Релаксационные генераторы. Релаксационные генераторы Назначение и классификация релаксационных генераторов

• Название: Релаксационные генераторы Назначение и классификация релаксационных генераторов
• Анкор: Релаксационные генераторы
• Дата: 28.09.2022
• Размер: 201 Kb.
• Имя файла: Релаксационные генераторы.docx
• Тип: Документы; #703441

Релаксационные генераторы

Назначение и классификация релаксационных генераторов
Релаксационный генератор – генератор колебаний, пассивные и активные нелинейные элементы которого не обладают резонансными свойствами.

Релаксационный генератор является источником колебаний, форма которых отличается от синусоидальной. Релаксационные колебания бывают прямоугольные, пилообразные и т. д. Генераторы релаксационных колебаний используют для формирования одиночных импульсов и импульсных последовательностей, в качестве запускающих элементов, для деления частоты, в качестве источников синхронизирующего сигнала и т. д.

Генераторами импульсов называют релаксационные генераторы, вырабатывающие импульсы напряжения, повторяющиеся через интервалы времени Т_п, называемые периодом повторения импульсов. Генераторы релаксационных колебаний используют для формирования одиночных импульсов и импульсных последовательностей, в качестве запускающих элементов, для деления частоты, в качестве источников синхронизирующего сигнала и т. д.

Эти генераторы импульсов отличаются от генераторов синусоидальных колебаний добротностью времязадающей цепи. Если в генераторе синусоидальных колебаний LC-типа происходит непрерывный обмен энергией между конденсатором С и катушкой L и за период расходуется обычно небольшая часть энергии, полученной от источника постоянного тока, то в генераторе импульсов в течение одной части периода энергия запасается в реактивном элементе только одного типа, обычно в конденсаторе, а в другую часть периода выделяется в виде тепла в резисторах схемы. Усилительный элемент в данном случае работает в ключевом режиме, переключая конденсатор с заряда на разряд и обратно.

Колебательный процесс в релаксационном генераторе состоит в поочередном накоплении энергии от источника питания накопителем и выделении ее в виде тепла в резисторах схемы. Накопитель переключаемся с процесса накопления на выделение энергии с помощью коммутирующего устройства при достижении определенного уровня энергии. Управление коммутирующим устройством производится по цепи обратной связи. Таким образом, релаксационный генератор обязательно содержит источник энергии, накопитель, коммутирующее устройство и цепь обратной связи. В качестве коммутирующего устройства обычно используют транзистор, работающий в ключевом режиме.

Принцип работы релаксационного генератора основан на поведении физической системы, возвращающейся к равновесию после того, как оно нарушится. То есть, динамическая система в виде генератора, непрерывно рассеивает свою внутреннюю энергию. Обычно система возвращается к своему естественному равновесию, однако, каждый раз, когда она достигает некоторого порога, находящегося достаточно близко к равновесному состоянию, механизм работы сообщает ей дополнительную энергию. Таким образом, поведение генератора характеризуется длительными периодами рассеивания энергии, со следующими за ними короткими импульсами. Период колебаний зависит от времени, который необходим системе, что бы успокоится после нахождения в возмущённом состоянии до порога, при котором произойдёт следующее возмущение.

Среди большого числа разнообразных релаксационных генераторов можно выделить два типа, в зависимости от способа организации обратной связи: мультивибраторы и блокинг-генераторы. Подобные генераторы широко применяются в импульсной технике. Мультивибратор представляет собой двухкаскадное усилительное устройство, обратная связь в котором образуется от соединения выхода одного каскада со входом другого и наоборот. Блокинг-генератор – это устройство, обратная связь с выхода на вход которого осуществляется через трансформатор. Обратная связь в этих устройствах положительная.
Режимы работы релаксационных генераторов
Все генераторы импульсов как релаксационные генераторы имеют два состояния равновесия, одно из которых может быть устойчивым. Релаксационный генератор может работать в одном из трех режимов: ждущем, автоколебательном, синхронизации и делениячастоты.

