Multivibrator

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 27. september 2018; checks kræver 18 redigeringer .

En multivibrator er en afspændingsgenerator af elektriske firkantbølgesvingninger med korte fronter .

Multivibratoren er en af de mest almindelige rektangulære impulsgeneratorer, der bruges i elektronik og radioteknik. Det er normalt en to-trins resistiv forstærker omgivet af dyb positiv feedback .

Inden for elektronisk teknik bruges en bred vifte af multivibratorkredsløb, som adskiller sig i kredsløb, typen af anvendte aktive komponenter ( rør , transistor , tyristor , mikroelektronisk og andre), som adskiller sig i driftsformen ( selvsvingende , ventende, med ekstern synkronisering), typen af forbindelse mellem forstærkende elementer, måder at justere varigheden og frekvensen af genererede impulser og andre parametre på.

Historie

Multivibratoren blev opfundet under Første Verdenskrig af de franske videnskabsmænd Henri Abraham og Eugene Bloch og blev først beskrevet i en artikel publiceret i Annales de Physique i 1919 [1]

Navnet multivibrator for enheden blev foreslået af den hollandske fysiker van der Pol , og afspejler det faktum, at der er mange højere harmoniske i spektret af rektangulære svingninger af multivibratoren - i modsætning til generatoren af sinusformede svingninger ("monovibrator").

Nogle typer og klassificering af multivibratorer

Der er tre typer multivibratorer afhængigt af driftstilstanden:

ustabil , selvoscillerende eller astabil : enheden svinger kontinuerligt og skifter spontant fra en tilstand til en anden. Dette kræver ikke et eksternt synkroniseringssignal, hvis du ikke skal fange oscillationsfrekvensen.
monostabil : en af tilstandene er stabil, men den anden tilstand er ustabil (transient). Multivibratoren i nogen tid, bestemt af parametrene for dens komponenter, går i en ustabil tilstand under påvirkning af en udløsende puls. Derefter vender den tilbage til en stabil tilstand, indtil den næste triggerimpuls ankommer. Sådanne multivibratorer bruges til at danne en puls med en fast varighed, uafhængig af varigheden af triggerimpulsen. Denne type multivibrator omtales nogle gange i litteraturen som single vibratorer eller standby multivibratorer .
bistabil : multivibratoren er stabil i enhver af de to tilstande og kan skiftes fra en tilstand til en anden ved at påføre eksterne impulser. Sådanne enheder kaldes bistabile flip-flops . Sådanne triggere kaldes nogle gange "multivibratorer", hvilket ikke er korrekt, da disse triggere kun er en underklasse af multivibratorer, men slet ikke multivibratorer.

Tildelingen af en multivibrator til klassen af selvoscillatorer er kun berettiget i den selvoscillerende funktionsmåde. I standby-tilstand genererer multivibratoren kun impulser, når synkroniseringssignaler modtages på dens indgang.

Synkroniseringstilstanden adskiller sig fra den selvoscillerende ved, at det i denne tilstand ved hjælp af en ekstern kontrol (synkroniserende) oscillation er muligt at synkronisere oscillationsfrekvensen af den selvoscillerende multivibrator til frekvensen af synkroniseringssignalet eller gør det til et multiplum af det (" frekvensfangst "-tilstand ) til selvsvingende multivibratorer.

Schmitt's Multivibrator

Nogle gange kaldes multivibratorer Schmitt-triggere - elektroniske kredsløb, der ikke er fysisk multivibratorer, men komparatorer med hysterese .

Symmetrisk multivibrator

Det "klassiske" multivibratorkredsløb på to transistorer af samme type ledningsevne, vist som eksempel på figuren, bruges næsten aldrig nu, da det har dårlige frekvensegenskaber og utilstrækkeligt stejle fronter, hvilket begrænser dets genereringsfrekvens til enheder af MHz . Med et fald i komponentværdierne (modstande af modstande og kapacitans af kondensatorer) for at øge genereringsfrekvensen, går begge transistorer ind i en åben eller mættet tilstand uden generering - generering afbrydes spontant, og for at genoprette generering skal enheden være genstartet - for eksempel ved at påføre en impuls til bunden af en af transistorerne, hvilket er uacceptabelt i mange applikationer.

