Ждущий мультивибратор

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

А э(59 Н 03 К 3 284

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИОМИТЕТ СССР

Il0 ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ!

21) .3391131/18-21 (22 ) 30-. 12 . 81 (46) 15.08,83.. Бюл. Р 30 (72).О.И. Хлыстов (53) 621.376.5(088.8) (56) 1. Гольденберг Л.М. Импульсные устройства. М., "Радио и связь", 1981, с. 149, рис. 6.6.

2. Авторское свидетельство СССР йо заявке 9 2974990/18-21, кл. Н,ОЗ К 3/284, 12.03.81.

З..Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах.Л., "Энергия"., 1980, с . 173, . рис 8-1б (прототип). (54)(57) i. жПМИИИ МУЛЬтИВИБРЛтОР, содержащий операционный усилитель, инвертирующий вход которого через. первый резистор подключен к общей. шине, неинвертирующий вход соединен через второй резистор с первым входом устройства, а через последовательно включенные третий резистор и конденсатор — с выходом операционного. усилителя, выходом устройства и первым выводом четвертого . резистора, отличающийся тем,что, с целью -расширения функциональных возможностей, в него . введены две оптопары, первый и второй фотодйоды которых включейы встречно-последовательно и оптически

Э связаны с первым и вторым светодиодами соответственно, причем анод первого фотодиода соединен с инвертирующим входом усилителя, а анод второго фотодиода - с вторым. входом устройства, катод первого и анод второго светодиодов подключены к общей шине, а анод первого и катод второго светодиодов соединены с вто-. рым выводом четвертого резистора.

2. Мультивибратор по п.1, о т-л и ч а ю щ и- и с я тем, что первая и/или вторая оптопары выполнены -с открытым оптическим каналом.

1035783

50 рого подключен к общей шине через первый резистор 2, неинвертирующий вход соединен через второй резистор

3 с первым входом устройства, а через последовательно включенные третий резистор 4 и конденсатор 5 - с выходом операционного усилителя 1 и выходом устройства, первый 6 и второй 7 фотодиоды, оптически связанные с первым 8 и вторым 9 светодиодами, причем анод первого и катод второго светодиодов объединены и через чет65 вертый резистор 10 связаны с выходом

Изобретение относится к импульс- . ной технике и может быть использовано для формирования импульсов из электрических сигналов различной формы и полярности.

Наиболее широкие функциональные возможности при высоких качественных показателях имеют ждущие мультивибраторы, построенные на операционных усилителях. В различных схемных решениях ждущих мультивибраторов на операционных усилителях обычно используется включение времязадающего конденсатора в цепь обрат,.ной связи по инвертирующему или неинвертирующему входу.

Известен ждущий мультивибратор на операционном усилителе с времязадающим. конденсатором в цепи обратной связи по инвертирующему входу (1).

Однако известное устройство не позволяет производить запуск импульсами с пологими фронтами и мед,ленно изменяющимися сигналами. Кроме того, оно не позволяет сравнивать сигналы по амплитуде.

Известен также ждущий мультиви6ратор на операционном усилителе,позволяющий получать как одиночные импульсы, .так и их последовательности, сравнивать сигналы по амплитуде, преобразовывать слабые электрические сигналы в импульсы большой амплитуды, производить запуск медленно изме-. няющимися so времени сигналами (2 ). однако схемное решение указанного устройства позволяет производить запуск сигналами только одной полярности и не позволяет осуществлять внешний сброс генерируемых импульсов.

Это существенно ограничивает функ» циоиальные возможности, а следователь ио, и область применения известного устройства.

Наиболее .близким по технической сущности к изобретению является генерирующий нуль-орган, который содержит операционный усилитель, инвертярующий вход которого через первый резистор подключен к общей шине,и непосредственно соединен с.анодом первого стабилитрона, включенного встречно-последовательно с вторым стабилитроном, неинвертирующий вход связан через второй резистор с.первым входом устройства, а через последовательно включенные третий резистор и конденсатор — с выходом операционного усилителя, выходом устройства, анодом второго стабилитрона и первым выводом четвертого резистора, второй вывод которого объединен с инвертирующим входом операционного усилителя, анодом первого стабилитрона и первым резистором 3).

Данное устройство позволяет сравнивать амплитуду входного сигнала

1О

30 с порогом, величина которого определяется параметрами элементов схеьы, а не другим электрическим сигналом. В устройстве затруднена органиэация ждущего режима работы, так как для этого íà его вход необходимо подать напряжение, превышающее пороговый уровень, а запуск произво" дить спадом входного напряжения ниже порогового значения. Кроме того, это устройство реагирует на сигналы любой полярности, но не позволяет осуществлять электронное управление выбором полярности входных запускающих сигналов.

Перечисленные недостатки ограни-. чивают функциональные возможности, а следовательно, и область применения известного устройства.

Цель устройства — расширение функциональных воэможностей.

Поставленная цель достигается тем, что в ждущий мультивибратор, содержащий операционный усилитель, инвертирующий вход которого через первый резистор подключен к.общей шине, неинвертирующий вход соединен через второй резистор с первым входом устройства, а через последовательно включенные третий резистор и конденсатор - с выходом операционного усилителя, выходом устройства и первым выводом чет)вертого резистора, введены две оптопары, первый и второй фотодиоды которых включены встречно-последовательно и оптически связаны с пер вым и вторым светодиодами .соответственно, причем анод первого фотодиода соединен с инвертирующим входом усилителя, а анод второго фотодиодас вторым входом устройства, катод первого и анод второго светодиодов подключены к общей шине, а анод первого и катод второго светодиодов соединены с вторым выводом четвертого резистора.

Кроме того, первая и/или вторая оптопары выполнены с открытым оптическим каналом.

На чертеже представлена схема предлагаемого устройства.

Схема содержит операционный усипитель 1, инвертирующий вход кото1035783

3 операционного усилителя 1 и выходом устройства.

Принцип .работы устройства заключается в следующем. Пусть в исходном состоянии на первый вход устройства подается опорное напряжение отрицательной полярности, поступающее через резистор 3 на неинвертирующий вход усилителя 1. Его выходное напряжение, имеющее отрицательную по.лярность, поступает на выход устрой- 10 ства и через резистОр 10 на светодиоды 8 и 9. Первый светодиод 8 находится в закрытом состоянии, а второй светодиод 9 — в открытом. Протекающий через светодиод 9 ток вызывает оптическое излучение, под воз-: действием которого фотодкод 7 находится s открытом состоянии. Конденсатор 5 разряжен до напряжения, рав.ного разности выходного и опорного напряжений.

Предположим, что на второй вход мультквибратора подается короткий импульс отрицательной полярности.

Этот импульс через открытый фотодиод

7 и включенный в прямом направлении фотодиод 6 поступает на инвертирующий вход операционного усилителя 1 .

Если амплитуда входного импульса превышает уровень опорного напряже. ния, то усилитель 1 срабатывает как компаратор и на его выходе устанав:ливается напряжение положительной. полярности. Схема переходит so второе квазиустойчивое состояние. Светодиод 9 запирается к вызывает эапира- 35 ние фотодиода 7, а светодиод 8 отпирается и вызывает отпирание фотодиода б. Одновременно начинается заряд конденсатора 5, что приводит к возникновению положительной обратной щ связи, которая удерживает усилитель

1 в состоянии положительного ограниченйя ..При этоМ ИквеЬтирующий вход усилителя 1- оказывается заземлен-ным через резистор. 2 . Когда напряжение положительной обратйой связи, обусловленное зарядом конденсатора

5 стает меньше опорного напряженйя потенциал неинвертирующего входа усилителя 1 становится отрицательным относительно потенциала 50 его .инвертирующего входа. равного нулю. Операционный усилитель 1 срабатывает как компаратор, и на его выходе устанавливается напряжение от рицательной полярности, После раз- 55 ряда конденсатора 5 схема возвращается в исходное состояние. В результате на выходе устройства формируется импульс напряжения положительной полярности. 60

Если входной сигнал имеет большую длительность, превышающую длительность сформированного импульса, то после .его окончания светодиод

8 запирается и запирает фотодиод 6, g5 а светодиод 9 отпирается н отпкрает фотодкод 7. Напряжение входного сигнала через открытый фотодиод 7 и включенный в прямом направлении фотодиод б поступает на инвертирующий вход .усилителя 1, где сравнивается с напряжением на его неннвертирующем входе. Когда в результате разряда конденсатора 5 напряжение на неинвертирующем входе усилителя 1 стает. меньше напряжения на его инвертирующем входе,, операционный усилитель срабатывает как компаратор и на его выходе устанавливается напряжение положительной полярности. Начинается формирование. следующего выходного импульса.

Процесс формирования выходных импульсов продолжается до тех пор, пока на втором входе мультивкбратора действует сигнал отрицатель.ной полярности, амплитуда котброго превышает опорное напряжение. При этом длительность и частота следования выходных импульсов зависит от величины опорного напряжения и амплитуды входного сигнала. Эта зависимость обусловлена тем, что величина опорного напряжения влияет.на скорость перезаряда времязадающего конденсатора 5„ а потенциал неинвертирующего входа усилителя 1 сравнивается с изменяющимся по закону изменения входного сигнала потенциалом инверткрующего входа.

Предположим теперь, что на второй вход мультивкбратора поступает импульс положительной полярности. .В исходном состоянии прохождение положительного импульса на инвертирующий вход усилителя 1 блокируется встречно включенным фотодкодом б, и устройство на него не реагирует.. Во втором кваэиустойчивом состоянии положительный импульс проходит на инвертирующий вход усилителя 1 через включенный в прямом направлении фотодиод 7 и открытый фотодкод б. Если амплитуда положительного импульса в момент его поступления превышает напряжение положительной

k обратной связи, действующее на неинвертируннщем входе усилителя 1, то последний срабатывает и на его выходе устанавливается напряжение отрицательной полярности. После раэря да конденсатора 5 схема возвращается в исходное состояние.

Если положительный импульс имеет в момент поступления амплитуду, меньшую напряжения на инвертирующем входе усилителя 1, но обладает достаточной длительностью, то изменение полярности выходного напряжения усилителя произойдет не сразу, а с некоторой задержкой. Длительность этой задержки соответствует времени спада напряжения положительной обратной связи до

1035783 6 величины, меньшей амплитуды входного импульса. Следовательно, импульс по.ложительной полярности, поступающий на второй вход устройства, осуществляет принудительный сброс схемы в исходное состояние либо в момент поступления, либо с некоторой задержкой, зависящей от его амплитуды (при условии достаточной длительности).

Принцип работы мультивибратора при подаче на его первый вход опорного 10 напряжения положительной полярности аналогичен рассмотренному. Отличие заключается в том, что запуск осуществляется сигналами положительной полярности, а,сброс в исходное сос- 15 тояние — отрицательной. В самом деле, импульс положительной полярности с второго. входа устройства поступает через включенный в прямом направлении фотодиод 7 и открытый в исходном сос-20 тоянии фотодиод 6 на инвертирующяй вход операционного усилителя 1,. а про. прохождение импульса отрицательной полярности блокируется фотодиодом 7.

Если амплитуда положительного импуль-25 са превышает величину опорного напря- . жения, то усилитель срабатывает. как компаратор и на его выходе устанавливается напряжение отрицательной полярности. устройство переходит во второе квазиустойчивое состояние. Конденсатор 5 начинает перезаряжатьсй и воз- никает положительная обратная связь, удерживающая усилитель 1 в состоянии отрицательного ограничения. При этом светодиод 8 запирается и запирает 35 фотодиод б, светодиод 9 отпирается и отпирает, фотодиод 7, и .инвертирую- щий вход усилителя 1 оказывается заземленным через. резистор 2.Когда . в результате спада напряжения поло- 4п .жительной обратной связи потенциал .неинвертирующего входа усилителя 1 станет положительным, на егО выходе устанавливается напряжение положительной полярности. Конденсатор 5 45 разряжается, схема возвращается в исходное состояние.

Сигнал отрицательной полярности, поступающий на второй вход устройства во время формирования выходного импульса, проходит через открытый фотодиод б и включенный в прямом направлении фотодиод б на инверти рующий вход усилителя 1. Если амплитуда отрицательного импульса превышает величину напряжения положитель-. 55 ной обратной связи, действующего на неинвертирующем входе усилителя, то

:последний срабатывает как компаратор и на er î выходе устанавливается напря- жение положительной полярности.После Я) разряда. конденсатора 5 устройство возвращается в исходное состояние., Итак, при поступлении на первый:. вход мультивибратора опорного напря жения положительной полярности эа« пуск осуществляется сигналами положительной полярности, а сброс в исходное состояние †.сигналами отрицательной полярности, при этом на выходе вырабатываются импульсы напряжения отрицательной полярности.

Рассмотрим работу предлагаемого. устройства при условии, что первая и вторая оптопары выполнены с открытым оптическим каналом.

Пусть в исходном состоянии на входы устройства поступает напряжение, положительной полярности, причем напряжение на втором входе.превыаает напряжение на первом входе, и пусть оптический канал первой оптопары, состоящей из фотодиода 6 и светодиода 8, закрыт (под закрытым каналом будем пОнимать такое его состояние, пюи котором оптическое . излучение светодиода не достигает поверхности фотодиода), Положитель ное выходное напряжение усилителя

1 поступает через резистор 10 на светодиоды 8 и 9. Поскольку положительное напряжение является обратным для светодиода 9, то он заперт.

Для светодиода- 8 положительное напряжение. является прямым, он открыт и генерирует оптическое излучение.

Так как канал первой оптопары закрыт, то оптическое излучение свето диода 8 не воздействует на фотодиод

6 и последний находится в закрытом состоянии. Входное напряжение через фотодиод б на инвертирующий вход усилителя, 1 не поступает, его потенциал равен .нулю, и схема находится в устойчивом состоянии.

Предположим, что на фотодиод поступает импульс оптического излучения рт внешнего источника или от светодиода 8. Фотодиод 6 открывается и напряжение положительной полярности с второго входа. устройства поступает на инвертирующий вход усилителя Х. Последний переходят в состояние отрицательного ограничения, конденсатор 5 начинает перезаряжаться, возникает положительная обратная связь, которая удерживает схему во втором кваэиустойчивом состоянии. По окончании перезаряда конденсатора 5 действие положительной обратной связи прекращается, и потенциал неинвертирующего входа операционного усилителя ста-. новится положительным. В этот момент выходное напряжение усилителя 1 изменяет знак, и на его выходе устанавливается напряжение положительной полярности. После окончания перезаряда времязадающего конденсатора 5 схема возвращается в исходное состояние.

Если на фотодиод б поступает непрерывный оптический сигнал от внешнего источника, то второе состояние

1035783!

Составитель Ш. Шаряпов

Редактор N,Êåëåìåø Техред И.Гайду КорректорГ. Огар

Заказ 5854759 Тираж 936 Подписное .

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 является устойчивым, и сохраняется до тех пор, пока напряжение сигнала на втором входе устройства не стает меньше напряжения на его первом входе, или .пока не прекратится действие оптического сигнала на фотодиод 6.

В момент выполнения хотя бы одного из. этих условий .на выходе операционного усилителя 1 устанавливается напряжение положительной полярности, и после окончания перезаряда конденсатора 5 устройство возвращается в исходное состояние.

При отрицательной полярности входl ных сигналов устройство работает аналогично, но. его запуск осуществляется оптическими сигналами, поступающими на второй фотодиод 7.Если представить, что входные сигналы являются некоторыми логическими величинами, то предлагаемый мультивибратор можно рассматриватькак логическое устройство, выполняющее например, логическую операцию

"И-НЕ" {при условии, что амплитуда входного сигнала превышает величину опорного напряжения). В этом случае в качестве опорного может служить импульс напряжения заданной амплитуды, а формирование выходного импульса можно рассматривать как запо. минание логической функции на вре- ЗО мя, равное его длительности. При этом устройство позволяет выполнять логические операции не только с дискретными, но и с непрерывными сигналами. 35

Запуск ждущего мультивибратора оптическими сигналами можно рассматривать как выполнение логической операции над величинами разной физической природы — электрическим и 40 оптическим сигналами. В самом деле, устройство срабатывает только тогда, когда на его втором входе присутст- вует элетрический сигнал, превышающий величину опорного напряжения, действующего на первом входе.

Таким образом, предлагаемый ждущий мультивибратор позволяет получать последовательности импульсов, длительность и частота следования которых зависит от величины входного сигнала и опорного напряжения, сравнивать сигналы по амлитуде,осуществлять преобразование слабых электрических сигналов в импульсы большой амплитуды. Кроме того, .предлагаемое устройство позволяет осуществлять электронное управление выбором полярности запускающих сигналов,производить внешний сброс генерируеьь х импульсов, осуществлять запуск оптическими сигналами и выполнять логические операции.

Широкие, функциональные возможности предлагаемого устройства дают возможность.использовать его в. телемеханике, автоматике, вычислительной технике, например, в качестве первичного преобразователя электрических сигналов датчиков различных физических полей, в качестве датчика— преобразователя сенсорной информации роботов, в качестве непрерывно-дискретного преобразователя устройств для моделирования нейрона. Оно также может быть использовано;для контроля оптических свойств среды, например прозрачности жидкости или газа (при использовании оптронов с открытым оптическим каналом). Кроме того, предлагаемый мультивибратор может . быть использован в системах оптической локации для временного стробирования оптических сигналов. При этом устройство позволяет регулировать порог чувствительности к внешним воздействиям путем изменения величины опорного напряжения.