Ćwiczenie 11 BADANIE PRZERZUTNIKÓW

Ćwiczenie 11
BADANIE PRZERZUTNIKÓW – ASTABILNEGO, MONOSTABILNEGO
I BISTABILNEGO
11.1 Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest poznanie rodzajów, budowy i właściwości przerzutników astabilnych,
monostabilnych oraz bistabilnych, a także obserwacja wpływu zmian stałej czasowej na
otrzymane przebiegi na wyjściu.
11.2. Wprowadzenie
Przerzutniki są to układy wytwarzające okresowe lub nieokresowe przebiegi prostokątne,
czyli przebiegi składające się z dużej liczby sygnałów harmonicznych. Układy generują więc
sygnały jak gdyby o wielu częstotliwościach i stąd wywodzi się ich nazwa (są nazywane
także multiwibratorami). Przebiegi prostokątne mogą być wytworzone w układach, w których
elementy czynne pracują w trybie przełącznika (element włączony lub wyłączony) z bardzo
krótkimi czasami przełączania. Można to uzyskać w układach z elementami o ujemnej
rezystancji dynamicznej lub w układach tranzystorowych z silnym dodatnim
(regeneracyjnym) sprzężeniem zwrotnym. Silne sprzężenie zwrotne powoduje, że tranzystory
w takich układach nie pracują w zakresie liniowym, lecz są przełączane od stanu zatkania do
stanu nasycenia (lub do stanu aktywnego). Wówczas przebieg sinusoidalny jest silnie
zniekształcony (ograniczony) i przyjmuje kształt zbliżony do prostokąta. Na wyjściu są więc
dwa stany, które mogą być stabilne lub nie: stan włączenia (niskie napięcie) lub stan
wyłączenia (wysokie napięcie).
Przerzutniki dzieli się na:
astabilne (nie ma stanu stabilnego);
monostabilne (jeden stan stabilny i chwilowy stan niestabilny);
bistabilne (przemiennie przyjmowany jeden z dwu stanów stabilnych).
W przerzutnikach astabilnych zmienia się cyklicznie stan wyjściowy. Generują więc
okresowy sygnał o kształcie prostokątnym. Okres cyklu zależy od stałych czasowych układu.
Przerzutniki monostabilne mają jeden stan stabilny, w którym normalnie pozostają.
Pobudzenie zewnętrzne (sygnał wyzwalający) powoduje zmianę stanu układu na chwilowy
stan niestabilny. Po czasie zależnym od stałych czasowych układu powraca on do stanu
stabilnego. Wytwarza więc pojedynczy impuls prostokątny o określonym czasie trwania,
zapoczątkowany sygnałem zewnętrznym.
Przerzutniki bistabilne mogą pozostawać w jednym z dwóch stanów stabilnych. Przejście z
jednego stanu do drugiego jest powodowane zewnętrznym sygnałem przełączającym.
Przerzutniki astabilne są najczęściej stosowane w układach cyfrowych jako generatory
taktujące (zegarowe). Przerzutniki monostabilne są stosowane jako układy wytwarzania lub
odtwarzania pojedynczych impulsów, a także jako układy opóźnień czasowych. Przerzutniki
bistabilne są zwykle stosowane jako układy pamiętające w systemach cyfrowych.
Na potrzeby wprowadzenia ograniczymy się jedynie do omówienia przerzutników
astabilnych.
Przerzutniki astabilne są generatorami impulsów prostokątnych pracującymi samowzbudnie,
tzn. bez zewnętrznego pobudzenia. Generatory takie są budowane z elementów dyskretnych
lub z cyfrowych układów scalonych (bramek logicznych, uniwibratorów scalonych). Do
generacji impulsów prostokątnych mogą być również wykorzystane wzmacniacze operacyjne.
Przyjęte rozwiązanie konstrukcyjne zależy od przeznaczenia generatora i pożądanych
parametrów generowanego przebiegu. W układzie przerzutnika astabilnego występuje pętla
dodatniego sprzężenia zwrotnego oraz elementy R i C określające parametry czasowe
generowanych impulsów (czas trwania, okres).
Układ tranzystorowego przerzutnika astabilnego przedstawiony na rysunku poniżej jest
zbudowany z dwustopniowego wzmacniacza o sprzężeniu pojemnościowym, objętego pętlą
dodatniego sprzężenia zwrotnego.
