12 Схем RC-мультивибраторов на микросхемах, расчет их частоты
Во многих схемах, построенных на логических микросхемах есть источники прямоугольных импульсов, — мультивибраторы на логических элементах с заданием частоты RC-цепями.
Здесь пойдет речь о мультивибраторах на логических элементах КМОП-логики, представляющей собой цифровые микросхемы с низким потреблением энергии, и способностью работы в широком диапазоне напряжения питания.
К числу таких относятся микросхемы серий К561, К176, а также многочисленные зарубежные аналоги серий «. 40. » и «. 45. ».
Такие микросхемы построены по «полевой» технологии отличаются высоким, почти бесконечным входным сопротивлением Это значит то, что R-составляющая может быть весьма большой величины, -от килоома до десятков мегаом.
Схемы генераторов импульсов
На рисунке 1 показана, пожалуй, самая популярная схема мультивибратора на двух логических элементах.
Рис. 1. Схема мультивибратора на двух логических элементах.
Для создания мультивибратора по схеме на рисунке 1 нужно два логических инвертора. В данном случае показан вариант на двух элементах «2ИЛИ-НЕ» микросхемы К561ЛЕ5, К176ЛЕ5 или зарубежного аналога CD4001, переведенных в режим инверторов путем соединения вместе всех входов каждого логического элемента.
На рисунке 2 показана аналогичная схема мультивибратора на инверторах (элементах «НЕ») микросхемы К561ЛН2, а на рисунке 3 — для элементов «4И-НЕ» (микросхема К561ЛА9). Сколько бы входов у каждого элемента логики «И-НЕ» или «ИЛИ-HE» не было, для создания инвертора их соединяют вместе.
Рис 2. Схема мультивибратора на инверторах — элементах НЕ.
Рис. 3. Схема мультивибратора на элементах 4И-НЕ.
Частоту мультивибратора по схемам на рисунках 1, 2, 3 можно приблизительно рассчитать по формуле:
где F — в кГц, R — в кОм, С — в мкФ.
Почему приблизительно? Потому что многое зависит как от типа логических элементов и используемой микросхемы, кроме того есть зависимость и от напряжения питания, температуры. Например, для микросхемы К561ЛЕ5 более точная формула: F=0,46/(RC), а для К561ЛА7 формула:
F=0,52/(RC), для микросхемы К561ЛН2: F=0,48/(RC).
Еще и напряжение питания может внести погрешность до 10-15%. Ну а температура может оказать и большее влияние. Немного реже в радиолюбительской, а так же в справочной литературе и, чаще всего, в промышленной аппаратуре встречается схема, показанная на рис. 4. Здесь есть дополнительный резистор R2.
Он нужен для ограничения тока разряда конденсатора через диоды, имеющиеся внутри микросхемы, на входах логических элементов. Практически, резистор R2 делает схему более надежной, она работает более мягко, без пиковых перегрузок при заряде-разряде конденсатора.
Рис. 4. Схема генератора импульсов на с дополнительным резистором.
Больше стабильность частоты в зависимости от напряжения питания и температуры дает схема мультивибратора на трех логических элементах, показанная на рисунке 5 (и рисунке 6 с токоограничительным резистором R2).
Рис. 5. Схема мультивибратора на трех логических элементах.
Рис. 6. Схема генератора импульсов на трех логических элементах с токоограничительным резистором.
Если сравнить схему на рис. 5 со схемой на рисунке 1 станет заметно, что правый по схеме вывод резистора R подключен, на рис 5, к выходу D1 2 через инвертор D1.3, а на рисунке 1 — к выходу D1 1.
То есть, логически рассуждая, разницы никакой нет. Но, сопротивление, включенное между входом и выходом одного логического элемента придает ему свойства аналогового усилителя.
На рисунке 5 же, в «линейке» между выводами R целых три элемента, а в результате более стабильный режим и как следствие меньшая зависимость частоты от напряжения питания микросхемы.
В этих схемах (рис 5. 6) выходом тоже может быть совсем не обязательно выход D1.3, но так же и выход D1.2, если нужно получить импульсы, противофазные импульсам на выходе D1.3.
В некоторых схемах весьма важна скважность импульсов, ширина полуволн, то есть, соотношение времени, в течение которого на выходе единица, ко времени, в течение которого на выходе ноль.
