторного типа, собранного по схеме емкостной трехтонки

По конструкции и степени интеграции различают дискретные, гибридные и интегральные кварцевые генераторы. Применяются простые, управляемые, термокомпенсированные и термостатированные кварцевые генераторы с частотой от 100 кГц до 4 МГц.

Мультивибраторы. Относятся к классу генераторов периодической последовательности импульсов напряжения прямоугольной формы, характеризующихся двумя временно устойчивыми состояниями. Мультивибраторы, как и генераторы гармонических колебаний, работают в режиме самовозбуждения и основываются на преобразовании энергии постоянного тока. В большинстве случаев мультивибраторы используются как задающие устройства, формирующие запускающие входные импульсы для последующих узлов и блоков в системе импульсного или цифрового действия.

Схемная реализация мультивибраторов отличается большим разнообразием. Но выделяются автоколебательные мультивибраторы на дискретных элементах и на операционных усилителях в интегральном исполнении. В настоящее время наибольшее распространение получили мультивибраторы последнего вида. Различают симметричные и несимметричные мультивибраторы. На рис. 8.43 приведены схемы простейших мультивибраторов.

Схемы и временные диаграммы симметричных мультивибраторов

Рис. 8.43. Схемы и временные диаграммы симметричных мультивибраторов: а — на дискретных элементах; б — на логических элементах ИЛИ-HE; в — на

Генераторы импульсов специальной формы. К ним относятся од- новибраторы, генераторы линейно изменяющегося напряжения и блокинг-генераторы. Одновибратор (рис. 8.44, а) относится к клас-

Схемы и временные диаграммы генераторов импульсов специальной формы

Рис. 8.44. Схемы и временные диаграммы генераторов импульсов специальной формы:

а — одновибратора; б — генератора линейно изменяющегося напряжения; в — однотактного блокинг-генератора су моностабильных импульсных генераторов и имеет одно длительно устойчивое и одно квазиустойчивое состояние равновесия. Часто называется ждущим мультивибратором. Имеет одну резистивную и одну емкостную перекрестные обратные связи. Запуск производится входным сигналом. Выходной импульс имеет длительность, зависящую от значения емкости С1.

Генераторы линейно изменяющегося напряжения (см. рис. 8.44, б) служат для создания развертки электронного луча по экрану электронно-лучевых приборов, получения временных задержек, модуляции импульсов по длительности и т.д. Действие генератора основано на медленном заряде и быстром разряде конденсатора С. Напряжение мс1 = Е ( 1 — где т = Cj/?j — постоянная времени

зарядной цепи (т >> tp). Нелинейность напряжения заряда ис] устраняют применением схем с неизменным зарядным током или схем на операционных усилителях.

Блокинг-генераторы (см. рис. 8.44, в) предназначены для формирования импульсов тока или напряжения прямоугольной формы малой длительности (единицы и сотни микросекунд). Их часто используют в формирователях управляющих импульсов. По принципу действия блокинг-генератор относится к однокаскадному транзисторному усилителю с глубокой положительной обратной связью, осуществляемой импульсным трансформатором. Транзистор VT открывается вследствие действия прямого блокинг-про- цесса, а закрывается под действием обратного блокинг-процесса. Сущность блокинг-процессов состоит во взаимном увеличении или уменьшении тока базы и тока коллектора вследствие связи их цепей через обмотки трансформатора. Блокинг-генератор может работать в авто генераторном режиме, а также в режиме синхронизации.

Находят применение двухтактные блокинг-генераторы с насыщающимся трансформатором. Двухтактный блокинг-генератор является автогенератором переменного напряжения прямоугольной формы, часто называемым генератором Ройера.

Генератор импульсов — Pulse generator

Генератор импульсов является либо электронной схемой или кусок электронного испытательного оборудования используется для генерации прямоугольных импульсов . Генераторы импульсов используются в основном для работы с цифровыми схемами , генераторы связанных функций используются в основном для аналоговых схем .

Содержание

Настольные генераторы импульсов

Простые настольные генераторы импульсов обычно позволяют управлять частотой следования импульсов ( частотой ), шириной импульса, задержкой по отношению к внутреннему или внешнему триггеру, а также уровнями высокого и низкого напряжения импульсов. Более сложные генераторы импульсов позволяют контролировать время нарастания и спада импульсов. Генераторы импульсов доступны для генерации выходных импульсов, имеющих ширину (длительность) от минут до менее 1 пикосекунды. Генераторы импульсов, как правило, являются источниками напряжения , а генераторы импульсов истинного тока доступны лишь у нескольких поставщиков. Генераторы импульсов могут использовать цифровые методы, аналоговые методы или комбинацию обоих методов для формирования выходных импульсов. Например, частотой и длительностью повторения импульсов можно управлять в цифровом виде, но амплитуда импульсов, а также время нарастания и спада может определяться аналоговой схемой в выходном каскаде генератора импульсов. При правильной регулировке, генераторы импульсов могут также произвести 50% на рабочий цикл квадратных волн . Генераторы импульсов обычно одноканальные, обеспечивающие одну частоту, задержку, ширину и выход.

