Аналогові таймери

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Зміст
Глава 1. Таймери, їх типи. Принципи роботи аналогового таймера 3
1.1. Класифікація і принципи побудови таймерів 4
1.2. Особливості структур таймерів загального застосування 7
1.2. Особливості застосування та основні параметри однотактного таймера 9
1.4.Особенності застосування та основні параметри програмованого таймера. 12
Глава 2. Проектування схеми таймера 15
2.1. Розрахунок можливості перекриття діапазону 1:60. 15
2.2 Розробка схеми допускає застосування времязадающих конденсатора меншої ємності. 18
2.3 схемотехнічне підвищення точності відпрацювання тимчасових інтервалів. 20
Глава 3. Остаточний варіант розробляється схеми 22
3.1. Блок-схема таймера. 22
3.2. Електрична принципова схема пристрою. 23
Література. 26

Формулювання завдання.
Розробити електричну принципову схему таймера підвищеної точності (похибка - не більше 0,1 секунди) на діапазон тимчасових інтервалів 1 - 60 сек. з плавним регулюванням тимчасового інтервалу без використання прецизійних времязадающих елементів, що володіє можливістю калібрування шкали з використанням внутрішнього кварцованного генератора (калібратора). Передбачити можливість використання розроблювальної конструкції в режимі генератора прямокутних імпульсів.
Попередньо вивчити відповідну елементну базу і на підставі проведеного аналізу запропонувати оптимальний варіант конструкції пристрою з використанням доступної елементної бази, вибрати комплектуючі для побудови розробляється схеми. Зробити розрахунок параметрів і елементів схеми.

Глава 1. Таймери, їх типи. Принципи роботи аналогового таймера

Таймери - пристрої, призначені для формування заданого оператором (керовані) або виробником інтервалу часу. За своїм виконання поділяються на механічні, електромеханічні і електронні. Серед останніх окрему групу складають інтегральні таймери - функціонально завершені інтегральні мікросхеми середньої та великої ступеня інтеграції. Інтегральні таймери за способом функціонування поділяються на аналогові та цифрові. Останні мають на кристалі тільки чисто цифрові компоненти: логічні вентилі, тригери і базуються на їх основі більш складні вузли таймера - лічильники, регістри, комірки пам'яті, шифратори і дешифратори Первинним еталоном тимчасового інтервалу тут є пьезокварцевиє резонатор, за рахунок чого досягається висока точність роботи таймера . Прикладом такої мікросхеми може служити КР1016ВІ1 - цифровий багатопрограмний таймер [1]. Дана велика інтегральна схема призначена для виробництва побутових програмованих годин (запас програм на тиждень) але може бути використана і в складі різноманітного технологічного обладнання.
Іншим прикладом цифрового інтегрального таймера є велика інтегральна схема КР580ВІ53. Вона входить до складу мікропроцесорного комплекту КР580 і призначена для формування різних часових затримок електричних імпульсів і розподілу частот (режим роботи - програмований [2]).
Аналогові інтегральні таймери в порівнянні з цифровими володіють менш складною структурою (менше число дискретних компонентів на кристалі), простіше управляються і більш дешеві. Времязадающих елементом для них є RC - ланцюжок. Для оброблення стабільних тимчасових інтервалів елементи її повинні мати мінімальні значення температурних коефіцієнтів опору та ємності. Що стосується залежності тимчасових інтервалів від величини напруги живлення, то завдяки оригінальному схемного рішенням (вперше використаному при створенні мікросхеми NE555 [3]) вона значно менше, ніж у одновібратором, побудованих на основі біполярних (наприклад, мікросхема К155АГ1 [4]) чи МОП- транзисторів [5].
По функціональному складу внутрішніх вузлів аналогові таймери не є повністю аналоговими. Вони поряд з компараторами напруги, які відносять до аналогових ІС, містять вузли, які виконують цифрові функції: логічні вентилі, тригери, лічильники та ін Компаратори в таймерах забезпечують підвищення чутливості їх цифрових компонентів від одиниць вольт до часткою милливольта до змін вхідних напруг. Таким чином, основні функції в аналогових таймерах виконують цифрові вузли, точність ж формування інтервалу часу визначається в першу чергу компараторами напруги.

