Начинаю готовиться к статье про функциональные генераторы, и решила сперва сделать подборку схем генераторов прямоугольных импульсов, так как они зачастую входят в состав функциональных генераторов, да и вообще полезны в хозяйстве.
Начнем с классики, а именно с мультивибраторов.
Симметричный мультивибратор на транзисторах
Принцип работы состоит в переходе из одного нестабильного состояния (Q1 закрыт, Q2 открыт) в другое (Q1 открыт, Q2 закрыт).
Начнем с первого состояния: Q1 закрыт, Q2 открыт.
Конденсатор С1 быстро заряжается идет через "меньший" резистор R4 и базовый переход Q2. Одновременно с этим через открытый Q2 через "больший" резистор R2 медленно разряжается C2, отрицательное напряжение на котором держит в запертом состоянии Q1.
В процессе дальнейшего перезаряда С2 на базе Q1 появляется уже положительное, отпирающее напряжение, и Q1 начинает открываться. Ток через него возрастает, снижается напряжение на коллекторе Q1 и базе Q2, что вызывает его запирание.
Напряжение на коллекторе Q2 увеличивается и через конденсатор C2 еще сильнее открывает Q1.
Процесс открывания Q1 ускоряет запирание Q2, и процесс происходит практически лавинообразно, и переход из одного состояния в другое происходит очень быстро.
В общем, транзисторы периодически друг друга открывают и закрывают.
Теперь немного о расчете элементов.
Период состоит из двух частей t1 и t2, зависящих от сопротивлений R2, R3 и емкостей C1, C2:
t1 = 0,7 x R3 x C1;
t2 = 0,7 x R2 x C2
Для примера, в схеме на картинке выше период равен t1 + t2 = 2*0,7*22 кОм*0,1 мкФ = 3,08 мс.
От сопротивления резисторов R1 и R4 зависит длительность спада импульсов: чем меньше сопротивление, тем быстрее спад.
Главный недостаток такой схемы - медленные спады. Этот недостаток исправляют в схеме:
Мультивибратор с корректирующими диодами
Через эти диоды параллельно коллекторным нагрузкам включены дополнительные резисторы.
После запирания транзистора и повышения потенциала коллектора подключенный к нему диод запирается. Заряд конденсатора происходит через дополнительный резистор R23 / R22, а не через коллекторный R19 / R20, и потенциал коллектора запирающегося транзистора почти скачком становится практически равным напряжению питания.
Мультивибратор с регулируемой скважностью
Если хочется изменять скважность, можно регулировать сопротивления "плеч" одновременно вращением потенциометра:
Ну, и для наглядности гифка:
Предыдущие схемы были автогенераторами и не требовали запуска (запуск при первом включении возникает из-за "несимметричности" компонентов (транзисторы имеют разные коэффициенты усиления, например), и какая-то из "сторон" мультивибратора включится быстрее другой, что и запустит колебания).
Если нужно сделать один импульс по внешнему сигналу, то вам нужен:
Ждущий мультивибратор (одновибратор, моностабильный мультивибратор)
В этой схеме лавинного процесса нет.
Транзистор Q7 заперт отрицательным смещением, Q8 открыт напряжением на резисторе R26.
Спад импульса на входе успевает пройти через С10 и закрыть Q8. За это время на базе Q7 успевает проскочить положительный импульс, открывающий его. Конденсатор С10 начинает перезаряжаться.
Из-за перезарядки на базе Q8 будет отрицательное напряжение, которое будет удерживать его в закрытом состоянии. После окончания импульса С10 разрядится через R26 за время 0,7 x R26 x C10. В это время на выходе схемы и будет положительный импульс.
Для примера: 0,7 x R26 x C10 = 0,7*47 кОм * 0,01 мкФ = 329 мкс.
Ну, что мы все про транзистор да про транзисторы. Уже давно операционники изобрели.
Симметричный мультивибратор на операционном усилителе
ОУ включен тут по схеме триггера Шмитта и "следит" за напряжением на конденсаторе C4.
В момент включения конденсатор не заряжен, на нем ноль вольт, триггер выдаст единицу - максимальное выходное напряжение ОУ. Напряжение с выхода подается на цепочку R13 C4, и начинается заряд конденсатора.
Когда конденсатор зарядится до напряжения Uвых*R10/(R10 + R11), триггер "перещелкнется" в другое состояние - с максимальным отрицательным напряжением на выходе.
Конденсатор начнет перезаряжаться на другую полярность, и когда напряжение на нем достигнет -Uвых*R10/(R10 + R11), триггер опять перещелкнется в положительное состояние. Конденсатор опять начнет заряжаться до Uвых*R10/(R10 + R11) и так по кругу.
У данной схемы период считается по формуле:
T = 2 x R13 x C4 х ln(1 + 2*R10/R11).
Так, для моего примера: T = 2*22 кОм*0,1 мкФ*ln(3) = 4,83 мкс.
Как видно из схемы и осциллограммы, коэффициент заполнения генерируемого сигнала равен 50%, а регулировать частоту можно изменением сопротивления одного из резисторов R10, R11 или R12.
Если хочется регулировать скважность, можно сделать такую схему:
Если в предыдущей схеме заряд конденсатора и в положительную, и в отрицательную "сторону" проходили через один резистор, то в этой заряд в плюс идет через диод D6, а в минус - через D4.
С помощью резисторов R30 и R32 можно задать разные длительности для отрицательной и положительной полуволн сигнала.
Наглядно:
Ну, и напоследок.
Ждущий мультивибратор на ОУ
Цепочка C9, R24 дифференцирует входной сигнал, делая из фронта импульс, который и запускает одновибратор.
Длина вырабатываемого импульса равна: tи = R31 x C10 x ln(1 + R25/R28).
В случае схемы выше: 10 кОм*0,1 мкФ*ln(1 + 10/10) = 693 мкс.
Есть еще мультивибраторы на логике и на спецовых интегральных микросхемах, но о них - в следующий раз. Там еще надо будет обсудить кварцевые резонаторы, то да се, а эта статья уже и так достаточно длинная :)