Работа 9. Исследование ждущих генераторов прямоугольных импульсов (одновибраторов) на логических элементах

Цель работы – изучение принципов работы, методов расчета и особенностей настройки ждущих мультивибраторов. Продолжительность работы – 4 часа.

Теоретическая часть

Ждущими генераторами называют колебательные устройства, которые под влиянием входного сигнала генерируют единичный импульс. Если импульс имеет прямоугольную форму, то такой генератор называется одновибратором. Одновибраторы позволяют из импульсов любой формы и длительности получить импульс, имеющий строго постоянные длительность и амплитуду.

Одновибраторы имеют одно устойчивое и одно квазиустойчивое состояние. Перевод схемы из длительно-устойчивого состояния в кратковременно-устойчивое осуществляется подачей на вход внешнего запускающего импульса, после которого схема формирует одно переключение, а затем самостоятельно возвращается в исходное состояние, затормаживается.

Одновибраторы могут выполняться на дискретных элементах, логических микросхемах или операционных усилителях. Схемы на логических элементах (ЛЭ) широко используются в различного рода цифровой аппаратуре в силу простоты, универсальности питания и удобства сопряжения с другими интегральными элементами. В некоторых сериях ИМС одновибраторы содержатся в виде специальной микросхемы, например К155АГ1. Наиболее часто для реализации схем одновибраторов используются логические элементы типа ТТЛ. При этом для формирования импульса могут использоваться схемы без положительной обратной связи (ПОС), когда формирование крутого фронта импульса достигается за счет усиления крутизны нарастания входного напряжения логического элемента, и схемы с ПОС, когда формирование фронта осуществляется за счет действия ПОС с усилением, большем единицы.

Временные сдвиги в схемах одновибраторов обеспечиваются за счет медленных процессов изменения напряжения в интегрирующих и дифференцирующих RC-цепях. На рис. 1 представлена схема одновибратора без ПОС, построенная на интегрирующей RC-цепи, инверторе DD1 и схеме совпадения DD2.

Схема работает следующим образом. В устойчивом состоянии Uвх = U°вх на конденсаторе С устанавливается напряжение Uc = U°c,на выходе DD1 напряжения и .

В момент t₁ (рис. 1, г) на вход схемы поступает импульс с амплитудой диод VD1 закрывается и конденсатор С начинает заряжаться (рис. Кб) от источника питания Е через внутреннее сопротивление R_Б ЛЭ DD1. Постоянная времени заряда конденсатора ₁ = R_Б С, а напряжение, к которому стремится зарядится конденсатор, . По мере заряда конденсатора напряжение на выходе ЛЭ DD1 начинает уменьшаться , но пока оно остается больше , на входе ЛЭ DD2 присутствуют два единичных сигнала, и ЛЭ DD2, изменивший свое состояние на в момент t₁, формирует выходной импульс.

В момент t₂ напряжение на конденсаторе достигает порогового значения ЛЭ DD1, напряжение на выходе ЛЭ DD1 становится и ЛЭ DD2 возвращается в исходное состояние . Таким образом, происходит формирование импульса на выходе, длительность которого определяется как

.

Амплитуда импульса на выходе зависит от напряжения питания Е ЛЭ DD2 и сопротивления нагрузки R_h.

В момент ₃ входной импульс заканчивается , диод VDI открывается и конденсатор быстро разряжается через внутреннее ее сопротивление r_i источника входного сигнала (рис. 1, в), постоянная времени разряда . Напряжение на конденсаторе стремится к нулю, и в момент t₄ ЛЭ DD1 происходит изменение сигнала на выходе ЛЭ DD1, и схема возвращается в исходное устойчивое состояние, которое длится до прихода следующего входного сигнала .

Рассматриваемая схема формирует импульс на выходе при переходе к одного сигнала из "0" в "1", а длительность импульса зависит от величины емкости конденсатора С.

На рисунке 2 представлена схема одновибратора с интегрирующей цепью, инвертором DD2 и дополнительным триггером на ЛЭ DD1 и DD3. Схема формирует импульс на выходе при переходе входного сигнала из "1" в "0", а длительность импульса, как и в схеме рис 1, зависит от величины емкости конденсатора С.