В таком случае используют схему, показанную на рисунке 7. Здесь есть два резистора, определяющих частоту — R1 и R3. причем работают они каждый в своей полуволне, а диоды VD1 и VD2 служат переключателем этих резисторов.
Рис. 7. Схема генератора импульсов с изменяемоц скважностью.
Изменяя соотношение сопротивления R1 к R3 можно поучить на выходе импульсы самой различной скважности. Длительность единицы можно определить по формуле: t1 = 0.8CR1.
Длительность нуля: t0 = 0.8CR3. Существуют логические элементы с эффектом триггера Шмитта, суть отличия в том. что у них есть некий гистерезис, разница напряжений на входе, при котором происходит переключение в логическую единицу и логический ноль.
Благодаря этому свойству мультивибратор с RC-цепью, задающей частоту импульсов можно сделать всего на одном таком логическом элементе. На рисунке 8 показана схема мультивибратора на логическом элементе микросхемы К561ТЛ1 (зарубежный аналог CD4093).
Рис. 8. Схема генератора импульсов на логическом элементе микросхемы К561ТЛ1 (зарубежный аналог CD4093).
Приблизительную частоту генерации для такого варианта можно определить по формуле:
где F — в кГц, R — в кОм, С — в мкФ.
В некоторых схемах требуется управлять мультивибратором, чтобы он генерировал импульсы не все время, пока подано питание, а только тогда, когда это нужно, согласно логике работы схемы.
На рисунках 9, 10, 11, 12 показаны варианты управления для схем мультивибраторов на ИМС К561ЛЕ5 и К561ЛА7. В схеме на рис 9 при подаче логической единицы на вход «управление» генерация прекращается, а на выходе устанавливается логическая единица.
Рис. 9. Схема варианта управления для мультивибратора.
В схеме на рис. 10 при подаче логической единицы на вход «управление» генерация прекращается, а на выходе устанавливается логический ноль. Совсем наоборот работают схемы на рис.11 и 12. Здесь чтобы прекратить генерацию нужно подать логический ноль, а не единицу. В схеме на рис.
11 при подаче логического нуля на вход «управление» генерация прекращается, а на выходе устанавливается логический ноль.
Рис. 10. Схема управляемого генератора импульсов.
Рис. 11. Управляемый генератор сигналов на логических элементах.
Рис. 12. Схема управляемого мультивибратора на микросхеме.
В схеме на рис 12 при подаче логического нуля на вход «управление» генерация прекращается, а на выходе устанавливается логическая единица.
Связана эта разница с различием логики работы примененных логических элементов В первом случае, это элементы «ИЛИ-HE», во втором «И-НЕ».
Как прекратить работу мультивибратора
Вообще, чтобы прекратить работу любого мультивибратора на логических элементах нужно один (или единственный) логический элемент его схемы зафиксировать в состоянии, когда уровень на его выходе не меняется от изменения уровня на его других входах.
Например, на рисунке 9 подаем единицу на один из входов элемента D1 1. Но это элемент «2ИЛИ-НЕ», значит «главный» уровень для него единица. Теперь он зафиксирован в положении с нулем на выходе. А это приводит к остановке генерации.
Источник
Мультивибратор
Симметричный мультивибратор
Если разобраться, вся электроника состоит из большого числа отдельных кирпичиков. Это транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы, индуктивные элементы. А уже из этих кирпичиков можно сложить всё, что угодно.
От безобидной детской игрушки издающей, например, звук «мяу», до системы наведения баллистической ракеты с разделяющейся головной частью на восемь мегатонных зарядов.
Одной из очень известных и часто применяющихся в электронике схем, является симметричный мультивибратор, который представляет собой электронное устройство вырабатывающее (генерирующее) колебания по форме, приближающиеся к прямоугольной.
Мультивибратор собирается на двух транзисторах или логических схемах с дополнительными элементами. По сути это двухкаскадный усилитель с цепью положительной обратной связи (ПОС). Это значит, что выход второго каскада соединён через конденсатор со входом первого каскада. В результате усилитель за счёт положительной обратной связи превращается в генератор.
Для того чтобы мультивибратор начал генерировать импульсы достаточно подключить напряжение питания. Мультивибраторы могут быть симметричными и несимметричными.
