W tym artykule szczegółowo omówimy obwody komparatora i oscylatora wyzwalacza Schmitta z różnymi powiązanymi parametrami. Jak widzieliśmy do tej pory, wzmacniacz operacyjny jest wykorzystywany w różnych dziedzinach zastosowań i będąc urządzeniem tak wszechstronnym, jego znaczenie jako części układów analogowych jest ogromne. Jednym z najwygodniejszych zastosowań wzmacniacza operacyjnego jest układ multiwibratora. Będziemy studiować za szczegółowe informacje o typach i działaniu obwodu multiwibratora skonstruowane przy użyciu wzmacniaczy operacyjnych (multiwibratorów op-amp) i innych urządzeń pasywnych, takich jak kondensatory, diody, rezystory itp.
Spis treści
- Wprowadzenie multiwibratorów
- Zastosowanie pozytywnego sprzężenia zwrotnego w multiwibratorze
- Co to jest wyzwalacz Schmitta?
- Komparator wyzwalania Schmitta w obwodzie zamkniętym lub bistabilny multiwibrator
- Charakterystyka przenoszenia napięcia multiwibratora bistabilnego
- Stabilny multiwibrator lub oscylator wyzwalający Schmitta
- Cykl pracy oscylatora
Wprowadzenie multiwibratora i obwodów wyzwalania Schmitta
Obwody multiwibratora są logika sekwencyjna obwodów i są wielu typów w zależności od sposobu ich utworzenia. Niektóre multiwibratory można wykonać za pomocą tranzystory i bramki logiczne, podczas gdy dostępne są nawet dedykowane chipy jako multiwibratory, takie jak timer NE555. Obwód multiwibratora ze wzmacniaczem operacyjnym ma kilka zalet w porównaniu z innymi obwodami multiwibratora, ponieważ wymagają one znacznie mniej komponentów do pracy, mniej polaryzacji i wytwarzają lepsze symetryczne prostokątne sygnały falowe przy użyciu stosunkowo mniejszej liczby komponentów.
Rodzaje multiwibratorów
Istnieją głównie trzy typy obwodów multiwibratora:
- Astable multiwibrator,
- Multiwibrator monostabilny
- Multiwibrator bistabilny.
Multiwibrator monostabilny ma pojedynczy stan stabilny, podczas gdy liczba stanów stabilnych w multiwibratorze bistabilnym wynosi 2.
Jak dowiedzieliśmy się w poprzedniej sekcji o wzmacniaczu operacyjnym jako komparatorze, w konfiguracji z otwartą pętlą komparator może przełączać się w niekontrolowany sposób między dodatnim napięciem nasycenia szyny zasilającej a ujemnym napięciem nasycenia szyny zasilającej, gdy napięcie wejściowe jest bliskie do napięcia odniesienia. W związku z tym, aby mieć kontrolę nad tym niekontrolowanym przełączaniem między dwoma stanami, wzmacniacz operacyjny jest używany w konfiguracji sprzężenia zwrotnego (obwód zamkniętej pętli), która jest szczególnie znana jako obwód wyzwalający Schmitta z zamkniętą pętlą lub bistabilny multiwibrator.
Zastosowanie pozytywnego sprzężenia zwrotnego w multiwibratorze i efekcie histerezy
Do tej pory dowiedzieliśmy się o konfiguracji ujemnego sprzężenia zwrotnego we wzmacniaczach operacyjnych w poprzednich rozdziałach. Istnieje również inny typ konfiguracji sprzężenia zwrotnego znany jako pozytywne sprzężenie zwrotne, który jest również używany do określonych zastosowań. W konfiguracji z dodatnim sprzężeniem zwrotnym napięcie wyjściowe jest zwracane (podłączane) do nieodwracającego (dodatniego) zacisku wejściowego, w przeciwieństwie do ujemnego sprzężenia zwrotnego, w którym napięcie wyjściowe było podłączone do odwracającego (ujemnego) zacisku wejściowego.
