МУЛЬТИВИБРАТОР НА ОСНОВЕ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ С ИНТЕГРИРУЮЩЕЙ RС – ЦЕПЬЮ

Электронное описание лабораторной работы

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 Uвх1 на инвертирующем входе операционного усилителя. 

Рассмотрим работу схемы. Пусть имеет место неравенство  Uвх2  >  Uвх1 . При этом на выходе усилителя будет высокий уровень напряжения Uвых = U+вых  , а на неинвертирующем входе напряжение составит величину  Uвх2 = 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.  Uвх1  = U
C1  .
В данном состоянии схемы (Uвх2  >  Uвх1 )конденсатор С1 будет перезаряжаться через резистор R1 и выходное сопротивление усилителя    (этим сопротивлением будем пренебрегать, т.к. оно мало ) с постоянной времени  τ = (R1 + Rвых усил)*C1 ≈ R1*C1  и напряжение на C1  будет асимптотически стремиться к уровню U+вых
В момент времени t=t1  напряжение  Uвх1  достигнет порогового уровня  Uвх1 = U+вх1 пор  = βU+вх , произойдет скачкообразное изменение режима работа операционного усилителя и напряжение Uвых  упадет до самого низкого уровня  Uвых = U-вых    . В этом новом состоянии схемы конденсатор Сбудет перезаряжаться с той же постоянной времени, что и в предыдущем случае, т.е. R1*C1. Напряжение  Uвх1  на инвертирующем входе начнет падать,  стремясь в пределе к уровню U-вых  .
В момент времени t2  напряжение  Uвх1  достигнет порогового уровня Uвх1 = U-вх1 пор  = βU-вых  и схема вновь "опрокинется" (сменит свое состояние), низкий уровень напряжения на ее выходе U-вых  сменится на высокий уровень Uвых = 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 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.