Ждущий мультивибратор на логических элементах

Внешний вид макет

Собираем схему и проводим небольшой тест. Попробуем управлять гирляндой согласно нехитрому алгоритму:

1. нажимаем на кнопку;
2. ждем 1 секунду;
3. отпускаем кнопку;
4. ждем 2 секунды;
5. переходим к пункту 1.

Это алгоритм периодического процесса. Нажимая на кнопку по алгоритму мы тем самым генерируем настоящий импульсный сигнал! Изобразим на графике его временную диаграмму.

У данного сигнала мы можем определить период повторения и частоту. Период повторения (T) — это отрезок времени, за который гирлянда возвращается в исходное состояние. На рисунке хорошо виден этот отрезок, он равен трем секундам. Величина обратная периоду повторения называется частотой периодического сигнала (F). Частота сигнала измеряется в Герцах. В нашем случае:

F = 1/T = 1/3 = 0.33 Гц

Период повторения можно разбить на две части: когда гирлянда горит и когда она не горит. Отрезок времени, в течение которого гирлянда горит называется длительностью импульса (t).

А теперь самое интересное! Отношение периода повторения (T) к длительности импульса (t) называется скважностью. S = T / t

S = T / t

Скважность нашего сигнала равна S = 3/1 = 3. Скважность величина безразмерная

В англоязычной литературе принят другой термин — коэффициент заполнения (Duty cycle)

Это величина, обратная скважности

D = 1 / S = t / T

В случае нашей гирлянды коэффициент заполнения равен:

D = 1 / 3 = 0.33(3) ≈ 33%

Этот параметр более нагляден. D = 33% означает, что треть периода занята импульсом. А, например, при D = 50% длительность высокого уровня сигнала на выходе таймера будет равна длительности низкого уровня.

Характеристики мультивибратора

Работа схемы характеризуется несколькими величинами. Это:

Частота. Единица измерения F — герц, Гц.
Амплитуда. Вольт.
Длительность импульса

Единица измерения секунды.
Скважность. Отношение периода Т к длительности импульса t

S=T/tim. Обозначение буквы тау не воспроизводит word и применена прописная буква t.

Если посмотреть осциллографом сигнал, снятый с нагрузки, а для данных мультивибраторов это лампочки, то в идеале мы должны увидеть «меандр». Это форма прямоугольных импульсов с длительностью равной паузам.

Импульсы меандр, длительность паузы tp равна длительности импульса tim

На примере схемы симметричного мультивибратора мы видим, что длительность перезаряда конденсаторов определяется цепями:

t₁=R₂C₁ и t₂=R₃C₂

Где С – ёмкость в Фарадах: R – сопротивление в Омах.

Амплитуда сигнала или импульса – это максимальное значение напряжения или тока. Амплитуда может выражаться в вольтах или амперах.

Частота колебаний F, выражается в герцах сек/сек=Гц и определяется отношением периода Т (сек) к секунде времени через соотношение:

F=1/T

Расчёт скважности определяется формулой — S=T/tim. Важный параметр колебательного процесса

Не имеет единицы измерения, являясь числовой величиной. Изменяемая величина, например, счётчики-дешифраторы, могут делить импульсы на отдельные.

↑ Интерпретация показаний и устранение застарелой ошибки

В интернете кочует иллюстрация возможных искажений и описание к ней с грубой ошибкой. Копипастеры, как обычно, или не читают, или не понимают что копируют. Воспользуемся для начала этими рисунками.

а) идеальная форма при отсутствии частотных искажений, б), в) ослабление ВЧ умеренное и большое, г) умеренное ослабление НЧ, д) кривизна говорит об ослаблении и средних частот, е), ж) в «оригинале» ошибочно говорится о подъёме на НЧ, конечно, это справедливо для е), а ж) — сильное ослабление НЧ и заметное СЧ. з) небольшой спад на самых высоких частотах, в зависимости от частоты ГПИ спад может быть далеко за пределами звукового диапазона, и) плавный провал на средних частотах, к) неглубокий провал в узком диапазоне на средних частотах, скорее всего вызван каким-то резонансом, но процесс апериодический т. к. нет выбросов.