1.1. Класифікація і принципи побудови таймерів

Масове застосування таймерів в апаратурі, різноманітність вирішуваних ними завдань і, отже, різноманіття вимог, що пред'являються до їх параметрами в залежності від типу апаратури і роду виконуваних функцій, зумовило створення великого сімейства напівпровідникових таймерів.
Всі аналогові таймери діляться на два класи: однотактний і багатотактного з вбудованим лічильником (див. рис. 1.1, ст. 27) [6].
Однотактний таймери застосовуються, якщо тривалість формованих тимчасових інтервалів лежить в межах від 1 мкс до 1 ч. Сімейство таких таймерів можна розділити на дві групи (рис. 1.2, ст. 27). До першої групи належать таймери загального застосування, які мають по одній, дві і чотири ІС на одному кристалі. Другу групу складають спеціалізовані таймери: мікропотужні і перешкодостійкі ІС. Тривалість формованого таймером (рис. 1.2, а) інтервалу часу визначається струмом заряду зовнішнього времязадающих конденсатора С t а струм заряду - опором зовнішнього времязадающих резистора R t. Формується таймером часовий інтервал Т n пропорційний постійної часу RC-ланцюга і визначається тривалістю зміни напруги на C t в межах деякого діапазону, встановленого внутрішнім резисторні дільником таймера.
Однотактний таймер, представлений на рис. 1.2, а, працює таким чином. У початковому стані, коли перемикач замкнутий, напруга на конденсаторі зменшується до нуля і на виході таймера встановлюється низька напруга, рівне 0,1 В. При подачі імпульсу на вхід тригера в ньому формується сигнал, який розмикає перемикач S1, і на виході таймера встановлюється висока напруга . Якщо вхідний опір компаратора А1 значно більше опору R t, конденсатор З t буде заряджатися тільки через R t, а напруга на Сt буде експоненціально наростати з постійною часу R t C t, прагнучи до свого максимального значення U n. Як тільки напруга на конденсаторі досягне деякої величини U ОП1, компаратор почне виробляти сигнал, що встановлює тригер (а отже, і весь таймер) в початковий стан Часовий інтервал Т n повинен бути значно більше, ніж тривалість імпульсу, що запускає. Опорна напруга U on 1 формується в таймері внутрішнім резисторні дільником.
Описаний цикл роботи таймера має місце при включенні його за схемою одновібратора, коли формується один вихідний імпульс після подачі зовнішнього сигналу запуску на вхід тригера. Для того щоб таймер міг працювати в режимі асинхронного мультивібратора, керуючий вхідний сигнал від времязадающей RC-ланцюга подається на RS-тригер через компаратор А2 з опорною напругою U on 2.
Щоб мати можливість перервати виконання таймером заданої функції, незалежно від завершеності тимчасового циклу, введений перемикач S2. При подачі скидання S2 замикається, конденсатор повністю розряджається і напруга на ньому залишається близьким до нуля до тих пір, поки сигнал скидання не буде знято. Зазвичай при подачі сигналу скидання на виході таймера встановлюється низька напруга.
Багатотактного таймери розроблені для апаратури, що вимагає використання генераторів сигналів наднизької частоти з тривалістю імпульсів до декількох діб. Сімейство цих таймерів ділиться на дві основні групи (рис. 1.1). До першої групи належать програмовані таймери, в яких формується часовий інтервал задається програмно, установкою відповідних перемичок на виходах лічильника. Залежно від виду з'єднання виходів лічильника багатотактного таймер примножує постійну часу RC-ланцюга в n раз (n-визначає діапазон програмування або коефіцієнт розподілу лічильників). Таймери містять таймери загального застосування, виконані за біполярною технологією, і мікропотужні. До другої групи належать спеціалізовані таймери з вбудованими лічильниками, у яких однозначно заданий коефіцієнт ділення п.
Таймери працюють таким чином (рис. 1.2, б). При подачі на вхід запуску імпульсу включається внутрішній мультивібратор на однотактним таймері, що генерує імпульси тривалістю T n == R t C t. Підключений до виходу таймера N-розрядний двійковий лічильник підраховує вхідні імпульси і формує на N виходах лічильника тимчасові інтервали, тривалість яких може встановлюватися від Т n до (2 n -1) Т n. На першому виході формується імпульс тривалістю Т n, на другому - тривалістю 2Т n, а на N-ном тривалістю (2 n-1) Гц. Лічильник допускає об'єднання виходів, причому тривалість формується в цьому випадку тимчасового інтервалу визначається сумою тривалостей імпульсів на об'єднаних виходах. Наприклад, об'єднані виходи, формують окремо імпульси тривалістю T n,n і 128Т n, тоді тривалість формованого тимчасового інтервалу дорівнює T n +8 Т n +128 Т n = 137Т n. Таким чином, об'єднуючи відповідні виходи, можна отримати будь-яку тривалість імпульсу або затримку його фронту в діапазоні T n - (2 n -1) T n. Виконання таким таймером попередньо заданої програми можна перервати, подавши на спеціальний вхід імпульс скидання. Для синхронної роботи внутрішнього однотактного таймера і лічильника використовується керуюча цифрова ІС.

