СКАЧАТЬ:  uca-2.5.zip [1,2 Mb] (cкачиваний: 94)

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

по дисциплине «устройства цифровой автоматики»

НА ТЕМУ:

«Исследование работы мультивибратора на ОУ»

Цель работы

Исследование схемы симметричного и несимметричного мультивибратора на ОУ в режиме анализа переходных процессов, расчет основных параметров схемы.

Краткие сведения из теории

В настоящее время для построения мультивибраторов наибольшее распространение получили операционные усилители в интегральном исполнении. Возможность построения мультивибратора на интегральной микросхеме операционного усилителя или компаратора обусловлена тем, что напряжение на ее выходе может скачком переходить от U⁺_нас к U_нас и наоборот при изменении знака разности входных напряжений u⁽⁺⁾-u^(-).

Чтобы получить последовательность прямоугольных импульсов (реализовать автоколебательный мультивибратор), знак указанной разности должен изменяться периодически в ходе процессов, протекающих непосредственно в самой схеме. В ждущем мультивибраторе разность u⁽⁺⁾-u^(-) должна принимать один знак под действием запускающего импульса, а противоположный — в результате изменений электрического состояния схемы.

Схема симметричного мультивибратора на ОУ приведена на рис. 2.28, а. Ее основой служит компаратор на ОУ с положительной обратной связью. Для периодического изменения знака на вход u⁽⁺⁾-u^(-) на вход (+) ИМС ОУ (рис. 1, а) с делителя R2 - R3 подается часть выходного напряжения, неизменная в течение полупериода и u_вых:

u⁽⁺⁾=γU_нас,

где γ=R3/(R3+R2), а на вход (-) — напряжение с конденсатора С, заряжающегося под действием всего значения u_вых=U_нас.

За счет этого в процессе зарядки конденсатора напряжение на входе (-) может превышать по абсолютному значению напряжение на входе (+), в результате чего напряжение на выходе скачкообразно изменяет знак.

Временные диаграммы (рис. 2.28, б) иллюстрируют сказанное. Если, к примеру,  u_вых=U⁺_нас, то конденсатор С заряжается до момента времени t₁, когда напряжение на нем (u_c) окажется чуть больше γU_нас. Вслед за этим, как только транзисторы ИМС выходят из насыщения, восстанавливается действие положительной обратной связи: уменьшение u⁽⁺⁾=U_R3 вызывает дальнейшее уменьшение u_вых и т.д. В результате выходное напряжение весьма быстро достигает уровня U^-_нас (рис. 1 в). С этого момента конденсатор перезаряжается до тех пор, пока напряжение на нем (при t=t₂) не станет чуть меньше γU^-_нас, после чего начинается переключение u_вых к уровню U⁺_нас.

Как следует из изложенного, подключение цепи R₁C к выходу ИМС обеспечивает автоматическое переключение конденсатора с зарядки (когда u_вых=U⁺_нас) на разрядку (когда u_вых=U^-_нас) и, как следствие этого, изменение знака u⁽⁺⁾-u^(-).

Рис. 1

При определении длительностей t_u1 и t_u2 выходных импульсов надо учесть, что во время t_u1 напряжение u_c изменяется от γU^-_нас, стремится к U⁺_нас и достигает уровня γU⁺_нас, а во время t_u2 – изменяется от γU⁺_нас, стремится к U^-_нас и достигает уровня γU^-_нас, т.е. в указанные промежутки времени напряжения на конденсаторе изменяются следующим образом:

u_c=(γU^-_нас + U⁺_нас)(1-e^-t/τ) - γU^-_нас;

u_c=(γU⁺_нас + U^-_нас)(1-e^-t/τ) - γU^-_нас;

где τ=R₁/C – постоянная времени; U^-_нас - абсолютное значение напряжения насыщения.

Спустя время t=t_u1 (t=t_u2) после начала зарядки (разрядки) конденсатора напряжение u_c=γU⁺_нас (γU_нас). С учетом этого (и заменяя натуральный логарифм на десятичный) из предыдущих выражений получаем:

где U^-_нас – абсолютное значение напряжения.

Период колебаний T=t_u1+t_u2. Если |U^-_нас|=U⁺_нас= U_нас, то

Длительности фронтов выходных импульсов в рассмотренном мультивибраторе зависят от предельной скорости υ нарастания выходного напряжения используемой микросхемы: t⁺_ф U⁺_нас/υ; t^-_ф U^-_нас/υ; где числители соответствуют амплитудам положительного и отрицательного импульсов.

Если скорость нарастания выходного напряжения, обеспечиваемая микросхемой, υ=2 В/мкс, а |U_нас|=10 В, то длительность фронтов импульса  t⁺_ф=t^-_ф=|U_нас| /υ=10/(2-10⁶)=5 мкс, где υ выражена в основных единицах (В/с).

Для получения колебаний, у которых t_u1 t_u2‚ к нижнему (по схеме рис. 2.28, а) выводу резистора R3 можно подключить источник Е_см, который смещает уровни γU⁺_нас и γU^-_нас вверх при Е_см>0 и вниз при Е_см<0. При наличии Е_см в выражениях для t_u1 и t_u2 к членам γU_нас добавляются слагаемые Е_смR2/(R2+R3).                                                                                                                                    

Рис. 2

На рис. 2  приведена схема мультивибратора, в которой резистором R1 можно менять постоянную времени зарядки конденсатора С, а резистором R2 — постоянную его I разрядки. Таким образом, имеется возможность раздельно регулировать длительности положительного и отрицательного импульсов.

Конденсатор С и резисторы R₁, R₂ образуют интегрирующую RC-цепь: при заряде конденсатора открыт диод V₁, ток проходит через R₁, при разряде - открыт V₂, ток идет через R₂. Источником напряжения Е является входная цепь ОУ. Компаратор выполнен на ОУ с положительной обратной связью через цепь R₃R₄. При переключении компаратора на его выходе происходит коммутация цепей заряда и разряда конденсатора С, т.е. ОУ выполняет сразу несколько функций: источника напряжений разряда и заряда конденсатора, компаратора и ключа.

Порядок выполнения задания

1. Используя пакет Electronic Workbench, собираем симметричный и несимметричный мультивибратор (см. рис. 1, 2), включив в нее модель 741 (или LF147 для симметричного мультивибратора, рис. 3).
2. Определяем длительность импульсов, генерируемых автоколебательным мультивибратором на ИМС ОУ (см. рис. 1), если С=0,1 мкФ, R₁=120 кОм, R₂=100 кОм, R₃=86 кОм, U⁺_нас=|U^-_нас|=15 В.
3. Исследуем схему мультивибратора в режиме анализа переходных процессов, подключив осциллограф. Строим осциллограммы напряжений на выходе схемы U_вых, на конденсаторе U_c.
4. Изменяя постоянную времени цепи заряда и разряда конденсатора, добились скважности импульсов равной 2 при разных частотах мультивибратора.

Симметричный мультивибратор

Схема симметричного мультивибратора

Схема несимметричного мультивибратора

Определим длительность импульсов для симметричного мультивибратора на ИМС ОУ:

Определим длительность импульсов для несимметричного мультивибратора на ИМС ОУ:

Изменяем R2 от 120 до 60 кОм. Получаем:

Вывод

Мы исследовали схемы симметричного и несимметричного мультивибратора на ОУ в режиме анализа переходных процессов. Рассчитали основные параметры схемы.