Multivibrator

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 27 september 2018; kontroller kräver 18 redigeringar .

En multivibrator är en avslappningsgenerator av elektriska fyrkantsvågsoscillationer med korta fronter .

Multivibratorn är en av de vanligaste rektangulära pulsgeneratorerna som används inom elektronik och radioteknik. Det är vanligtvis en tvåstegs resistiv förstärkare omgiven av djup positiv feedback .

Inom elektronisk teknik används ett brett utbud av multivibratorkretsar, som skiljer sig åt i kretsar, vilken typ av aktiva komponenter som används ( rör , transistor , tyristor , mikroelektronisk och andra), som skiljer sig åt i driftsätt ( självsvängande , väntande, med extern synkronisering), typen av anslutning mellan förstärkningselement, sätt att justera varaktigheten och frekvensen för genererade pulser och andra parametrar.

Historik

Multivibratorn uppfanns under första världskriget av de franska forskarna Henri Abraham och Eugene Bloch och beskrevs först i en artikel publicerad i Annales de Physique 1919 [1]

Namnet multivibrator för enheten föreslogs av den holländska fysikern van der Pol , och återspeglar det faktum att det finns många högre övertoner i spektrumet av rektangulära svängningar av multivibratorn - i motsats till generatorn av sinusformade svängningar ("monovibrator").

Vissa typer och klassificering av multivibratorer

Det finns tre typer av multivibratorer beroende på driftläge:

instabil , självoscillerande eller astabil : enheten oscillerar kontinuerligt och ändras spontant från ett tillstånd till ett annat. Detta kräver ingen extern synkroniseringssignal, om du inte behöver fånga svängningsfrekvensen.
monostabil : ett av tillstånden är stabilt, men det andra tillståndet är instabilt (transient). Multivibratorn under en tid, bestämd av parametrarna för dess komponenter, går in i ett instabilt tillstånd under verkan av en triggningspuls. Sedan återgår den till ett stabilt tillstånd tills nästa triggerpuls kommer. Sådana multivibratorer används för att bilda en puls med en fast varaktighet, oberoende av utlösningspulsens varaktighet. Denna typ av multivibrator kallas ibland i litteraturen för singelvibratorer eller standby-multivibratorer .
bistabil : multivibratorn är stabil i något av de två tillstånden och kan växlas från ett tillstånd till ett annat genom att applicera externa pulser. Sådana enheter kallas bistabila flip-flops . Sådana triggers kallas ibland "multivibratorer", vilket inte är korrekt, eftersom dessa triggers bara är en underklass av multivibratorer, men inte multivibratorer alls.

Tilldelningen av en multivibrator till klassen självoscillatorer är motiverad endast i det självsvängande läget för dess drift. I standbyläge genererar multivibratorn pulser endast när synkroniseringssignaler tas emot vid dess ingång.

Synkroniseringsläget skiljer sig från det självsvängande genom att det i detta läge, med hjälp av en extern styr( synkroniserande ) svängning, är möjligt att synkronisera svängningsfrekvensen för den självsvängande multivibratorn till frekvensen för synkroniseringssignalen resp. gör det till en multipel av det (" frekvensinfångningsläge " ) för självsvängande multivibratorer.

Schmitts multivibrator

Ibland kallas multivibratorer för Schmitt triggers - elektroniska kretsar som inte är fysiskt multivibratorer, utan komparatorer med hysteres .

Symmetrisk multivibrator

Den "klassiska" multivibratorkretsen på två transistorer av samma typ av konduktivitet, som visas som ett exempel i figuren, används nästan aldrig nu, eftersom den har dåliga frekvensegenskaper och otillräckligt branta fronter, vilket begränsar dess genereringsfrekvens till enheter av MHz . Med en minskning av komponentvärdena (resistanser hos motstånd och kapacitans hos kondensatorer) för att öka genereringsfrekvensen, går båda transistorerna till ett öppet eller mättat tillstånd utan generering - genereringen avbryts spontant, och för att återställa genereringen måste enheten vara startas om - till exempel genom att applicera en puls på basen av en av transistorerna, vilket är oacceptabelt i många tillämpningar.