1.2. Особливості структур таймерів загального застосування

У напівпровідникових таймерах найбільшого поширення набули структури, використані в однотактний таймерах NE 555, LM 322 і програмованому XR 2240. Структура таймера КР1006ВІ1, аналогічного NE 555, показано на рис. 1.3, а. Ці таймери складаються з чотирьох функціональних вузлів: двох компараторів напруги на вході, RS-тригера і инвертирующего підсилювача потужності на виході [6]. Внутрішній резисторний дільник задає порогові напруги, рівні 2U n / 3 для компаратора А1 і U n / 3 для компаратора А2. Тривалість генеруються вихідних імпульсів встановлюється зовнішньої времязадающей ланцюгом R t C t. Аналогічний NE 555 за структурою і параметрами таймер XR 320, розроблений фірмою Ехаг. Цей таймер, на відміну від NE 555, може управлятися не тільки спадом, але і фронтом імпульсу. Крім того, XR 320 в додаток до низькоомний виходу має інверсний вихід з відкритим колектором. Істотною перевагою XR 320 є те, що времязадающих конденсатор З t заряджається внутрішнім генератором постійного струму, величину якого визначає зовнішній резистор R t [6]. Завдяки цьому напруга на С t збільшується лінійно, що важливо для деяких застосувань однотактний таймерів. Тим не менш, цей таймер використовується порівняно рідко, не має такого схемотехнічного забезпечення як NE 555 і володіє незначними перевагами в порівнянні з останнім. Найбільш вдалою структурою таймера є використана в LM322. Цей таймер, другий за масовістю вживання серед однотактний, істотно перевершує NE 555 за поєднанням параметрів точності, швидкодії і споживання. LM322 часто відносять до прецизійним, маючи на увазі під цим не стільки його високі точності, скільки специфічність застосування в апаратурі. Таймер містить джерело опорної напруги 3,15 В до якого підключається зовнішній времязадающих резистор. Застосовано тільки один компаратор швидкодію, якого можна збільшити, підключивши додатковий висновок N до джерела живлення. Запускається таймер позитивним фронтом імпульсу. Таймер LM322 істотно відрізняється від NE355 конструкцією вихідного каскаду. Хоча використане у схемі включення транзистора VT2 і робить більш універсальним вихід таймера, для більшості застосувань краще потужний вихідний каскад, як у NE355.
Найбільш поширеним у сучасній мікроелектронної апаратури серед багатотактних програмованих таймерів є XR 2240, повна функціональна схема якого наведена на рис.1.4 [6] Таймер складається з трьох основних вузлів, виділених штрихпунктирними лініями: однотактного таймера подібного NE 555; 8-розрядного двійкового лічильника і керуючого тригера. Двійковий лічильник і керуючий тригер живляться від внутрішнього джерела стабілізованої напруги 6,3 В. Внутрішній резисторний дільник встановлює на входах компараторів А1 і А2 порогові напруги перемикання, рівні 3U n / 4 і U n / 4 відповідно. Виходами двійкового лічильника є відкриті колектори транзисторів VT4-VT12. Тригер D10 управляє роботою лічильника D2-D9 і тригера D1 в однотактним таймері, який у свою чергу управляє роботою першого каскаду D2 лічильника.