Генераторы оптических импульсов

Генераторы световых импульсов являются оптическим эквивалентом генераторов электрических импульсов с контролем частоты повторения, задержки, ширины и амплитуды. Выходной сигнал в этом случае обычно представляет собой свет от светодиода или лазерного диода.

Многоканальный

Новое семейство генераторов импульсов может создавать несколько каналов с независимой шириной и задержкой, а также с независимыми выходами и полярностями. Часто называемые цифровыми генераторами задержки / импульсов, новейшие разработки даже предлагают различную частоту повторения для каждого канала. Эти цифровые генераторы задержки полезны для синхронизации, задержки, стробирования и запуска нескольких устройств, как правило, по одному событию. Также можно мультиплексировать синхронизацию нескольких каналов в один канал, чтобы запускать или даже запускать одно и то же устройство несколько раз.

Новый класс генераторов импульсов предлагает как несколько входных триггерных соединений, так и несколько выходных соединений. Несколько входных триггеров позволяют экспериментаторам синхронизировать как триггерные события, так и события сбора данных, используя один и тот же контроллер времени.

Как правило, генераторы импульсов длительностью более нескольких микросекунд используют цифровые счетчики для измерения времени этих импульсов, в то время как значения ширины от приблизительно 1 наносекунды до нескольких микросекунд обычно генерируются аналоговыми методами, такими как RC-цепи (резистор-конденсатор) или переключаемые линии задержки.

Микроволновые генераторы импульсов

Генераторы импульсов, способные генерировать импульсы шириной менее 100 пикосекунд, часто называются «микроволновыми импульсами» и обычно генерируют эти ультракороткие импульсы с помощью ступенчатого восстанавливающего диода (SRD) или методов нелинейной линии передачи (NLTL) (например [1] ) . Генераторы импульсов на пошаговом восстанавливающем диоде недороги, но обычно требуют нескольких вольт входного управляющего уровня и имеют умеренно высокий уровень случайного дрожания (обычно нежелательное изменение времени, в течение которого возникают последовательные импульсы).

Читайте также  Схема стенда для испытаний генератора

Генераторы импульсов на основе NLTL обычно имеют более низкий джиттер, но более сложны в изготовлении и не подходят для интеграции в недорогие монолитные ИС. Новый класс архитектуры генерации микроволновых импульсов, схема генерации импульсов RACE ( Rapid Automatic Cascode Exchange ) [2] , [3] , реализована с использованием недорогой монолитной ИС-технологии и может генерировать импульсы длительностью до 1 пикосекунды и с повторением. скорости, превышающие 30 миллиардов импульсов в секунду. Эти импульсные генераторы обычно используются в приложениях военной связи и маломощных микросхемах микроволновых приемопередатчиков. Такие генераторы импульсов, если они приводятся в действие непрерывным тактовым генератором, будут действовать как микроволновые гребенчатые генераторы, имеющие компоненты выходной частоты, кратные частоте повторения импульсов, и простирающиеся до более 100 гигагерц (например, [4] ).

Приложения

Затем импульсы могут вводиться в тестируемое устройство и использоваться в качестве стимула или тактового сигнала или анализироваться по мере прохождения через устройство, подтверждая правильную работу устройства или выявляя неисправность в устройстве. Генераторы импульсов также используются для управления такими устройствами, как переключатели, лазеры и оптические компоненты, модуляторы, усилители, а также резистивные нагрузки. Выход генератора импульсов также может использоваться в качестве сигнала модуляции для генератора сигналов . Неэлектронные приложения включают приложения в материаловедении, медицине, физике и химии.

Генератор прямоугольных импульсов (ГПИ) на триггерах Шмитта К561ТЛ1, CD4093

У нас на Датагоре совсем недавно была статья «Генератор звуковой частоты на LM324. Прибор и игрушка» с описанием подобного генератора. Решил развить тему и собрать своё устройство.

При проектировании данной конструкции я исходил из следующих требований:
— простота и доступность деталей,
— автономное питание (желательно от батареи 9 В),
— малый потребляемый ток,
— малые размеры,
— регулировка выходного напряжения от десятых долей до 2 В,
— две фиксированные частоты для проверки НЧ и ВЧ,
— хорошая форма выходного сигнала.

↑ Схема генератора прямоугольных импульсов (ГПИ)

Обычно для ГПИ используются микросхемы К561ЛА7 или К561ЛЕ5, но мне захотелось использовать триггеры Шмитта.
Немного пояснений по схеме. Стабилизатор 78L05 по питанию я поставил из тех соображений, что размах напряжения на выходе более ±2 В нежелателен, легче будет выставлять небольшие выходные напряжения, да и стабильное питание не помешает. При отсутствии 78L05 можно смело обойтись без неё.

