Аналоговые таймеры

значение времязадающего конденсатора в мультивибраторе Т должно быть, если N=2¹⁷

C== 7,049 нФ.

Ближайшие стандартные номиналы конденсаторов по сетке Е24: 6,8нФ и 7,5нФ. Эти значения далеки от рассчитанного значения.

Выбрав N=2¹⁶=65.536 получим значение С=14,097 нФ. Ближайшие стандартные номиналы 13нФ и 15 нФ.

При N=2¹⁵ значение С=28 нФ, а при 2¹⁴ С=56нФ, что совпадает с одним из стандартных значений сетки Е24. Кроме того, промышленность выпускает микросхему К561ИЕ16 – двоичный счётчик с коэффициентом пересчёта 2¹⁴ [7]. Это сильно упрощает построение схемы таймера - в этой ее части используются всего 2 корпуса микросхем: КР1006ВИ1 и К561ИЕ16. Эти две микросхемы совместимы по интервала значений напряжения питания (4,5 – 16 В для таймера и 3-15 В для счётчика).

Таким образом, напрашивается вывод, что основой проектируемого устройства должны быть две микросхемы - КР10006ВИ1 и К561ИЕ16.

2.3 Схемотехническое повышение точности отработки временных

интервалов.

Изучение литературных источников позволило сделать заключение о том что в состав разрабатываемого устройства можно ввести узлы и элементы которые создают следующие возможности: производить поверку таймера а также скорректировать отклонение величины емкости времязадающего конденсатора от рассчитанного ее значения.

В [6] описан способ, дающий возможность скорректировать отклонение емкости времязадающего конденсатора С от расчетной величины, так как оно вызывает ошибку в форми­ровании временных интервалов. Для компенсации этой ошибки можно использовать регулировку напряжения вывода 5 внутреннего резистивного делителя таймера (рис. 2.2).

Длительность формируемого временного интервала равна времени t_3, в течение которого конденсатор C_t зарядится до напряжения 2U_nl3=U₅ на выводе 5. В общем случае t_з=С_tR_t (ln(1- U₅/U_n)

Отношение U₅/U_п, теперь будет определяться совместным действием делителей напряжения, образо­ванным резисторами внешнего и внутреннего резисторного делителя таймера.

Таким образом, регулируя отношение сопротивлений внешнего делителя можно изменять длительность выходного импульса

Узел поверки (рис 2.3) содержит вспомогательный генератор, частота генерации которого стабилизирована пьезокварцевым резонатором и делитель частоты, коэффициент деления которого N численно равен значению резонансной частоты пьезокварцевого резонатора. В этом случае на выходе делителя присутствует прямоугольный сигнал с частотой 1 Гц (скважность сигнала не имеет значения).

Температурная и долговременная нестабильность пьезокварцевых резонаторов не превышает 10^-5-10^-6 а нестабильность частоты сигнала с выхода делителя частоты будет еще в N раз меньше. Сигнал с выхода делителя поступает на С-вход D-триггера, на D-вход которого подается сигнал с выхода таймера, включенного в режиме мультивибратора. При равенстве частот сигналов, подаваемых на C и D-входы триггера его выход Q всегда будет иметь высокий или низкий уровень (индицируется при помощи светодиода HL1). При несовпадении значений этих частот будет наблюдаться мерцание светодиода с частой равной разности частот подаваемых на C и D- входы триггера. Пусть, например, одна из них имеет значение 1,000 Гц, а другая – 1,100 Гц – в этом случае светодиод будет мерцать с периодом в 10 секунд. Во время калибровки таймера надлежит выставить значение периода его срабатывания 1сек и перевести в режим автогенерации. Если он мерцает с периодом превышающем 10 секунд, то это означает, что период срабатывания таймера отличается от выставленного значения менее чем на 0,1 секунды. При меньшем периоде мерцания осуществляют калибровку таймера при помощи дополнительного внешнего делителя подсоединенного к соответствующим выводам К1006ВИ1. В принципе возможна калибровка до погрешности в 0,01 секунды, но эта операция займет несколько больше времени. Ввиду линейности зависимости периода срабатывания таймера от величины времязадающего резистора поверка в одной точке шкалы распространяется на всю шкалу.

Глава 3. Окончательный вариант разрабатываемой схемы

3.1. Блок- схема таймера.

Исходя из вышеизложенных соображений разработанный таймер (рис3.1) должен содержать следующие узлы: Т-мультивибратор, собранный на микросхеме К1006ВИ1, элемент 2И, двух RS-триггеров, организующих работу устройства, D-триггера и стабилизированного пьезокварцевым резонатором генератора G. Два последних элемента совместно с светодиодом HL1 образуют узел индикации. Ключ S1 служит для запуска таймера в режиме генерации одиночного импульса (ключ S2 при этом замкнут). Он подключается между положительным полюсом источника питания и R-входом RS-триггера ключ S2 замыкают при роботе схемы в режиме мультивибратора.

При работе схемы в режиме одновибратора (таймера) ключ S2 замкнут, при нажатии ключа S1 на R-вход триггера поступает сигнал высокого уровня и на его прямом выходе устанавливается низкий уровень разрешающий работу счетчика С_t .Одновременно на его инверсном выходе появляется высокий уровень, прикладываемый ко второму входу элемента 2И, разрешающий прохождение импульсов от генератора T на вход счетчика ст. При заполнении всех триггеров счетчика единицами сигнал с выхода последнего триггера счетчика своим фронтом прикладывается к S-входу RS-триггера. При этом на его прямом выходе устанавливается высокий уровень, обнуляющий счетчик, а на инверсном - низкий, запрещающий прохождение импульсов генератора на его вход. При работе схемы в режиме мультивибратора (ключ S2 разомкнут) возможно использование узла поверки

Узел поверки содержит вспомогательный генератор G, частота генерации которого стабилизирована пьезокварцевым резонатором и делитель частоты, коэффициент деления которого N численно равен значению резонансной частоты пьезокварцевого резонатора.