En symmetrisk multivibrator kaldes, når modstandene af modstande R1 og R4, R2 og R3 er parvis ens, kapacitanserne af kondensatorerne C1 og C2 samt parametrene for transistorerne Q1 og Q2.

En symmetrisk multivibrator genererer rektangulære oscillationer (" meander ") med en arbejdscyklus på 2, det vil sige et rektangulært signal, hvor pulsvarigheden og pausevarigheden er den samme.

En symmetrisk multivibrator i henhold til den "klassiske" ordning bruges i vid udstrækning til undervisnings- og demonstrationsformål som den enkleste generator af elektriske svingninger i kredsløbsdesign . Princippet om driften af dette kredsløb er let at forstå, og dette kredsløb er også praktisk, fordi det ikke kræver omfangsrige og ubelejlige spoler og transformere til dets implementering .

Ventende multivibratorer

Monostabil multivibrator

En monostabil multivibrator, også ofte omtalt som en enkelt vibrator, er en type standby multivibrator. Den har en stabil tilstand og en ustabil tilstand. Når en triggerimpuls ankommer, skifter den enkeltstabile multivibrator til en ustabil tilstand i et stykke tid , og denne tid afhænger ikke af varigheden af triggerimpulsen (for kredsløbet i figur 2), og vender derefter tilbage til en stabil tilstand. $t=\ln(2)\cdot R_{2}\cdot C_{1}$

Enkelte vibratorer bruges til at transformere formen af pulser i pulsekspandere [2] [3] .

Bistabil multivibrator

En bistabil multivibrator er en slags standby multivibrator, der har to stabile (stabile) tilstande, kendetegnet ved forskellige udgangsspændingsniveauer. Som regel skifter bistabile multivibratorer fra en stabil tilstand til en anden ved hjælp af signaler påført forskellige indgange, som vist i diagrammet i figuren. I dette tilfælde er den bistabile multivibrator en flip- flop af RS-typen . I nogle kredsløb bruges en indgang til omskiftning, hvortil der anvendes impulser af forskellig eller samme polaritet til omskiftning; når der skiftes tilstande med impulser af samme polaritet på én indgang, kaldes sådanne enheder "flip-flops med en tælleindgang" ”.

En bistabil multivibrator bruges, udover at udføre triggerfunktionen, også til at bygge generatorer synkroniseret med et eksternt signal. Denne type bistabile multivibratorer er karakteriseret ved en minimal opholdstid i hver af staterne eller en minimal oscillationsperiode. En ændring i multivibratorens tilstand er kun mulig, efter at der er gået en vis tid siden sidste skift (den såkaldte "skiftende dødtid") og sker i det øjeblik, forsiden af synkroniseringssignalet ankommer.

Multivibrator på en operationsforstærker

I princippet er det muligt at bygge en selvoscillerende multivibrator på en inverterende komparator med hysterese dækket af negativ feedback. Et eksempel på en sådan struktur ved hjælp af en operationsforstærker (op amp) er vist i figuren til højre.

En spændingsdeler fra et par modstande R4 inkluderet i det positive tilbagekoblingskredsløb overfører op-ampen til komparatortilstanden med hysterese via den inverterende indgang, hvortil det integrerende kredsløb R2, C1 er forbundet. Når komparatoren skiftes fra tilstand til tilstand, ændres retningen af strømmen i det integrerende kredsløb, og kondensatoren begynder at genoplades i den anden retning, indtil en anden sammenligningstærskel er nået, og polariteten af spændingen ved udgangen af op. -amp er skiftet. I dette kredsløb udfører op-amperen flere funktioner på én gang: en kilde til afladning og ladespændinger til en kondensator, en komparator og en udgangskontakt.