Точные частоты 50 и 1000 Гц оказались не только не нужны, но и вредны. Дело в том, что линейность луча на осциллографе С1-94 на самых краях экрана плохая, что некритично для синусоиды, но неудобно именно для прямоугольника. Плавной регулировки по горизонтали у С1-94 нет, поэтому пришлось немного увеличить частоту и «отойти» по одной клетке экрана от краёв.

Сейчас я думаю, что лучше использовать частоты примерно 100 и 2000 Гц, уменьшив ёмкость С1 до 15 нФ, но переделывать свой вариант не буду.
Поскольку любительские конструкции часто имеют вход без разделительного конденсатора, я поставил его на выходе ГПИ и добавил перемычку, позволяющую его обойти. Иначе импульсы будут однополярные, что нежелательно, особенно для ламповых усилителей.

Для усилителей с разделительной ёмкостью на входе используется выход непосредственно с резистора R3, для усилителей без ёмкости на входе перемычка снимается и сигнал поступает через С2, С3.

↑ Внешний вид платы, детали, наладка

Коммутация перемычками (используются в компьютерной технике) выбрана из соображений минимальных размеров и доступности.

Резисторы SMD легко заменить на обычные, но тогда придётся сверлить отверстия. По два резистора последовательно я поставил для того, чтобы точно выставить нужные частоты, но в этом нет особой необходимости.

Батарея просто прикручена к плате скотчем — это простейшее и достаточно надёжное крепление. Ввиду очень малого тока, потребляемого генератором, батарея должна проработать не менее года.

Рисунок платы очень прост, вся конструкция годится для повторения начинающими радиолюбителями. При правильной сборке из исправных деталей, ГНЧ начинает работать сразу, наладка не требуется.
При желании можно подобрать частоту для удобного отображения на экране осциллографа.

↑ Интерпретация показаний и устранение застарелой ошибки

Генератор прямоугольных импульсов (ГПИ) на триггерах Шмитта К561ТЛ1, CD4093

а) идеальная форма при отсутствии частотных искажений, б), в) ослабление ВЧ умеренное и большое,
г) умеренное ослабление НЧ,
д) кривизна говорит об ослаблении и средних частот,
е), ж) в «оригинале» ошибочно говорится о подъёме на НЧ, конечно, это справедливо для е), а ж) — сильное ослабление НЧ и заметное СЧ.
з) небольшой спад на самых высоких частотах, в зависимости от частоты ГПИ спад может быть далеко за пределами звукового диапазона,
и) плавный провал на средних частотах,
к) неглубокий провал в узком диапазоне на средних частотах, скорее всего вызван каким-то резонансом, но процесс апериодический т. к. нет выбросов.

Колебания кривой на последних рисунках л) и м) показывают на неустойчивую работу усилителя, что хуже, чем просто частотные искажения, такие колебания могут быть незаметны при испытании синусоидальным сигналом!

Можно добавить, что получить импульсы, как на рис. а) возможно только для УПТ (усилителя постоянного тока), любые разделительные конденсаторы приводят к наклону верхушки импульса и даже если частота среза всего несколько Гц, при частоте импульсов 50 и даже 100 Гц, это приводит к форме показанной на рис. г).

Импульсы предложенного генератора при прямом изучении на экране осциллографа не идеальны, но, для звукового диапазона частот, этой «прямоугольности» хватает с многократным запасом.

↑ Практика!

Первый сюрприз – закрытый вход осциллографа заметно искажает меандр 50 Гц, это надо учесть.
Второй сюрприз – прямоугольный сигнал выявляет искажения самого осциллографа на разных участках экрана, особенно на краях и в углах экрана, при перемещении луча и т. д. Это тоже надо учитывать.

При частоте следования ГПИ 1000 Гц, форма сигнала практически идеальная (обратите внимание на положение переключателя развёртки, по нему можно судить о частоте подаваемых импульсов).
Линии на экране не совсем горизонтальны, после фотографирования мне пришлось разобрать его и сделать небольшую юстировку трубке.

↑ Влияние регулятора тембра

При включенных РТ (на экране осциллограмма линейного в диапазоне 20 Гц…20 кГц усилителя) малейшее изменение регулировки ВЧ вызывает заметный подъём или спад фронта в указанном месте.
Можно судить о том, линейна или нет АЧХ в среднем положении РТ, можно ли вообще этого добиться. Небольшой спад обманчив — АЧХ линейна, а область ниже 20 Гц нас (меня) не интересует. Поэтому можно вместо ГПИ 50 Гц использовать 100 Гц, кроме того, при очень низких частотах горизонтальной развёртки (5 мс на клетку и более) изображение мерцает, что неудобно.
Для упрощения будем считать, что диапазон РТ ±8 дБ на 100 Гц и 10 кГц.

