АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ МУЛЬТИВИБРАТОР
ASTABLE MULTIVIBRATOR

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в устройствах автоматики, системах управления, средствах измерения в качестве тактового генератора.
Известны автоколебательные мультивибраторы, в которых активными элементами являются транзисторы (см., например, 1. Гальперин М.В. Практическая схемотехника в промышленной автоматике. - М.: Энергоатомиздат, 1987, с.149-153, рис.4.1, 4.2. 2. Горошков Б.И. Радиоэлектронные устройства: Справочник. - М.: Радио и связь, 1984, с.239-250, рис.10.1-10.21).
К недостаткам транзисторных автоколебательных мультивибраторов относится низкая стабильность длительности и периода следования выходных импульсов вследствие существенной зависимости параметров транзисторов от различных дестабилизирующих факторов, в частности, изменения температуры окружающей среды.
Известны автоколебательные мультивибраторы, выполненные на логических интегральных схемах (см., например, Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - Л.: Энергия, 1980, с.234, 235, рис.15-5).
Недостатком этих аналогов является низкая стабильность длительности и периода следования выходных импульсов, обусловленная недостаточно высокой стабильностью передаточной характеристики логических интегральных схем. Кроме того, автоколебательные мультивибраторы на основе логических интегральных схем, как правило, не формируют биполярные выходные импульсы, что ограничивает их функциональные возможности.
В качестве прототипа выбран автоколебательный мультивибратор (см. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. - М.: Издательский дом «Додэка - XXI», 2005, с.132, 133, рис.2.60), содержащий операционный усилитель, соединенный выходом с выходной шиной, первый резистор, включенный между выходом операционного усилителя и его инвертирующим входом, конденсатор, подключенный первым выводом к инвертирующему входу операционного усилителя, второй резистор, соединенный первым выводом с общей шиной и вторым выводом конденсатора, а вторым выводом - с первым выводом третьего резистора и неинвертирующим входом операционного усилителя, при этом второй вывод третьего резистора соединен с выходом операционного усилителя.
Недостатком прототипа является относительно невысокая стабильность длительности и периода следования выходных импульсов, обусловленная экспоненциальным законом изменения напряжения на конденсаторе. Кроме того, прототип имеет ограниченные функциональные возможности вследствие отсутствия второй выходной шины, на которой формируется противофазная последовательность биполярных прямоугольных импульсов.
Задачами, на решение которых направлено изобретение, являются повышение стабильности длительности и периода следования выходных импульсов, а также расширение функциональных возможностей за счет формирования на выходных шинах двух противофазных последовательностей биполярных прямоугольных импульсов.
Поставленные задачи решаются благодаря тому, что в автоколебательный мультивибратор, содержащий первый операционный усилитель, соединенный выходом с первой выходной шиной, первый резистор, включенный между выходом первого операционного усилителя и его инвертирующим входом, конденсатор, подключенный первым выводом к инвертирующему входу первого операционного усилителя, второй резистор, соединенный первым выводом с общей шиной, а вторым выводом - с первым выводом третьего резистора, введен второй операционный усилитель, неинвертирующий вход которого подключен к инвертирующему входу первого операционного усилителя, а инвертирующий вход - к общей точке соединения второго и третьего резисторов, выход второго операционного усилителя подключен ко второй выходной шине, второму выводу конденсатора и второму выводу третьего резистора, при этом неинвертирующий вход первого операционного усилителя соединен с общей шиной.
Между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь, а именно: по сравнению с прототипом повышается стабильность длительности и периода следования выходных импульсов, кроме того, расширяются функциональные возможности за счет формирования на выходных шинах двух противофазных последовательностей биполярных прямоугольных импульсов.
На фиг.1 представлена принципиальная электрическая схема автоколебательного мультивибратора; на фиг.2 изображены временные диаграммы его работы (для наглядности диаграмм масштаб по осям абсцисс и ординат не соблюден).
Автоколебательный мультивибратор содержит (см. фиг.1): первый операционный усилитель 1; первую выходную шину 2; первый резистор 3; конденсатор 4; второй резистор 5; общую шину 6; третий резистор 7; второй операционный усилитель 8; вторую выходную шину 9.
Выход первого операционного усилителя 1 соединен с первой выходной шиной 2. Первый резистор 3 включен между выходом первого операционного усилителя 1 и его инвертирующим входом. Конденсатор 4 подключен первым выводом к инвертирующему входу первого операционного усилителя 1. Второй резистор 5 соединен первым выводом с общей шиной 6, а вторым выводом - с первым выводом третьего резистора 7. Неинвертирующий вход второго операционного усилителя 8 подключен к инвертирующему входу первого операционного усилителя 1, а инвертирующий вход - к общей точке соединения второго 5 и третьего 7 резисторов. Выход второго операционного усилителя 8 подключен ко второй выходной шине 9, второму выводу конденсатора 4 и второму выводу третьего резистора 7. Неинвертирующий вход первого операционного усилителя 1 подключен к общей шине 6.
Автоколебательный мультивибратор работает следующим образом.
0
вых. 2
0
вых. 1
вых. 1
вых. 2
0
Пусть в начальный момент времени t (см. фиг.2) после подачи напряжения питания конденсатор 4 разряжен, а выходное напряжение второго операционного усилителя 8 U имеет отрицательную полярность. Второй операционный усилитель 8 совместно с резисторами 5, 7 образует неинвертирующий усилитель напряжения, охваченный через резисторы 5, 7 цепью отрицательной обратной связи. В результате действия этой цепи отрицательной обратной связи напряжение на неинвертирующем входе второго операционного усилителя 8 практически равно напряжению на его инвертирующем входе. Напряжение на неинвертирующем входе второго операционного усилителя 8 приложено также и к инвертирующему входу первого операционного усилителя 1. Первый операционный усилитель 1 охвачен через резистор 3 отрицательной обратной связью, поэтому на его выходе в момент времени t появляется напряжение положительной полярности U, которое за счет большой величины коэффициента усиления напряжения достигает положительного уровня ограничения первого операционного усилителя 1. В свою очередь, практически все выходное напряжение первого операционного усилителя 1 U через резистор 3 подается на неинвертирующий вход второго операционного усилителя 8, вследствие чего его выходное напряжение U в момент времени t достигает отрицательного уровня ограничения.
