CIRCUITE BASCULANTE ASTABILE

CIRCUITE BASCULANTE ASTABILE

1. SCOPUL LUCRĂRII

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

2. CONSIDERATII TEORETICE

Numite si multivibratoare, circuitele basculante astabile (CBA) sunt caracterizate din punct de vedere al mărimilor electrice, prin existensa a două stări limită distincte, ambele instabile. Trecerea dintr-o stare în alta se execută într-un timp foarte scurt si apare ca o variasie bruscă a mărimilor electrice. Acest proces se numeste basculare si se declansează (fără 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 prezintă schema electrică a unui circuit astabil realizat cu două inversoare TTL.

Principiul de funcsionare al acestei scheme este următorul: dacă 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 această situasie potensialul punctului A tinde să crească spre V_H, condensatorul C încărcându-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 comută din 1 logic în 0 logic, ceea ce determină 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 măsură ce are loc descărcarea capacităsii C.La momentul t=t₂, V_A=V_T ceea ce determină din nou comutarea celor două porsi. Saltul de tensiune din punctul D se transmite prin capacitatea C în A. În continuare capacitatea se va încărca prin rezistensa R, iar potentialul din A va creste. Fenomenul continuă 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 capacităsii C (linia punctată).Durata celor două perioade T₁=t₂-t₁ si T₂ =t₃-t₂ se pot determina din relasia care exprimă variasia în timp a tensiunii din A:

unde pentru t=T₁ avem:

Rezultă deci:

Pentru T₂ avem:

de unde:

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

Pentru T₁ avem:

si

Pentru T₂ :

si

Deci perioada de oscilasie este egală cu:

Pentru CDB413E:

Cu aceste valori se obsine:

O folosire corectă 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 recomandă valoarea rezistensei:

2.2. CBA realizate cu circuite CMOS

În figura 10.3 este prezentată cea mai simplă schemă de astabil cu porsi CMOS,care constă din două inversoare,un rezistor si un condensator.

Dacă 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 această situasie, condensatorul C se va descărca prin rezistensa R. Curentul de descărcare 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 intrările circuitelor CMOS de obicei sunt protejate cu circuite de protecsie standard cu diode, tensiunea la intrarea inversorului I₁ va fi limitată sus la V_DD+V_D si jos la V_SS-V_D în care V_D este tensiunea directă pe o diodă 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 rezultă că perioada astabilului depinde de tensiunea de alimentare si de tensiunea de prag. De asemenea, timpii de propagare ai inversoarelor folosite se adaugă la duratele T₁ si T₂. Întrucât acesti timpi depind de tensiunea de alimentare, perioada astabilului la frecvense înalte va depinde, si pe această 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 independentă de variasiile tensiunii de alimentare. Salturile de tensiune pe condensatorul C sunt mai mari decât în schema precedentă 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 recomandă să se aleagă de 2 până la 10 ori mai mare decât valoarea rezistensei R.

Pentru determinarea perioadei de oscilasie se obsin relasiile:

CBA prezentate au dezavantajul că perioada de oscilasie este dependentă de tensiunea de alimentare, temperatură, tipul si seria circuitelor logice utilizate etc, ceea ce determină 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 ridicată a frecvensei de oscilasie se recomandă utilizarea unor astabile realizate cu porsi si cristale de cuars. Oscilatoarele cu cuars realizate cu circuite CMOS asigură, în plus, avantajul consumului de putere redus si a stabilităsii frecvensei pe o gamă largă 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 să fie supraunitar, iar defazajul total introdus de amplificator si reseaua de reacsie trebuie să fie un multiplu de 360 (criteriul lui Barkhausen).

Schema electrică echivalentă a unui cristal de cuars consine două componente echivalente înseriate: una rezistivă (R_e) si una reactivă (X_e). Comportarea cuarsului devine pur rezistivă (X_e=0) pentru două valori ale frecvensei, definite ca frecvensa de rezonansă (f_r) si frecvensa de antirezonansă (f_a). Oscilatoarele cu rezonansă serie sunt proiectate să oscileze la, sau aproape de frecvensa de rezonansă. Oscilatorul cu rezonansă paralel oscilează la frecvense cuprinse între f_r si f_a, în funcsie de valoarea încărcării capacitive C_L a cuarsului. Întrucât circuitele cu rezonansă paralel au performanse bune când lucrează cu amplificatoare cu impedansă mare de intrare, acestea sunt cele mai răspândite pentru oscilatoare cu cuars care utilizează circuite CMOS.

Circuitul prezentat în figura 10.5, denumit si resea cu cuars, este indicat a fi utilizat împreună cu un amplificator care asigură un defazaj de 180 . Reseaua este proiectată pentru a asigura defazajul suplimentar de 180 necesar îndeplinirii condisiei de oscilasie. Defazajul introdus de către această resea de rezistense este extrem de sensibil la variasiile frecvensei, condisie necesară unei oscilasii stabile. Valorile capacităsilor C_T si C_S se pot calcula cu formulele:

Luînd în considerare capacitatea de intrare a amplificatorului, valoarea capacităsii C_S din reseaua de reacsie trebuie să fie cu aproximativ 7pF mai mică decât valoarea calculată. Valoarea capacităsii de iesire a amplificatorului trebuie să poată fi modificată, astfel încât să compenseze capacităsile parazite ale montajului.

Circuitul prezentat în figura 10.6 este calculat să oscileze cu o frecvensă de 32,768 kHz pentru o încărcare capacitivă de 10pF, rezistensa echivalentă a cuarsului fiind de 50k . Valorile calculate pentru capacităsile C_T si C_S sunt de 43pF si respectiv 13pF. Valoarea maximă a rezistensei R este de 1M . Valori ridicate ale acestei rezistense vor determina o îmbunătăsire a stabilităsii frecvensei dar această îmbunătăsire nu este semnificativă. Rezistensa R₁ din reseaua amplificatorului nu trebuie să încarce reseaua de reacsie. O valoare de 15 M este suficientă.

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

3. DESFĂsURAREA LUCRĂRII

Se utilizează montajul din figura 10.1 pentru R=390 si C=10nF si se oscilografiază semnalele din punctele A, B si D. Se măsoară T₁ si T₂ si se compară cu valorile calculate, considerând că pentru un inversor V_IL=0.4V; V_OH=3.8V; V_OL=0.05V; V_T=1.4V.

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

Se realizează circuitul din figura 10.3 pentru R=330 k , C=1nF si se oscilografiază semnalele din punctele specificate pe figură. Pentru tensiuni de alimentare de 5V si respectiv 10V se măsoară T₁ si T₂ si se compară cu valorile calculate. Se va determina de asemenea variasia în procente a perioadei de oscilasie măsurate, la modificarea tensiunii de alimentare de la 5V la 10V.

Se realizează montajul din figura 10.4 pentru R=330 k , R_S=680 k si C=1nF si se oscilografiază semnalele din punctele specificate pe figură. Pentru V_DD=5V si respectiv V_DD=10V se măsoară T₁, T₂ si T_A si se compară procentual valorile obsinute.

Se realizează montajul din figura 10.6 si se oscilografiază semnalele din punctele specificate pe schemă. Se va urmării funcsionarea circuitului si se vor analiza semnalele oscilografiate la modificarea rezistenselor R si respectiv R₁.

4. CONsINUTUL REFERATULUI

- Prezentarea sumară a circuitelor astabile descrise în lucrare.

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

- Schemele realizate pentru verificarea funcsionării circuitelor.

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