Мультивибратор на логических элементах

Мультивибраторами называются импульсные устройства, которые находятся в состоянии квазиравновесия или имеют не более одного состояния устойчивого равновесия. Мультивибраторы относятся к классу устройств релаксационного типа, у которых происходит заряд или разряд конденсаторов в цепях обратной связи. Мультивибраторы преобразуют энергию источника постоянного тока в энергию электрических колебаний.

Мультивибраторы могут работать в одном из трех режимов: автоколебаний; ждущем; синхронизации. На практике чаще применяются устройства, использующие первые два режима.

В режиме автоколебаний мультивибратор обладает двумя временно устойчивыми состояниями. Мультивибратор переходит из одного состояния квазиравновесия в другое без внешних воздействий, генерируя импульсы.

В ждущем режиме работы мультивибратор имеет устойчивое состояние равновесия и состояние квазиравновесия, в которое он переходит под действием внешнего запускающего импульса.

В режиме синхронизации на автоколебательный мультивибратор подается синхронизируемый сигнал. Время пребывания в состояниях квазиравновесия зависит не только от параметров мультивибратора, но так же от периода синхронизирующего напряжения. При снятии синхронизирующего напряжения мультивибратор работает в автоколебательном режиме.

Мультивибраторы на логических интегральных элементах

При работе мультивибраторов в цифровых устройствах они обычно выполняют вспомогательные функции, к ним не предъявляется жестких требований по стабильности временных параметров генерируемых сигналов.

В качестве элементов мультивибратора используются те же элементы, что и для всего цифрового устройства, это позволяет унифицировать элементную базу и обеспечить хорошее их согласование с цифровой аппаратурой. Использование ключевого режима работы транзисторов в цифровых логических элементах означает, что в автоколебательных мультивибраторах возбуждение колебаний может быть жестким.

Мультивибраторы, работающие в автоколебательном режиме, строятся

по схемам с постоянным и автоуправляемым смещением.

Автоколебательный мультивибратор с постоянным смещением

Схема автоколебательного мультивибратора с использованием логических элементов И–НЕ приведена на рис. 9.37. Логические элементы D1 и D2 выполняют роль инверторов. Резисторы R1 и R2 совместно с конденсаторами С1 и С2 выполняют роль времязадающих цепей мультивибратора. Диоды VD1, VD2, шунтирующие резисторы, защищают входы схемы от больших выбросов напряжений, возникающих на резисторах при разряде конденсаторов через насыщенные выходные транзисторы элементов D1, D2.

Мультивибратор работает следующим образом. Предположим, что на промежутке времени 0 ≤ t ≤ t1 логический элемент D1 закрыт, а D2 открыт. На выходе D1 действует высокий уровень напряжения (U1вых), которым заряжается конденсатор С1. На резисторе R2 создается падение напряжения, которое во времени уменьшается по экспоненциальному закону (рис. 9.37,б) и, поступая на вход элемента D2, удерживает его в открытом состоянии. Постоянная цепи заряда конденсатора C1 определяется выражением τз = R2*C1. За время заряда конденсатора C1 происходит разряд конденсатора C2 по цепи: нижняя обкладка конденсатора C2, насыщенный транзистор инвертора элемента D2, корпус, диод VD1, верхняя обкладка конденсатора C2. Время разряда конденсатора C2 определяется выражением

Как только напряжение на входе элемента D2 станет меньше порогового Uпор, он начинает закрываться. Увеличение напряжения Uвых2 через конденсатор С2 передается на вход элемента D1, который начинает открываться. Уменьшение Uвых, через конденсатор С1 передается на вход элемента D2, схема начинает переходить во второе квазиравновесное состояние. После этого конденсатор C2 начнет заряжаться, а C1 – разряжаться.

Длительность импульса и паузы определяется по формулам

где U0 ≠ UVD0.

Автоколебательные мультивибраторы с автоуправляемым смещением

Мягкий режим возбуждения можно обеспечить при помощи дополнительных логических элементов, исключающих срыв колебаний. В зависимости от сочетания уровня выходного напряжения на дополнительных логических элементах вырабатывается управляющее напряжение смещения, исключающие жесткий режим работы.

Схема мультивибратора с автоуправляемым смещением представлена на рис. 9.38. Мультивибратор состоит из симметричного мультивибратора (D1, D2, С1, С2, R1, R2, VD1 и VD2) и схемы выработки управляющего напряжения смещения (собранной на элементах D3 и D4). Логический элемент D3 осуществляет логическую операцию И–НЕ, а элемент D4 служит инвертором.

Жесткое самовозбуждение мультивибратора будет тогда, когда элементы D1 и D2 одновременно открыты. Для предотвращения этого режима на логические

входы элементов D1 и D2 подают положительное напряжение. Это осуществляется таким образом: на входы элемента D3 подаются уровни высокого напряжения U1вых

с выходов мультивибратора. Под действием этих сигналов элемент D3 открывается, и его низкое выходное напряжение поступает на вход инвертора D4. Высокое выходное напряжение U1вых с выхода элемента D4 поступает через резисторы R1 и R2 на входы D1, D2, открывая их, обеспечивая мягкий режим самовозбуждения мультивибратора.

При одновременном открывании элементов D1 и D2 на их выходах формируется низкое напряжение U0вых, которое, поступая на вход элемента D3, закрывает его. На выходе элемента D3 формируется высокое напряжение U1вых, которое открывает инвертор D4. Резисторы R1 и R2 через малое выходное напряжение подключаются на корпус, замыкая входы мультивибратора на корпус. Элементы D1 и D2 начинают закрываться, что приводит к возбуждению колебаний мультивибратора.

В режиме автоколебаний логические элементы D1 и D2 поочередно находятся в открытом и закрытом состояниях. Элемент D4 будет всегда открыт и замыкать резисторы R1 и R2 на корпус.

Регулировка длительности и периода повторения импульсов осуществляется дискретно с помощью конденсаторов C1 и С2.