Колебания кривой на последних рисунках л) и м) показывают на неустойчивую работу усилителя

, что хуже, чем просто частотные искажения, такие колебания могут быть незаметны при испытании синусоидальным сигналом!

Можно добавить, что получить импульсы, как на рис. а) возможно только для УПТ (усилителя постоянного тока), любые разделительные конденсаторы приводят к наклону верхушки импульса и даже если частота среза всего несколько Гц, при частоте импульсов 50 и даже 100 Гц, это приводит к форме показанной на рис. г).

Импульсы предложенного генератора при прямом изучении на экране осциллографа не идеальны, но, для звукового диапазона частот, этой «прямоугольности» хватает с многократным запасом.

Одновибратор

Формирование импульсов с помощью простейших логических элементов. Одновибратор или ждущий или заторможенный мультивибратор генерирует импульс заданной амплитуды и длительности после прихода запускающего импульса. Одновибратор строят с использованием цепи положительной обратной связи и пороговых элементов. Очень часто в качестве времязадающих элементов в мультивибраторах применяют RC цепочки. Могут быть использованы также линии задержки, отрезки кабеля. Один из способов построения одновибраторов – использование логических элементов.

Условие нормальной работы:

t зап < t имп. . Если это условие не выполняется, то можно укоротить импульс с помощью дифференцирующей цепочки, включенной на входе запуска.

Часто требуется сформировать импульс по логическому перепаду на входе. Одна из возможных схем показана на рисунке. Длительность выходного импульса определяется на этой схеме длительностью схемы задержки ().

Вместо RC цепочки можно включить любой элемент задержки: два последовательно включенных инвертора, линию задержки, отрезок кабеля и т.д. Элемент 2И-НЕ с триггером Шмидта на входе обеспечивает устойчивую работу схемы.

Полупроводниковая промышленность выпускает специализированные микросхемы, с помощью которых при минимальном числе внешних элементов можно строить генераторы импульсов. Пример такой микросхемы в ТТЛ серии – 1533АГ3. В одном корпусе микросхемы имеется 2 независимых элемента. Длительность импульса с выхода каждого элемента равна tимп = 0.5 RC.

Таблица состояний 1533АГ3

Генерация импульсного сигнала при помощи микросхемы 555

Теперь попробуем заменить человека и кнопку, ведь мы не хотим весь праздник включать и выключать гирлянду каждые 3 секунды.

В качестве автоматического генератора импульсов используем очень известную микросхему семейства 555. Микросхема 555 — это генератор одиночных или периодических импульсов с заданными характеристиками. По-другому данный класс микросхем называют таймерами.

Существуют разные модификации таймера 555, разработанные разными компаниями: КР1006ВИ1, NE555, TLC555, TLC551, LMC555. Как правило, все они имеют одинаковый набор выводов.

Также производители выделяют два режима работы таймера: одновибратор и мультивибратор. Нам подойдет второй режим, именно в нем таймер будет непрерывно генерировать импульсы с заданными параметрами.

Для примера, подключим к таймеру 555 один светодиод. Причем, используем вариант, когда положительный вывод светодиода соединяется с питанием, а земля к таймеру. Позже будет понятно, почему мы делаем именно так.

Одновибратор на логических элементах К155ЛА3

Одновибратором именуют генератор, вырабатывающий одиночные электрические импульсы. Алгоритм работы одновибратора таков: при поступлении на вход одновибратора электрического сигнала, схема выдает на выходе короткий импульс, продолжительность которого определяется номиналами RC цепи.

После окончания формирования выходного импульса, одновибратор вновь возвращается в свое первоначальное состояние, и процесс повторяется при поступлении нового сигнала на его входе. Поэтому данный одновибратор еще именуют ждущим мультивибратором.

На практике применяется множество разновидностей одновибраторов, таких как одновибратор на транзисторах, операционных усилителях и одновибратор на логических элементах.

