Zespół Szkół nr 9 im. Romualda Traugutta

w Koszalinie

Temat: Badanie generatorów impulsowych.

Rok szkolny 2002/ 2003

Wstęp.

IMPULSEM jest nazywany przebieg napięcia (lub prądu) występujący na wyjściu układu elektronicznego w czasie porównywalnym z czasem trwania stanów nieustalonych w danym układzie. Impulsy w różnych kształtach są generowane do różnych celów. Przedmiotem pracy są układy pracy wytwarzające impulsy zbliżone do prostokątnych.

Impuls charakteryzuje się za pomocą następujących parametrów:

Jeżeli generowane impulsy są przebiegami powtarzającymi się w czasie to dodatkowo definiujemy:

Impulsy elektryczne w postaci drgań niegasnących o przebiegach nieciągłych i niesinusoidalnych są wytwarzane najczęściej przez generatory relaksacyjne. Drgania niegasnące wytwarzane w tych generatorach są nazywane przerywanymi, ponieważ między impulsami napięcia lub prądu są przerwy czasowe.

Generatory relaksacyjne ze względu na zasadę działania dzieli się na dwie zasadnicze grupy:

Oddziaływanie impulsów zewnętrznych na generatory wyzwalane nazywa się synchronizacją a doprowadzany impuls zewnętrzny - impulsem synchronizującym. Impuls ten powoduje np. w generatorze monostabilnym przejście ze stanu stabilnego do stanu niestabilnego; po czasie zależnym od stałych czasowych elementów układu generator wraca samorzutnie do stanu stabilnego.

Podstawowymi i najczęściej stosowanymi układami generatorów impulsowych relaksacyjnych są :

Multiwibratory pozwalają otrzymywać impulsy prostokątne o dużej amplitudzie. Generatory samodławne wytwarzają wąskie impulsy napięcia.

Multiwibratory astabilne pracują w zakresie samowzbudzenia i nie mają stanów stabilnych. Mają one dwa stany niestabilne. Aby przejść w stan niestabilny, wymagają impulsu wyzwalającego. Czas przebywania w stanie niestabilnym jest określony parametrami układu. Częstotliwość drgań multiwibratora astabilnego można zmieniać dwoma sposobami:

Rys. 1. Multiwibrator symetryczny: a) układ; b) przebiegi napięć w układzie.

Zadaniem multiwibratora astabilnego jest wytwarzanie nieprzerwanego ciągu impulsów prostokątnych lub o kształcie zbliżonym do prostokątnego o współczynniku wypełnienia od 0,5 do 0,95. Multiwibrator astabilny jest to najczęściej dwustopniowy wzmacniacz oporowy o silnym dodatnim sprzężeniu dodatnim.

W dalszej części opisano tylko tranzystorowy multiwibrator astabilny ze sprzężeniem kolektorowym. W praktyce są stosowane również multiwibratory astabilne ze sprzężeniem emiterowym, z układem mostkowym ustalającym częstotliwość drgań i inne.

Działanie multiwibratora można rozpatrywać od dowolnie przyjętego momentu, gdyż w układzie wykonującym ciągłe drgania nie ma stanu początkowego.

Załóżmy, że przewodzi tranzystor T₂, a kondensator C_B1 jest naładowany z poprzedniego cyklu pracy. Kondensator ten rozładowuje się w obwodzie: kolektor-emiter tranzystora T₂, źródło zasilające U_B, rezystor R_B1. Przy polaryzacji kondensatora C_B1 takiej, jaka została zaznaczona na rysunku, tranzystor T₁ nie będzie przewodził. Kondensator C_B2 ładuje się w obwodzie: emiter-baza tranzystora T₂, źródło napięcia U_B, rezystor R_C1.

Elementy układu są bak dobierane, aby proces rozładowania kondensatora C_B1 był wolniejszy niż proces ładowania kondensatora C_B2­­. W końcu ładowania kondensatora C_B2 do bazy tranzystora T₂ dopływa tylko prąd I_B2 ze źródła zasilania U_B przez rezystor R_B2. Jeżeli kondensator C_B1 rozładuje się do napięcia bliskiego zera, to zacznie przewodzić tranzystor T₁ a napięcie na jego kolektorze maleje. Dzięki wzmacniającemu działaniu tranzystora proces tan przebiega bardzo gwałtownie i tranzystor T₁ zacznie przewodzić prąd. Tranzystor T₂ jest zatkany. Tranzystor T­₁ przewodzi, więc lewa okładzina kondensatora C_B2 jest praktycznie uziemiona. Prawa okładzina kondensatora C­_B2, mająca ładunek dodatni, polaryzuje bazę tranzystora T₂, który nie przewodzi. W dalszym ciągu działania multiwibratora procesy te powtarzają się.

Częstotliwość drgań multiwibratora można zmieniać przez zmianę:

Najczęściej stosuje się zmiany skokowe pojemności C_B1 i C­_B2 oraz płynną regulację rezystorów R_B1 i R­_B2.

Rys. 2. Schemat ideowy multiwibratora na bramkach NAND a) schemat ideowy b) przebiegi czasowe

Po załączeniu zasilania na wyjściu jednej z bramek jest stan wysoki a na drugiej - niski. Załóżmy, że na wyjściu bramki B₁ jest stan wysoki. Ładuje się kondensator C­₁ w obwodzie: źródło zasilania - wyjście bramki - rezystor R₁ ­- masa. Prąd ładowania kondensatora C₁ powoduje spadek napięcia na rezystorze R₁, dzięki czemu na wejściu bramki B₂ występuje stan wysoki a na jej wyjściu - niski. Podczas ładowania się kondensatora C₁ jego prąd ładowania maleje i maleje napięcie na rezystorze R₁ do chwili, gdy osiągnie wartość stanu niskiego na wejściu bramki B­₂. Wówczas nastąpi zmiana stanu wyjściowego bramki B₂ z wysokiego na niski. Pociąga to za sobą zmianę stanu bramki B₂. Wówczas następuje ładowanie kondensatora C₂ i pojawienie się stanu wysokiego na wejściu bramki B₁. Cały proces powtarza się.

Rys. 3. Generator impulsowy na wzmacniaczu operacyjnym a) schemat ideowy b) przebiegi czasowe.

Wzmacniacz operacyjny objęty jest pętlą dodatniego sprzężenia zwrotnego zrealizowanego na rezystorach R₁ i R₂. Po włączeniu zasilania, na wejściu nieodwracającym występuje napięcie równe 0 (kondensator jest rozładowany). Na wyjściu występuje napięcie zasilania dodatnie lub ujemne. Przyjmijmy, że dodatnie. Na wejściu nieodwracającym występuje napięcie równe części napięcia wyjściowego

U_we(+) = βU_wy =
U_wy

Kondensator C ładuje się z przez rezystor R, do chwili gdy napięcie na mim osiągnie wartość βU­_wy. Wówczas nastąpi przerzut napięcia wyjściowego na wartość przeciwnego znaku. Kondensator C najpierw rozładowuje się do zera a potem ładuje się do napięcia równego - βU_wy. Po osiągnięciu tej wartości nastąpi przełączenie napięcia wyjściowego z ujemnego na dodatnie.

Częstotliwość generowanego przebiegu zależy od stałej czasowej τ.

τ= RC

5

Badanie generatorów impulsowych.