Чтобы картина не была слишком благостной, вот пример неустойчивой, «нервной» работы усилителя с недостаточной коррекцией. При этом усилитель линейно работал в диапазоне 20…20000 Гц, а при проверке синусоидальным генератором Г3-102 наблюдался некоторый плавный горб в районе 80000 Гц.

↑ Итого

Делаем вывод — использование ГПИ и осциллографа быстро и наглядно показывает проблемы, которые могут быть не видны при обычной проверке генератором и вольтметром.
В небольшой статье невозможно перечислить все нюансы, но надеюсь, что часть владельцев осциллографов я убедил дополнить свой измерительный парк маленьким, простым, но полезным прибором.

Генератор сигнала с переменной скважностью импульсов. Регулировка коэффициента заполнения. Ограничение максимального значения. Изменение длительности импульсов

Для получения сигнала с управляемой скважностью удобно использовать ШИМ — контроллеры. Эти специализированные микросхемы как раз спроектированы, чтобы формировать сигналы со коэффициентом заполнения, зависящим от внешних условий.

Вашему вниманию подборки материалов:

Конструирование источников питания и преобразователей напряжения Разработка источников питания и преобразователей напряжения. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам

Практика проектирования электронных схем Искусство разработки устройств. Элементная база. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Подробные описания. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам

На схеме (A1) изображен генератор импульсов со скважностью, зависящей от уровня входного напряжения, подаваемого на ножку 2. Увеличение входного напряжения приводит к увеличению коэффициента заполнения, то есть уменьшению скважности.

Генератор по схеме (A2) наоборот формирует импульсы с большим коэффициентом заполнения (меньшей скважностью) при уменьшении входного напряжения.

Скважность импульсов генератора (A3) регулируется вручную с помощью подстроечного резистора R5.

Во всех схемах используются одинаковые детали. Выходной сигнал формируется на ножке 14. Подключать к этой ножке можно нагрузку до 2 А (импульсно). Питание осуществляется от источника от 12 до 30 вольт.

Резистор R1 — 10 кОм, подстроечный. С помощью него регулируется начальный уровень сигнала, при котором появятся импульсы минимальной длительности.

Резистор R2 — 100 кОм

Резистор R3 — 500 кОм, подстроечный. Он регулирует чувствительность, то есть увеличение этого резистора приводит к тому, что сигнал заданной амплитуды приводит к большему изменению коэффициента наполнения.

Резистор R4, Конденсатор C1 — задают частоту выходного сигнала. Формула для расчета частоты в зависимости о параметров этих деталей.

Читайте также  Вездеход кипачь 6х6 схема трансмиссии

Резистор R5 — 100 кОм, подстроечный. Он регулирует максимально возможный коэффициент наполнения, а в схеме (A3), просто коэффициент заполнения.

Конденсатор C1 — 0.1 мкФ.

Готовое устройство, иллюстрирующее управление скважностью — Тренажер для снятия усталости глаз и спазма аккомодации.

Ограничение максимального коэффициента заполнения

Во многих случаях полезно ограничить максимальный коэффициент заполнения. Бывает нужно обеспечить, чтобы вне зависимости от управляющего сигнала коэффициент заполнения не превышал некоторую заданную величину. Это бывает необходимо, например, в повышающей, инвертирующей, обратноходовой, прямоходовой или пуш-пульной топологиях источников питания для того, чтобы магнитопровод дросселя или трансформатора между импульсами успел гарантированно размагнититься.

В схеме удалены все выводы и соединения, не имеющие отношения к нашей задаче ограничения скважности. Для примера выбрана микросхема 1156ЕУ3 или UC3823. Без изменений описанный подход может применяться для микросхемы 1156ЕУ2 или UC3825. Для других микросхем ШИМ может понадобиться подобрать номиналы деталей и учесть цоколевку этих микросхем.

Принцип работы схемы следующий. Ножка 8 отвечает за мягкий старт. На нее внутри микросхемы подается ток 1 мкА. Этот ток заряжает внешний конденсатор. По мере роста напряжения на конденсаторе увеличивается максимально возможный коэффициент заполнения. Так обеспечивается постепенное увеличение ширины импульсов при запуске. Оно необходимо, так как при включении выходной конденсатор разряжен, и, если полагаться на обратную связь, то длительность импульсов будет максимальной, пока этот конденсатор не зарядится до рабочего напряжения. Это нежелательно, так как приводит к перегрузке при включении устройства.

Подстроечный резистор и диод ограничивают максимально возможное напряжение, до которого может зарядиться конденсатор, а значит и максимально возможный коэффициент заполнения. При этом функция мягкого старта полностью сохраняется. Ширина импульсов по мере зарядки конденсатора постепенно нарастает от нуля до установленного значения. Далее рост коэффициента заполнения прекращается.