0
C
C
С момента времени t от первой выходной шины 2 ко второй выходной шине 9 через резистор 3 и конденсатор 4 начинает протекать ток, в результате чего напряжение на выводах конденсатора 4 U возрастает. Первый операционный усилитель 1 за счет действия отрицательной обратной связи с его выхода на инвертирующий вход обеспечивает неизменную величину тока, протекающего через резистор 3, а следовательно, и тока заряда конденсатора 4, в результате чего напряжение на выводах конденсатора 4 U возрастает по линейному закону.
1
C
порог. 1
вых. 2
вых. 1
1
C
В момент времени t напряжение на выводах конденсатора 4 U достигает верхнего порогового уровня U, равного по абсолютной величине выходному напряжению делителя напряжения, образованного резисторами 5, 7. В этот момент времени на выходе второго операционного усилителя 8 происходит скачкообразное изменение полярности выходного напряжения U, что, в свою очередь, вызывает скачкообразное изменение полярности выходного напряжения первого операционного усилителя 1 U. В результате этого в момент времени t меняется на противоположное направление тока, протекающего через резистор 3 и конденсатор 4, при этом конденсатор 4 начинает разряжаться неизменным током, а напряжение на его выводах U уменьшается по линейному закону.
2
C
порог. 2
вых. 2
вых. 1
2
C
В момент времени t напряжение на выводах конденсатора 4 U достигает нижнего порогового уровня -U, равного по абсолютной величине выходному напряжению делителя напряжения, образованного резисторами 5, 7. В этот момент времени на выходе второго операционного усилителя 8 вновь происходит скачкообразное изменение полярности выходного напряжения U, что, в свою очередь, вызывает скачкообразное изменение полярности выходного напряжения первого операционного усилителя 1 U. В результате этого в момент времени t вновь меняется на противоположное направление тока, протекающего через резистор 3 и конденсатор 4, при этом конденсатор 4 вновь заряжается неизменным током, а напряжение на его выводах U увеличивается по линейному закону.
и
Периодическая повторяемость этих процессов обеспечивает работу мультивибратора в автоколебательном режиме, при этом на его выходных шинах 2 и 9 формируются две противофазные последовательности биполярных прямоугольных импульсов, причем длительность t этих импульсов вдвое меньше периода следования Т. Период следования импульсов Т определяется величиной сопротивления резисторов 3, 5, 7 и емкостью конденсатора 4, а их амплитуда равна выходному напряжению ограничения операционных усилителей 1, 8.
C
порог. 1
порог. 2
C
порог. 1
порог. 2
и
C
Так как в предлагаемом автоколебательном мультивибраторе напряжение на выводах конденсатора 4 U достигает соответствующих пороговых уровней +U и -U, изменяясь по линейному закону, то в этом автоколебательном мультивибраторе при прочих равных условиях с прототипом угол α, под которым напряжение U пересекает соответствующие линии пороговых напряжений +U и -U имеет более высокое значение. Это повышает стабильность длительности t и периода следования Т выходных импульсов, так как при этом уменьшается время нахождения напряжения U в зоне неопределенности срабатывания ΔU операционных усилителей 1, 8, наличие которой обусловлено нестабильностью коэффициента усиления и уровня ограничения выходного напряжения операционных усилителей 1, 8, нестабильностью выходного напряжения делителя напряжения, образованного резисторами 5, 7, и другими подобными факторами.
Наличие противофазных последовательностей биполярных прямоугольных импульсов на первой 2 и второй 9 выходных шинах расширяет функциональные возможности автоколебательного мультивибратора за счет возможности противофазного управления внешними нагрузками, подключенными между соответствующими выходными шинами 2, 9 и общей шиной 6. Кроме того, при подключении внешней нагрузки непосредственно между первой 2 и второй 9 выходными шинами амплитуда импульсного напряжения, приложенного к этой нагрузке, увеличивается вдвое, что также расширяет функциональные возможности автоколебательного мультивибратора по сравнению с прототипом.
-3
Предлагаемый автоколебательный мультивибратор исследован экспериментально. В качестве операционных усилителей 1, 8 использовались микросхемы 140УД12. Конденсатор 4 применялся типа К73-9 емкостью 0,1 мкФ. Резисторы 3, 5, 7 использовались типа С2-33, их сопротивление составляло соответственно 130 кОм, 10 кОм и 320 Ом. Автоколебательный мультивибратор питался от стабилизированного двухполярного источника напряжения величиной 9 В, при этом ток потребления автоколебательного мультивибратора обеих полярностей не превышал 1 мА, амплитуда выходных биполярных прямоугольных импульсов имела величину не менее 8 В, длительность и период их следования равнялись соответственно 0,5 и 1 мс. Относительная нестабильность длительности и периода следования выходных импульсов не превышала 10.
Благодаря высокой стабильности длительности и периода следования выходных импульсов, а также наличию двух выходных шин, на которых формируются противофазные последовательности биполярных прямоугольных импульсов, использование предлагаемого автоколебательного мультивибратора в устройствах автоматики, системах управления, средствах измерения позволит улучшить их технические характеристики и расширить эксплуатационные возможности.