На рисунке представлена схема симметричного мультивибратора.
В симметричном мультивибраторе номиналы элементов каждого из двух плеч абсолютно одинаковы: R1=R4, R2=R3, C1=C2. Если посмотреть на осциллограмму выходного сигнала симметричного мультивибратора, то легко заметить, что прямоугольные импульсы и паузы между ними одинаковы по времени. t импульса (tи) = t паузы (tп). Резисторы в коллекторных цепях транзисторов не влияют на параметры импульсов, и их номинал подбирается в зависимости от типа применяемого транзистора.
Частота следования импульсов такого мультивибратора легко высчитывается по несложной формуле:
,где f — частота в герцах (Гц), С — ёмкость в микрофарадах (мкФ) и R — сопротивление в килоомах (кОм). Например: С = 0,02 мкФ, R = 39 кОм. Подставляем в формулу, выполняем действия и получаем частоту в звуковом диапазоне приблизительно равную 1000 Гц, а точнее 897,4 Гц.
Сам по себе такой мультивибратор неинтересен, так как он выдаёт один немодулированный «писк», но если элементами подобрать частоту 440 Гц, а это нота Ля первой октавы, то мы получим миниатюрный камертон, с помощью которого можно, например, настроить гитару в походе. Единственно, что нужно сделать, это добавить каскад усилителя на одном транзисторе и миниатюрный динамик.
Основными характеристиками импульсного сигнала принято считать следующие параметры:
Частота. Единица измерения (Гц) Герц. 1 Гц – одно колебание в секунду. Частоты, воспринимаемые человеческим ухом, находятся в диапазоне 20 Гц – 20 кГц.
Длительность импульса. Измеряется в долях секунды: мили, микро, нано, пико и так далее.
Амплитуда. В рассматриваемом мультивибраторе регулировка амплитуды не предусмотрена. В профессиональных приборах используется и ступенчатая и плавная регулировка амплитуды.
Скважность. Отношение периода (Т) к длительности импульса (t). Если длина импульса равна 0,5 периода, то скважность равна двум.
Исходя из вышеприведенной формулы, легко рассчитать мультивибратор практически на любую частоту за исключением высоких и сверхвысоких частот. Там действуют несколько другие физические принципы.
Для того чтобы мультивибратор выдавал несколько дискретных частот достаточно поставить двухсекционный переключатель и пять шесть конденсаторов разной ёмкости, естественно одинаковые в каждом плече и с помощью переключателя выбирать необходимую частоту. Резисторы R2, R3 так же влияют на частоту и скважность и их можно сделать переменными. Вот ещё одна схема мультивибратора с подстройкой частоты переключения.
Уменьшение сопротивления резисторов R2 и R4 меньше определённой величины зависящей от типа применяемых транзисторов может вызвать срыв генерации и мультивибратор работать не будет, поэтому последовательно с резисторами R2 и R4 можно подключить переменный резистор R3, которым можно подобрат частоту переключений мультивибратора.
Практическое применение симметричного мультивибратора очень обширно. Импульсная вычислительная техника, радиоизмерительная аппаратура при производстве бытовой техники. Очень много уникальной медицинской техники построено на схемах, в основе которых лежит тот самый мультивибратор.
Благодаря исключительной простоте и невысокой стоимости мультивибратор нашёл широкое применение в детских игрушках. Вот пример обычной мигалки на светодиодах.
При указанных на схеме величинах электролитических конденсаторов С1, С2 и резисторов R2, R3 частота импульсов будет 2,5 Гц, а значит, светодиоды будут вспыхивать примерно два раза в секунду. Можно использовать схему, предложенную выше и включить переменный резистор совместно с резисторами R2, R3. Благодаря этому можно будет посмотреть, как будет изменяться частота вспышек светодиодов при изменении сопротивления переменного резистора. Можно поставить конденсаторы разных номиналов и наблюдать за результатом.
Будучи ещё школьником, я собирал на мультивибраторе переключатель ёлочных гирлянд. Всё получилось, но вот когда подключил гирлянды, то мой приборчик стал переключать их с очень высокой частотой. Из-за этого в соседней комнате телевизор стал показывать с дикими помехами, а электромагнитное реле в схеме трещало, как из пулемёта. Было и радостно (работает же!) и немного страшновато. Родители переполошились ненашутку.