Załóżmy, że tranzystor T1, osiągnie stan nasycenia (wówczas napięcie na jego kolektorze
UCE1 = UCEsat i jest w przybliżeniu równe 0,1V), a T2 stan zatkania (wówczas napięcie
kolektora UCE2 jest w przybliżeniu równe UCC). W tym stanie kondensator C2 jest ładowany
przez rezystor R2 i tranzystor T1, do napięcia UCC. Gdy napięcie na kondensatorze osiągnie
wartość ok. 0,7 V, czyli napięcie, przy którym tranzystor T2 zaczyna przewodzić, to napięcie
kolektora tego tranzystora UCE2 zacznie się zmniejszać. Ta ujemna zmiana napięcia jest przez
kondensator C1 podawana na bazę tranzystora T1, powodując jego zatkanie. Wzrasta więc
napięcie kolektora tego tranzystora UCE1 (dodatnia zmiana napięcia), które z kolei poprzez
kondensator C2 oddziałuje na bazę tranzystora T2, powodując jego silniejsze przewodzenie.
Wskutek tego dodatniego sprzężenia zwrotnego tranzystor T2 wchodzi bardzo szybko w stan
nasycenia i napięcie UCE2 osiąga wartość UCEsat w przybliżeniu równe 0,1 V. Ten skok
napięcia na kolektorze tranzystora T2 (od UCC do UCEsat spowoduje szybkie zatkanie
tranzystora T1. Napięcie na jego bazie osiągnie bowiem wartość ujemną - (UCC - 0,7 V), gdyż
przed przełączeniem wynosiło ok. 0,7 V. Na kolektorze tranzystora T1 było bliskie UCC, czyli
kondensator C1 był naładowany do napięcia UCC - 0,7 V. Włączenie tranzystora T2 w stan
nasycenia powoduje więc przełączenie dodatnio naładowanej okładki kondensatora C1 z
potencjału UCC do UCEsat bliskiego zeru.
Na bazie tranzystora T1 wystąpi wówczas napięcie o wartości przeciwnej do naładowania
kondensatora C1. Gdy tranzystor T1 jest zatkany, a T2 nasycony, to kondensator C1 jest
przeładowywany od napięcia - (UCC - 0,7 V) do napięcia dodatniego UCC. Jednak, gdy
napięcie na bazie tranzystora T1 osiągnie wartość około 0,7 V, tranzystor ten zaczyna
przewodzić i napięcie na jego kolektorze maleje. Ta zmiana napięcia jest podawana przez
kondensator C2 na bazę tranzystora T2, powodując jego zatykanie, czyli wzrost napięcia UCE2,
które oddziałując poprzez kondensator C1 na bazę tranzystora T1 powoduje silniejsze jego
przewodzenie. Wskutek więc wzajemnego oddziaływania tranzystorów T1 i T2 w pętli
dodatniego sprzężenia zwrotnego, tranzystor T1 osiągnie bardzo szybko stan nasycenia,
natomiast T2 zostanie zatkany i cykl przełączania tranzystorów powtarza się.
Pracę układu przerzutnika astabilnego ilustrują przebiegi czasowe napięć na kolektorach i
bazach tranzystorów T1 i T2 na rysunku powyżej. Okres cyklu, zależny od czasów t1 i t2
przeładowywania pojemności C1 i C2, wyznacza się ze wzoru:
Zmieniając stałe czasowe R 1C1 i R 2C2 można uzyskiwać przebiegi napięcia wyjściowego o
różnej częstotliwości powtarzania (1/T) i różnych współczynnikach wypełnienia (t1/T). Aby
jednak tranzystory T1 i T2 osiągały stan nasycenia, rezystancje R1 i R2 powinny spełniać
warunki: R1 ≤ RC1 i R2 ≤ RC2, gdzie jest wzmocnieniem prądowym tranzystorów. Gdy
R1 = R2 = R oraz C1 = C2 = C, wówczas częstotliwość powtarzania cyklu, przy
współczynniku wypełnienia 1/2, wynosi:
Na rysunku poniżej przedstawiono układ przerzutnika zbudowanego z dwóch bramek NAND
(lub inwerterów) objętych pętlą sprzężenia zwrotnego.
Jest zbudowany podobnie do układu tranzystorowego. Bramki pełnią funkcję układów
odwracających fazę, a więc sprzężenie zwrotne jest dodatnie i układ pracuje samowzbudnie.