1.3. Особливості застосування та основні параметри

однотактного таймера

Для повного і правильного використання різних можливостей таймера КР1006ВІ1 необхідно знати призначення його висновків, характеристики та вимоги до вибору параметрів времязадающих елементів.
Призначення висновків таймера КР1006ВІ1 (рис. 1.3, а) незначно відрізняється від розглянутого раніше для узагальненої структури на рис. 1.2, а. Напруга живлення U n, що подається на висновок 8 і вимірюється щодо виведення 1, так само 5-16,5 В. Приріст споживаного таймером струму на 1 В зміни напруги живлення дорівнює 0,7 мА (рис. 1.5, а). Таймер здатний віддати в навантаження або прийняти з неї струм не більше 200 мА, що дозволяє управляти безпосередньо лампочками і навіть електромагнітними реле. Вихідний опір близько 10 Ом як для низького, так і для високого рівнів вихідної напруги. Запуск таймера здійснюється подачею на висновок 2 напруги менше U n / 3 (цей ланцюг зазвичай називають тригерним входом). По відношенню до виходу цей вхід є інвертує. Залежність мінімальної тривалості Т n імпульсу, що запускає від низького рівня його напруги U показана на рис. 1.5,6. При високій напрузі на виводі 2 станом виходу таймера можна керувати за допомогою компаратора А1 з виведення 6, званому зазвичай пороговим входом (рис. 1.3, а). Щодо змін вихідного напруги цей висновок є неінвертірующего входом таймера. Вхідний струм, що втікають для компаратора А1 (вивід 6) і витікаючий для компаратора А2 (висновок 2), не перевищує 0,5 мкА. Для скидання таймера, тобто встановлення на його виході низької напруги, незалежно від напруги на висновках 2 і 6, використовується висновок 4. Якщо напруга на цьому висновку менше - одно 0,4 У, напруга на виході одно 0,1-0,2 В. При напрузі більшому 1 У ланцюг скидання вимкнена і не впливає на роботу таймера. Крім низкоомного виходу (висновок 3) таймер має і допоміжний високоомний вихід (висновок 7), що представляє собою відкритий колектор транзистора VT1 (рис. 1.3, а), Цей висновок зазвичай використовується для організації зворотного зв'язку з виходу на входи (висновки 2 і 6) таймера. Допустиме зміна напруги на висновках 2, 4, 6 і 7 лежить в межах 0 - 16,5 В. У таймері є доступ через вивід 5 до входів внутрішніх компараторів, на які подані порогові напруги. Цей висновок від резисторного дільника дозволяє додатково управляти роботою таймера, змінюючи порогові напруги компараторів при постійній напрузі харчування. Щоб уникнути впливу зовнішніх перешкод і пульсацій напруги живлення на точність роботи таймера рекомендується шунтувати висновок 5 конденсатором ємністю близько 0,01 мкФ.
У режимі прямої трансляції сигналу з входу на вихід таймер може працювати в діапазоні частоти до 10 МГц (рис. 1.5, д). Однак приводиться в довідкових даних значення похибки формування тимчасового інтервалу (табл. 1.1), рівне 0,5%, вимірюється зазвичай при формуванні імпульсів тривалістю більше 10 мкс. Час наростання вихідної напруги таймера не перевищує 100 нс [6].
Тимчасові параметри цього однотактного таймера слабо залежать від змін Uп і температури (рис. 1.5, е) і повністю визначаються схемотехнікою внутрішніх компараторів і якістю біполярної технології їх виготовлення. У таймерах, виготовлених, по КМОП-технології (табл. П.1), що відрізняється гіршим узгодженням параметрів парних транзисторів. Залежність характеристик від U n і температури значно вище, ніж у таймерів, виготовлених за біполярною технологією.
Особливості застосування таймера КР1006ВІ1 пов'язані з не ідеальністю його параметрів і схемотехнікою вузлів. Щоб параметри времязадающей ланцюга R t C t не впливали на точність формування тимчасових інтервалів, необхідно обмежити діапазон зміни опору R t і ємності С t. Максимальне значення цього опору визначається вхідним струмом компараторів, що протікає за висновками 2 і 6. Для формування стійких тимчасових інтервалів досить вибрати максимальний опір R t з умови що його максимальне значення має бути меншим відношення значень напруги живлення до вхідного струму Розрахунки дають його величину в 20 МОм при U n = 10 В і Iвх = 0,5 мкА. При включенні таймера за схемою мультивібратора коли висновки 2 і 6 об'єднані, вхідні струми, що втікають з виведення 6 і що випливає з висновку 2, частково взаємно компенсуються і таймер може зберегти працездатність при трохи більшому значенні цього опору. При включенні таймера за схемою одновібратора для R t = 20МОм окремі типи таймерів не будуть виконувати потрібну функцію. Тому не рекомендується використовувати времязадающих резистори з опором більше 10 МОм.
Мінімальний опір R t визначається максимально допустимим струмом, що протікає через внутрішній транзистор VT1 таймера, при його насиченні. Хоча допустимий вихідний струм по висновку 7 встановлюють зазвичай на рівні 100 мА, не рекомендується використовувати малі опору R t в поєднанні з великою ємністю З t. Пояснюється це тим, що при розряді конденсаторів З t великої ємності транзистор VT1 не миттєво переходить в режим насичення, а через час t a. У перебігу цього часу транзистор працює в активному режимі і може вийти з ладу через надмірну величини розсіюваною на ньому потужності. Тому при формуванні малих тимчасових інтервалів рекомендується обмежитися значенням времязадающих резистора в l кОм і вибрати виходячи з цього ємність С. Якщо ж таймер застосовується у схемі, де C = 100 пФ, то опір R t може бути зменшено до 150 Ом, що для апаратури спеціального призначення повинна підтверджуватися відповідними технічними умовами.
Мінімальна ємність времязадающих конденсатора C t повинна бути значно більше змін власної вхідної ємності таймера на виходах 2, 6 і 7, в залежності від напруги на них. Оскільки зміна вхідний ємності при перезаряду C t не перевищує декількох пікофарад, не рекомендується при формуванні точних часових інтервалів використовувати З t <100 пФ. Можна застосовувати конденсатори C t як завгодно великої ємності, якщо їх струм витоку пренебрежимо малий. Фактично ж, чим більше ємність конденсатора, тим більше його струм витоку. Для нормальної роботи таймера необхідно, щоб струм витоку C t не перевищував зарядний струм через R t. Для формування точних (близько l%) тимчасових інтервалів струм витоку через C t повинен бути більш, ніж на два порядки менше зарядного струму.
Вихідний інвертують підсилювач таймера (рис. 1.3, а) працює в режимі АБ, внаслідок чого на перехідній характеристиці виникає «полку» тривалістю 10-20 нс при напрузі 1,5 В. Якщо таймер навантажений на швидкодіючі ТТЛ-схеми (наприклад, серій 130 або 533), то наявність такої «полки» неприпустимо, тому що вона знаходиться в їх порогової області і може викликати помилкове спрацьовування логічного елемента. Щоб вирівняти лінію перехідного процесу, необхідно вихід таймера зашунтувати конденсатором ємністю близько 100 пФ.

1.4.Особенності застосування та основні параметри

програмованого таймера.