1. Ждущий режим. Он характеризуется одним устойчивым и одним неустойчивым состояниями равновесия. Для генерации импульса ГИ переводят из устойчивого в неустойчивое состояние импульсом запуска. Их частота задает и стабилизирует частоту генерации ГИ. После вынужденной генерации импульса ждущий ГИ самопроизвольно возвращается путем регенерации в свое единственное устойчивое состояние и находится в нем до следующего импульса запуска. Это состояние называется квазиустойчивым. Время вынужденной генерации, т. е. длительность импульса τи, определяется время задающей цепью ГИ. В ждущем режиме генератор имеет состояние устойчивого и квазиустойчивого равновесия. Квазиустойчивым, равновесием называют такое состояние генератора, при котором он, будучи выведенным из состояния равновесия, через некоторое время возвращается к этому состоянию благодаря внутренним процессам, происходящим в генераторе. Переход из устойчивого равновесия в квазиустойчивое происходит под действием запускающих импульсов, а обратно генератор возвращается самопроизвольно через время, зависящее от параметров схемы.

2. Режим автоколебаний (самовозбуждения). Он характеризуется неустойчивостью обоих состояний равновесия. Все параметры непрерывно генерируемых импульсов определяются только параметрами элементов схемы ГИ. Автоколебательные ГИ, особенно на транзисторах, имеют низкую стабильность частот за счет неустойчивости режима при регенерации.

В автоколебательном режиме состояния устойчивого равновесия нет, а существует два состояния квазиустойчивого равновесия. В процессе работы генератор переходит из одного квазиустойчивого состояния в другое. Период колебаний определяется параметрами генератора.

3. Режим синхронизации (деления частоты). Он характеризуется повышенной стабильностью частоты за счет ее навязывания извне. ГИ имеет также два квазиустойчивых состояния, однако период колебаний определяется синхронизирующим сигналом. В режиме синхронизации на релаксационный генератор действует внешнее синхронизирующее напряжение. Генератор имеет также два квазиустойчивых состояния, однако период колебаний определяется синхронизирующим сигналом.

Часто в этом режиме стабилизирующим для самовозбуждающегося ГИ служит напряжение синхронизации от кварцевого автогенератора с периодом Тс, меньшим собственного периода ГИ Т0, так что период генерации ГИ Тп – Тс. Отношение n=Fc/Fn называется коэффициентом деления частоты.

В частности, при n = 1, когда Fn = Fc, имеет место режим синхронизации, а при n = 2, 3... (обычно ≤ 10... 20) будет режим деления частоты.
Общие сведения о мультивибраторе
Среди большого числа разнообразных релаксационных генераторов можно выделить два типа, в зависимости от способа организации обратной связи: мультивибраторы и блокинг-генераторы. Подобные генераторы широко применяются в импульсной технике.

Мультивибратор представляет собой двухкаскадное усилительное устройство, обратная связь в котором образуется от соединения выхода одного каскада со входом другого и наоборот.

Мультивибраторы – это генераторы импульсов близких к прямоугольным. Мультивибратор в автоколебательном режиме генерирует колебания непрерывно. Помимо автоколебательного режима существует ждущий режим. Генерирование импульсов начинается в тот момент, когда на схему подаются управляющие сигналы.

Мультивибратор представляет собой релаксационный генератор колебаний почти прямоугольной формы. Он является двухкаскадным усилителем на резисторах с положительной обратной связью, в котором выход каждого каскада соединен со входом другого. Само название "мультивибратор" происходит от двух слов: "мульти" - много и "вибратор" - источник колебаний, поскольку колебания мультивибратора содержат большое число гармоник. Мультивибратор может работать в автоколебательном режиме, режиме синхронизации и ждущем режиме. В автоколебательном режиме мультивибратор работает как генератор с самовозбуждением, в режиме синхронизации на мультивибратор действует извне синхронизирующее напряжение, частота которого определяет частоту импульсов, ну а в ждущем режиме мультивибратор работает как генератор с внешним возбуждением.

В ждущем режиме генератор имеет состояние устойчивого и квази-устойчивого равновесия. Квазиустойчивым, равновесием называют такое состояние генератора, при котором он, будучи выведенным из состояния равновесия, через некоторое время возвращается к этому состоянию благодаря внутренним процессам, происходящим в генераторе. Переход из устойчивого равновесия в квазиустойчивое происходит под действием запускающих импульсов, а обратно генератор возвращается самопроизвольно через время, зависящее от параметров схемы. В автоколебательном режиме состояния устойчивого равновесия нет, а существует два состояния квазиустойчивого равновесия. В процессе работы генератор переходит из одного квазиустойчивого состояния в другое. Период колебаний определяется параметрами генератора. В режиме синхронизации на релаксационный генератор действует внешнее синхронизирующее напряжение. Генератор имеет также два квазиустойчивых состояния, однако период колебаний определяется синхронизирующим сигналом.