Схема работает следующим образом. В устойчивом состоянии (t < t₁) , напряжение на конденсаторе , на выходе ЛЭ DD2 , на выходе ЛЭ DD1 , а на выходе ЛЭ DD3 . В момент t = t₁ (рис.2,6) , триггер опрокидывается и на выходе ЛЭ DD3 . Диод VD1 закрывается и конденсатор С начинает заряжаться также как и в предыдущей схеме (рис. 1,б), от источника питания Е через внутреннее сопротивление R_Б ЛЭ DD2. Постоянная времени заряда конденсатора ₁ = R_БС.

В момент t = t₂ напряжение на конденсаторе достигает порогового значения ЛЭ DD2, напряжение на выходе DD2 становится равным для ЛЭ DD3 и ЛЭ DD3 меняет свое состояние . Полный возврат схемы в устойчивое состояние происходит после изменения входного сигнала на значение ,^ и разряда конденсатора через VD1 и открытый транзистор выходного каскада ЛЭ DD1, т.е. в момент t = t₄. Как и в предыдущей схеме одновибратора (рис.1), длительность формируемого импульса определяется как

.

Но в отличии от схемы рис.1, в рассматриваемой схеме импульс заданной длительности формируется при изменении входного сигнала из состояния "1" в состояние "0" и при разряде конденсатора С исключается влияние внутреннего сопротивления источника входного сигнала, т.е. схема работает более стабильно.

Описание макета

Макет, схема которого показана на рис.3, позволяет исследовать различные схемы ждущих генераторов, выявить влияние величины емкости на длительность задержки, снять временные диаграммы работы одновибраторов, экспериментально определить длительности формируемых импульсов и сравнить их с расчетными величинами.

Конденсаторы имеют следующие номиналы:

C1 = 0.1 мкФ	С2 = 0.2 мкФ	С3 = 330 пФ	С4 = 66000 пФ
С5 =0.1 мкФ	С6 = 0.2 мкФ	С7 = 3300 пФ	С8 = 6600 пФ
КБ = 4 кОм	ЛЭ-К155ЛАЗ	ТО-КД510А

Входной сигнал следует установить равным:

U_вх = 4 В, f = 1 кГц, Q = 2.

Задание

1. Исследовать схему одновибратора без ПОС. Зарисовать осциллограммы изменения сигналов в точках КТ1, КТ2, КТЗ, KI4.

2. Определить экспериментально длительности выходных импульсов при различных величинах емкости времязадающих конденсаторов Q и С₂. Сравнить полученные значения t_зад с расчетными, Оценить расхождение расчетных величин и измеренных.

3. Исследовать влияние нагрузочных конденсаторов С₃ и С₄ на параметры переходных процессов.

4. Исследовать схему одновибратора с ПОС (дополнительным триггером). Зарисовать осциллограммы изменения сигналов в точках КТ5, КТ6, КТ7.

5. Определить экспериментально длительности выходных импульсов при различных величинах емкости времязадающих конденсаторов С₅ и С₆. Сравнить полученные значения t_зад с расчетными.

6. Исследовать влияние нагрузочных конденсаторов С₇ и C₈ на параметры переходных процессов.

Контрольные вопросы

1. Объясните работу одновибраторов на логических элементах без положительной обратной связи и с дополнительным триггером.

2. Какие параметры схемы влияют на длительность формируемого импульса.

3. Как влияют пороговые напряжения логической единицы и логического нуля на входе логического элемента на параметры формируемых импульсов на выходе схем одновибраторов.

4. Будет ли изменяться длительность формируемого импульса одновибратора при замене ЛЭ серии 155ЛАЗ на другую серию ИМС типа ТТЛ?

Литература

1. Скаржепа В.А., Луценко А.Н. Электроника и микросхемотехника. ч. 1 .-Киев: Выща школа, 1989 г.

2. Скаржепа В.А., Новацкий А.А. Электроника и микросхемотехника: Лабораторный практикум. – Киев: Выща школа, 1989.