Диод — любой маломощный, например, КД510

Подстроечный резистор — 100 кОм

К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости, чтобы быть в курсе.

Если что-то непонятно, обязательно спросите!
Задать вопрос. Обсуждение статьи.

Как не перепутать плюс и минус? Защита от переполюсовки. Схема.
Схема защиты от неправильной полярности подключения (переполюсовки) зарядных уст.

Проверка биполярного, полевого транзисторов, МОП, FET, MOSFET. Провери.
Как проверить исправность биполярного и полевого транзисторов. Методика испытани.

Изготовление дросселя, катушки индуктивности своими руками, самому, са.
Расчет и изготовление катушки индуктивности, дросселя. Типовые электронные схемы.

Проверка дросселя, катушки индуктивности, трансформатора, обмотки, эле.
Как проверить дроссель, обмотки трансформатора, катушки индуктивности, электрома.

Общие характеристики и принципы построения генераторов импульсных сигналов

Генераторы импульсных сигналов, или генераторы импульсов, предназначены для получения от источника питания постоянного напряжения электрических колебаний резко несинусоидальной формы, называемых релаксационными. Для таких колебаний характерно наличие участков сравнительно медленного изменения напряжения и участков, на которых напряжение изменяется скачкообразно. В этом случае закон изменения напряжения (тока) приближенно описывается функцией с разрывом первого рода.

Для импульсных генераторов характерно наличие внешней или внутренней положительной обратной связи, обусловливающей возможность их самовозбуждения и скоротечный (лавинообразный, регенеративный) процесс перехода активных элементов генератора из одного крайнего (закрытого, открытого) в другое (открытое, закрытое) состояние. Во время такого лавинообразного процесса происходит быстрое (скачкообразное) изменение напряжения (тока) на некоторых элементах генератора.

Импульсные генераторы делятся на генераторы прямоугольных, трапецеидальных, треугольных, пилообразных импульсов и импульсов некоторых других форм (рис. 1. ). В импульсной технике вычислительных устройств и устройств автоматики чаще всего используются генераторы прямоугольных и пилообразных импульсов, а также их разновидности, с разными соотношениями длительности импульсов и их фронтов — трапецеидальные и треугольные.

Импульсные генераторы могут работать в трех основных режимах: автоколебательном, ждущем и в режиме синхронизации.

Автоколебательные генераторы импульсов после самовозбуждения генерируют последовательность импульсов, параметры которых (амплитуда, частота повторения, длительность, скважность) определяются только параметрами элементов схемы генератора.

Ждущие (заторможенные) генераторы генерируют импульсы, период повторения которых определяется периодом повторения запускающих импульсов, а параметры каждого импульса (амплитуда, длительность, форма) зависят только от параметров схемы генератора.

В режиме синхронизации генератор вырабатывает импульсы, частота которых равна или кратна частоте синхронизирующего сигнала. Поэтому такие генераторы часто используются в качестве делителей частоты. Наряду с генераторами импульсов, вырабатывающими одну или две последовательности импульсов, находящихся в противофазе, применяются генераторы, предназначенные для получения нескольких импульсных последовательностей, сдвинутых по фазе друг относительно друга на некоторую произвольную величину, в общем случае не равную 180°. Такие генераторы называются генераторами многофазных импульсов или просто многофазными

Принцип построения генераторов импульсов основан на использовании усилителей-четырехполюсников с положительной обратной связью или двухполюсников, вольт-амперная характеристика которых имеет падающий участок, обусловливающий отрицательное дифференциальное сопротивление двухполюсника. При этом быстропротекающие (лавинообразные, регенеративные) процессы формирования фронта и среза импульсов определяются параметрами активного четырехполюсника или двухполюсника, а сравнительно медленные процессы, связанные с формированием длительности импульсов и паузы между импульсами (для автоколебательных генераторов импульсов), определяются в основном параметрами специально используемых времязадающих (хронирующих) цепей. В четырехполюсниках эти цепи служат одновременно элементами внешней положительной обратной связи и включаются между входами и выходами активных элементов, составляющих эти четырехполюсники. В качестве времязадающих можно использовать емкостно-резисторные или индуктивно-резисторные линейные формирующие цепи, линии задержки и колебательные контуры. В большинстве генераторов импульсов в качестве времязадающих используются — цепи, что объясняется их простотой и технологичностью изготовления. Индуктивно-резисторные цепи и колебательные LC-контуры используются существенно реже и в основном в генераторах импульсов на активных двухполюсниках, что объясняется плохой технологичностью катушек индуктивности.

Кроме времязадающих цепей, структура генераторов импульсов, как правило, содержит источник постоянного напряжения, пороговые элементы и ключи.