Опыты с микросхемой К155ЛА3

На макетную плату установите микросхему К155ЛА3 к выводам подсоедините питание (7 вывод минус, 14 вывод плюс 5 вольт). Для выполнения замеров лучше применить стрелочный вольтметр, имеющий сопротивление более 10 кОм на вольт. Спросите, почему нужно использовать стрелочный? Потому, что, по движению стрелки, можно определить наличие низкочастотных импульсов.

После подачи напряжения, измерьте напряжение на всех ножках К155ЛА3. При исправной микросхеме напряжение на выходных ножках (3, 6, 8 и 11) должно быть около 0,3 вольт, а на выводах (1, 2, 4, 5, 9, 10, 12, и 13) в районе 1,4 В.

Для исследования функционирования логического элемента 2И-НЕ микросхемы К155ЛА3 возьмем первый элемент. Как было сказано выше, его входом служат выводы 1 и 2, а выходом является 3. Сигналом логической 1 будет служить плюс источника питания через токоограничивающий резистор 1,5 кОм, а логическим 0 будем брать с минуса питания.

Опыт первый (рис.1):
Подадим на ножку 2 логический 0 (соединим ее с минусом питания), а на ножку 1 логическую единицу (плюс питания через резистор 1,5 кОм). Замерим напряжение на выходе 3, оно должно быть около 3,5 В (напряжение лог. 1)

Вывод первый
: Если на одном из входов лог.0, а на другом лог.1, то на выходе К155ЛА3 обязательно будет лог.1

Опыт второй (рис.2):
Теперь подадим лог.1 на оба входа 1 и 2 и дополнительно к одному из входов (пусть будет 2) подключим перемычку, второй конец которой будет соединен с минусом питания. Подадим питание на схему и замерим напряжение на выходе.

Оно должно быть равно лог.1. Теперь уберем перемычку, и стрелка вольтметра укажет напряжение не более 0,4 вольта, что соответствует уровню лог. 0. Устанавливая и убирая перемычку можно наблюдать как «прыгает» стрелка вольтметра указывая на изменения сигнала на выходе микросхемы К155ЛА3.

Вывод второй:
Сигнал лог. 0 на выходе элемента 2И-НЕ будет только в том случае, если на обоих его входах будет уровень лог.1

Следует отметить, что неподключенные входы элемента 2И-НЕ («висят в воздухе»), приводит к появлению низкого логического уровня на входе К155ЛА3.

Опыт третий (рис.3):
Если соединить оба входа 1 и 2, то из элемента 2И-НЕ получится логический элемент НЕ (инвертор). Подавая на вход лог.0 на выходе будет лог.1 и наоборот.

У каждого настоящего радиолюбителя имеется микросхема К155ЛА3. Но
обычно их считают сильно устаревшими и не могут найти им серьезного использования, так как во многих
радиолюбительских сайтах и журналах обычно описаны только схемы мигалок, игрушек. В рамках этой статьи постараемся расширить радиолюбительский кругозор в рамках применения схем с использованием микросхемы К155ЛА3.

Эту схему можно использовать для зарядки мобильного телефона от прикуривателя бортовой сети автомобиля.

На вход радиолюбительской конструкции можно подавать до 23 Вольт. Вместо устаревшего транзистора П213 можно использовать более современный аналог КТ814.

Вместо диодов Д9 можно применить д18, д10. Тумблеры SA1 и SA2 используются для проверки транзисторов с прямой и обратной проводимостью.

Для того чтобы исключить перегрев фар можно установить реле времени, которое будет выключать стоп-сигналы если они горят более 40-60 секунд, время можно изменить подбором конденсатора и резистора. При отпускании и следующем нажатии педали фонари снова включаются, так что на
безопасность вождения это никак не влияет

Для повышения КПД преобразователя напряжения и предотвращения сильного перегрева, в выходном
каскаде схемы инвертора применены полевые транзисторы с низким сопротивлением

Сирена используется для подачи мощного и сильного звукового сигнала для привлечения внимания людей и эффективно защищает ваш оставленный и пристегнутый на короткое время байк.

