Реферат на тему мультивибраторы
Обновлено: 02.07.2024
Тема моего курсового проекта – проектирование схемы мультивибратора на двух элементах КМОП.
Актуальность темы.
Мультивибратор - это простейший генератор импульсов. Работает он в так называемом режиме "автогенерации"- то есть при подачи питания начинает сам генерировать импульсы без постороннего вмешательства.
В цифровых устройствах на микросхемах большую роль играют различные формирователи импульсов - от кнопок и переключателей, из сигналов с пологими фронтами, дифференцирующие цепи, а также мультивибраторы.
В настоящее время почти каждое предприятие использует различные радиотехнические и электроприборы, в состав которых входят мультивибраторы, именно поэтому моя тема является актуальной.
Основная проблема:определить по материалам на тему моего курсового проекта , как проектировать схему мультивибратора на двух элементах кмоп.
Задачи:
1. Изучить специальную литературу по проектированию схемы мультивибратора на двух элементах КМОП.
2. Рассмотреть содержание ключевых понятий, таких, как: мультивибратор, симметричный мультивибратор, логические элементы серий КМОП, полевые транзисторы.
3. Проектирование логической и электрической схемы мультивибратора.
4. Расчет параметров элементов схемы.
Цель работы: при помощи всей данной и найденной мной литературы понять и спроектировать схему мультивибратора на двух элементах КМОП, для этого мне следует разобраться во всем теоретическом материале: выяснить, что такое мультивибратор, какие они бывают, что такое КМОП микросхемы и так далее.
Объектом моей работы является мультивибратор на двух элементах КМОП.
Предмет исследования- различные сведения по данной теме, взятые из книг, с различных сайтов в интернете.
Мультивибратор как основной узел цифровых устройств
Основные характеристики мультивибратора
Мультивибратор — релаксационный генератор электрических прямоугольных колебаний с короткими фронтами.
В электронной технике используются самые различные варианты схем мультивибраторов, которые различаются между собой по типу используемых активных компонентов (ламповые, транзисторные, тиристорные, микроэлектронные и другие), различающиеся режимом работы (автоколебательный, ждущие, с внешней синхронизацией синхронизации), видам связи между усилительными элементами, способам регулировки длительности и частоты генерируемых импульсов и другими параметрами.
Мультивибратор относится к релаксационным генераторам. Релаксационный генератор является источником колебаний, форма которых отличается от синусоидальной. Релаксационные колебания бывают прямоугольные, пилообразные и т. д. Генераторы релаксационных колебаний используют для формирования одиночных импульсов и импульсных последовательностей, деления частоты, в качестве запускающих элементов, источников синхронизирующего сигнала и т. д.
Колебательный процесс в релаксационном генераторе состоит в поочередном накоплении энергии от источника питания накопителем и выделении ее в виде тепла в резисторах схемы. Накопитель переключается с процесса накопления на выделение энергии с помощью коммутирующего устройства при достижении определенного уровня энергии. Управление коммутирующим устройством производится по цепи обратной связи. Таким образом, релаксационный генератор обязательно содержит источник энергии, накопитель, коммутирующее устройство и цепь обратной связи. В качестве коммутирующего устройства обычно используют транзистор, работающий в ключевом режиме.
Релаксационный генератор может работать в одном из следующих режимов: ждущем, автоколебательном, синхронизации и деления частоты.
В ждущем режиме генератор имеет состояние устойчивого и квазиустойчивого равновесия. Квазиустойчивым равновесием называют такое состояние генератора, при котором он, будучи выведенным из состояния равновесия, через некоторое время возвращается к этому состоянию благодаря внутренним процессам. Переход из устойчивого равновесия в квазиустойчивое происходит под действием запускающих импульсов, а обратно генератор возвращается самопроизвольно через время, зависящее от параметров генератора.
В автоколебательном режиме состояния устойчивого равновесия нет, а существует два состояния квазиустойчивого равновесия. В процессе работы генератор переходит из одного квазиустойчивого состояния в другое. Период колебаний определяется параметрами генератора.