Multivibrator på induktanser

I nogle kredsløb anvendes en symmetrisk multivibrator, hvor tidskæden ikke bruger ladningen af kondensatoren, men forekomsten af selvinduktions-EMK i droslerne. I dette tilfælde kan de selvinduktionsspændingsimpulser, der opstår ved skift af multivibratoren, bruges til at opnå en øget spænding .

Funktionsprincippet for den "klassiske" to-transistor multivibrator

Kredsløbet kan være i en af to ustabile tilstande og skifter periodisk fra den ene til den anden og tilbage. Overgangsfasen er meget kort i forhold til varigheden i staterne på grund af den dybe positive feedback, der spænder over de to forstærkningsstadier.

Antag, at i tilstand 1 Q1 er lukket, er Q2 åben og mættet, mens C1 hurtigt oplades af strømmen af den åbne baseovergang af Q2 gennem R1 og Q2 næsten til forsyningsspændingen, hvorefter med en fuldt opladet C1 til R1 , strømmen stopper, spændingen på C1 er (basisstrømmen af Q2 ) R2, og på kollektoren Q1 - til forsyningsspændingen.

I dette tilfælde er spændingen over kollektoren af Q2 lille (lig med spændingsfaldet over den mættede transistor).

C2, opladet tidligere i den tidligere tilstand 2 (polaritet ifølge skemaet), aflades langsomt gennem åben Q2 og R3. I dette tilfælde er spændingen ved bunden af Q1 negativ, og med denne spænding holdes den i lukket tilstand. Den låste tilstand af Q1 opretholdes, indtil C2 genoplades gennem R3, og spændingen ved bunden af Q1 når sin oplåsningstærskel (ca. +0,6 V). Samtidig begynder Q1 at åbne lidt, spændingen af dens kollektor falder, hvilket får Q2 til at begynde at blokere, kollektorspændingen af Q2 begynder at stige, hvilket åbner Q1 endnu mere gennem kondensatoren C2. Som følge heraf udvikles en lavinelignende regenerativ proces i kredsløbet, hvilket fører til, at Q1 går i en åben mættet tilstand, og Q2 tværtimod er fuldstændig blokeret.

Yderligere gentages oscillerende processer i kredsløbet periodisk.

Varigheden af transistorerne i lukket tilstand bestemmes af tidskonstanterne for Q2 - T 2 \u003d C1 R2, for Q1 - T 1 \u003d C2 R3.

Værdierne af R1 og R4 er valgt meget mindre end R3 og R2, så opladning af kondensatorerne gennem R1 og R4 er hurtigere end afladning gennem R3 og R2. Jo længere opladningstid kondensatorerne er, jo mere positive vil fronterne af pulserne være. Men forholdene R3/R1 og R2/R4 må ikke være større end forstærkningen af de respektive transistorer, ellers åbner transistorerne ikke helt.

Multivibrator frekvens

Varigheden af en af de to dele af perioden er

t=\ln 2\cdot RC

Varigheden af en periode på to dele er lig 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)))))\ca. { \ frac {1}{0.693\cdot (R_{2}C_{1}+R_{3}C_{2})}}

hvor

f er frekvensen i Hz ,
R 2 og R 3 - modstandsværdier i ohm ,
C 1 og C 2 er værdierne af kondensatorerne i farad ,
T er periodens varighed (i dette tilfælde summen af to dele af perioden).

I et særligt tilfælde, hvornår

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

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

Se også

Noter

↑ Abraham, H.; E. Bloch. Mesure en valeur absolue des périodes des oscillations électriques de haute fréquence (fransk) // Annales de Physique :magasin. - 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 Arkiveret 8. oktober 2009 på Wayback Machine Pulse Expanders
↑ http://cxem.net/beginner/beginner27.php Arkiveret 5. august 2009 på Wayback Machine Pulse Expanders

Litteratur

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