Если вы хозяин дачи, виноградника или домика в деревне, то вы знаете, какой огромный ущерб могут создать мыши, крысы и другие грызуны, и какой затратной неэффективной, а иногда и опасной является борьба с
грызунами стандартными способами

Почти все радиолюбительские самоделки и конструкции имеют в своем составе стабилизированный источник питания. А если ваша схема работает от напряжения питания 5 вольт, то лучшим вариантом будет использование трехвыводного интегрального стабилизатора 78L05

Кроме микросхемы в имеется яркий светодиод и несколько компонентов обвязки. После сборки устройство начинает работать сразу. Регулировка не требуется, кроме подстройки длительности вспышек.

Напомним, что конденсатор C1 номиналом 470 микрофарад впаиваем в схему строго с соблюдением полярности.

С помощью номинала сопротивления резистора R1 можно изменять длительность вспышки светодиода.

Обновлено: 04.06.2021

103583

↑ Практика!

А теперь примеры из практики – испытания и настройки модернизированного усилителя «Радиотехника У-101». Сначала подадим сигнал с ГПИ непосредственно на вход осциллографа. Напомню, вход осциллографа может быть «закрытым» т. е. не реагирующим на постоянное напряжение и «открытым», реагирующим как на переменное, так и на постоянное напряжение.

Первый сюрприз – закрытый вход осциллографа заметно искажает меандр 50 Гц, это надо учесть. Второй сюрприз – прямоугольный сигнал выявляет искажения самого осциллографа на разных участках экрана, особенно на краях и в углах экрана, при перемещении луча и т. д. Это тоже надо учитывать.

При частоте следования ГПИ 1000 Гц, форма сигнала практически идеальная (обратите внимание на положение переключателя развёртки, по нему можно судить о частоте подаваемых импульсов). Линии на экране не совсем горизонтальны, после фотографирования мне пришлось разобрать его и сделать небольшую юстировку трубке

↑ Влияние регулятора тембра

Далее — изображения на выходе полного УНЧ под нагрузкой при мощности несколько ватт, в усилителе включены фильтры и регуляторы.

При включенных РТ (на экране осциллограмма линейного в диапазоне 20 Гц…20 кГц усилителя) малейшее изменение регулировки ВЧ вызывает заметный подъём или спад фронта в указанном месте. Можно судить о том, линейна или нет АЧХ в среднем положении РТ, можно ли вообще этого добиться. Небольшой спад обманчив — АЧХ линейна, а область ниже 20 Гц нас (меня) не интересует. Поэтому можно вместо ГПИ 50 Гц использовать 100 Гц, кроме того, при очень низких частотах горизонтальной развёртки (5 мс на клетку и более) изображение мерцает, что неудобно. Для упрощения будем считать, что диапазон РТ ±8 дБ на 100 Гц и 10 кГц. Исключён фрагмент. Полный вариант статьи доступен меценатам и полноправным членам сообщества. Читай условия доступа.

Чтобы картина не была слишком благостной, вот пример неустойчивой, «нервной» работы усилителя с недостаточной коррекцией. При этом усилитель линейно работал в диапазоне 20…20000 Гц, а при проверке синусоидальным генератором Г3-102 наблюдался некоторый плавный горб в районе 80000 Гц.

Принципиальная схема

Максимальный выходной уровень (положение 1/1 S2) синусоидального напряжения (RMS) 3,1 V. Соответственно в других положениях S2 максимальный выходной сигнал (RMS) составляет 310mV и 31mV. Питается генератор от электросети через встроенный источник питания на маломощном силовом трансформаторе.

Схема генератора представляет собой УНЧ с двухтактным выходным каскадом, охваченный положительной обратной связью RC-схемой моста Винна. Частота определяется переменными резисторами R2 1 и R2.2, являющимися составляющими частями сдвоенного переменного резистора, используемого как орган плавной настройки частоты в пределах выбранного диапазона. И конденсаторов, переключаемых сдвоенным переключателем S1.1-S1.2.

Рис. 1. Принципиальная схема лабораторного генератора сигнала низкой частоты 15 Гц — 160 КГц.

