CIRCUITE BASCULANTE ASTABILE

CIRCUITE BASCULANTE ASTABILE

1. SCOPUL LUCRÃRII

Sunt prezentate circuite basculante astabile si principiile care stau la baza funcsionãrii acestor circuite. Se studiazã funcsionarea circuitelor basculante astabile realizate.

2. CONSIDERATII TEORETICE

Numite si multivibratoare, circuitele basculante astabile (CBA) sunt caracterizate din punct de vedere al mãrimilor electrice, prin existensa a douã stãri limitã distincte, ambele instabile. Trecerea dintr-o stare în alta se executã într-un timp foarte scurt si apare ca o variasie bruscã a mãrimilor electrice. Acest proces se numeste basculare si se declanseazã (fãrã semnale aplicate din exterior) la momentele de timp determinate de parametrii circuiului. Circuitul basculant astabil este de fapt un oscilator care produce semnal dreptunghiular la iesirea sa. Durata impulsurilor si perioada de repetisie sunt determinate de valorile unor elemente de circuit.

2.1. CBA realizate cu circuite TTL

În figura 10.1.a se prezintã schema electricã a unui circuit astabil realizat cu douã inversoare TTL.

Principiul de funcsionare al acestei scheme este urmãtorul: dacã la momentul t<t₁ la intrarea porsii P₁ în punctul A avem semnal logic 0, la iesirea acestei porsi (B) vom avea 1 logic, iar la iesirea porsii P₂ vom avea 0 logic. În aceastã situasie potensialul punctului A tinde sã creascã spre V_H, condensatorul C încãrcându-se prin rezistensa R. La momentul t=t₁ când V_A=V_T, V_T reprezentând potentialul 717d319h de prag al porsii P₁, iesirea porsii P₁ comutã din 1 logic în 0 logic, ceea ce determinã comutarea iesirii porsii P₂. Saltul de tensiune din D de la V_L la V_H se transmite prin capacitatea C în punctul A. În continuare tensiunea din punctul A scade exponential spre valoarea tensiunii V_L de la iesirea porsii P₁, pe mãsurã ce are loc descãrcarea capacitãsii C.La momentul t=t₂, V_A=V_T ceea ce determinã din nou comutarea celor douã porsi. Saltul de tensiune din punctul D se transmite prin capacitatea C în A. În continuare capacitatea se va încãrca prin rezistensa R, iar potentialul din A va creste. Fenomenul continuã atâta timp cât circuitul este sub tensiune. În figura 10.1.b s-au reprodus diagramele de timp în funcsionarea circuitului. Fronturile semnalului de iesire V_o sunt afectate de valoarea capacitãsii C (linia punctatã).Durata celor douã perioade T₁=t₂-t₁ si T₂ =t₃-t₂ se pot determina din relasia care exprimã variasia în timp a tensiunii din A:

unde pentru t=T₁ avem:

Rezultã deci:

Pentru T₂ avem:

de unde:

Un CBA poate fi realizat cu usurinsã utilizând un circuit trigger Schmitt (figura 10.2). Condensatorul C se încarcã si se descarcã prin rezistensa R tinzând spre nivelele tensiunii de iesire, dar la atingerea pragurilor de basculare V_T1 si V_T2 circuitul comutã dintr-o stare în alta. Pentru determinarea duratelor T₁ si T₂ se procedeazã ca si pentru astabilul din figura 10.1:

Pentru T₁ avem:

si

Pentru T₂ :

si

Deci perioada de oscilasie este egalã cu:

Pentru CDB413E:

Cu aceste valori se obsine:

O folosire corectã a triggerului Schmitt impune cunoasterea valorilor curensilor si a tensiunilor de intrare si de iesire. Pentru a satisface condisiile de nivele de tensiune si de curent pe intrare se recomandã valoarea rezistensei:

2.2. CBA realizate cu circuite CMOS

În figura 10.3 este prezentatã cea mai simplã schemã de astabil cu porsi CMOS,care constã din douã inversoare,un rezistor si un condensator.