Ждущий мультивибратор, иногда его называют одновибратором, предназначен для формирования одиночных импульсов заданной длительности. Форма импульсов близка к прямоугольной.

Формирование импульса на выходе одновибратора происходит только после подачи на вход запускающего сигнала. До подачи запускающего сигнала мультивибратор находится в устойчивом состоянии, т. е. как бы ждет запуска, поэтому такой режим называют ждущим.

После подачи запускающего сигнала осуществляется переход в сле­дующее состояние, называемое квазиустойчивым, так как в нем мультивибратор долго находиться не может, а через некоторое время самостоя­тельно возвращается к устойчивому состоянию.
Работа мультивибратора в ждущем режиме
Принципиальная схема одновибратора с коллекторно-базовыми свями приведена на рис. 4.1.

Схема содержит два каскада. Один из них, собранный на транзисторе Т₁ представляет собой транзисторный ключ с форсирующей емкостью. Второй каскад, собранный на транзисторе Т₂, служит усилителем с резистивно-емкостной связью. Вход (базовая цепь) каждого из каскадов подключен к выходу (к коллектору) другого каскада. Таким включением каскадов в мультивибраторе создается петля положительной обратнойсвязи.

На базу транзистора Т₂второго каскада через резистор R₂подается напряжение от источника Е положительной полярности. Выходной сигнал снимается с коллектора транзистора Т₂. Элементы С₃, R₃ представляющие собой укорачивающую цепочку совместно с диодом Д, образуют цепь запуска.

Работа мультивибратора в ждущем режиме может быть разделена на три этапа: исходное состояние, рабочий период, состоящий из запуска, опрокидывания и квазиустойчивого состояния и период восстановления.

Исходное устойчивое состояние. В базу транзистора Т2 поступает ток I_б2 источника Е, замыкающийся через резистор R2. Следовательно, транзистор Т2 открыт. Сопротивление R2 выбрано таким, чтобы ток базы транзистора Т2 был больше тока базы на границе насыщения i_бн2. Напряжение на его коллекторе u_к2 имеет небольшое остаточное значение U_ост. Напряжение u₆₁, приложенное к базе транзистора T1, складывается из этого остаточного напряжения и падения напряжения на R. Напряжение u_б определяет алгебраическим суммированием напряжений на элементах при обходе замкнутого контура от базы транзистора Т, к его эмиттеру. Транзистор Т, закрыт, так как напряжение на его базе меньше порога открывания U_n.


Рисунок 1.1 – Одновибратор с коллекторно-базовыми связями.
Напряжение на коллекторе закрытого транзистора Т, близко к Е. Конденсатор С₂заряжен до напряжения u_c2 (это напряжение определяется суммированием напряжений между коллектором и эмиттером и эмиттером и базой Т₂, т. е. на элементах внешнего по отношению к конденсатору контура при обходе его в направле­нии от левой обкладки к правой). Конденсатор С₁практически разряжен.

3апуск и опрокидывание. Цепь запуска формирует короткие импульсы из отрицательных перепадов напряжения, подаваемого на вход устройства.

Квазиустойчивое состояние. После отпирания к эмиттерному переходу Т₂прикладывается обратное напряжение и ₂(напряжение между базой и эмиттером транзистора Т₂определяется суммированием напряжений вдоль внешнего по отношению к Т₂контура при обходе его от базы к эмиттеру).

Остаточное напряжение на коллекторе насыщенного транзистора мало по сравнению с u_с2, поэтому, пренебрегая им, считают, что все напряжение u_Clконденсатора С через открытый транзистор прикладывается к базе T₂. Это напряжение удерживает транзистор Т₂в закрытом состоянии и после окончания импульса запуска. Ждущий мультивибратор в течение этого времени находится в квазиустойчивом состоянии.

Период восстановления. После возвращения в момент t₂ устройства в устойчивое состояние начинается процесс восстановления, в ходе которого устанавливаются напряжения, соответствующие исходному состоянию. Часть базового тока транзистора Т₂, замыкаясь по цепи конденсатор С₂, резистор R_Kl, источник Е_к, заряжает конденсатор С₂. По мере роста напряжения u_С2 уменьшаются зарядный ток t_зар, падение напряжения на резисторе R, и напряжение приближается к установившемуся значению Е_к.