В режиме синхронизации на релаксационный генератор действует внешнее синхронизирующее напряжение. Генератор имеет также два квазиустойчивых состояния, однако период колебаний определяется синхронизирующим сигналом.
Среди большого числа разнообразных релаксационных генераторов можно выделить два типа в зависимости от способа организации обратной связи: мультивибраторы и блокинг-генераторы. Подобные генераторы широко применяются в импульсной технике. Мультивибратор представляет собой двухкаскадное устройство, обратная связь в котором образуется соединением выхода одного каскада со входом другого и, наоборот, с помощью конденсаторов. Блокинг-генератор — это устройство, обратная связь с выхода на вход которого осуществляется через импульсный трансформатор. Обратная связь в этих устройствах положительная.
Рисунок 1- Симметричный мультивибратор
Симметричный мультивибратор с базовыми времязадающими цепями имеет симметричную схему, которая показана на рисунке 1, а его временные диаграммы характерны тем, что напряжение на коллекторе открытого транзистора, если он насыщен (сплошная кривая), за время импульса не изменяется. Величина резких перепадов напряжения на коллекторе запирающегося и на базе отпирающегося транзистора из-за очень малого его входного сопротивления пренебрежимо мала.
Симметричный мультивибратор представляет собой двухкаскадный усилитель с резисторно-емкостными связями. Параметры элементов Ra, с и Ср, включенных в цепях обеих ламп, обычно одинаковы. Симметричные мультивибраторы на лампах и транзисторах широко применяются в качестве простых и надежных задающих генераторов импульсов в тех случаях, когда не требуется высокая стабильность частоты.
Симметричный мультивибратор на транзисторах работает по тому же принципу действия, что и ламповый.
Симметричный мультивибратор на лампах состоит из двух усилительных каскадов на резисторах, в которых выход одного каскада ЛС-цепочкой связан с входом другого. Каждый каскад собирается на идентичных элементах схемы. Каждый каскад схемы переворачивает фазу напряжения сигнала на 180, поэтому обратная связь между каскадами положительная (баланс фаз соблюден), вследствие чего общий коэффициент усиления / Сус1, следовательно, схема самовозбуждается. Так как каждый каскад пропускает достаточно большую полосу частот, самовозбуждение происходит на многих частотах сразу. Это значит, что генерируется широкий спектр частот. При этом форма выходного напряжения представляет собой периодическую последовательность импульсов.
Мультивибратор
Рисунок 2- Мультивибратор на операционном усилителе
Принципиально можно построить автоколебательный мультивибратор на инвертирующем компараторе с гистерезисом, показанный на рисунке 2, охваченном отрицательной обратной связью.
Делитель напряжения из пары резисторов R4, включенных в цепь обратной положительной связи переводят ОУ в режим компаратора с гистерезисом по инвертирующему входу, к которому подключена интегрирующая цепочка R2, C1. При переключении компаратора из состояние в состояние происходит изменение тока в интегрирующей цепочке и конденсатор начинает перезаряжаться в другую сторону до достижения другого порога компарации, и переключения полярности напряжения на выходе ОУ. В этой схеме ОУ выполняет сразу несколько функций: источника напряжений разряда и заряда конденсатора, компаратора и выходного ключа.
Схема, указанная на рисунке 3, может находиться в одном из двух нестабильных состояний и периодически переходит из одного в другое и обратно. Фаза перехода очень короткая относительно длительности нахождения в состояниях благодаря глубокой положительной обратной связи, охватывающей два каскада усиления.
Пусть в состоянии 1 Q1 закрыт, Q2 открыт и насыщен, при этом C1 быстро заряжается током открытого базового перехода Q2 через R1 и Q2 почти до напряжения питания, после чего при полностью заряженном C1 через R1 ток прекращается, напряжение на C1 равно (ток базы Q2)·R2, а на коллекторе Q1 — напряжению питания.