En symmetrisk multivibrator kallas när motstånden för motstånden R1 och R4, R2 och R3 är lika parvis, kapacitanserna för kondensatorerna C1 och C2, såväl som parametrarna för transistorerna Q1 och Q2.

En symmetrisk multivibrator genererar rektangulära oscillationer (" meander ") med en arbetscykel på 2, det vill säga en rektangulär signal i vilken pulslängden och pausvaraktigheten är desamma.

En symmetrisk multivibrator enligt det "klassiska" schemat används ofta för utbildnings- och demonstrationsändamål som den enklaste generatorn av elektriska svängningar i kretsdesign . Funktionsprincipen för denna krets är lätt att förstå, och den här kretsen är också bekväm eftersom den inte kräver skrymmande och obekväma spolar och transformatorer för dess genomförande .

Väntande multivibratorer

Monostabil multivibrator

En monostabil multivibrator, även ofta kallad en singelvibrator, är en typ av standby-multivibrator. Den har ett stabilt tillstånd och ett instabilt tillstånd. När en triggerpuls anländer växlar den enkelstabila multivibratorn till ett instabilt tillstånd under en tid , och denna tid beror inte på triggerpulsens varaktighet (för kretsen i figur 2), och återgår sedan till ett stabilt tillstånd. $t=\ln(2)\cdot R_{2}\cdot C_{1}$

Enkla vibratorer används för att transformera formen på pulser i pulsexpanderar [2] [3] .

Bistabil multivibrator

En bistabil multivibrator är en sorts standby-multivibrator som har två stabila (stabila) tillstånd, kännetecknade av olika utspänningsnivåer. Som regel växlar bistabila multivibratorer från ett stabilt tillstånd till ett annat genom signaler som appliceras på olika ingångar, som visas i diagrammet i figuren. I detta fall är den bistabila multivibratorn en vippa av RS -typ . I vissa kretsar används en ingång för omkoppling, till vilken pulser med olika eller samma polaritet appliceras för omkoppling; när man byter tillstånd med pulser av samma polaritet på en ingång kallas sådana enheter "vippor med en räkneingång ”.

En bistabil multivibrator används, förutom att utföra triggerfunktionen, även för att bygga generatorer synkroniserade med en extern signal. Denna typ av bistabila multivibratorer kännetecknas av en minsta uppehållstid i vart och ett av tillstånden eller en minsta oscillationsperiod. En förändring av multivibratorns tillstånd är möjlig först efter att en viss tid har gått sedan den senaste omkopplingen (den så kallade "omkopplingsdödtiden") och inträffar i det ögonblick som fronten av synkroniseringssignalen anländer.

Multivibrator på en operationsförstärkare

I princip är det möjligt att bygga en självoscillerande multivibrator på en inverterande komparator med hysteres täckt av negativ återkoppling. Ett exempel på en sådan struktur som använder en operationsförstärkare (op amp) visas i bilden till höger.

En spänningsdelare från ett par motstånd R4 som ingår i den positiva återkopplingskretsen överför op-förstärkaren till komparatorläget med hysteres via den inverterande ingången, till vilken den integrerande kretsen R2, C1 är ansluten. När komparatorn växlas från tillstånd till tillstånd ändras riktningen för strömmen i den integrerande kretsen och kondensatorn börjar laddas i den andra riktningen tills en annan jämförelsetröskel nås och polariteten för spänningen vid utgången av op. -förstärkaren är omkopplad. I denna krets utför operationsförstärkaren flera funktioner samtidigt: en källa för urladdnings- och laddningsspänningar för en kondensator, en komparator och en utgångsomkopplare.

Multivibrator på induktanser

I vissa kretsar används en symmetrisk multivibrator, där tidskedjan inte använder kondensatorns laddning, utan förekomsten av självinduktions-EMK i choken. I detta fall kan de självinduktionsspänningspulser som uppstår när multivibratorn växlas användas för att erhålla en ökad spänning .

Funktionsprincipen för den "klassiska" multivibratorn med två transistorer

Kretsen kan vara i ett av två instabila tillstånd och växlar periodiskt från det ena till det andra och tillbaka. Övergångsfasen är mycket kort i förhållande till varaktigheten i tillstånden på grund av den djupa positiva återkopplingen som sträcker sig över de två förstärkningsstegen.

