МУЛЬТИВИБРАТОР НА ОСНОВЕ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ С ИНТЕГРИРУЮЩЕЙ RС – ЦЕПЬЮ

1. Теоретическая часть.

Схема мультивибратора , генерирующего прямоугольные импульсы со скважностью Q=2 приведена на рис. 1.

   Рис. 1

В мультивибраторе два состояния неустойчивого равновесия обеспечиваются резисторной положительной обратной связью между выходом и неинвертирующим входом за счет делителя R2 R3 .  Переключение схемы осуществляется за счет изменения напряжения U_вх1 на инвертирующем входе операционного усилителя. 

Рассмотрим работу схемы. Пусть имеет место неравенство  Uвх2  >  U_вх1 . При этом на выходе усилителя будет высокий уровень напряжения Uвых = U⁺_вых  , а на неинвертирующем входе напряжение составит величину  U_вх2 = βU⁺_вых
где β=R2/(R2+R3)  коэффициент передач цепи положительной обратной связи ( здесь предполагается, что входное сопротивление усилителя велико).
Напряжение на инвертирующем входе всегда равно напряжению на конденсаторе С1, т.е.  U_вх1  = UC1  .
В данном состоянии схемы (Uвх2  >  U_вх1 )конденсатор С1 будет перезаряжаться через резистор R1 и выходное сопротивление усилителя    (этим сопротивлением будем пренебрегать, т.к. оно мало ) с постоянной времени  τ = (R1 + R_{вых усил})*C1 ≈ R1*C1  и напряжение на C1  будет асимптотически стремиться к уровню U⁺_вых
В момент времени t=t₁  напряжение  U_вх1  достигнет порогового уровня  U_вх1 = U⁺_{вх1 пор}  = βU⁺_вх , произойдет скачкообразное изменение режима работа операционного усилителя и напряжение U_вых  упадет до самого низкого уровня  U_вых = U^-_вых    . В этом новом состоянии схемы конденсатор С1 будет перезаряжаться с той же постоянной времени, что и в предыдущем случае, т.е. R1*C1. Напряжение  U_вх1  на инвертирующем входе начнет падать,  стремясь в пределе к уровню U^-_вых  .
В момент времени t₂  напряжение  U_вх1  достигнет порогового уровня U_вх1 = U^-_{вх1 пор}  = βU^-_вых  и схема вновь "опрокинется" (сменит свое состояние), низкий уровень напряжения на ее выходе U^-_вых  сменится на высокий уровень U_вых = U⁺_вых  и далее процесс повторяется.

Длительность полупериодов колебаний T1 и T2 определяется соотношениями

Возбуждение колебаний в данной схеме является мягким. Это значит что какой-бы уровень выходного напряжения усилителя ни установился  ( U⁺_вых  или  U^-_вых )  значение напряжения на конденсаторе С1, подключённом к инвертирующему входу, приводит с течением времени к смене его другим уровнем.

Период колебаний Т при условии, что  | U⁺_вых | = | U^-_вых |  равен

Скважность импульсов в рассмотренном случае Q=2. Если делать цепи заряда и разряда  конденсатора  С1  различными, то можно получить Q>2 (рис. 2). Здесь механизм работы схемы аналогичен рассмотренному выше.

    Рис.2

Если свойства диодов идеальны , то полупериод Т1 определяется зарядом конденсатора С1 через VD1 и резистор R1’, а полупериод Т2  разрядом  конденсатора С1 через диод VD2 и резистор R1”. Если  | U⁺_вых | = | U^-_вых | ,то 

T1 = C1*R1' ln( 1 + 2R2/R3)

T2 = C1*R1'' ln( 1 + 2R2/R3)

и скважность Q определяется отношением сопротивлений резисторов R1’ и R1”. Например, скважность положительных импульсов на выходе равна

Q = T/T1 = (T1 + T2)/T1 = 1 + R1''/R1'

Изменение емкости: конденсатора С1 , сопротивлений резисторов R1, R2, R3 и коэффициент передачи цепи обратной связи β приводит к изменению параметров выходных импульсов.

2. Описание макета

Исследуемая схема представлена на рис. 3 . Генератор прямоугольных импульсов построен на основе операционного усилителя U1. В схеме можно изменять постоянную времени хронирующей RС цепи (детали С1,2 , R3,4), глубину положительной обратной связи  β  за счет резисторов R1,2, R5,6 , а также емкость нагрузки (СЗ,4). (Имеется ввиду что, например, ёмкость С1 на схеме может принимать два значения - С1 и С2 (т.е. С1,2). Соответственно и остальные, например резистор R5 принимает значения R5 и R6)



   Рис. 3

3. Задание

I. Исследовать влияние постоянной времени, хронирующей RC цепи на период генерируемых колебаний, сопоставить между собой полученные экспериментально и рассчитанные длительности периода генерируемых импульсов.

2. Исследовать влияние коэффициента передачи β цепи положительной обратной связи на период генерируемых колебаний . Построить зависимость T = f ( β ) . Сравнить экспериментальные и теоретические значения периодов колебаний для четырех значений β .

3. Исследовать влияние емкости нагрузочного конденсатора на длительность фронта и среза выходных импульсов генератора. Определить постоянную времени, с которой перезаряжается нагрузочный конденсатор.