Таймери з вбудованими лічильниками забезпечують таку ж точність формування тимчасових інтервалів, як і однотактний. Однак діапазон, в якому забезпечується ця точність, розширений від одиниць мікросекунд до декількох діб.
Призначення висновків програмованого таймера випливає з його функціональної схеми (рис. 1.4). Основна напруга живлення, що подається на висновок 16 і вимірюється щодо виведення 9 дорівнює 4-15 В. Приріст споживаного таймером струму на 1 В збільшення напруги U ai дорівнює 1 мА. При напрузі живлення 4,5 В внутрішнє джерело стабілізованого напруги U ny, перестає працювати, тому висновки 15 і 16 слід об'єднати, щоб забезпечити нормальну роботу лічильника. Максимальний струм, який виходи лічильника (висновки 1-8) можуть приймати від навантаження, не повинен перевищувати 5 мА. Допустиме зміна напруги на висновках 1-8 лежить в межах 0-15 В. Запуск таймера здійснюється позитивним фронтом імпульсу, що подається на висновок 11 керуючого тригера. У момент запуску напруги на висновках 1-8 починають змінюватися відповідно до тимчасового діаграмою (рис. 1.6). З'єднанням висновків 1-8 забезпечується виконання на виході логічного функції провідне АБО. Таймер не сприймає наступний імпульс запуску, що надійшов протягом формування встановленого заздалегідь тимчасового інтервалу. Скидання таймера здійснюється позитивним фронтом імпульсу, що подається на вивід 10. У момент подачі імпульсу скидання транзистори VT4-VT12 (рис. 1.4) закриваються. Для управління таймером за висновками 10, 11 необхідні імпульси з логічними рівнями, відповідними ТТЛ-схемами, і з тривалістю понад 1,5 мкс.
Вихід внутрішнього однотактного таймера (висновок 14) необхідно підключати через резистор з опором більше 20 кОм до шини стабілізованого внутрішнього джерела напруги харчування. Висновок 14
можна використовувати і як автономного входу / лічильника, що працює від зовнішніх імпульсів. Для цього необхідно закрити транзистор VT2, заземливши, наприклад, висновок 13 через резистор з опором 1 кОм. У цьому випадку лічильник спрацьовує по спаду позитивних імпульсів, що подаються на висновок 14. Цей висновок може використовуватися і в якості додаткової ланцюга управління роботою лічильника. Рахунок припиняється незалежно від стану транзистора VT2, якщо висновок 14 заземлити. Для управління щодо виведення 14 необхідні ТТЛ-рівні напруг.
Внутрішній однотактний таймер генерує імпульси тривалістю близько 0,35 мкс з частотою, рівною \ / = R t C f. Времязадающих ланцюг включається між висновками 9 і 16, а її середня точка з'єднується з висновком 13. Максимальна частота генеруючих імпульсів дорівнює 130 кГц (при Rt = 1кОм, C t = 0,007 мкФ). Не рекомендується встановлювати частоту менше 10 -4 Гц (R = 10МОм, С = 10 березня мкФ). У той же час лічильник може працювати від зовнішніх сигналів з частотою до 1,5 МГц.
Як і в однотактним таймері, в програмованому є висновок від внутрішнього резисторного дільника. Це дозволяє управляти роботою лічильника за допомогою аналогового сигналу, що подається на висновок 12.
Таймер спроектований таким чином, що у момент включення його напруги харчування проводиться автоматичний самоскидання лічильника, якщо на висновках 10 і 11 напруги близько 0 В. Ланцюги скидання і запуску не рівносильні при управлінні тригером D10. Якщо одночасно подані позитивні імпульси на висновки 10 і 11, то керуючий тригер D10 відреагує тільки на імпульс запуску.
При розімкнутому колі зворотного зв'язку з виходів лічильника на вивід 10 таймер працює в режимі мультивібратора, генеруючого безперервні послідовності вихідних імпульсів після подачі на висновок 11 позитивного імпульсу. Якщо ланцюг зворотного зв'язку замкнута, то після подання позитивного імпульсу на висновок 11 таймер генерує послідовності вихідних імпульсів до приходу першого позитивного імпульсу на висновок 10.

Глава 2. Проектування схеми таймера

2.1. Розрахунок можливості перекриття діапазону 1:60.

Попередній аналіз літературних джерел показав, що базовим елементом для створення пристрою, технічні характеристики якого описані у формулюванні завдання найбільш раціональним буде використання мікросхеми КР1006ВІ1.
Для подальшої роботи з проектування необхідно зробити деякі попередні розрахунки.
Визначимо можливість регулювання величини інтервалу часу 1 сек - 60 сек за допомогою зміни величини тільки одного з времязадающих резисторів без застосування перемикання діапазонів. У цьому випадку:
= 60,
де Т max = 60 сек, Т min = 1сек.
Оскільки період Т генеруються таймером, включеним в режимі мультивібратора (рис. 2.1) коливань дорівнює
Т = 0.685 (R A 1 + 2R B 1) C, (2.1)
то
60 = , (2.2).