Jego działanie, bardzo podobne do działania układu tranzystorowego, wyjaśniają przebiegi
napięć na powyższym rysunku. Częstotliwość powtarzania przerzutnika można wyznaczyć z
przybliżonej zależności:
Zaleca się, aby R1 = R2 i w przybliżeniu wynosiły 2k . Zmianę częstotliwości oraz
współczynnika wypełnienia generowanego przebiegu można więc uzyskać przez zmianę
pojemności C1 i C2.
Na rysunku poniżej przedstawiono układ przerzutnika astabilnego zbudowanego przy
wykorzystaniu wzmacniacza operacyjnego
Rezystory R2 i R3 tworzą obwód dodatniego sprzężenia zwrotnego o współczynniku
sprzężenia = R3/(R2+R3), ustalającym na wejściu nieodwracającym wzmacniacza napięcie
U0. Elementy R1 i C tworzą dla sygnału wyjściowego obwód całkujący, włączony w pętlę
ujemnego sprzężenia zwrotnego. Działanie układu polega na okresowej zmianie stanu
nasycenia wzmacniacza (od +Usat do - Usat i odwrotnie) następującej w chwili, w której
napięcie na przeładowywanym kondensatorze C przekroczy aktualną wartość napięcia na
wejściu nieodwracającym (odpowiednio + Usat i - Usat). Okres generowanego przebiegu
prostokątnego zależy od stałej czasowej R 1C i współczynnika sprzężenia zwrotnego
według wzoru:
Jeżeli R3 jest w przybliżeniu równe 0,9R2, czyli
jest w przybliżeniu równy 0,47, to
częstotliwość powtarzania impulsów jest wyrażona wzorem:
i może być regulowana przez zmianę R1 lub C.
Uniwersalny układ czasowy 555 (np. MC 1555), wytwarzany przez wielu producentów i w
różnej technologii (TTL, CMOS), składa się z dwóch komparatorów i przerzutnika
bistabilnego RS.
Wejście "+" (wyprowadzenie 6) pierwszego komparatora i "-" (wyprowadzenie 2) drugiego
komparatora są wejściami układu, natomiast pozostałe wejścia są polaryzowane z
precyzyjnego dzielnika napięcia 2/3 i 1/3 napięcia zasilającego UCC przy czym podział ten
może być zmieniony dzielnikiem zewnętrznym dołączonym do wyprowadzenia 5. Zawsze
jednak napięcie odniesienia komparatora 2 jest połową napięcia odniesienia komparatora 1.
Przy U6 > U5 na wyjściu przerzutnika RS jest wysoki poziom napięcia, a przy U2 < U5/2
niski. Niezależnie od napięć na wejściach komparatorów, niski poziom napięcia wejściu CLR
(wyprowadzenie 4) wymusza stan wysoki na wyjściu przerzutnika. Na końcówce 3 jest
typowe wyjście cyfrowe, które może służyć do sterowania innych układów cyfrowych.
Wyjście 7 jest natomiast wyjściem typu otwarty kolektor o dużej wydajności prądowej (do
200 mA). Wykorzystywane jest do rozładowywania "głównego" kondensatora, od którego
zależą parametry czasowe układu.
Układ scalony 555 umożliwia tworzenie różnych układów czasowych, w tym przerzutników
mono-, bi- i astabilnych.
W układzie przerzutnika monostabilnego, pokazanego na powyższym rysunku, czas trwania
generowanego impulsu określony jest wzorem: T = 1,1R AC.
Częstotliwość powtarzania impulsów w przerzutniku astabilnym (rysunek poniżej), określa
się natomiast z kolejnej zależności:
W przerzutnikach zbudowanych przy zastosowaniu układu 555 czas trwania impulsu i okres
generowanego przebiegu zależą od stałej czasu ładowania kondensatora dołączonego do
wyjścia 7. Uzależnienie tych czasów od napięcia można uzyskać w układzie ładowania tego
kondensatora stałym prądem o wartości zależnej od napięcia sterującego. Na rysunku poniżej
przedstawiono układ przerzutnika astabilnego (przetwornik napięcie-częstotliwość), w którym
w układzie źródła prądowego ładującego kondensator C zastosowano wzmacniacz
operacyjny.
Przebieg wyjściowy ma postać wąskich ujemnych impulsów. Czas ładowania kondensatora
jest liniowo zależny od prądu źródła ładującego. Rozładowanie kondensatora jest natomiast
bardzo szybkie, bowiem następuje przez nasycony tranzystor wyjściowy (wyprowadzenie 7).
Częstotliwość powtarzania impulsów jest zależna od napięcia wejściowego wg wzoru:
f[kHz] = 4,2 UI [V].