3378

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения»

Кафедра «Электроника и защита информации»

А.Н. Караулов, В.Г. Бучирин, С.Ф. Кабов

МУЛЬТИВИБРАТОРЫ

НА ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТАХ

Рекомендовано редакционно-издательским советом университета в качестве методических указаний

для студентов специальностей «Системы обеспечения движения поездов»,

«Компьютерная безопасность» и «Управление в технических системах».

Москва - 2012

УДК 621.373.121

К 21

Караулов А.Н., Бучирин В.Г., Кабов С.Ф.. Мультивибраторы на логических элементах. Методические указания к лабораторной работе. —М.:

МИИТ, 2012.-67 с.

Даются краткие теоретические сведения о ждущих и автоколебательных мультивибраторах, собранных на цифровых интегральных микросхемах, реализующих логическую функцию "И-НЕ"; приводятся описание печатной платы с лабораторным макетом и задание к выполнению лабораторной работы.

Методические указания к лабораторной работе составлены с такой степенью детализации, чтобы позволить студентам самостоятельно (без подсказок преподавателей и участия персонала лаборатории) выполнять экспериментальные инженерные исследования, глубоко вникая в их существо.

Методические указания подготовлены по циклу лабораторных работ дисциплин «Электроника» и «Интегральная схемотехника».

©МИИТ, 2012

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучение схем и принципов работы автоколебательных и ждущих мультивибраторов на логических элементах.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

2. 1. Исследование схем автоколебательного

мультивибратора, выполненных на ТТЛ-элементах "2И-

НЕ" цифровой микросхемы К155ЛАЗ.

2.2. Исследование схемы ждущего мультивибратора,

выполненной на ТТЛ-элементах "2И-НЕ" цифровой микросхемы К155ЛАЗ.

3. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ

СВЕДЕНИЯ

3.1.Релаксационные генераторы прямоуголь­

ных импульсов. Общие сведения и классифика­

ция.

Генераторами импульсов называют электронные устройства, предназначенные для преобразования энергии источников питания постоянного тока в энергию электрических импульсов определенной формы,

амплитуды, частоты, длительности и скважности.

3

В настоящее время генераторы импульсов широко применяются в устройствах цифровой автоматики и вычислительной техники.

В зависимости от формы вырабатываемых импульсов можно выделить генераторы прямоугольных импульсов,

генераторы линейно изменяющихся (пилообразных)

напряжений (ГЛИН) и генераторы импульсов другой, более сложной формы.

Генераторы прямоугольных импульсов формируют сигналы по форме близкие к прямоугольным. Импульсы прямоугольной формы имеют резкие перепады напряжения и тока во время формирования фронта и среза (заднего фронта), поэтому эти импульсы можно отнести к колебаниям релаксационного типа, в которых медленные изменения напряжения или тока чередуются со скачкообразными. Генераторы, которые вырабатывают такие колебания, называют релаксационными генераторами прямоугольных импульсов. Особенностью релаксационных устройств является глубокая (сильная) положительная обратная связь.

Широкое распространение нашли релаксационные генераторы прямоугольных импульсов, принцип работы которых основан на использовании усилительных

4

устройств с положительной обратной связью.

Из теории усилителей, охваченных обратными связями,

известно, что усилитель, охваченный положительной обратной связью, теряет устойчивость и переходит в автоколебательный режим или становится регенеративным устройством, когда выполняются условия баланса

передачи цепи обратной связи, ф|<и фр ~ фазовые сдвиги в

усилителе и в цепи обратной связи.

Для возникновения в генераторе релаксационных колебаний (импульсов) прямоугольной формы необходимо,

чтобы этот генератор состоял из широкополосного усилителя, охваченного цепью глубокой положительной обратной связи, коэффициент передачи которой оставался бы почти постоянным в широкой полосе частот.

Генераторы релаксационных колебаний прямоугольной формы, в которых положительная обратная связь создается

спомощью RC-цели, называют мультивибраторами.

Генераторы релаксационных колебаний прямоугольной формы, в которых положительная обратная связь обеспечивается за счет использования импульсных

5

трансформаторов, называют блокинг-генераторами.

Отличительной особенностью любого релаксационного генератора прямоугольных импульсов является то, что усилительные элементы в таком генераторе работают в режиме переключения и их переход из одного состояния в другое происходит скачком. Поэтому временная диаграмма формируемого таким генератором выходного сигнала имеет участки с резко различающейся скоростью изменения напряжения (тока): участки с очень малой скоростью изменения напряжения (тока) и участки с очень большой скоростью изменения напряжения (тока).

