CC BY
10УДК 621.315.2
АНАЛИЗ СХЕМОТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ МУЛЬТИВИБРАТОРОВ
Жаксылыков Е.С., студент, направление подготовки 13.03.02 Электроэнергетика и электротехника, Оренбургский государственный университет, Оренбург e-mail: ernar.jackie@mail.ru
Научный руководитель: Быковская Л.В., кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры автоматизированного электропривода, электромеханики и электротехники, Оренбургский государственный университет, Оренбург e-mail: bilkud@yandex.ru
Аннотация. В статье сравниваются различные схемотехнические решения мультивибраторов на операционных усилителях. Целью работы является исследование современных электронных схем мультивибраторов и выбор наиболее оптимального варианта. В статье выделяются и описываются характерные особенности мультивибраторов. Для проведения сравнительного анализа электрических схем мультивибраторов были созданы их имитационные модели в программных пакетах NI Multisim 12 и Matlab, которые могут быть использованы при моделировании генераторов импульсов, делителей частоты, формирователей импульсов, бесконтактных переключателей как в учебных целях, так и для проведения виртуального эксперимента. На основе проведенного анализа был выбран самый оптимальный вариант схемы мультивибратора.
Ключевые слова: мультивибратор, операционный усилитель, сигнал прямоугольной формы, схема, имитационная модель, Мультисим.
ANALYSIS OF CIRCUITRY SOLUTIONS OF MULTIVIBRATORS
Zhaksylykov E.S., student, training direction 13.03.02 Electric power industry and electrical engineering, Orenburg State University, Orenburg e-mail: ernar.jackie@mail.ru
Scientific adviser: Bykovskaya L.V., Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Associate Professor of the Department of Automated Electric Drive, Electromechanics and Electrical Engineering, Orenburg State University, Orenburg e-mail: bilkud@yandex.ru
Abstract. The article compares various circuit solutions of multivibrators on operational amplifiers. The aim of the work is the study of modern electronic circuits of multivibrators and the selection of the most optimal variant. The article highlights and describes the characteristic features of multivibrators. To conduct a comparative analysis of electrical circuits ofmultivibrators, their simulation models were created in NI Multisim 12 and Matlab software packages, which can be used to simulate pulse generators, frequency dividers, pulse drivers, and contact-less switches for educational purposes and for conducting a virtual experiment. Based on the analysis performed, the most optimal variant of the multivibrator circuit was chosen.
Keywords: multivibrator, operational amplifier, rectangular signal, circuit, simulation model, Multisym.
Мультивибратором называют генератор прямоугольных импульсов. В схеме симметричного мультивибратора (рисунок 1) операционный усилитель (ОУ) осуществляет сравнение пропорционально разности напряжений между его входами. В его основе лежит триггер Шмитта или компаратор с гистерезисом, но в отличие от триггера напряжение в мультивибраторе формируется интегрирующей цепочкой Ю-О. На основе операционных усилителей создаются схемы, предназначенные для выполнения математических операций над входными сигналами. Схожие схемы находят широкое приме-
нение в устройствах автоматического управления [1].
Главным недостатком операционного усилителя является нестабильность коэффициента усиления, который в полупроводниковых усилителях значительно зависит от режима работы, в первую очередь от температуры, и меняется от экземпляра к экземпляру в очень широких пределах.
Цель работы состоит в исследовании современных схемотехнических решений мультивибраторов. Исследование является актуальным, так как для работы многих электронных устройств требуется
наличие импульсов, которые становятся сигналами для определённых действий. Сигнал прямоугольной формы может создавать специальный генерирующий прибор Он может образовывать сигналы различных гармоник, а в основе его работы лежит принцип поочерёдного возбуждения каскадов. За
это устройство и получило своё название - мультивибратор. Практическая ценность состоит в выборе наиболее оптимального варианта электрической схемы мультивибратора.
На рисунке 1 приведена схема мультивибратора на ОУ
R1
Рисунок 1 - Схема мультивибратора на операционном усилителе
Мультивибратор, изображенный на рисунке 1, состоит из операционного усилителя DA1, который охвачен положительной обратной связью через резисторы R2-R3 и отрицательной обратной связью при помощи интегрирующей цепочки R1-C1.
Рассмотрим работу мультивибратора в основе которого лежит триггер Шмитта, который создает положительную обратную связь при помощи резисторов R2-R3. Так как основное напряжение триггера равно 0, то напряжение верхнего предельного уровня будет равно
^вп — UHAC +
R2
R2 + R3
(1)
а ниже границы переключения триггера:
R2
инп = и
НАС
+
R2+R3
(2)
Следовательно, в момент подачи питания конденсатор полностью разряжен, то есть на инвертирующем входе ОУ напряжение равно нулю.