Такая досадная промашка со слишком частым переключением не давала мне покоя. И схему проверял, и конденсаторы по номиналу были те, что надо. Не учёл я лишь одного.
Электролитические конденсаторы были очень старые и высохли. Ёмкость их была небольшая и совсем не соответствовала той, что была указана на их корпусе. Из-за низкой ёмкости мультивибратор и работал на более высокой частоте и слишком часто переключал гирлянды.
Приборов, которыми можно было бы измерить ёмкость конденсаторов в то время у меня не было. Да и тестером пользовался стрелочным, а не современным цифровым мультиметром.
Поэтому, если ваш мультивибратор выдаёт завышенную частоту, то первым делом проверяйте электролитические конденсаторы. Благо, сейчас можно за небольшие деньги купить универсальный тестер радиокомпонентов, которым можно измерить ёмкость конденсатора.
Источник
Краткие теоретические сведения о работе мультивибратора
2015-06-05
5999
Мультивибратором называется релаксационный генератор, вырабатывающий электрические импульсы, форма которых близка к прямоугольной.
Название этого генератора отражает тот факт, что в спектральный состав сигнала, существенно отличающегося от гармонического (в данном случае – сигнал прямоугольной формы), входит большое число (мульти) гармонических составляющих. Это важно знать для оценки влияния такого сигнала на различные электрические цепи.
Длительность импульса у релаксационных генераторов определяется временем исчезновения (по латыни relaxatio) электрического или магнитного поля в одном из входящих в состав генераторов накопителе энергии, например, конденсаторе. Управление процессом накопления и расхода энергии осуществляется с помощью электронных ключей.
Форма выходных импульсов мультивибратора зависит от номиналов элементов схемы и может отличаться от прямоугольной. Ниже на рис.1 приводится общее представление реальных прямоугольных импульсов и основные их параметры.
Рис.1. Характерные участки и параметры импульсов
Импульсы имеют следующие характерные участки: 1-2 — фронт, 2-3 — вершина, 3-4 — срез (задний фронт). При работе с импульсами используют их параметры:
1. Амплитуда (высота) Um (Im) — наибольшее значение напряжения (тока) импульса данной формы.
2. Длительность импульса tИ — это время от начала действия импульса до его завершения. Измеряется по основанию импульса или на уровне 0,1 Um, если границы импульса сильно скруглены. Имеет размерность времени.
3. Длительность фронта tФ , определяется временем нарастания импульса от 0 до Um. В инженерной практике для импульсов скругленной формы под tФ понимают время нарастания импульса от 0,1 Um до 0,9 Um.
4. Длительность среза tС , определяется временем спада импульса (в пределах 0,9. 0,1 Um). Чем меньше величины tФи tС тем ближе форма импульса к прямоугольной.
5. Период повторения Т – временной интервал между началами или окончаниями двух однополярных импульсов.
6. Частота повторения импульсов F — величина, обратная периоду (F = 1/Т). Измеряется в импульсах в секунду.
7. Пауза tП — интервал времени между импульсами: tП=Т— tИ
8. Скважность Q — отношение периода колебаний к длительности импульса, Q = Т / tИ . Если длительность импульса равна длительности паузы (tИ = tП ), то Q =2 и такой сигнал носит название меандр.
9. Коэффициент заполнения g — величина, обратная скважности g = 1/Q
10. Крутизна фронта Sф или среза SС, — отношение амплитуды импульса к длительности фронта или среза: SФ = Um / tФ, SС = Um / tС , (В/с). Характеризует скорость нарастания или спада импульса.
Наиболее распространенная схема мультивибратора с коллекторно-базовыми емкостными связями представлена на рис. 2.
Особенностью схемы является то, что транзисторы работают здесь в ключевом режиме. Выходные импульсы снимаются с коллекторов транзисторов. Длительность импульса определяется временем нахождения транзистора в закрытом состоянии (когда на его коллекторе присутствует напряжение)[5]. Обычно схема мультивибратора выполняется симметричной на транзисторах с одинаковыми параметрами и при RK1= RK2= RK, RБ1= RБ2= RБ, С1= С2= С.