де R A 1, R B 1 - значення времязадающих резисторів в кінці діапазону (максимальні значення).
R A 2, R B 2 - значення времязадающих резисторів на початку діапазону (мінімальні значення).
Аналіз формули (1) показує, що більш вигідно для збільшення інтервалу регулювання в межах одного діапазону змінювати не величину R A, а величину R B.
Оскільки було обумовлено наявність тільки одного елемента регулювання, покладемо R A 1 = R A 2. Початкове значення R B слід вибрати досить великим для досягнення великого діапазону перекриття. Для дротових змінних резисторів найбільший номінал - 47 кОм, зупинимося на цьому значенні.
Що стосується величини R B 2 - то це величина додаткового (теж дротяного) постійного або підлаштовано резистора, включеного послідовного зі змінним резистором R B.
Перетворимо рівняння (2.2) до виду
R A 1 + 2R B 1 = 60R A 2 + 120R B 2
прі, оскільки R A 1 = R A 2 = R A, a R B 1 = 47KОм
R A + 94 = 60R A +120 R B 2
звідки
R B 2 = =
З цієї формули видно, що величина R A не може перевищувати значення 1,5932 кОм (чисельник стає негативним).
Зауважимо також, що при наближенні номіналу R A до цього значення різниця потенціалів між видами 7 і 6 + 2 прагне до нуля, що може викликати труднощі в роботі мультивібратора. Надавши величиною R A ряд значень, далеких від критичного значення 1,59 кОм, розрахуємо відповідні значення R B 2.
При R A = 1.5 кОм - R B 2 = 0.0458 кОм
при R A = 1.2 кОм - R B 2 = 0.19 (3) кОм
при R A = 0.82 кОм - R B 2 = 0.3802 кОм
при R A = 0.75 кОм - R B 2 = 0.4145 кОм
при R A = 0.68 кОм - R B 2 = 0.449 кОм
при R A = 0.51 кОм - R B 2 = 0.5326 кОм
Зупинимося на значенні R А = 0.82 Ком, оскільки йому відповідає значення R В2 = 0.3802 кОм, що досить близько до стандартного номіналом резисторів 390 Ом. Якщо скористатися будівельних резистором в 390 Ом, то його легко підрегулювати під точне значення R В2.
Визначимо ємність времязадающих конденсатора, виходячи з формули (2.1). Оскільки його значення однаково для всіх точок обраного діапазону, задамося мінімальним значенням R В, якому відповідає період в 1 сек.
Оскільки
Т = 0.685 (R А +2 R В) З
то при Т = 1сек
з =
При 923,9 мкФ.
Настільки велике значення ємності зустрічається тільки у електролітичних конденсаторів, які, маючи велику витоком, сильною залежністю ємності від температури і помітним "старінням" (зміною значення ємності з часом) абсолютно не підходять у ролі частотозадаючого елемента. У якості такого бажано використовувати керамічний конденсатор з мінімальним (бажано - негативним) значенням температурного коефіцієнта ємності. Однак на такі великі номінали вони не випускаються.

2.2 Розробка схеми допускає застосування времязадающих

конденсатора меншої ємності.

Вихід з положення може бути знайдений за рахунок ускладнення схеми таймера, приєднавши до виходу мікросхеми К1006ВІ1 включеної за схемою мультивібратора (Рис 2.1) дільник частоти, коефіцієнт ділення якого підібраний так, що на його виході присутні прямокутні коливання, частота яких буде змінюватися в межах 1 Гц - Гц при відповідній регулюванню частоти, що генерується мультивібратором.
Як видно з відповідних формул, зменшення періоду в тисячу разів призведе до зменшення ємності частотозадаючого конденсатора також у 1000 разів, тоді його ємність повинна бути рівною 923,9 нФ.
Поставивши собі за стандартним значенням ємності C c т, можна обчислити значення коефіцієнта перерахунку лічильника, використовуваного в дільнику D.
N =
Виберемо З ст = 9,1 нФ. Тоді
N = = 101527.47 101.528
Наведемо значення N в двійкову систему числення:
N = N 2 = 1100001010011000 2.
Вигляд цього числа вказує що лічильник, необхідності для перерахунку на 101528 буде містити 19 тригерів (за кількістю знаків в N 2) та в складі лічильника повинен бути елемент 7И, входу якого повинні бути приєднані до виходів тригерів NN 4,5,8,11, 13,18,19, а вихід елемента - обнуляти лічильник при збігу всіх одиниць на його входах - саме тоді буде досягнутий шуканий коефіцієнт перерахунку.
Найближче до N значення двійкового числа - 2 17 = 131.072. Оскільки побудова чисто двійкових лічильників легше (відсутній багатовхідних елемент "І" для самоскиди лічильника) визначимо, яке значення времязадающих конденсатора в мультивібраторі Т має бути, якщо N = 17 лютого
C = = 7,049 нФ.
Найближчі стандартні номінали конденсаторів по сітці Е24: 6,8 нФ і 7,5 нФ. Ці значення далекі від розрахованого значення.
Вибравши N = 2 16 = 65.536 отримаємо значення С = 14,097 нФ. Найближчі стандартні номінали 13нФ і 15 нФ.
При N = 15 Лютого значення З = 28 нФ, а при 2 14 С = 56нФ, що збігається з одним із стандартних значень сітки Е24. Крім того, промисловість випускає мікросхему К561ІЕ16 - двійковий лічильник з коефіцієнтом перерахунку лютому 1914 [7]. Це сильно спрощує побудову схеми таймера - в цій її частині використовуються лише 2 корпуси мікросхем: КР1006ВІ1 і К561ІЕ16. Ці дві мікросхеми сумісні за інтервалу значень напруги харчування (4,5 - 16 В для таймера і 3-15 В для лічильника).
Таким чином, напрошується висновок, що основою проектованого пристрою повинні бути дві мікросхеми - КР10006ВІ1 і К561ІЕ16.

2.3 схемотехнічне підвищення точності відпрацювання тимчасових

інтервалів.