В тоже время на выходе ОУ вследствие идеального ОУ присутствует некоторое положительное напряжение, часть которого через положительную обратную связь Я2-Я3 поступает на инвертирующий вход ОУ [1,2].
Затем происходит усиление этого напряжение и на выходе ОУ происходит дальнейшее возрастание напряжение. Напряжение с выхода ОУ посту-
пает также через цепочку R1-C1, но вследствие того, что интегрирующая цепочка задерживает сигнал, возрастание напряжения на конденсаторе С1, а следовательно и на инвертирующем входе будет происходить медленнее, чем на неинвертирующем. И в результате разность напряжений на инвертирующем и неинвертирующем входе будет расти, в результате будет происходить возрастание выходного напряжения.
В некоторый момент времени напряжение на конденсаторе ис , (а также на инвертирующем входе) достигнет напряжения пикового уровня ивп триггера Шмитта и выходное напряжение ивых скачком станет равным отрицательному напряжению насыщения инАС. В результате чего ток через резистор R1 изменится на обратный, а конденсатор С1 начнёт разряжаться. Разряд конденсатора будет происходить до напряжения нижней границы переключения ивп триггера. После этого также скачкообразно произойдёт переключение выходного напряжения с отрицательного к положительному напряжению насыщения инАС+ триггера Шмитта. Для исследования режимов работы мультивибратора была создана имитационная модель в системе Ми1^т 12 [3]. Осциллограмма переключений, показанная на рисунке 2, иллюстрирует характер переключений.
Для улучшения параметров выходных импульсов (длительности и амплитуды) необходимо обеспечить стабильность амплитуды выходных импульсов и постоянной времени цепочки R1-C1 [4]. На
рисунке 3 приведена схема мультивибратора, в которой сведены к минимуму недостатки предыдущей схемы. В этой схеме мультивибратора введены дополнительные элементы: входные резисторы R1 и R3, повышающие входное сопротивление ОУ
и двухсторонний параметрический стабилизатор R4 стабилизирующий амплитуду выход-
ных импульсов. Их величина выбирается на порядок больше, чем сопротивление резисторов R5 и R6 и имеет порядок сотен КОм.
Рисунок 2 - Осциллограмма длительностью импульса 10 мс на выходе мультивибратора
Рисунок 3 - Улучшенная схема мультивибратора
Дальнейшей оптимизации параметров мульти- Если поставить задачу получения несимметрич-вибратора можно добиться, если резистор в интег- ного мультивибратора, то резистор в цепи ООС за-рирующей R-C цепочке заменить транзисторным меняется двумя параллельными диодно-резистор-
генератором тока [5]. ными цепями. Схема приведена на рисунке 4.
Рисунок 4 - Схема несимметричного мультивибратора на ОУ
На основании проделанного сравнительного анализа электрических схем мультивибраторов можно сделать следующие выводы:
1. Наиболее оптимальным вариантом является схема, представленная на рисунке 4. К достоинствам такого мультивибратора можно отнести высокую нагрузочную способность и значительную амплитуду импульсов, а к недостаткам - сравнительно невысокое быстродействие, нестабиль-
ность частоты формируемого сигнала.
2. Для проведения сравнительного анализа электрических схем мультивибратора были созданы их имитационные модели в (Multisim 12 и МаИаЬ), которые могут быть использованы при моделирование генераторов импульсов, делителей частоты, формирователей импульсов, бесконтактных переключателей как в учебных целях, так и для проведения виртуального эксперимента.
Литература
1. Бутов А. Л. Мультивибратор на полевых транзисторах // Радио. - 2002. - № 4. - С. 53-57.
2. Быковская Л. В., Каримов Д. Р. Методы исследования дифференцирующих и интегрирующих электрических цепей // Вестник Оренбургского государственного университета. - 2013. - № 9. - С. 185-189.
3. Быковская Л. В. Компьютерное моделирование цифровых устройств // Энергетика: состояние, проблемы, перспективы: труды VII Всерос. научно-техн. конф. - Оренбург: ОГУ 2014. - С. 338-340.
4. Кулакова С. В., Кабышев А. М., Маслаков М. П. Особенности моделирования транзисторных генераторов импульсов // Молодой ученый. - 2014. - № 19. - С. 213-216.
5. Микросхемы и их применение. - М.: Радио и связь, 1984. - 73 с.