Dacã intrarea inversorului I₁ este în 1 logic,iesirea acestuia si intrarea inversorului I₂ vor fi în 0 logic iar iesirea lui I₂ în 1 logic. În aceastã situasie, condensatorul C se va descãrca prin rezistensa R. Curentul de descãrcare este furnizat de tranzistorul cu canal n din etajul de iesire al inversorului I₁. Atunci când potensialul pe intrarea inversorului I₁ (punctul A) scade sub potensialul de prag, iesirea inversorului I₁ trece în 1 logic determinând comutarea inversorului I₂ din 1 logic în 0 logic si procesul se reia.

Întrucât intrãrile circuitelor CMOS de obicei sunt protejate cu circuite de protecsie standard cu diode, tensiunea la intrarea inversorului I₁ va fi limitatã sus la V_DD+V_D si jos la V_SS-V_D în care V_D este tensiunea directã pe o diodã din circuitul de protecsie (V_D=0.6V). Considerînd V_SS=0 se obsine pentru duratele T₁ si T₂:

- pentru T₁:

- pentru T₂:

Prin însumarea lui T₁ cu T₂ se obsine durata perioadei astabilului:

Din relasia de mai sus rezultã cã perioada astabilului depinde de tensiunea de alimentare si de tensiunea de prag. De asemenea, timpii de propagare ai inversoarelor folosite se adaugã la duratele T₁ si T₂. Întrucât acesti timpi depind de tensiunea de alimentare, perioada astabilului la frecvense înalte va depinde, si pe aceastã cale, de tensiunea de alimentare.

Prin conectarea în serie cu intrarea inversorului I₁ a unei rezistense R_s (figura 10.4) acest astabil va avea perioada de oscilasie independentã de variasiile tensiunii de alimentare. Salturile de tensiune pe condensatorul C sunt mai mari decât în schema precedentã nefiind limitate de circuitele de protecsie ale inversorului. Aceasta duce la reducerea efectului variasiilor tensiunii de prag si a caracteristicilor variabile ale circuitului de intrare.

Valoarea rezistensei R_s se recomandã sã se aleagã de 2 pânã la 10 ori mai mare decât valoarea rezistensei R.

Pentru determinarea perioadei de oscilasie se obsin relasiile:

CBA prezentate au dezavantajul cã perioada de oscilasie este dependentã de tensiunea de alimentare, temperaturã, tipul si seria circuitelor logice utilizate etc, ceea ce determinã o modificare în limite destul de largi (20-30%) a frecvensei de oscilasie.

2.3 CBA cu cuars si porsi logice

Pentru a obsine CBA cu o stabilitate ridicatã a frecvensei de oscilasie se recomandã utilizarea unor astabile realizate cu porsi si cristale de cuars. Oscilatoarele cu cuars realizate cu circuite CMOS asigurã, în plus, avantajul consumului de putere redus si a stabilitãsii frecvensei pe o gamã largã a tensiunii de alimentare.

Oscilatorul fundamental consine un amplificator si o resea de reacsie. Pentru amorsarea oscilasiei, produsul dintre câstigul amplificatorului si atenuarea reselei de reacsie trebuie sã fie supraunitar, iar defazajul total introdus de amplificator si reseaua de reacsie trebuie sã fie un multiplu de 360 (criteriul lui Barkhausen).

Schema electricã echivalentã a unui cristal de cuars consine douã componente echivalente înseriate: una rezistivã (R_e) si una reactivã (X_e). Comportarea cuarsului devine pur rezistivã (X_e=0) pentru douã valori ale frecvensei, definite ca frecvensa de rezonansã (f_r) si frecvensa de antirezonansã (f_a). Oscilatoarele cu rezonansã serie sunt proiectate sã oscileze la, sau aproape de frecvensa de rezonansã. Oscilatorul cu rezonansã paralel oscileazã la frecvense cuprinse între f_r si f_a, în funcsie de valoarea încãrcãrii capacitive C_L a cuarsului. Întrucât circuitele cu rezonansã paralel au performanse bune când lucreazã cu amplificatoare cu impedansã mare de intrare, acestea sunt cele mai rãspândite pentru oscilatoare cu cuars care utilizeazã circuite CMOS.

Circuitul prezentat în figura 10.5, denumit si resea cu cuars, este indicat a fi utilizat împreunã cu un amplificator care asigurã un defazaj de 180 . Reseaua este proiectatã pentru a asigura defazajul suplimentar de 180 necesar îndeplinirii condisiei de oscilasie. Defazajul introdus de cãtre aceastã resea de rezistense este extrem de sensibil la variasiile frecvensei, condisie necesarã unei oscilasii stabile. Valorile capacitãsilor C_T si C_S se pot calcula cu formulele:

Luînd în considerare capacitatea de intrare a amplificatorului, valoarea capacitãsii C_S din reseaua de reacsie trebuie sã fie cu aproximativ 7pF mai micã decât valoarea calculatã. Valoarea capacitãsii de iesire a amplificatorului trebuie sã poatã fi modificatã, astfel încât sã compenseze capacitãsile parazite ale montajului.

Circuitul prezentat în figura 10.6 este calculat sã oscileze cu o frecvensã de 32,768 kHz pentru o încãrcare capacitivã de 10pF, rezistensa echivalentã a cuarsului fiind de 50k . Valorile calculate pentru capacitãsile C_T si C_S sunt de 43pF si respectiv 13pF. Valoarea maximã a rezistensei R este de 1M . Valori ridicate ale acestei rezistense vor determina o îmbunãtãsire a stabilitãsii frecvensei dar aceastã îmbunãtãsire nu este semnificativã. Rezistensa R₁ din reseaua amplificatorului nu trebuie sã încarce reseaua de reacsie. O valoare de 15 M este suficientã.

Cu ajutorul oscilatoarelor CMOS cu cuars se pot obsine frecvense pânã la 10kHz pentru V_DD=15V si pânã la 4MHz pentru V_DD=5V. Frecvensa minimã de operare depinde de rezistensa echivalentã a cuarsului care creste rapid la frecvense joase. Se poate coborâ la frecvense joase utilizând divizoare de frecvensã.

3. DESFÃsURAREA LUCRÃRII

Se utilizeazã montajul din figura 10.1 pentru R=390 si C=10nF si se oscilografiazã semnalele din punctele A, B si D. Se mãsoarã T₁ si T₂ si se comparã cu valorile calculate, considerând cã pentru un inversor V_IL=0.4V; V_OH=3.8V; V_OL=0.05V; V_T=1.4V.

Se realizeazã montajul din figura 10.2 pentru R=390 si C=1nF. Se urmãreste pe osciloscop variasia semnalului de tensiune la intrarea si iesirea triggerului Schmitt. Se mãsoarã T₁, T₂ si respectiv T_A si se comparã cu valorile calculate.

Se realizeazã circuitul din figura 10.3 pentru R=330 k , C=1nF si se oscilografiazã semnalele din punctele specificate pe figurã. Pentru tensiuni de alimentare de 5V si respectiv 10V se mãsoarã T₁ si T₂ si se comparã cu valorile calculate. Se va determina de asemenea variasia în procente a perioadei de oscilasie mãsurate, la modificarea tensiunii de alimentare de la 5V la 10V.

Se realizeazã montajul din figura 10.4 pentru R=330 k , R_S=680 k si C=1nF si se oscilografiazã semnalele din punctele specificate pe figurã. Pentru V_DD=5V si respectiv V_DD=10V se mãsoarã T₁, T₂ si T_A si se comparã procentual valorile obsinute.

Se realizeazã montajul din figura 10.6 si se oscilografiazã semnalele din punctele specificate pe schemã. Se va urmãrii funcsionarea circuitului si se vor analiza semnalele oscilografiate la modificarea rezistenselor R si respectiv R₁.

4. CONsINUTUL REFERATULUI

- Prezentarea sumarã a circuitelor astabile descrise în lucrare.

- Configurasia terminalelor si tabelul de adevãr pentru fiecare din circuitele utilizate în lucrare.

- Schemele realizate pentru verificarea funcsionãrii circuitelor.

- Observasii privind modul de realizare si condisiile de amorsare a oscilasiilor circuitelor astabile.