Современная схемотехника в основном базируется на транзисторных структурах n-p-n типа, для которых протекание токов и падения напряжений происходят сверху вниз (от плюса источника питания к его минусу по схеме), что удобно для анализа. Однако, лабораторная база построена на транзисторах p-n-p типа, поэтому все дальнейшие рассуждения будут отнесены именно к этому типу транзисторов .
Рис 2. Схема мультивибратора с коллекторно-базовыми
Мультивибратор представляет собой автоколебательную систему с положительной обратной связью, которая реализуется с помощью конденсаторов C1 и С2. Однако в режиме отсечки (транзистор закрыт) положительная обратная связь будет практически разорвана. Поэтому она существует при переходе транзистора из режима насыщения в режим отсечки и наоборот, то есть в активном режиме работы транзисторов. Последнее обуславливает большую скорость переключения транзисторов за счет значительного коэффициента усиления по току и действия положительной обратной связи. Графики изменения во времени коллекторных и базовых напряжений транзисторов показаны на рис. 3. Здесь же стрелками показаны направления воздействия сигналов.
Работу мультивибратора рассмотрим с момента времени t1, когда после очередного опрокидывания транзистор VT1 открылся (перешел в режим насыщения, при этом –UКЭ1 » 0, см. рис. 3, б) и через него начался разряд конденсатора C1 (см. рис. 3, в), заряженного ранее до напряжения UCm ≈ Eк, разрядный ток которого протекает по цепи (см. рис. 2):
+ С1® RБ2® —Eк ® RЕк » 0 ® +ЕК ® э-к VT1 ® — C1
Поскольку в режиме насыщения сопротивление участка коллектор-эмиттер транзистора VT1 практически равно нулю, можно считать, что в момент t1 левая, отрицательно заряженная, обкладка конденсатора С1 соединится с общим проводом (эмиттером VT2) и все напряжение заряда конденсатора UC2 = +EК приложится к переходу база-эмиттер транзистора VT2 (плюсом к базе, т.е. UБЭ2 = +UC2), переводя его в режим отсечки (UКЭ2 = –ЕК).
Если пренебречь влиянием на процесс разряда конденсатора С1 входной цепи закрытого транзистора VT2 (напряжение UС1 является обратным для p-n перехода база-эмиттер) и сопротивления эмиттер — коллектор
Рис.3. Временные зависимости коллекторных (выходных)
и базовых напряжений симметричного мультивибратора
открытого (насыщенного) транзистора VT1, то его разряд происходит с постоянной времени
При этом изменение напряжения на конденсаторе С1отзначения UCm ≈ EКпри разряде определяется выражением:
Одновременно в момент времени t1 начинается заряд конденсатора C2 (см. рис. 3, а) по цепи (см. рис. 2):
+ЕК ® э-б VT1 ® С2 ® RК2 ® —EК
Постоянная времени заряда конденсатора
tЗ = С2× RК2 = С× RК (3)
Изменение напряжения на конденсаторе С2при заряде определяется выражением:
Для обеспечения автоколебательного режима работы необходимо, чтобы выполнялось условие tР > tЗ. В симметричном мультивибраторе это условие схемно реализуется путем выбора RБ> RК.
Во время заряда конденсатора С2 ток базы открытого транзистора VT1 состоит из двух составляющих: тока через резистор RБ1 и тока заряда конденсатора С2 , т.е.
Этим объясняется отрицательный пик напряжения на базе транзистора VT1 (см. рис. 3, а) в момент его открывания t1, поскольку
Наличие зарядного тока IЗАР С2 приводит к искажению фронта импульса на коллекторе закрытого транзистора VT2 (см. рис. 3, г), что следует из выражения
Поскольку ток IЗАР.С2 = , то при t=0 (в момент времени начала заряда t1) этот ток имеет наибольшее значение, равное ЕК / RК2, при котором (из (5.6)) напряжение на коллекторе UКЭ2 = 0 (точка А на рис. 3, г), вместо UКЭ2 =–ЕК (точка В), соответствующего закрытому состоянию транзистора VT2.
С ростом времени (в промежутке t1 – t2) ток заряда уменьшается до нуля, что приводит (см. (7)) к возрастанию напряжения на коллекторе VT2 до значения UКЭ2 = –ЕК (см. рис. 3, г)).
После быстрого заряда конденсатора С2 (т.к. tЗ
Источник