Вивчення літературних джерел дозволило зробити висновок про те що до складу розроблюваного пристрою можна ввести вузли і елементи які створюють такі можливості: робити перевірку таймера а також скорегувати відхилення величини ємності времязадающих конденсатора від розрахованого її значення.
В [6] описаний спосіб, що дає можливість скорегувати відхилення ємності времязадающих конденсатора С від розрахункової величини, так як воно викликає помилку в формуванні тимчасових інтервалів. Для компенсації цієї помилки можна використовувати регулювання напруги виведення 5 внутрішнього резистивного дільника таймера (рис. 2.2).
Тривалість формованого тимчасового інтервалу дорівнює часу t 3, протягом якого конденсатор C t зарядиться до напруги 2U nl 3 = U 5 на виводі 5. У загальному випадку t з = З t R t (Ln (1 - U 5 / U n)
Відношення U 5 / U п, тепер визначатиметься спільним дією дільників напруги, утвореним резисторами зовнішнього і внутрішнього резисторного дільника таймера.
Таким чином, регулюючи ставлення опорів зовнішнього дільника можна змінювати тривалість вихідного імпульсу
Вузол повірки (рис 2.3) містить допоміжний генератор, частота генерації якого стабілізована пьезокварцевиє резонатором і дільник частоти, коефіцієнт ділення якого N чисельно дорівнює значенню резонансної частоти пьезокварцевого резонатора. У цьому випадку на виході дільника присутній прямокутний сигнал з частотою 1 Гц (шпаруватість сигналу не має значення).
Температурна і довготривала нестабільність пьезокварцевих резонаторів не перевищує 10 -5 -10 -6 а нестабільність частоти сигналу з виходу дільника частоти буде ще в N разів менше. Сигнал з виходу дільника надходить на С-вхід D-тригера, на D-вхід якого подається сигнал з виходу таймера, включеного в режимі мультивібратора. При рівності частот сигналів, що подаються на C і D-входи тригера його вихід Q завжди матиме високий чи низький рівень (индицируется за допомогою світлодіода HL1). При розбіжності значень цих частот буде спостерігатися мерехтіння світлодіода з частою рівній різниці частот подаються на C і D-входи тригера. Нехай, наприклад, одна з них має значення 1,000 Гц, а інша - 1,100 Гц - у цьому випадку світлодіод буде мерехтіти з періодом в 10 секунд. Під час калібрування таймера слід виставити значення періоду його спрацьовування 1сек і перевести в режим автогенерації. Якщо він мерехтить з періодом перевищує 10 секунд, то це означає, що період спрацьовування таймера відрізняється від виставленого значення менш ніж на 0,1 секунди. При меншій періоді мерехтіння здійснюють калібрування таймера за допомогою додаткового зовнішнього дільника приєднаного до відповідних висновків К1006ВІ1. У принципі можлива калібрування до похибки в 0,01 секунди, але ця операція займе трохи більше часу. Зважаючи лінійності залежності періоду спрацьовування таймера від величини времязадающих резистора повірка в одній точці шкали поширюється на всю шкалу.

Глава 3. Остаточний варіант розробляється схеми

3.1. Блок-схема таймера.

Виходячи з вищевикладених міркувань розроблений таймер (ріс3.1) повинен містити такі вузли: Т-мультивібратор, зібраний на мікросхемі К1006ВІ1, елемент 2И, двох RS-тригерів, що організують роботу пристрою, D-тригера і стабілізованого пьезокварцевиє резонатором генератора G. Два останніх елемента спільно з світлодіодом HL1 утворюють вузол індикації. Ключ S1 служить для запуску таймера в режимі генерації одиночного імпульсу (ключ S2 при цьому замкнутий). Він підключається між позитивним полюсом джерела живлення і R-входом RS-тригера ключ S2 замикають при роботі схеми в режимі мультивібратора.
При роботі схеми в режимі одновібратора (таймера) ключ S2 замкнутий, при натисканні ключа S1 на R-вхід тригера надходить сигнал високого рівня і на його прямому виході встановлюється низький рівень дозволяє роботу лічильника З t. Одночасно на його інверсному виході з'являється високий рівень, що прикладається до другого входу елемента 2И, що дозволяє проходження імпульсів від генератора T на вхід лічильника ст. При заповненні всіх тригерів лічильника одиницями сигнал з виходу останнього тригера лічильника своїм фронтом прикладається до S-входу RS-тригера. При цьому на його прямому виході встановлюється високий рівень, обнуляє лічильник, а на інверсному - низький, що забороняє проходження імпульсів генератора на його вхід. При роботі схеми в режимі мультивібратора (ключ S2 розімкнений) можливе використання вузла повірки
Вузол повірки містить допоміжний генератор G, частота генерації якого стабілізована пьезокварцевиє резонатором і дільник частоти, коефіцієнт ділення якого N чисельно дорівнює значенню резонансної частоти пьезокварцевого резонатора.
У цьому випадку на виході дільника присутній прямокутний сигнал з частотою 1Гц (шпаруватість сигналу не має значення).
Температурна і довготривала нестабільність пьезокварцевих резонаторів не перевищує 10 -5 -10 -6 а нестабільність частоти сигналу з виходу дільника частоти буде ще в N разів менше.
Сигнал з виходу дільника надходить на С-вхід D-тригера, на D-вхід якого подається сигнал з виходу таймера, включеного в режимі мультивібратора. При рівності частот сигналів, що подаються на C і D-входи тригера, його вихід Q завжди матиме високий чи низький рівень (индицируется за допомогою світлодіода). При розбіжності значень цих частот буде спостерігатися мерехтіння світлодіода з частою рівній різниці частот подаються на C і D-входи тригера. Нехай, наприклад, одна з них має значення 1,000 Гц, а інша - 1,100 Гц - у цьому випадку світлодіод буде мерехтіти з періодом в 10 секунд. Під час калібрування таймера слід виставити значення періоду його спрацьовування 1сек і перевести в режим автогенерації. Якщо він мерехтить з періодом перевищує 10 секунд, то це означає, що період спрацьовування таймера відрізняється від виставленого значення менш ніж на 0,1 секунди. При меншій періоді мерехтіння здійснюють калібрування таймера за допомогою змінного резистора R 4 У принципі можлива калібрування до похибки в 0,01 секунди але ця операція займе трохи більше часу. Зважаючи лінійності залежності періоду спрацьовування таймера від величини времязадающих резистора повірка в одній точці шкали поширюється на всю шкалу.