При монтаже переменные резисторы нужно паять так, чтобы при вращении рукоятки их сопротивления менялись одинаково (при неправильном включении при вращении рукоятки сопротивление одного переменного резистора будет уменьшаться в то время как сопротивление другого будет расти).

Чем ближе характеристики регулировки резисторов, составляющих блок переменных резисторов, тем меньшие искажения сигнала будут на выходе. Это же касается и конденсаторов, образующих мост Винна, — их емкости одновременно работающие в одном диапазоне должны быть максимально одинаковы (С1=С5, С2=С6, C3=С7, С4=С8 с увеличением неравенства этих емкостей возрастают искажения).

Коэффициент нелинейных искажений не более 0,3% во всем диапазоне частот (при условии тщательной настройки генератора, и малом разносе емкостей и резисторов плеч моста Винна).

При наличии только моста Винна схема усилителя (генератора) будет выходить на режим ограничения сигнала То есть, в данном случае, это перегрузка, которая обрежет вершины синусоид и сигнал будет более похож на прямоугольный, чем на синусоидальный.

Поэтому необходима так же и система отрицательной обратной связи, которая будет снижать коэффициент передачи усилителя так чтобы размах выходного сигнала не вылезал в зоны ограничения и нелинейности.

К тому же, должна быть автоматическая регулировка глубины ООС, придерживающая коэффициент передачи на оптимальной величине, которая здесь образована резисторами R7, R6, R5, а так же конденсатором С9. Элементом, регулирующим глубину ООС является лампа накаливания Н1.

Как известно, сопротивление лампы накаливания сильно зависит от тока через неё, так как ток вызывает нагрев нити из высокоомного сплава металла Чем больше ток, тем больше нагрев и тем больше сопротивление лампочки. Здесь лампа включена в цепи ООС, при увеличении сопротивления в этой цепи глубина ООС увеличивается и коэффициент передачи усилителя снижается.

Через лампу протекает выходной переменный ток, поэтому от его величины зависит и нагрев лампы. Таким образом происходит стабилизация выходного уровня сигнала в пределах линейного участка характеристики усилителя НЧ.

Усилитель, составляющий основу ГНЧ построен на транзисторах по трехкаскадной схеме с мостовым выходным каскадом и непосредственными связями между каскадами.

Для устранения «ступеньки» напряжение смещения на базах VT3 и VТ4 различаются на величину, заданную цепью из трех диодов VD1-VD3. Плавная регулировка выходного сигнала осуществляется переменным резистором R11, ступенчатая, — переключателем S2, переключающим резисторы делителя R12-R14.

Источник питания вырабатывает двухполярное постоянное напряжение около + 11V. В источнике питания используется маломощный силовой трансформатор Т1 с одной вторичной обмоткой на напряжение 9V. Для того чтобы от такого трансформатора получить двухполярное напряжение здесь используется два одно-полупериодных выпрямителя на диодах VD4 и VD5.

В результате для формирования положительного постоянного напряжения используется положительная полуволна переменного тока, а для формирования отрицательного постоянного напряжения используется отрицательная полуволна переменного тока.

Подключение группы светодиодов к таймеру 555

Теперь, когда мы научились задавать нужный ритм, соберем небольшую гирлянду. В новой схеме пять светодиодов будут включаться на 0.5 сек каждую секунду. Для такого ритма Ra = 0, Rb = 7.2 кОм. То есть, вместо резистора Ra мы можем поставить перемычку.

Выход микросхемы 555 слишком слабый для того, чтобы одновременно зажечь 5 светодиодов. А ведь в настоящей гирлянде их может быть штук 15, 20 и более. Чтобы решить эту проблему, используем биполярный транзистор, работающий с режиме электронного ключа. Возьмем самый распространенный NPN транзистор 2N2222. Также в этой схеме можно использовать полевой N-канальный транзистор, например 2N7000.

Нашим светодиодам потребуется токозадающий резистор. Суммарный ток пяти параллельно соединенных светодиодов должен быть равен I = 20 мА*5 = 100 мА. Напряжение питания всей схемы 9 Вольт. На светодиоде красного цвета напряжение падает на 2 Вольта. Таким образом закон ома на данном участке цепи имеет вид:

100 мА = (9В-2В)/R;

отсюда R2 = 7В/0.1А = 70 Ом.