Wzmacniacz operacyjny pracujący w konfiguracji z dodatnim sprzężeniem zwrotnym ma tendencję do pozostawania w tym szczególnym stanie wyjściowym, w którym jest obecny, tj. W stanie nasyconym dodatnim lub nasyconym ujemnym. Z technicznego punktu widzenia to zachowanie zatrzasku w jednym z dwóch stanów jest znane jako histereza.
Jeżeli sygnał wejściowy przyłożony do komparatora zawiera dodatkowe harmoniczne lub skoki (szum), to wyjście komparatora może się nieoczekiwanie i niekontrolowane przełączyć na dwa stany nasycenia. W tym przypadku nie uzyskamy regularnego symetrycznego wyjścia fali prostokątnej zastosowanego wejściowego przebiegu sinusoidalnego.
Ale jeśli dodamy trochę pozytywnego sprzężenia zwrotnego do sygnału wejściowego komparatora, tj. użyjemy komparatora w konfiguracji z dodatnim sprzężeniem zwrotnym; będziemy wprowadzać zachowanie zatrzaskowe w stanach, co technicznie nazywamy histereza do wyjścia. Dopóki nie nastąpi poważna zmiana wielkości wejściowego sygnału napięcia przemiennego (sinusoidalnego), efekt histerezy będzie nadal powodował, że wyjście obwodu pozostanie w obecnym stanie.
Co to jest wyzwalacz Schmitta?
Połączenia Spust Schmitta lub bi-stabilny multi-wibrator działa w konfiguracji z dodatnim sprzężeniem zwrotnym ze wzmocnieniem pętli większym niż jedność, aby działać jako tryb bistabilny. Napięcie V.+ może być.
Powyższy rysunek przedstawia zależność napięcia wyjściowego od krzywej napięcia wejściowego (znanego również jako charakterystyka przenoszenia napięcia), w szczególności pokazując efekt histerezy. Krzywa charakterystyki przenoszenia ma dwa specyficzne obszary, krzywą, w której rośnie napięcie wejściowe i część krzywej, w której napięcie wejściowe maleje. Napięcie V.+ nie ma stałej wartości, ale zamiast tego jest funkcją napięcia wyjściowego V.0.
Charakterystyka przenoszenia napięcia
W charakterystyce przenoszenia napięcia Vo = VHlub w stanie wysokim. Następnie,
Wyższe napięcie zwrotnicy VTH
Jeśli sygnał jest mniejszy niż V+, wyjście pozostaje w stanie wysokim. Napięcie zwrotnicy VTH występuje, gdy V.i = V+ i wyrażone w następujący sposób:
Kiedy V.i > VTH, napięcie na zacisku odwracającym jest większe niż na zacisku nieodwracającym. Napięcie V.+ wtedy okazuje się
Dolne napięcie zwrotnicy VTL
Ponieważ VL <VH napięcie wejściowe V.i to wciąż więcej niż V+, a wyjście pozostaje w stanie niskim jako Vi kontynuować wzrost; Jeśli Vi maleje, dopóki napięcie wejściowe V.i jest większy niż V.+, wyjście pozostaje w stanie nasycenia. Napięcie graniczne tu i teraz występuje, gdy Vi = V+ a ten VTL wyrażony jako
Jak Vi nadal maleje, pozostaje mniej niż V.+; dlatego V0 pozostaje w swoim wysokim stanie. Na powyższym rysunku możemy zaobserwować tę charakterystykę przenoszenia. Efekt histerezy jest pokazany na wykresie charakterystyki przesyłu netto.
Co to jest oscylator wyzwalający Schmitta?
Stabilny multiwibrator lub oscylator wyzwalający Schmitta
Stabilny multiwibrator osiągnięty przez zamocowanie sieci RC do obwodu wyzwalającego Schmitta w sprzężeniu zwrotnym. Gdy przejdziemy przez tę sekcję, zobaczymy, że obwód nie ma stabilnych stanów i dlatego jest również znany jako astabilny obwód multiwibratora.