3.2.Електріческая принципова схема пристрою.

Електрична принципова схема наведена на малюнку 4.2. Тут D1-К1006ВІ1 D2.1-один з чотирьох логічних вентилів мікросхеми К561ЛА7 D3-К561ІЕ16 D4.1і D4.2-К561ТМ2 D5-К176ІЕ5 (наявність цієї мікросхеми змушує вибрати значення напруги живлення +9 В, з цим напругою можуть працювати всі інші мікросхеми, входять до складу пристрою). Номінали резисторів Ra Rb rb і конденсатора С були розраховані на початковому етапі проектування, Ra = 820 Ом, R b = 47 кОм (змінний дротяний резистор типу ППБ-1) r b = 380 Oм (дротовий будівельних марки СП5-1), C = 56нФ (вибираємо керамічний групи М33 Конденсатори цієї групи мають невелике від'ємне значення ТКЕ: -0,0033%)
Змінний резистор R1 за допомогою якого проводиться калібрування таймера вибираємо дротяний підрядковий марки СП5-22 номіналом 15 КОm (це значення співпадає з сумою опорів внутрішнього дільника мікросхеми К1006ВІ1 і отже можлива необхідна підстроювання періоду).
П'єзоелектричний резонатор Z1 - будь-якого типу на частоту 32768 Гц (з числа призначених для ручних і настільних годин).
Група компонентів входять до складу генератора калібрування взята з типової схеми [7] R5 = 22МОмR6 = 560КОм C1 = 62пФ C2 = 22пФ.
Значення номіналів резисторів R2 і R3 можуть мати широкі межі (їх призначення - обнуляти входи КМОП-мікросхеми) проте для підвищення завадостійкості не слід обирати занадто високоомні. Можна зупинитися на значеннях в десятки кілом, наприклад 30 кОм.
Конденсатор С3-керамічний чи плівковий (основна вимога до нього - малий струм витоку), його призначення - передача фронту позитивного імпульсу з виходу лічильника D3 на R-вхід RS-тригера D4.1. Мінімальне значення його ємності можна визначити виходячи з таких міркувань: після появи на виході D3 імпульсу позитивної полярності на R-вході тригера D4.1будет діяти напруга
U = U n e -t/rc (3.1)
U n-значення напруги живлення (високий рівень на виході КМОП мікросхем близький до U n)
Величина U не повинна впасти до значення U: 2 за час менше часу спрацьовування тригера D4.1.
При r = 30 Kom розраховане значення C не повинно бути менше 10 -10 Ф. Вибираємо із запасом значення ємності 1НФ.
На вивід 1 подається напруга живлення +9 В, висновок 3 можна використовувати для зовнішнього запуску пристрою (позитивним рівнем сигналу від +4,5 В до 9В кнопка П1 при цьому повинна бути замкнута) при ручному запуску натисненням П1 висновок 3 необхідно з'єднати з висновком 1. З виведення 2 знімається вихідний сигнал пристрою.

Література.

1.Новаченко І. В., Телець В.А. Мікросхеми для побутової радіоапаратури. Доповнення друге. Довідник .- М: Радіо і зв'язок, 1991-272 с. : Іл
2. Хвощ С. Т., Варлінскій Н. М., Попов Є.О. Мікропроцесори і мікроЕОМ в системах автматіческого управління. Л.: Машинобудування, 1987. - 640 с.: Іл.
3.Трейстер Р. Радіолюбительські схеми на ІС типу 555: Пер. з англ. -М.: Світ, 1988. -263 С. , Іл.
4. Шило. Л. В. Популярні цифрові мікросхеми.: Довідник, - М.: радіо і зв'язок, 1989. - 352 с.
5. Волков С. Генератори прямокутних імпульсів на МОП-елементах.: М.: Енергоіздат, 1986, 230 с.
6. Коломбет Є. А. Таймери. М.: Радіо і зв'язок, 1984. 126 с.
7. Бірюков С. А. Цифрові пристрої на МОП - інтегральних мікросхемах. - М.: Радіо і зв'язок, 1990. - 128 с.
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Комунікації, зв'язок, цифрові прилади і радіоелектроніка | Курсова
79.5кб. | скачати


Схожі роботи:
Аналогові та гібридні машини
Електронні аналогові осцилографи
Аналогові імпульсні вольтметри
Цифро-аналогові перетворювачі ЦАП
Аналогові і гібридні електричні обчислювальні машини
© Усі права захищені
написати до нас