Antag att i tillstånd 1 Q1 är stängd är Q2 öppen och mättad, medan C1 snabbt laddas av strömmen från den öppna basövergången av Q2 till R1 och Q2 nästan till matningsspänningen, varefter med en fulladdad C1 till R1 , strömmen stannar, spänningen på C1 är (basströmmen för Q2 ) R2, och på kollektorn Q1 - till matningsspänningen.

I detta fall är spänningen över kollektorn på Q2 liten (lika med spänningsfallet över den mättade transistorn).

C2, laddad tidigare i det tidigare tillståndet 2 (polaritet enligt schemat), urladdas långsamt genom öppna Q2 och R3. I detta fall är spänningen vid basen av Q1 negativ och med denna spänning hålls den i stängt tillstånd. Det låsta tillståndet för Q1 bibehålls tills C2 laddas om genom R3 och spänningen vid basen av Q1 når sin upplåsningströskel (ca +0,6 V). Samtidigt börjar Q1 öppnas något, spänningen på dess kollektor minskar, vilket gör att Q2 börjar blockera, kollektorspänningen för Q2 börjar öka, vilket öppnar Q1 ännu mer genom kondensatorn C2. Som ett resultat utvecklas en lavinliknande regenerativ process i kretsen, vilket leder till att Q1 går in i ett öppet mättat tillstånd, och Q2 tvärtom är helt blockerad.

Vidare upprepas oscillerande processer i kretsen periodiskt.

Transistorernas varaktighet i det stängda tillståndet bestäms av tidskonstanterna för Q2 - T 2 \u003d C1 R2, för Q1 - T 1 \u003d C2 R3.

Värdena på R1 och R4 är valda mycket mindre än R3 och R2, så att laddning av kondensatorerna genom R1 och R4 är snabbare än urladdning genom R3 och R2. Ju längre laddningstid kondensatorerna har, desto mer positiva blir fronterna på pulserna. Men förhållandena R3/R1 och R2/R4 får inte vara större än förstärkningarna för respektive transistor, annars öppnas inte transistorerna helt.

Multivibratorfrekvens

Varaktigheten av en av de två delarna av perioden är

t=\ln 2\cdot RC

Längden på en period av två delar är lika med:

T=t_{1}+t_{2}=\ln 2\cdot R_{2}C_{1}+\ln 2\cdot R_{3}C_{2}

f={\frac {1}{T))={\frac {1}{\ln 2\cdot (R_{2}C_{1}+R_{3}C_{2)))))\approx { \ frac {1}{0.693\cdot (R_{2}C_{1}+R_{3}C_{2})}}

var

f är frekvensen i Hz ,
R 2 och R 3 - resistorvärden i ohm ,
C 1 och C 2 är värdena på kondensatorerna i farad ,
T är periodens längd (i detta fall summan av två delar av perioden).

I ett speciellt fall när

t 1 \ u003d t 2 (50 % cykel),
R 2 \ u003d R 3 ,
C 1 \ u003d C 2 ,

f={\frac {1}{T}}={\frac {1}{\ln 2\cdot 2RC}}\approx {\frac {0.721}{RC}}

Se även

Anteckningar

↑ Abraham, H.; E. Bloch. Mesure en valeur absolue des périodes des oscillations électriques de haute fréquence (franska) // Annales de Physique :tidskrift. - Paris: Société Française de Physique, 1919. - Vol. 9 , nr 1 . _ - s. 237-302 . - doi : 10.1051/jphystap:019190090021100 .
↑ http://library.espec.ws/books/constructor/Part1/1-3.htm Arkiverad 8 oktober 2009 på Wayback Machine Pulse Expanders
↑ http://cxem.net/beginner/beginner27.php Arkiverad 5 augusti 2009 på Wayback Machine Pulse Expanders

Litteratur

Manaev E.I. Fundamentals of radio electronics. - M . : Radio och kommunikation, 1990. - S. 322-325. - ISBN 5-256-00408-5 .