В однофазных генераторах (генераторах с одним выходом) времязадающая цепь используется для формирования, как импульса, так и паузы. В парафазных генераторах (генераторах с двумя взаимоинверсными выходами, импульсные последовательности на которых сдвинуты друг относительно друга на 180°) применяются две времязадающие цепи, одна из которых используется для формирования импульса на одном выходе и соответственно паузы на втором выходе, а вторая, наоборот, для формирования импульса на втором выходе и соответственно паузы на первом выходе.

Процессы, протекающие в однофазном генераторе, можно представить в следующем виде. Под действием источника питания происходит запасание энергии (заряд) времязадающей цепи. Когда напряжение на ней или ток, проходящий через нее, достигнет порогового значения, срабатывает пороговый элемент и ключ переходит из одного состояния в другое, противоположное первоначальному. Начинается перезаряд накопительного элемента времязадающей цепи и, когда величина заряда достигнет нового порогового значения, установившегося в момент изменения состояния ключа, схема возвращается в первоначальное состояние. После этого процесс повторяется.

В парафазных генераторах времязадающие цепи работают поочередно. В то время, как в одной из времязадающих цепей происходит изменение заряда, определяющее формирование импульса на первом выходе генератора и соответственно паузы на втором, накопительный элемент второй времязадающей цепи подготавливается к рабочему циклу в следующем такте работы. Когда заряд по первой времязадающей цепи достигает порогового значения, происходит опрокидывание схемы и начинается изменение заряда во второй времязадающей цепи, а первая в это время восстанавливает свое исходное состояние.

Различные типы генераторов отличаются друг от друга видами времязадающих цепей, пороговых и ключевых элементов, а также видами медленных переходных процессов во времязадающих цепях, от которых зависит длительность импульсов или их период следования. Эти переходные процессы можно разделить на следующие основные виды:

заряд предварительно разряженного конденсатора через резистор до порогового напряжения Uпор; остаточное (начальное) напряжение на конденсаторе при этом может быть как нулевым, так и отличным от нуля (рис. 5.1.1, а и б);

разряд предварительно заряженного конденсатора через резистор до порогового напряжения Uпор, величина которого близка к нулю, конденсатор при разряде стремится разрядиться до нулевого напряжения или перезарядиться до напряжения противоположного знака, но не перезаряжается, так как в момент уменьшения напряжения на нем до Uпор происходит изменение состояния схемы и на конденсаторе быстро восстанавливается первоначальное напряжение (рис. 5.1.1, в);

перезаряд конденсатора через резистор под действием напряжений Еи (рис. 5.1.1, г); при этом в моменты, когда напряжение на конденсаторе достигает величины Uпор1илиUпор2, происходит изменение состояния схемы и конденсатор подключается к источнику напряжения противоположного знака.

Так как переходные процессы во времязадающих цепях во всех рассмотренных случаях описываются дифференциальными уравнениями первого порядка, для определения длительности переходных процессов tии tn можно пользоваться известным уравнением

(5.1)

где τ — постоянная времени времязадающей цепи; U (0) — напряжение на конденсаторе в момент коммутации; U ( ) — напряжение, к которому заряжается (или перезаряжается) конденсатор; Unop — пороговое напряжение.

В качестве времязадающих цепей используются классические -цепи, изображенные на рис. 1.14, а, б, или мостовая цепь (рис. 5.1.2, а).

Принцип работы мостовой времязадающей цепи иллюстрируется временными диаграммами (рис. 5.1.2, б). Вход активного элемента, например диод VD, которым можно заменить эмиттерный переход п-р-п транзи стора, включается в плечо моста. Напряжения на его аноде uA (t) и катоде uБ (t) таковы, что в течение времени t1он обратно смещен. В точке t1 напряжение на диоде uVD = , а в момент, когда рабочая точка смещается на линейный участок вольт-амперной характеристики диода, он полностью откроется, формируя условия переключения схемы.

Мостовые времязадающие цепи применяются в генераторах повышенной стабильности, частота работы которых практически не зависит от изменения напряжения источника питания Е. В любой из обычных времязадающих цепей (рис. 5.1.1) при изменении Е величина tи изменяется. В мостовой времязадающей цепи (рис. 5.1.2, б) при увеличении Е до величины Е’переходные процессы в точках а и б изменяются а (t) и и΄б (t), однако момент их равенства t1 остается прежним.

Читайте также  Схемы генераторы управляемые напряжением гун

В зависимости от функционального назначения генераторы импульсов, применяемые в автоматике, можно подразделить на два основных класса: генераторы прямоугольных импульсов и генераторы пилообразных, или линейно изменяющихся импульсов.

Генераторы прямоугольных импульсов, в свою очередь, делятся на автоколебательные мультивибраторы (MB), ждущие мультивибраторы (ЖМВ), или одновибраторы (ОВ), и блокинг-генераторы (БГ) (автоколебательные и ждущие). В мультивибраторах используются положительные обратные связи через -цепи. Блокинг-генераторы отличаются тем, что в них обратные связи организуются с помощью импульсных трансформаторов, что обусловливает специфику их работы и область применения.