Состояния, соответствующие временным интервалам с очень малой скоростью изменения выходного напряжения

(тока), называют равновесными, и генерация в схеме проявляется в виде скачкообразных изменений величины выходного напряжения (тока) из одного равновесного

состояния в другое.

Скачкообразный переход схемы из одного равновесного состояния в другое происходит при возникновении в этой схеме состояния неустойчивого равновесия, когда любое даже незначительное случайное изменение электрического режима приводит к лавинообразному развитию процесса во времени, в результате которого схема переходит в новое

6

равновесное состояние. Такой лавинообразный переходный процесс, развивающийся в электрической цепи, охваченной

прямоугольных импульсов. Равновесные состояния могут быть длительно устойчивыми и квазиустойчивыми (почти устойчивыми).

Применительно к электронной схеме под длительно устойчивым равновесным состоянием понимают такой режим ее работы, при котором токи и напряжения в любом

ееэлементе остаются неизменными во времени

(постоянны). Если схема имеет длительно устойчивое состояние, то она может находиться в нем неограниченно долго. Вывести схему из этого состояния равновесия и перевести в другое может только внешнее воздействие,

например, поданный извне импульс, называемый запускающим, амплитуда которого превышает некоторое пороговое значение.

Квазиустойчивое равновесное состояние может существовать в схеме только конечное время, определяемое внутренними параметрами и структурой релаксационного

7

генератора. Для квазиустойчивого состояния характерно,

что сразу после его начала выходное напряжение (ток)

остается практически неизменным, а в схеме происходит относительно медленный по сравнению с процессами регенерации внутренний самопроизвольный процесс, в

результате которого через определенный промежуток времени схема самостоятельно, без использования каких-

либо внешних сигналов, переходит в другое состояние равновесия.

Для того чтобы схема могла самостоятельно, без внешнего воздействия, переходить из квазиустойчивого состояния в другое состояние равновесия, в ней должен присутствовать хронирующий (времязадающий) элемент

(накопитель энергии), который и определяет продолжи­ тельность пребывания схемы в квазиустойчивом состоянии равновесия.

В зависимости от характера устойчивых состояний релаксационные генераторы делятся на ждущие и автоколебательные.

Ждущий релаксационный генератор имеет одно длительно устойчивое состояние равновесия. Второе возможное состояние равновесия является квазиустойчивым. После включения источника питания

8

ждущий генератор всегда оказывается в длительно устойчивом состоянии равновесия. Под действием короткого запускающего импульса, амплитуда которого превышает некоторое пороговое значение, ждущий релаксационный генератор скачком переходит в квазиустойчивое состояние равновесия. В этом состоянии в схеме протекают относительно медленные переходные процессы, которые в конечном итоге приводят к обратному скачку, после чего восстанавливается исходное длительно устойчивое состояние равновесия. В этом состоянии равновесия ждущий генератор может находиться сколь угодно долго, ожидая прихода следующего запускающего импульса. Отсюда и происходит название такого релаксационного генератора - ждущий. Можно сказать, что на каждый запускающий импульс ждущий генератор реагирует генерированием только одного импульса,

длительность которого равна времени пребывания схемы в квазиустойчивом состоянии равновесия. Поэтому иногда ждущий генератор называют одновибратором. Таким образом. ждущий релаксационный генератор прямоугольных импульсов формирует импульсы по форме близкие к прямоугольным, период повторения которых определяется периодом повторения запускающих

9

импульсов, а ффаметры каждого импульса (амплитуда,

длительность) зависят только от параметров элементов схемы генератора.

Применяются такие ждущие релаксационные генераторы прежде всего для формирования прямоугольных импульсов с определенными параметрами с целью стандартизации их длительности и амплитуды, а так же для усиления их мощности. Кроме того, такие генераторы используются для получения определенного временного интервала, начало и конец которого фиксируется соответственно фронтом и срезом (задним фронтом) генерируемого импульса. Таким образом,

ждущий генератор может быть использован в качестве временной задержки импульсов. Основными требованиями,

предъявляемыми к ждущему генератору, являются стабильность длительности формируемого импульса и устойчивость его длительно устойчивого состояния равновесия.

Автоколебательный релаксационный генератор не имеет длительно устойчивого состояния равновесия. Каждое из двух возможных состояний равновесия в нём является квазиустойчивым. После включения источника питания эти состояния периодически чередуются. Таким образом,

10