Мультивибратор на логических элементах

Как отмечено ранее, автоколебательные импульсные генераторы являются астабильными (нестабильными) устройствами, т.е. не имеют устойчивых состояний. Подобные генераторы имеют различные схемные решения и строятся на различных элементах. Общим для них является наличие положительной обратной связи и релаксационной (времязадающей) RC -цепи, в которой происходит постепенное нарастание или убывание напряжения до достижения определенного уровня, при котором происходит скачкообразный переход генератора из одного состояния в другое.

Ранее были рассмотрены генераторы – мультивибраторы на биполярных транзисторах и операционных усилителях.

Рассмотрим наиболее типичные автогенераторы – мультивибраторы на логических элементах (рис. 9). Электрическая схема мультивибратора на двух ЛЭ ²И-НЕ² содержит две цепи RC, являющиеся времязадающими релаксационными элементами. Через конденсаторы обеспечивается петля положительной обратной связи. Фактически на элементах DD 1 и DD 2 реализованы инверторы.

В схеме могут присутствовать диоды VD 1 и VD 2, роль которых будет рассмотрена ниже.

При значениях R ₁ = R ₂ = R, C ₁ = C ₂ = C схема генерирует напряжение U ₁ и U ₂ в форме меандра (рис. 14, б) частотой f. Период Т равенпримерно
Т» 0,7 RC. При значениях R = 2,1 кОм и С = 0,1 мкФ частота импульсов около 5 кГц.

а) б)

Рис. 14. Схема автогенераторного мультивибратора на логических элементах

Анализируя микросхемы на логических элементах, следует постоянно учитывать, что логические элементы характеризуются величиной напряжения переключения из лог. 0 в лог. 1 и наоборот. В частности, переключение, например, из лог. 0 в лог. 1 происходит при напряжении U _пер » 0,5 Е
(E - напряжение питания).

Допустим, что после включения источника питания (конденсаторы разряжены) из-за технологического разброса параметров один из инверторов, например, DD 1 устанавливается в единичное состояние (момент времени 0): говорится, что DD 1 отключен. На его выходе - лог. 1, т.е U ₁ » E. Выход DD 1 связан с землей через цепочку R ₁ C ₁, так что в начальный момент времени на резисторе R ₁ большое напряжение (U_{R 1} = U_{dd 2}), а на конденсаторе C ₁– нулевое. Именно за счет большого напряжения U_{R 1} = U_{dd 2} в исходном состоянии U_{dd 2} на входе инвертора DD 2 - лог. 1, а на выходе - лог. 0 (элемент включен).

В промежутке времени 0-1 напряжение на конденсаторе C ₁ растет, а напряжение на резисторе U_{R 1} = U_{dd 2} падает по экспоненциальному закону и в момент времени 1 ток заряда через резистор R ₁ уменьшается настолько, что U_{R 1} = U_{dd 2} достигает критического уровня, при котором это значение воспринимается элементом DD 2 как лог. 0, элемент DD 2 - выключается и скачком на его выходе устанавливается лог. 1.

Скачок напряжения на выходе DD 2 передается через конденсатор С ₂ на вход DD 1 (момент времени 1), так что на выходе DD 1 устанавливается лог. 0 (элемент включен). Падение напряжения на выходе DD 1 (переход от лог. 1 до лог. 0) через конденсатор С ₁ передается на вход DD 2 и U_{R 1} = U_{dd 2} скачком падает.

В момент 1 начинается зарядка С ₂ и экспоненциальное уменьшение напряжения на входе DD 1: U_{R 2} = U_{dd 1}. Конденсатор С ₁, ранее заряженный, в данном промежутке времени разряжается до нуля. И вновь после того, как в момент времени 2 ток заряда через резистор R ₂ уменьшается настолько, что U_{R 2} = U_{dd 1} достигает критического уровня, при котором это значение воспринимается элементом DD 1 как лог. 0, элемент DD 1 - выключается и скачком на его выходе устанавливается лог. 1. Мультивибратор снова переключается в первоначальное состояние и далее процессы повторяются циклически.

Вспомогательные диоды VD 1 и VD 2 (обозначены пунктиром на рис. 9) образуют цепь быстрого разряда конденсаторов через внутренние выходные сопротивления DD 1 и DD 2, минуя разрядные резисторы R ₁ и R ₂, что улучшает форму генерируемых импульсам по срезам.

Видоизменим схему, представленную на рис. 15, устраняя конденсатор С ₂ из схемы (рис. 14). Данный ждущий мультивибратор - одновибратор создан на двух ЛЭ ²И-НЕ² и содержит одну цепь R ₁ C.

Повторяя вышеприведенные рассуждения, можно сказать следующее. Если на входе элемента DD 3 входной импульс отсутствует, то после включения источника питания (конденсатор С разряжен), на выходе элемента DD 3 - лог. 1, и, следовательно, на выходе DD 1 - лог. 0. Конденсатор С остается разряженным, так что U_{DD 2} =0, а на выходе DD 2 - лог. 1. Схема находится в ожидании входного импульса.

В момент 1 прихода входного импульса Х = лог. 1 на выходе элемента DD 3 - лог. 0, и, следовательно, на выходе DD 1 - лог. 1.

Следовательно, DD 1 устанавливается в единичное состояние (момент времени 1): DD 1 отключен. На его выходе - лог. 1, т.е U ₁ » E. Выход DD 1 связан с землей через цепочку R ₁ C, так что в начальный момент времени 1 на резисторе R ₁ большое напряжение (U_{R 1} = U_{dd 2}), а на конденсаторе C – нулевое. За счет большого напряжения U_{R 1} = U_{dd 2} в исходном состоянии U_{dd 2} на входе инвертора DD 2 - лог. 1, а на выходе - лог. 0 (элемент включен).

а) б)

Рис. 15. Одновибратор на двух ЛЭ ²И-НЕ²

В промежутке времени 1-2 напряжение на конденсаторе C растет, а напряжение на резисторе U_{R 1} = U_{dd 2} падает по экспоненциальному закону и в момент времени 2 ток заряда через резистор R ₁ уменьшается настолько, что U_{R 1} = U_{dd 2} достигает критического уровня, при котором это значение воспринимается элементом DD 2 как лог. 0, элемент DD 2 - выключается и скачком на его выходе устанавливается лог. 1.

Скачок напряжения на выходе DD 2 передается через непосредственную связь на вход DD 1 (момент времени 2), так что на выходе DD 1 устанавливается лог. 0 (элемент включен). Падение напряжения на выходе DD 1 (переход от лог. 1 до лог. 0) через конденсатор С передается на вход DD 2 и U_{R 1} = U_{dd 2} скачком падает.

Заметим, что за счет броска напряжения потенциал входа DD 2 может стать отрицательным и будет оставаться таковым, пока конденсатор С не разрядится полностью. Этот процесс ²портит² срез выходного импульса. Для ускорения разрядки конденсатора и предназначен диод VD,замыкающий конденсатор на землю.

Мультивибратор переключается в первоначальное состояние и вновь ожидает входного сигнала.

Дата добавления: 2015-07-19