Генераторы пилообразных импульсов составляют особый класс устройств, отличающихся тем, что в своей структуре содержат стабилизаторы тока перезаряда накопительных элементов времязадающих цепей, для чего в их состав входят активные элементы, работающие в линейном режиме.

Генератор прямоугольных импульсов

Мультивибратор является одним из самых распространённых генераторов импульсов прямоугольной формы, используемый в электронике и радиотехнике. Обычно представляет собой двухкаскадный резистивный усилитель, охваченный глубокой положительной обратной связью.

В электронной технике используются самые различные варианты схем мультивибраторов, которые различаются между собой схемотехникой, типом используемых активных компонентов (ламповые, транзисторные, тиристорные, микроэлектронные и другие), различающиеся режимом работы (автоколебательный, ждущие, с внешней синхронизацией), видом связи между усилительными элементами, способам регулировки длительности и частоты генерируемых импульсов и другими параметрами.

Содержание

История

Мультивибратор изобретён в годы Первой Мировой войны французскими учеными Анри Абрахамом и Эженом Блохом и впервые описан в статье, опубликованной в журнале Annales de Physique в 1919 г. [1]

Название мультивибратор для устройства предложил голландский физик ван дер Поль, и отражает тот факт, что в спектре прямоугольных колебаний мультивибратора присутствует множество высших гармоник — в отличие от генератора синусоидальных колебаний («моновибратора»).

Некоторые типы и классификация мультивибраторов

Существуют три типа мультивибраторов в зависимости от режима работы:

  • нестабильный, автоколебательный или астабильный: устройство непрерывно генерирует колебания и самопроизвольно переходит из одного состояния в другое. При этом не обязателен внешний сигнал синхронизации, если не требуется захват частоты колебаний.
  • моностабильный: одно из состояний является стабильным, но другое состояние неустойчиво (переходное). Мультивибратор на некоторое время, определяемое параметрами его компонентов, переходит в неустойчивое состояние под действием запускающего импульса. Затем возвращается в устойчивое состояния до прихода очередного запускающего импульса. Такие мультивибраторы используются для формирования импульса с фиксированной длительностью, не зависящей от длительности запускающего импульса. Такой тип мультивибраторов иногда, в литературе, называют одновибраторы или ждущие мультивибраторы.
  • бистабильный: мультивибратор устойчив в любом из двух состояний и может быть переключён из одного состояния в другое подачей внешних импульсов. Такие устройства называют бистабильными триггерами. Такие триггеры иногда называют «мультивибраторами», что не корректно, так эти триггеры есть лишь подкласс мультивибраторов но никак не мультивибраторы вообще.

Отнесение мультивибратора к классу автогенераторов оправдано лишь при автоколебательном режиме его работы. В ждущем режиме мультивибратор генерирует импульсы только тогда, когда на его вход поступают синхронизирующие сигналы.

Режим синхронизации отличается от автоколебательного тем, что в этом режиме с помощью внешнего управляющего (синхронизирующего) колебания удаётся синхронизовать частоту колебаний автоколебательного мультивибратора под частоту синхронизирующего сигнала или сделать кратной ей (режим «захвата частоты») для автоколебательных мультивибраторов.

«Мультивибратор» Шмитта

Иногда мультивибраторами называют триггеры Шмитта — электронные схемы, физически являющиеся не мультивибраторами, но компараторами с гистерезисом.

Симметричный мультивибратор

Приведенная в качестве примера на рисунке «классическая» схема мультивибратора на двух транзисторах одного типа проводимости сейчас почти не применяется, так как имеет плохие частотные свойства и недостаточно крутые фронты, что ограничивает частоту его генерации единицами МГц. При уменьшении номиналов компонентов (сопротивлений резисторов и ёмкости конденсаторов) для повышения частоты генерации оба транзистора переходят в открытое или насыщенное состояние без генерации, — генерация самопроизвольно срывается, и для восстановления генерации устройство надо перезапускать, — например, подачей импульса на базу одного из транзисторов, что во многих применениях неприемлемо.

Симметричным мультивибратор называют при попарном равенстве сопротивлений резисторов R1 и R4, R2 и R3, ёмкостей конденсаторов C1 и C2, а также параметров транзисторов Q1 и Q2.

Симметричный мультивибратор генерирует прямоугольные колебания («меандр») со скважностью 2, то есть прямоугольный сигнал, у которого длительность импульса и длительность паузы одинаковы.

Симметричный мультивибратор по «классической» схеме широко используется для учебных и демонстрационных целей в качестве схемотехнически простейшего генератора электрических колебаний. Принцип работы этой схемы легко понять, а также эта схема удобна тем, что не требует для своей реализации громоздких и неудобных катушек индуктивности и трансформаторов.