При этом напряжение на коллекторе Q2 невелико (равно падению напряжения на насыщенном транзисторе).
C2, заряженный ранее в предыдущем состоянии 2 (полярность по схеме), медленно разряжается через открытый Q2 и R3. При этом напряжение на базе Q1 отрицательно и этим напряжением он удерживается в закрытом состоянии. Запертое состояние Q1 сохраняется до того, пока C2 не перезарядится через R3 и напряжение на базе Q1 не достигнет порога его отпирания (около +0,6 В). При этом Q1 начинает приоткрываться, напряжение его коллектора снижается, что вызывает начало запирания Q2, напряжение коллектора Q2 начинает увеличиваться, что через конденсатор C2 еще больше открывает Q1. В результате в схеме развивается лавинообразный регенеративный процесс, приводящий к тому, что Q1 переходит в открытое насыщенное состояние, а Q2 наоборот полностью запирается.
Далее колебательные процессы в схеме периодически повторяются.
Длительности нахождения транзисторов в закрытом состоянии определяются постоянными времени для Q2 - T2 = С1·R2, для Q1 — T1 = C2·R3.
Номиналы R1 и R4 выбираются намного меньшие, чем R3 и R2, чтобы зарядка конденсаторов через R1 и R4 была быстрее, чем разрядка через R3 и R2. Чем больше будет время зарядки конденсаторов, тем положе окажутся фронты импульсов. Но отношения R3/R1 и R2/R4 не должны быть больше, чем коэффициенты усиления соответствующих транзисторов, иначе транзисторы не будут открываться полностью.
Для получения импульсов прямоугольной формы широко используются релаксационные генераторы, построенные на основе усилителей с положительной обратной связью. Релаксационные генераторы, в которых положительная обратная связь создается с помощью RC-цепей, называют мультивибраторами. Причем глубина положительной обратной связи остается почти постоянной в широкой полосе частот. Если положительная обратная связь создается с помощью импульсного трансформатора, то такие релаксационные генераторы называют блокинг-генераторами.
Мультивибраторы могут работать в двух режимах: автоколебательном и ждущем.
В автоколебательном режиме схема имеет два квазиустойчивых состояния, длительность каждого из которых определяется времязадающей цепью.
В ждущем режиме схема имеет одно устойчивое состояние, в котором может находиться неограниченно долго. Под действием короткого запускающего внешнего импульса схема скачком переходит в квазиустойчивое состояние, а затем самостоятельно возвращается в исходное состояние, формируя импульс заданной длительности.
Широкополосность цепи обратной связи является характерным признаком всех генераторов импульсов, причем во всех случаях на частоте w->0 выполняется условие Ky 1), в момент включения напряжения питания. Тогда любые шумы в системе, вызванные случайными факторами, усиливаются и через цепь обратной связи подаются на вход усилителя в фазе, совпадающей с фазой входного сигнала, причем величена этого дополнительного сигнала больше того возмущения, которое вызвало его появление. Соответственно увеличивается выходное напряжение, что приведет к дальнейшему увеличению входного сигнала и т.д. в итоге случайно возникшее возмущение приведет к непрерывному нарастанию выходного сигнала, которое достигло бы бесконечного большого значения, если бы это было возможно. Однако при определенном уровне сигнала начинают проявляться нелинейные свойства электронного усилителя. Коэффициент усиления начинает уменьшаться с увеличением значения сигнала в системе. При выполнении условия Ky=1 амплитуда автоколебаний стабилизируется и автогенератор начинает давать колебания, имеющие постоянную амплитуду.
Жесткий режим возбуждения отличается от рассмотренного тем, что при нем для возникновения автоколебаний необходимо приложить к устройству дополнительный внешний сигнал, не меньший определенного значения. Это связанно с особенностями нелинейности усилительного устройства. В момент включения напряжения питания и отсутствия автоколебаний Ky 1. При этом возникнут автоколебания, амплитуда которых будет нарастать и примет стационарное значение примет Ky=1.