Jak widać na rysunku, sieć RC jest ustawiona w torze ujemnego sprzężenia zwrotnego, a odwracający zacisk wejściowy jest połączony z masą przez kondensator, podczas gdy nieodwracający zacisk jest podłączony do złącza między rezystorami R1 i R2 jak pokazano na rysunku.
Na początku R.1 i R2 ma być równe R i założyć, że wyjścia przełączają się symetrycznie około zera woltów, z wysokim nasyceniem wyjściowym reprezentowanym przez VH = VP i niski poziom nasycenia wskazany przez VL = -VP. Jeśli V0 jest niski lub V0 = -VP, a następnie V+ = - (1/2) VP.
Kiedy V.x spada nieco poniżej V.+, wyjście przełącza się w stan wysoki, tak że V0 = + VP i V+ = + (1/2) VP. Równanie dla Napięcie na kondensatorze w sieci RC można wyrazić jako:
Gdzie τx jest stałą czasową, którą można zdefiniować jako τx= RxCx. Napięcie V.x rośnie w kierunku napięcia końcowego V.P w sposób wykładniczy w odniesieniu do czasu. Jednak kiedy Vx okazuje się być nieco większa niż V+ = + (1/2) VP, wyjście przechodzi do stanu niskiego V0 = -VP i Vx = - (1/2) VP. RxCx sieć jest wyzwalana przez ujemne ostre przejście napięć, a tym samym kondensator C.x rozpocząć rozładowywanie, a napięcie Vx maleje w kierunku wartości –VP. Możemy zatem wyrazić Vx as
Gdzie t1 odnosi się do chwili, w której wyjście obwodu przechodzi w stan niski stan. Rozładowanie kondensatora wykładniczo V+ = - (1/2) VP, wydajność ponownie zmienia się na wysoką. Proces powtarza się w sposób ciągły w czasie, co oznacza, że oscylacje tego obwodu dodatniego sprzężenia zwrotnego wytwarzają prostokątny sygnał wyjściowy. Poniższy rysunek przedstawia napięcie wyjściowe V.0 i napięcie kondensatora V.x względem czasu.
Czas t1 można znaleźć, podstawiając t = t1 i Vx = VP/ 2 w ogólnym równaniu na napięcie na kondensatorze.
Z powyższego równania, gdy rozwiązujemy t1, dostajemy
Przez czas t2 (jak widać na powyższym rysunku), podchodzimy w podobny sposób, az podobnej analizy wykorzystującej powyższe równanie widać, że różnica między t2 oraz T1 jest również 1.1RxCx. Z tego możemy wywnioskować, że okres oscylacji T można zdefiniować jako T = 2.2 RxCx
Częstotliwość w ten sposób można wyrazić jako
Cykl pracy oscylatora
Procent czasu, w którym napięcie wyjściowe (V0) multiwibratora jest w stanie wysokim jest szczególnie określany jako cykl roboczy oscylatora.
Cykl pracy oscylatora wynosi
Jak widać na rysunku, przedstawiającym napięcie wyjściowe i napięcie kondensatora w funkcji czasu, cykl pracy wynosi 50%.
Więcej artykułów związanych z elektroniką kliknij tutaj
Cześć, jestem Amrit Shaw. Zrobiłem magisterium z elektroniki.
Zawsze lubię odkrywać nowe wynalazki w dziedzinie elektroniki.
Osobiście uważam, że nauka jest bardziej entuzjastyczna, gdy uczy się ją w sposób kreatywny.
Poza tym lubię grać na gitarze i podróżować.
Witam Cię, Drogi Czytelniku,
Jesteśmy małym zespołem w Techiescience, ciężko pracującym wśród dużych graczy. Jeśli podoba Ci się to, co widzisz, udostępnij nasze treści w mediach społecznościowych. Twoje wsparcie robi wielką różnicę. Dziękuję!