В этом случае на выходе делителя присутствует прямоугольный сигнал с частотой 1Гц (скважность сигнала не имеет значения).

Температурная и долговременная нестабильность пьезокварцевых резонаторов не превышает 10^-5-10^-6 а нестабильность частоты сигнала с выхода делителя частоты будет еще в N раз меньше.

Сигнал с выхода делителя поступает на С-вход D-триггера, на D-вход которого подается сигнал с выхода таймера, включенного в режиме мультивибратора. При равенстве частот сигналов, подаваемых на C и D-входы триггера, его выход Q всегда будет иметь высокий или низкий уровень (индицируется при помощи светодиода). При несовпадении значений этих частот будет наблюдаться мерцание светодиода с частой равной разности частот подаваемых на C и D- входы триггера. Пусть, например, одна из них имеет значение 1,000 Гц, а другая – 1,100 Гц – в этом случае светодиод будет мерцать с периодом в 10 секунд. Во время калибровки таймера надлежит выставить значение периода его срабатывания 1сек и перевести в режим автогенерации. Если он мерцает с периодом превышающем 10 секунд, то это означает, что период срабатывания таймера отличается от выставленного значения менее чем на 0,1 секунды. При меньшем периоде мерцания осуществляют калибровку таймера при помощи переменного резистора R₄ В принципе возможна калибровка до погрешности в 0,01 секунды но эта операция займет несколько больше времени. Ввиду линейности зависимости периода срабатывания таймера от величины времязадающего резистора поверка в одной точке шкалы распространяется на всю шкалу.

3.2.Электрическая принципиальная схема устройства.

Электрическая принципиальная схема приведена на рисунке 4.2. Здесь D1-К1006ВИ1 D2.1- один из четырех логических вентилей микросхемы К561ЛА7 D3 –К561ИЕ16 D4.1и D4.2- К561ТМ2 D5-К176ИЕ5 (наличие этой микросхемы заставляет выбрать значение напряжения питания +9В, с этим напряжением могут работать все остальные микросхемы, входящие в состав устройства). Номиналы резисторов Ra Rb rb и конденсатора С были рассчитаны на начальном этапе проектирования,Ra =820 Ом, R_b= 47 кОм (переменный проволочный резистор типа ППБ-1) r_b=380 Oм (проволочный построечный марки СП5-1), C=56нФ (выбираем керамический группы М33 Конденсаторы этой группы имеют небольшое отрицательное значение ТКЕ: -0,0033% )

Переменный резистор R1 при помощи которого производится калибровка таймера выбираем проволочный подстрочный марки СП5-22 номиналом 15 КОm (это значение совпадает с суммой сопротивлений внутреннего делителя микросхемы К1006ВИ1 и следовательно возможна необходимая подстройка периода).

Пьезоэлектрический резонатор Z1 – любого типа на частоту 32768 Гц (из числа предназначенных для ручных и настольных часов).

Группа компонентов входящих в состав генератора калибровки взята из типовой схемы [7] R5= 22МОмR6=560КОм C1=62пФ C2=22пФ.

Значения номиналов резисторов R2 и R3 могут иметь широкие пределы (их назначение – обнулять входы КМОП-микросхемы) однако для повышения помехоустойчивости не следует избирать слишком высокоомные. Можно остановиться на значениях в десятки килом, например 30 кОм.

Конденсатор С3-керамический или пленочный (основное требование к нему – малый ток утечки), его назначение – передача фронта положительного импульса с выхода счетчика D3 на R-вход RS-триггера D4.1. Минимальное значение его емкости можно определить исходя из следующих соображений: после появления на выходе D3 импульса положительной полярности на R-входе триггера D4.1будет действовать напряжение

U=U_ne^-t/rc (3.1)

U_n-значение напряжения питания (высокий уровень на выходе КМОП микросхем близок к U_n)

Величина U не должна упасть до значения U:2 за время меньшее времени срабатывания триггера D4.1.

При r=30 Kom рассчитанное значение C не должно быть менее 10^-10 Ф. Выбираем с запасом значение емкости 1нФ.

На вывод 1 подается напряжение питания +9В, вывод 3 можно использовать для внешнего запуска устройства (положительным уровнем сигнала от +4,5В до 9В кнопка П1 при этом должна быть замкнута) при ручном запуске нажатием П1 вывод 3 необходимо соединить с выводом 1. С вывода 2 снимается выходной сигнал устройства.

Литература.

1.Новаченко И. В., Телец В.А .Микросхемы для бытовой радиоаппаратуры. Дополнение второе. Справочник.– М: Радио и связь, 1991-272 с. : ил

2. Хвощ С. Т., Варлинский Н. Н., Попов Е.О. Микропроцессоры и микроэвм в системах автматического управления. Л.: Машиностроение, 1987. – 640 с.: ил.

3.Трейстер Р. Радиолюбительские схемы на ИС типа 555: Пер. с англ. –М.: Мир, 1988. –263 с. , ил.

4. Шило. Л. В. Популярные цифровые микросхемы.: Справочник, - М. : радио и связь, 1989. – 352 с.

5. Волков С. Генераторы прямоугольных импульсов на МОП-элементах.: М.: Энергоиздат, 1986, 230 с.

6. Коломбет Е. А. Таймеры. М.: Радио и связь, 1984. 126 с.

7. Бирюков С. А. Цифровые устройства на МОП – интегральных микросхемах. – М. : Радио и связь, 1990. – 128 с.