Мультивибратор управления разверткой, примененный в осциллографе С1-67, также относится к классу релаксационных генераторов, т.е. генераторов, у которых изменение состояния отдельных приборов происходят в результате процесса регенерации.
2. Анализ технического задания
Разработать мультивибратор управления разверткой осциллографа С1-67 со следующими параметрами.
1. Напряжение питания UП1=±10 В, UП2=+6 В.
2. Максимальное выходное напряжение Um=3 В.
3. Режим работы: ждущий, автоколебательный.
4. Частота следования импульсов в автоколебательном режиме от 2,0 Гц до 1,0 МГц.
5. Изменение частоты следования импульсов – дискретное.
6. Предельное отклонение амплитуды выходного напряжения ±0,5 В.
7. Амплитуда тока выходных импульсов Im>=0,5 mA.
8. Конструкция – печатная плата, установленная внутри осциллографа.
Прибор должен нормально работать в условиях:
1. Рабочая температура окружающего воздуха от –30 до +50 0 С.
2. Предельная температура от –50 до +65 0 С.
3. Отн. влажность воздуха до 98% при температуре +35 0 С.
Раздел: Радиоэлектроника
Количество знаков с пробелами: 23250
Количество таблиц: 1
Количество изображений: 0
ГОСТ
Классификация мультивибраторов
Мультивибратор — это устройство, которое генерирует электрические колебания, близкие по форме к прямоугольной.
Мультивибраторы - самые распространенные генераторы прямоугольных импульсов, которые используются в радиотехнике и электронике. Как правило, они представляют собой двухкаскадный резистивный усилитель, который охвачен положительной глубокой обратной связью. Мультивибратор был изобретен французами Бохом и Абрахамом в период Первой мировой войны. В зависимости от режима работы мультивибраторы делятся на:
- Автоколебательные (нестабильные, астабильные). Данные устройства генерируют непрерывно колебания и самопроизвольно осуществляют переход из одного состояние в другое. При этом не требуется захвата частоты колебаний, а внешний сигнал синхронизации не обязателен.
- Моностабильные. В данных устройствах одно состояние неустойчивое (переходное), а другое стабильное. Такие мультивибраторы на некоторый промежуток времени, определяющийся параметрами их составляющими, переходят в неустойчивое состояние из-за действия запускающего импульса. После это они возвращаются в устойчивое состояние до следующего запускающего импульса. Данный вид мультивибраторов используется для формирования импульса с фиксированной продолжительностью, которая не зависит от длительности запускающего импульса.
- Бистабильные. Данный устройства устойчивы в любом из двух состояний (стабильное и переходное), может быть переключен из одного в другое при помощи подачи внешних импульсов.
Отнесение мультивибратора к классу автоматических генераторов оправдано только при автоколебательном режиме работы. В ждущем режиме работы мультивибратор генерирует импульсы только тогда, когда синхронизирующие сигналы поступают на его вход. Режим синхронизации от автоколебательного режима отличается тем, что в режиме синхронизации при помощи синхронизирующего (управляющего) колебания можно синхронизировать частоту колебаний автоколебательного мультивибратора в соответствии с частотой синхронизирующего сигнала или сделать кратной ей для автоколебательного мультивибратора.
Одновибратор
Одновибратор — это микросхема, которая в ответ на входной сигнал формирует выходной импульс установленной длительности.
Одновибраторы делятся на:
Рассмотрим схему укорачивающего одновибратора, представленную на рисунке ниже.
Рисунок 1. Схема укорачивающего одновибратора. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Готовые работы на аналогичную тему
Сигнал на выходе представленного одновибратора задержан относительно его входа, рассмотрим временные диаграммы на входе и выходе.