Ждущие мультивибраторы

Моностабильный мультивибратор

Моностабильный мультивибратор, также нередко называемый одновибратором, есть разновидность ждущего мультивибратора. Имеет одно стабильное состояние и одно неустойчивое состояние. При поступлении запускающего импульса одностабильный мультивибратор переключается в неустойчивое состояние на время t = ln ⁡ ( 2 ) ⋅ R 2 ⋅ C 1 cdot C_<1>> , причём это время не зависит от длительности запускающего импульса (для схемы на рисунке 2), а затем возвращается в устойчивое состояние.

Бистабильный мультивибратор

Бистабильный мультивибратор — разновидность ждущего мультивибратора, имеющий два стабильных (устойчивых) состояния, характеризующихся разными уровнями напряжения на выходе. Как правило, бистабильные мультивибраторы переключаются из одного стабильного состояние в другое сигналами, подаваемыми на разные входы, как показано не схеме на рисунке. В этом случае бистабильный мультивибратор представляет собой триггер RS-типа. В некоторых схемах для переключения используется один вход, на который для переключения подаются импульсы различной либо одной полярности, при переключении состояний импульсами одной полярности на одном входе такие устройства называют «триггерами со счётным входом».

Бистабильный мультивибратор, кроме выполнения функции триггера, применяется также для построения генераторов, синхронизированных внешним сигналом. Такой тип бистабильных мультивибраторов характеризуется минимальным временем пребывания в каждом из состояний или минимальным периодом колебаний. Изменение состояния мультивибратора возможно только по прошествии определённого времени с момента последнего переключения (так называемое «мёртвое время переключения») и происходит в момент поступления фронта синхронизирующего сигнала.

Мультивибратор на операционном усилителе

Принципиально можно построить автоколебательный мультивибратор на инвертирующем компараторе с гистерезисом, охваченном отрицательной обратной связью. Пример такой структуры с использованием операционного усилителя (ОУ) приведён на рисунке справа.

Делитель напряжения из пары резисторов R4, включенных в цепь обратной положительной связи переводят ОУ в режим компаратора с гистерезисом по инвертирующему входу, к которому подключена интегрирующая цепочка R2, C1. При переключении компаратора из состояние в состояние происходит изменение направления тока в интегрирующей цепочке и конденсатор начинает перезаряжаться в другую сторону до достижения другого порога компарации, и переключения полярности напряжения на выходе ОУ. В этой схеме ОУ выполняет сразу несколько функций: источника напряжений разряда и заряда конденсатора, компаратора и выходного ключа.

Принцип действия «классического» двухтранзисторного мультивибратора

Схема может находиться в одном из двух нестабильных состояний и периодически переходит из одного в другое и обратно. Фаза перехода очень короткая относительно длительности нахождения в состояниях благодаря глубокой положительной обратной связи, охватывающей два каскада усиления.

Пусть в состоянии 1 Q1 закрыт, Q2 открыт и насыщен, при этом C1 быстро заряжается током открытого базового перехода Q2 через R1 и Q2 почти до напряжения питания, после чего при полностью заряженном C1 через R1 ток прекращается, напряжение на C1 равно (ток базы Q2)·R2, а на коллекторе Q1 — напряжению питания.

При этом напряжение на коллекторе Q2 невелико (равно падению напряжения на насыщенном транзисторе).

C2, заряженный ранее в предыдущем состоянии 2 (полярность по схеме), медленно разряжается через открытый Q2 и R3. При этом напряжение на базе Q1 отрицательно и этим напряжением он удерживается в закрытом состоянии. Запертое состояние Q1 сохраняется до того, пока C2 не перезарядится через R3 и напряжение на базе Q1 не достигнет порога его отпирания (около +0,6 В). При этом Q1 начинает приоткрываться, напряжение его коллектора снижается, что вызывает начало запирания Q2, напряжение коллектора Q2 начинает увеличиваться, что через конденсатор C2 ещё больше открывает Q1. В результате в схеме развивается лавинообразный регенеративный процесс, приводящий к тому, что Q1 переходит в открытое насыщенное состояние, а Q2 наоборот полностью запирается.

Далее колебательные процессы в схеме периодически повторяются.

Длительности нахождения транзисторов в закрытом состоянии определяются постоянными времени для Q2 — T2 = С1·R2, для Q1 — T1 = C2·R3.

Номиналы R1 и R4 выбираются намного меньшие, чем R3 и R2, чтобы зарядка конденсаторов через R1 и R4 была быстрее, чем разрядка через R3 и R2. Чем больше будет время зарядки конденсаторов, тем положительней окажутся фронты импульсов. Но отношения R3/R1 и R2/R4 не должны быть больше, чем коэффициенты усиления соответствующих транзисторов, иначе транзисторы не будут открываться полностью.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: