Дипломная (вкр): Программируемый генератор прямоугольных импульсов

Теперь начнет разряжаться конденсатор , но через открытый транзистор  и резистор , что в конечном итоге приводит к открыванию первого и закрыванию второго транзисторов и т.д. Транзисторы все время взаимодействуют, в результате чего мультивибратор генерирует электрические колебания. Частота колебаний мультивибратора зависит как от емкости конденсаторов связи, что уже проверено, так и от сопротивления базовых резисторов.

Если, например, базовые резисторы  и  заменить резисторами больших сопротивлений, частота колебаний мультивибратора уменьшится. И наоборот, если их сопротивления будут меньше, частота колебаний увеличится. Еще один опыт: отключим верхние (по схеме) выводы резисторов  и  от минусового проводника источника питания, соедините их вместе, а между ними и минусовым проводником включим реостатом переменный резистор сопротивлением 30 - 50 кОм. Поворачивая ось переменного резистора, в довольно широких пределах сможем изменять частоту колебаний мультивибраторов.

Примерную частоту колебаний симметричного мультивибратора можно подсчитать по такой упрощенной формуле: F = 700/(RC), где f - частота в герцах, R - сопротивления базовых резисторов в килоомах, С - емкости конденсаторов связи в микрофарадах. Вернемся к исходным данным резисторов и конденсаторов опытного мультивибратора (по схеме на рис. 2, а). Конденсатор  заменим конденсатором емкостью 2 - 3 мкФ, в коллекторную цепь транзистора  включим миллиамперметр, следя за его стрелкой, изобразим графически колебания тока, генерируемые мультивибратором. Теперь ток в коллекторной цепи транзистора  будет появляться более короткими, чем раньше, импульсами (рис. 2, в). Длительность импульсов  будет примерно во столько же раз меньше пауз между импульсами , во сколько уменьшилась емкость конденсатора  по сравнению с его прежней емкостью.

А теперь тот же (или такой) миллиамперметр включим в коллекторную цепь транзистора . Уменьшив емкость конденсатора , мы нарушили симметрию плеч мультивибратора - он стал несимметричным. Поэтому и колебания, генерируемые им, стали несимметричными: в коллекторной цепи транзистора  ток появляется относительно длинными импульсами, в коллекторной цепи транзистора  - короткими. С Выхода 1 такого мультивибратора можно снимать короткие, а с Выхода 2 - длинные импульсы напряжения. Временно поменяем местами конденсаторы  и . Теперь короткие импульсы напряжения будут на Выходе 1, а длинные - на Выходе 2. Сосчитаем (по часам с секундной стрелкой), сколько электрических импульсов в минуту генерирует такой вариант мультивибратора. Около 80. Увеличим емкость конденсатора , подключив параллельно ему второй электролитический конденсатор емкостью 20 - 30 мкФ. Частота следования импульсов уменьшится.

Есть, однако, иной способ регулирования частоты следования импульсов - изменением сопротивления резистора : с уменьшением сопротивления этого резистора (но не менее чем до 3 - 5 кОм, иначе транзистор  будет все время открыт и автоколебательный процесс нарушится) частота следования импульса должна возрастать, а с увеличением его сопротивления, наоборот, уменьшаться.

Ждущий мультивибратор:

Такой мультивибратор генерирует импульсы тока (или напряжения) при подаче на его вход запускающих сигналов от другого источника, например от автоколебательного мультивибратора. Чтобы автоколебательный мультивибратор, опыты с которым вы уже проводили в этом уроке (по схеме на рис. 2,а), превратить в мультивибратор ждущий, надо сделать следующее: конденсатор  удалить, а вместо него между коллектором транзистора  и базой транзистора  включить резистор (на рис. 3 - R3) сопротивлением 10 - 15 кОм; между базой транзистора  и заземленным проводником включить последовательно соединенные элемент 332 ( или другой источник постоянного напряжения) и резистор сопротивлением 4,7 - 5,1 кОм (), но так, чтобы с базой соединялся (через ),) положительный полюс элемента; к базовой цепи транзистора  подключить конденсатор (на рис. 3 - ) емкостью 1 - 5 тыс. пФ, второй вывод которого будет выполнять роль контакта входного управляющего сигнала. Исходное состояние транзистора  такого мультивибратора - закрытое, транзистора  - открытое. Напряжение на коллекторе закрытого транзистора должно быть близким к напряжению источника питания, а на коллекторе открытого транзистора - не превышать 0,2 - 0,3 В. Затем в коллекторную цепь транзистора  включим миллиамперметр на ток 10 - 15 мА и, наблюдая за его стрелкой, включите между контактом Uвх и заземленным проводником, буквально на мгновение, один - два элемента 332, соединенные последовательно (на схеме GB1) или батарею 3336Л. Стрелка миллиамперметра должна тут же отклониться до значения наибольшего тока коллекторной цепи транзистора, застыть на некоторое время, а затем вернуться в исходное положение, чтобы ожидать следующего сигнала. Миллиамперметр при каждом сигнале будет показывать мгновенно возрастающий до 8 - 10 мА и спустя некоторое время, так же мгновенно убывающий почти до нуля коллекторный ток транзистора . Это одиночные импульсы тока, генерируемые мультивибратором. А если батарею GB1 подольше держать подключенной к зажиму Uвх. Произойдет то же, что и в предыдущих опытах, - на выходе мультивибратора появится только один импульс.

Рис. 3. Опытный ждущий мультивибратор.

Мультивибраторы на универсальных ТТЛ-элементах И-НЕ:

Рис. 4 Схема мультивибратора

Логические элементы  и  поочередно переключаются. Если, например, на выходе элемента  напряжение равно логической «1» (), то на выходе элемента  оно соответствует логическому «О» (Е0).

Рассмотрение процессов формирования импульсов начнем с момента переключения, когда на выходе элемента Э₁ напряжение изменилось от Е₀ до Е₁ (сформировался перепад «О-1»), а на выходе элемента Э₂- от Е₁ до Е₀. Конденсатор С₂ заряжается от выходного напряжения Е₁ элемента Э₁ через его выходное сопротивление r_вых11 и резистор R₂. На резисторе R ₂ зарядный ток создает запирающее напряжение, которое превышает пороговый уровень U_пор. В результате появления этого напряжения диод Д₂ заперт, а на выходе элемента Э₂ поддерживается напряжение Е₀, конденсатор С1, зарядившийся в предшествующий полупериод колебаний (плюс - на левой, согласно рисунку 5, обкладке, минус- на правой), теперь разряжается через выходное сопротивление r_вых02 элемента Э₂ и открытый диод Д₁. На входе элемента Э₁ поддерживается небольшое отрицательное напряжение - е_од, соответствующее напряжению отсечки диода Д₁. По мере зарядки конденсатора С₂ напряжение на входе элемента Э₂ уменьшается; когда оно перейдет уровень U_пор, в схеме развивается регенеративный процесс переключения, завершающийся скачкообразным изменением напряжения на выходе элемента Э₂ до значения Е_и а на выходе элемента Э₁- до значения Е₀. Конденсатор С_и разрядившийся до напряжения Е₀ + е_од, начинает заряжаться от выходного напряжения Е₁ элемента Э₂ через его выходное сопротивление r_вых12 и резистор R₁. Положительное напряжение, появившееся на резисторе R1 при зарядке конденсатора С₁ и превышающее уровень U_пор, поддерживает элемент Э₁ в состоянии, соответствующем логическому «О» на выходе. Конденсатор С₂, зарядившийся до напряжения, близкого к Е₁ - U_пор, разряжается через выходное сопротивление r_вых01 и диод Д₂. Когда напряжение на резисторе R₁ по мере зарядки конденсатора С₁ снизится до значения U_пор, снова развивается лавинный процесс переключения элементов Э₁ и Э₂ и процессы в устройстве повторяются.

Рис. 5 Вид импульсов на выходе мультивибратора на дискретных компонентах.

Для изменения частоты импульса на выходе мультивибратора нужно менять значение резистора R_,1. Для мультивибратора на дискретных компонентах:

.

Меняя номинал , мы будем изменять частоту. Резистор R_б2 остается постоянным и находится:

Таким образом, меняя номиналы резисторов  можно добиться изменения частоты импульсов при постоянной длительности колебаний мультивибратора. Дискретного изменения частоты импульсов можно добиться, включая попеременно резисторы  с разными номиналами с помощью электронного коммутатора, который управляется микроконтроллером.

Выбор и обоснование структурной схемы разрабатываемого устройства.

Рис. 6 Структурная схема разрабатываемого устройства

Рассмотрим подробнее данную структурную схему. От источника питания подаётся постоянное напряжение на электронный коммутатор, микроконтроллер и мультивибратор. С помощью электронного коммутатора происходит переключение между частотозадающим резистором, тем самым меняется частота импульса с определенной дискретностью в заданном диапазоне значений. В свою очередь режим работы электронного коммутатора определяется двоичным кодом, поданным с выходов микроконтроллера на адресные входы коммутатора.

Электронный коммутатор должен иметь один вход и пять выходов (или больше), т.к. к нему подключаются пять частотозадающих резисторов. Если коммутатор имеет меньшее количество выходов, то будут использоваться несколько электронных коммутаторов. В зависимости от количества используемых коммутаторов определяется разрядность микроконтроллера. При использовании одного электронного коммутатора будут использоваться 4-ёх разрядный микроконтроллер, при использовании двух - должно быть минимум 5 разрядов в порте ввода-вывода микроконтроллера.

Сигнал, поступив с электронного коммутатора на мультивибратор, преобразуется и на выходе мультивибратора наблюдаются импульсы напряжения прямоугольной формы различной частоты, в зависимости от выбранного резистора.

Данная структурная схема привлекательна своей простотой исполнения и относительно небольшой стоимостью элементной базы.

Выбор элементной базы, разработка принципиальной схемы, её описание и расчёт элементов

Как уже было сказано, за основу данного проекта я взял мультивибратор на биполярных транзисторах (рисунок 7).

Мультивибратор, собранный по основной схеме, представляет собой двухкаскадный резистивный усилитель, построенный на транзисторных ключах-инверторах.

Положительная обратная связь имеется в схеме за счет того, что выход одного ключа соединен с входом другого. Действительно, если относительно эмиттера потенциал базы транзистора VT1 станет, к примеру, более отрицательным, то потенциал коллектора VT1 (и базы VT2) окажется более положительным, а потенциал коллектора VT2 (и базы VT1) - более отрицательным. Так, к первоначальному приращению потенциала добавляется приращение того же знака, поступающее в исходную точку по петле обратной связи. Заметим, что цепь положительной обратной связи замыкается и нормально функционирует, когда оба транзистора отперты и работают в усилительном режиме.

Рассмотрим момент времени, когда транзистор Т₁ насыщен, а транзистор Т₂ заперт, конденсатор С₁ разряжен, а конденсатор С₂ заряжен до напряжения Е (минус на левой, плюс - на правой обкладке конденсатора). При анализе работы мультивибратора будет показано, что в течение каждого периода колебаний такое состояние обязательно имеет место.

В схеме начнутся следующие процессы: а) процесс зарядки конденсатора С₁; б) процесс разрядки конденсатора С₂. Разряженный конденсатор С₁ заряжается от источника питания -Е через резистор R_к2 и эмиттерный переход насыщенного транзистора T₁. Постоянная времени цепи зарядки С₁ имеет значение .

Заряженный конденсатор С₂ перезаряжается. Постоянная времени цепи перезарядки С₂ имеет значение .

Выведем условие насыщения транзистора Т₁. Коллекторный ток этого транзистора состоит из тока через резистор R_к1 и тока перезарядки конденсатора

С₂ :.

Ток разрядки в процессе перезарядки конденсатора меняется; его максимальное значение  соответствует началу процесса перезарядки: . Отсюда максимальное значение коллекторного тока