Рисунок 2. Временные диаграммы. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Из данных временных диаграмм видно, что рассматриваемая схема одновибратора вырабатывает одиночный импульс по переднему фронту входного сигнала, а продолжительность импульса на выходе равняется времени задержки инвертора. Для того, чтобы продолжительность выходного импульса был больше, чем задержка одиночного инвертора, используют дополнительные задерживающие элементы на пассивных RC элементах, пример схемы такого одновибратора изображен на рисунке ниже.
Рисунок 3. Схема одновибратора. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
В расширяющихся одновибраторах продолжительность запускающего (входного) импульса должна быть меньше длительности формируемого импульса. Пример схемы расширяющегося одновибратора представлена на рисунке ниже.
Рисунок 4. схема расширяющегося одновибратора. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Данный одновибратор изготовлен на основе двух логических элементов, а схема охвачена положительной обратной связью, потому что выход второго элемента соединен со входом первого. В первоначальном состоянии выходе элемента F2 имеется уровень логической единицы, а на выходе элемента F1 — уровень логического нуля, потому что на обоих его входах есть логические единицы. Когда на вход поступает запускающий импульс с нулевым потенциалом, на выходе первого логического элемента появляется уровень логической единицы, который поступает на вход второго элемента через конденсатор С. Элемент F2 инвертирует запускающий сигнал, что становится причиной подачи уровня нуль второй вход первого логического элемента по цепи обратной связи. Таким образом даже в случае появления уровня логической единицы, на выходе элемента F1 будет сохраняться высокое напряжение. На выходе второго логического элемента уровень логического нуля будет присутствовать до того момента, пока конденсатор не зарядится до уровня:
где Uпор — пороговое напряжение.
Еще одним условием присутствия нуля на выходе элемента F2 является следующее условие — пока напряжение на резисторе не достигнет значения порогового напряжения. Длительность запускающего импульса одновибратора может быть рассчитана по формуле:
где Rвых — выходное сопротивление первого логического элемента.
Чаще всего одновибраторы применяются для увеличения длительности входного импульса, деления частоты входного сигнала в установленное количество раз и т.п.
Мультивибратор Для получения колебаний, характеризующихся участками со скачкообразными изменениями напряжений и токов (так называемых “разрывных колебаний”), применяются релаксационные генераторы или релаксаторы. Релаксаторы, как и триггеры, относятся к классу спусковых устройств и основаны на применении усилителей с кольцом положительной обратной связи или приборов с отрицательным сопротивлением. В отличие от
триггеров, имеющих два устойчивых состояния, генераторы релаксационного типа имеют максимум одно устойчивое состояние. Мультивибратор - генератор прямоугольных импульсов релаксационного типа с резистивно - емкостными положитель-ными обратными связями, использующий замкнутый в кольцо положительной обратной связи двухкакасдный усилитель. Мультивибратор может работать в одном из трех режимов: автоколебательном,
характеризующимся отсутствием устойчивых состояний; существуют два чередующихся во времени состояния квазиравновесия; ждущем, при котором существует одно устойчивое состояние и одно состояние квазиравновесия. Переход от устойчивого состояния в состояние квазиравновесия происходит под воздействием внешних запускающих импульсов, а момент возвращения в устойчивое состояние определяется параметрами времязадающей цепи
(временем релаксации). Таким образом, на один импульс внешнего воздействия ждущий мультивибратор вырабатывает один импульс заданной длительности; синхронизации. В этом режиме на мультивибратор воздействует внешнее синхронизирующее напряжение. При этом режиме существуют два чередующихся состояния квазиравновесия, но период колебаний равен или кратен периоду синхронизирующего воздействия. Мультивибраторы применяются в
качестве задающих генераторов, расширителей импульсов, делителей частоты. Если в триггерных устройствах начальное развитие регенеративного процесса, обеспечивающего формирование крутых перепадов, напряжения, вызывается внешними импульсами управления, то в мультивибраторах этот процесс развивается автоматически благодаря наличию времязадающих (хронирующих) элементов, которыми обычно являются RC-цепочки. Разумеется, что в
Читайте также: