Схема одного из вариантов автоколебательного мультивибратора показана на рис. 1, а. Она должна напомнить вам общеизвестную схему симметричного мультивибратора на двух транзисторах.

Рис. 1 Автоколебательный мультивибратор

Но здесь функцию активных элементов мультивибратора выполняют логические элементы 2И-НЕ, включенные инверторами. Благодаря двум цепям положительной обратной связи - выхода элемента DD1.2 через конденсатор С1 со входом DD1.1 и выхода элемента DD1.1 через конденсатор С2 со входом DD1.2-устройство самовозбуждается и генерирует электрические импульсы. Частота следования генерируемых импульсов зависит от номиналов указанных конденсаторов и резисторов R1 и R2.

Что же такое электрические импульсы? Если постоянное напряжение скачкообразно и через одинаковые (в частном случае) промежутки времени изменяет свое значение, принимая поочередно то высокий уровень, то низкий, то такой вид сигнала принято называть последовательностью импульсов или импульсной последовательностью. Те отрезки этой последовательности, когда напряжение принимает высокий уровень, называют импульсами высокого уровня; паузами между ними считают отрезки с низким уровнем напряжения. Однако с тем же основанием можно говорить и об импульсах низкого уровня; в этом случае паузы будут иметь высокий уровень.

В общем случае длительность импульсов может не быть равной длительности пауз между ними. Соотношение этих длительностей оценивают таким параметром, как скважность, показывающим, во сколько раз период последовательности больше длительности импульса.

Момент возникновения импульса и высокого уровня, и низкого - принято называть фронтом импульса, а момент окончания - спадом импульса. Ясно, что для импульса высокого уровня фронтом служит положительный (или плюсовой) перепад напряжения - от низкого уровня к высокому, а спадом - отрицательный (минусовой) перепад напряжения, когда уровень меняется с высокого на низкий. Понятно также, что фронт импульса высокого уровня является спадом импульса низкого уровня и наоборот.

Чтобы смонтировать мультивибратор на пакетной панели, надо лишь подключить к соответствующим выводам микросхемы DD1 эти конденсаторы и резисторы (рис. 1,б). Проверьте монтаж- нет ли ошибок - и особенно внимательно проконтролируйте полярность включения оксидных конденсаторов. Подключите к макетной панели источник питания, а к выходу второго логического элемента - вольтметр. Что показывает стрелка вольтметра? Напряжение постоянного тока периодически, примерно 30 раз в минуту, резко возрастающее до высокого уровня и также резко уменьшающиеся до низкого уровня. Мультивибратор, следовательно, генерирует импульсы с частотой следования около 0,5 Гц.

Затем подключите вольтметр параллельно выходу первого элемента. Вы увидите, что стрелка также будет фиксировать переходы логического элемента из нулевого состояния в единичное, и наоборот, с той же частотой, что и в предыдущем случае. Значит, и с этого выхода можно снимать электрические импульсы, но по отношению к импульсам на выходе второго элемента они будут сдвинуты по фазе на 180°.

Какие эксперименты можно провести с нашим мультивибратором? Прежде всего, попробуйте одновременно увеличить емкость обоих конденсаторов, например в два раза, подключая параллельно каждому из них по такому же конденсатору, а затем заменить их конденсаторами емкостью по 100.. .200 мкФ. В первом случае частота следования импульсов уменьшится, во втором - увеличится.

Можно изменять емкость лишь одного конденсатора, например С1. Это изменит не только частоту, но и соотношение длительности импульсов и пауз между ними, однако по схемному построению мультивибратор останется симметричным.

Конденсаторы могут быть емкостью по 1...5 мкФ. Тогда частота генерируемых импульсов возрастет примерно до 500.. .1000 Гц. Это уже колебания звуковой частоты, и стрелка вольтметра из-за своей инерционности не может среагировать на них. Чтобы в этом случае убедиться в работе мультивибратора, к его выходу нужно, подключить через конденсатор емкостью 0,01...0,015 мкФ головные телефоны - в них услышите тональный звук. Заменив теперь один из постоянных резисторов переменным такого же номинала, вы сможете в некоторых пределах плавно изменять частоту генерируемых импульсов, значит, и тон звука в телефонах.

Не исключено, что собранные вами мультивибратор работает неустойчиво, не всегда возбуждается после замены деталей, при несколько пониженном напряжении источника питания. Причина тому - некоторая критичность номиналов резисторов на входе логических элементов из-за особенностей эмиттерного входа микросхем ТТЛ.

Суть этих особенностей заключается в следующем. Резистор на входе логического элемента, образующего одно из плеч мультивибратора, оказывается включенным в эмиттерную цепь входного транзистора элемента микросхемы. Ток эмиттера создает на этом резисторе падение напряжения, закрывающее транзистор. При сравнительно большом сопротивлении резистора (более 2,2.. ,2,6 кОм) падение напряжения на нем оказывается столь значительным, что транзистор практически не реагирует на входной сигнал. И наоборот, при малом сопротивлении резистора (не более 600.. .700 Ом) входной транзистор элемента все время открыт к насыщен и, следовательно, оказывается неуправляемым входными сигналами.

Таким образом, для надежной работы мультивибратора такого варианта сопротивления входных резисторов логических элементов должны быть в пределах 800 Ом.. .2,2 кОм. Соответствующим выбором этих резисторов можно добиться устойчивой работы мультивибратора. Кроме того, нужно помнить, что на работу мультивибратора влияют разброс параметров микросхем, нестабильность напряжения источника питания, значительные изменения температуры окружающей среды.

Надо сказать, что на схемах нередко изображают симметричный мультивибратор так, как показано на рис. 10, в.

Более стабилен в работе мультивибратор на трех логических элементах без резисторов в их входной цепи, собранный, например, по схеме на рис. 2, а. Все элементы включены инверторами и соединены между собой последовательно. Времязадающую цепь, определяющую частоту генерации, образуют конденсатор С1 и резистор R1.

Детали такого варианта автоколебательного мультивибратора смонтируйте на той же макетной панели (рис. 2, б). На ней же разместите и детали индикатора работы мультивибратора, показанные на панели справа. Транзистор VT1 индикатора (рис. 2, в), питающийся от того же источника, что и микросхема, работает в режиме переключения - как электронный ключ. Когда элемент DD1.3 мультивибратора находится в единичном состоянии (напряжение на его выходе соответствует высокому уровню), транзистор открыт и лампа накаливания HL1 в его коллекторной цепи светит. При переходе элемента в нулевое состояние лампа гаснет. По свечению сигнальной лампы будете судить о частоте и длительности генерируемых импульсов. Впрочем, индицировать состояние любого из элементов мультивибратора можно и с помощью вольтметра постоянного тока, как это делали в опытах с первым мультивибратором.

Проверив монтаж, включите питание. Мультивибратор сразу же начнет генерировать электрические импульсы, о чем будет свидетельствовать периодически вспыхивающая сигнальная лампа. Подсчитайте, сколько будет вспышек за минуту. Должно быть примерно 60. Если это так, значит частота следования импульсов мультивибратора равна 1 Гц.

Рис. 2 Мультивибратор на трех логических элементах

Подключите параллельно конденсатору С1 второй конденсатор такой же емкости. Частота импульсов должна уменьшиться примерно вдвое. Такого же изменения частоты импульсов можно добиться увеличением сопротивления резистора. Проверьте это, а затем замените резистор переменным с номинальным сопротивлением 1,5...1,8 кОм. Теперь, пользуясь только этим резистором, вы сможете плавно изменять частоту мультивибратора в пределах 0,5...20 Гц. Наибольшая частота будет в том случае, когда резистор окажется полностью выведенным из цепи, т. е. выводы 8 и 1 микросхемы будут замкнуты.

А если емкость конденсатора будет 1 мкФ? В таком случае только переменным резистором удастся изменять частоту мультивибратора примерно от 300 Гц до 10 КГц. Чтобы убедиться в работоспособности мультивибратора на такой частоте, световой индикатор придется заменить акустическими головными телефонами (или капсюлем от них). Каков принцип работы такого варианта автоколебательного мультивибратора? Вернемся к его принципиальной схеме (рис. 2, а). После включения питания какой-то из логических элементов быстрее других примет одно из двух возможных состояний и тем самым повлияет на состояние остальных элементов. Предположим, что элемент DD1.2 первым оказался в единичном состоянии. Сигнал высокого уровня с его выхода через незаряженный конденсатор С1 передается на вход элемента DD1.1, в результате чего этот элемент устанавливается в нулевое состояние. В таком же состоянии оказывается и элемент DD1.3, поскольку на его входах высокий уровень напряжения.

Такое электрическое состояние устройства неустойчиво, так как напряжение на входе элемента DD1.1 в это время постепенно уменьшается по мере зарядки конденсатора С1 через резистор R1 и выходную цепь элемента DD1.3. Как только напряжение на входе элемента DD1.1 станет равным пороговому, этот элемент переключится в единичное состояние, а элемент DD1.2- в нулевое. Теперь конденсатор С1 начнет перезаряжаться через выход элемента DD1.2 (на его выходе в это время напряжение низкого уровня) и резистор R1 с выхода элемента DD1.3. Вскоре напряжение на входе первого элемента мультивибратора превысит пороговое и все элементы переключатся в противоположные состояния. Так формируются электрические импульсы на выходе нашего мультивибратора - выводе 8 элемента DD1.3. Впрочем, генерируемые импульсы можно снимать и с вывода 6-выхода элемента DD1.2 мультивибратора

Теперь, разобравшись в работе трехэлементного мультивибратора, исключите из него элемент DD1.3 и переключите правый (по схеме) вывод резистора на выход первого элемента, как показано на рис. 3. Мультивибратор стал двухэлементным. Подключив к его выходу световой индикатор, вы убедитесь, что частота генерируемых импульсов осталась прежней - 1 Гц. Как и в предыдущих вариантах мультивибратора, она будет изменяться при установке деталей других номиналов.

Рис 3. Двухэлементный мультивибратор

Как работает такой вариант генератора импульсов? Принципиально так же, как трехэлементный. Когда, к примеру, элемент DD1.1 находится в единичном состоянии, а элемент DD1.2 в нулевом, конденсатор С1 заряжается через резистор R1 и выход второго элемента. Как только напряжение на входе первого элемента достигнет порогового, оба элемента переключаются в противоположные состояния и конденсатор начнет перезаряжаться через выходную цепь второго элемента, резистор и выходную цепь первого. Когда напряжение на входе первого элемента снизится до порогового, элементы вновь переключатся в противоположное состояние. Надо сказать, что среди микросхем К155ЛЛЗ попадаются такие экземпляры, логические элементы которых недостаточно устойчиво работают в двухэлементном мультивибраторе. В таких случаях приходится между входом первого элемента и общим проводом устройства включать резистор сопротивлением 1,2...2 кОм (R2, показанный на рис. 3 штриховой линией). Он создает на входе элемента постоянное напряжение, близкое к пороговому, что облегчает запуск и условия работы мультивибратора в целом. Такие варианты мультивибратора широко используют в цифровой технике для генерирования импульсов различной частоты и длительности.