Округлим сопротивление до 100 Ом, которое можно получить параллельным соединением двух резисторов на 200Ом. А можно и вовсе оставить один резистор на 200Ом, просто светодиоды будут гореть немного тусклее.

Ждущий мультивибратор (одновибратор)

Ждущий мультивибратор в отличие от автоколебательного на выходе формирует одиночный импульс под действием входного сигнала, причём длительность выходного импульса зависит от номиналов элементов обвязки операционного усилителя. Схема ждущего мультивибратора показана ниже

Схема ждущего мультивибратора (одновибратора) на операционном усилителе.

Ждущий мультивибратор состоит из операционного усилителя DA1, цепи ПОС на резисторах R4R5, цепи ООС VD1C2R3 и цепи запуска C1R1VD2.

Цикл работы ждущего мультивибратора можно условно разделить на три части: ждущий режим, переход из ждущего режима в состояние выдержки и непосредственно состояние выдержки. Рассмотрим цикл работы мультивибратора подробнее.

Ждущий режим является основной и наиболее устойчивой частью цикла работы данного типа мультивибратора, так как самопроизвольно он не может перейти в следующие части цикла работы ждущего мультивибратора. В данном состоянии на выходе мультивибратора присутствует положительное напряжение насыщения ОУ (U_НАС+), которое через цепь ПОС R4R5 частично поступает на неинвертирующий вход ОУ, тем самым задавая пороговое напряжение переключения мультивибратора (U_ПП), которое определяется следующим выражением

На инвертирующем входе ОУ присутствует напряжение, которое задаётся диодом VD1 (в случае кремневого диода напряжение примерно равно 0,6 – 0,7 В), то есть меньше порога переключения мультивибратора. При данных условиях ждущий мультивибратор может находиться неограниченно долгое время (до тех пор, пока не поступит запускающий импульс).

Переход из ждущего режима в состояние выдержки, является следующей частью цикла работы ждущего мультивибратора и начинается после того, как на вход поступит импульс отрицательной полярности, амплитуда которого превысит двухкратное значение напряжения переключения ждущего мультивибратора. То есть минимальная амплитуда входного напряжения (U_{ВХ min}) должна быть равна

В этом случае напряжение порога переключения ждущего мультивибратора понизится и станет меньше, чем напряжение падения на диоде VD1. Далее произойдёт лавинообразный процесс переключения выходного напряжения и на выходе установится напряжение отрицательного насыщение ОУ (U_НАС-) и ждущий мультивибратор перейдёт в состояние выдержки. При выборе номиналов элементов входной цепи C1 и R1 надо исходить из того, что конденсатор С1 должен полностью разрядиться за время действия входного импульса, то есть постоянная времени цепи C1R1 должна быть на порядок (в десять раз) меньше длительности входного импульса.

Заключительная часть цикла работы ждущего мультивибратора является состояние выдержки. В данном состоянии на неинвертирующий вход поступает часть напряжения с выхода мультивибратора, тем самым задавая пороговое напряжение перехода мультивибратора в ждущий режим. В тоже время выходное напряжение через цепь ООС C1R1 поступает на инвертирующий вход и открывает диод VD1, через который начинает разряжаться конденсатор С1. После разряда конденсатора С1 до 0 В происходит его зарядка через резистор R1 до напряжения перехода мультивибратора в ждущий режим. После чего схема переходит в исходное состояние и на выходе устанавливается напряжение положительного насыщения ОУ (U_НАС+). Длительность состояния выдержки и непосредственно формируемого выходного импульса определяется временем зарядка конденсатора С1 через резистор R1 и в общем случае определяется следующим выражением

Так как ждущий мультивибратор имеет только одно устойчивое состояние, то за ним закрепилось название одновибратора.

Для того чтобы одновибратор вырабатывал положительные импульсы при положительных управляющих входных сигналах необходимо изменить полярность включения диодов VD1 и VD2.