Лабораторная работа № 7 Мультивибратор

1. Основные понятия

Для получения импульсов прямоугольной и другой формы применяются устройства, которые называются релаксационными генераторами. Всякий генератор строится на основе активного элемента – лампа, транзистор, туннельный диод, элемент микросхемы – и цепей положительной обратной связи. Релаксационные генераторы, у которых петля положительной обратной связи создается при помощи резисторных усилительных каскадов, называются мультивибраторами. Мультивибратор может работать в ждущем режиме или в режиме автоколебаний.

В ждущем режиме мультивибратор работает как пусковое устройство с одним устойчивым состоянием. Внешний запускающий импульс вызывает скачкообразный переход ждущего мультивибратора в новое состояние, которое не является устойчивым. В этом состоянии, называемом квазиравновесным, в схеме мультивибратора происходят такие изменения, которые приводят к обратному скачку, после чего восстанавливается исходное устойчивое состояние. Длительность состояния квазиравновесия, определяющая длительность прямоугольного выходного импульса ждущего мультивибратора, зависит от параметров его схемы. Таким образом, ждущий мультивибратор применяется для формирования одного прямоугольного импульса заданной длительности при воздействии на него внешнего запускающего импульса.

В автоколебательном режиме мультивибратор без каких-либо внешних воздействий скачком переходит из одного состояния квазиравновесия в другое. При этом релаксатор генерирует прямоугольные импульсы, амплитуда, длительность и частота повторения которых определяется параметрами схемы.

2. Транзисторный симметричный мультивибратор

Принципиальная схема мультивибратора на p-n-p транзисторах приведена на рис. 1.

Рис. 1. Принципиальная схема мультивибратора

на p-n-p транзисторах.

Толчком к развитию лавинообразных процессов в мультивибраторе, приводящих к переходу из одного состояния квазиравновесия в другое, являются флуктуации токов, протекающих в элементах схемы после включения питания. В схеме (рис.1) после подачи напряжения питания в транзисторах потекут токи, а также начнут заряжаться конденсаторыипо цепям «общий провод – эмиттерные переходы транзисторов – конденсаторы – коллекторные резисторы – отрицательный полюс источника питания». Вследствие флуктуаций коллекторные токи транзисторов не будут совершенно неизменными. Допустим, что ток первого транзистора получил приращение. Увеличение коллекторного тока вызывает увеличение напряжения на коллекторе первого транзистора. Положительный скачок напряжения на коллекторе первого транзистора через конденсаторбудет приложен к переходу «база – эмиттер» второго транзистора, что вызовет уменьшение его коллекторного тока и уменьшение коллекторного напряжения. Уменьшение коллекторного напряжения второго транзистора, в свою очередь, вызовет уменьшение напряжения на базе первого транзистора и новое приращение его коллекторного тока. В результате через очень малый промежуток времени первый транзистор полностью откроется, а второй закроется. В этот момент (на рис. 2) происходит формирование фронтов выходных импульсов. После этого конденсаторпродолжит заряжаться через открытый первый транзистор и резистордо напряжения, близкого к напряжению питания. Конденсатор, ранее заряженный с полярностью, указанной на рис. 1, через малое сопротивление открытого первого транзистора оказывается подключенным к переходу «база – эмиттер» второго транзистора и удерживает его в запертом состоянии.

Однако такое состояние не является устойчивым. Конденсатор начинает перезаряжаться через открытый первый транзистор и базовый резистор. По мере переразрядки конденсатора, напряжение на базе второго транзистора уменьшается. Когда оно становится близким к нулю, второй транзистор открывается, и его коллекторное напряжение увеличивается. Положительный перепад напряжения на коллекторе второго транзистора запирает первый транзистор (момент времени). Это состояние тоже неустойчиво. Как только второй транзистор откроется, а первый закроется, конденсаторначнет перезаряжаться через резистори открытый второй транзистор. Когда напряжение на нем станет близким к нулю, откроется первый транзистор, и цикл колебаний в схеме мультивибратора повторится (момент времени). Графики напряжений на базах и коллекторах транзисторов мультивибратора приведены на рис. 2.

Рис. 2. Графики напряжений в транзисторном

мультивибраторе.

В процессе работы мультивибратора напряжения на конденсаторах меняется от до.

В общем случае напряжение на конденсаторе емкостью во время зарядки от источника с напряжениемчерез резисторизменяется по закону

, (1)

Если конденсатор, заряженный до напряжения , разряжается через резистор, то напряжение на нем

. (2)

Если заряженный до напряжения конденсатор через резистор подключается к источнику, имеющему противоположную полярность, происходит процесс перезарядки (напряжение на конденсаторе сначала уменьшается до, а затем стремится к), который описывается уравнением

, (3)

В нашем случае

, (4)

или

, (5)

(Время отсчитывается от момента_.) В момент напряжение настановится равным 0:

, (6)

или

, (7)

, (8)

Если схема мультивибратора симметрична, т.е. и, то и период колебаний

, (9)

тогда

, (10)

В настоящее время мультивибраторы строятся на основе интегральных микросхем. При этом могут использоваться готовые релаксаторы, входящие в состав некоторых серий микросхем, например КР119ГГ1, а чаще мультивибраторы строятся на базе логических элементов. Схема мультивибратора на двух элементах «НЕ» приведена на рис. 3.

Рис. 3. Схема мультивибратора на логических

элементах «НЕ».

Логические элементы ДД1.1 и ДД1.2 могут находиться в состояниях логического нуля или логической единицы. Пусть элемент ДД1.1 имеет на выходе логическую единицу, т.е. высокий потенциал. Тогда конденсатор начнет заряжаться через резистор. По мере заряда конденсаторанапряжение на резисторе, т.е. на входе элемента ДД1.2, будет уменьшаться. Когда это напряжение достигнет порогового значения, состояние элемента ДД1.2 скачком изменится, т.е. на его выходе появится логическая единица. При этом на выходе ДД1.1 установится логический нуль. Затем эти циклы будут повторяться. На выходах элементов появится последовательность прямоугольных импульсов. Частота следования импульсов определяется величиной емкости конденсаторов и сопротивления резисторов. Мультивибраторы можно строить также на операционных усилителях, интегральных таймерах и других типах микросхем.

Выполнение работы

1. Установить в схему на стенде следующие детали: V1 и V2 – транзисторы МП 40А, ,,, в гнездо Х6 и Х7 – перемычку. Рассчитать период колебаний для заданных номиналов деталей.

2. Установить на панели вольтметра стенда АВМ 1 тумблер в положение «АВМ 1» и подать, соблюдая полярность, напряжение питания с гнёзд «ГН 2» на гнёзда многопредельного вольтметра АВМ 1. Включить стенд в сеть. Установить ручками регулировки напряжения на гнёздах величиной . Подать это напряжение, соблюдая полярность, на гнёзда «-Ес» и Х8. Зарисовать осциллограммы колебаний на коллекторе и базе одного из транзисторов, определить по ним период колебаний и сравнить его с расчетным.

3. Установить в схему симметричного мультивибратора поочередно другие пять комбинаций времязадающих деталей из имеющихся в наличии. Для каждой комбинации определить период колебаний и сравнить его с расчётным.