Аналоговые таймеры

Оглавление

Глава 1. Таймеры, их типы. Принципы работы аналогового таймера 3

1.1. Классификация и принципы построения таймеров 4

1.2. Особенности структур таймеров общего применения 7

1.2. Особенности применения и основные параметры однотактного таймера 9

1.4.Особенности применения и основные параметры программируемого таймера. 12

Глава 2. Проектирование схемы таймера 15

2.1. Расчет возможности перекрытия диапазона 1:60. 15

2.2 Разработка схемы допускающей применение времязадающего конденсатора меньшей емкости. 18

2.3 Схемотехническое повышение точности отработки временных интервалов. 20

Глава 3. Окончательный вариант разрабатываемой схемы 22

3.1. Блок- схема таймера. 22

3.2. Электрическая принципиальная схема устройства. 23

Литература. 26

Формулировка задания.

Разработать электрическую принципиальную схему таймера повышенной точности (погрешность тАУ не более 0,1 секунды) на диапазон временных интервалов 1 тАУ 60 сек. с плавной регулировкой временного интервала без использования прецизионных времязадающих элементов, обладающего возможностью калибровки шкалы с использованием внутреннего кварцованного генератора (калибратора). Предусмотреть возможность использования разрабатываемой конструкции в режиме генератора прямоугольных импульсов.

Предварительно изучить соответственную элементную базу и на основании проведенного анализа предложить оптимальный вариант конструкции устройства с использованием доступной элементной базы, выбрать комплектующие для построения разрабатываемой схемы. Произвести расчет параметров и элементов схемы.

Глава 1. Таймеры, их типы. Принципы работы аналогового таймера

Таймеры тАУ устройства, предназначенные для формирования заданного оператором (управляемые) либо изготовителем интервала времени. По своему исполнению подразделяются на механические, электромеханические и электронные. Среди последних отдельную группу составляют интегральные таймеры тАУ функционально завершенные интегральные микросхемы средней и большой степени интеграции. Интегральные таймеры по способу функционирования разделяются на аналоговые и цифровые. Последние имеют на кристалле только чисто цифровые компоненты: логические вентили, триггеры и базирующиеся на их основе более сложные узлы таймера тАУ счетчики, регистры, ячейки памяти, шифраторы и дешифраторы Первичным эталоном временного интервала тут является пьезокварцевый резонатор, за счет чего достигается высокая точность работы таймера. Примером такой микросхемы может служить КР1016ВИ1 тАУ цифровой многопрограммный таймер [1]. Данная большая интегральная схема предназначена для производства бытовых программируемых часов (запас программ на неделю) но может быть использована и в составе различного технологического оборудования.

Другим примером цифрового интегрального таймера является большая интегральная схема КР580ВИ53. Она входит в состав микропроцессорного комплекта КР580 и предназначена для формирования различных временных задержек электрических импульсов и деления частот (режим работы тАУ программируемый [2]).

Аналоговые интегральные таймеры по сравнению с цифровыми обладают менее сложной структурой (меньшее число дискретных компонентов на кристалле), проще управляются и более дешевы. Времязадающим элементом для них является RC тАУ цепочка. Для обрабатывания стабильных временных интервалов элементы ее должны иметь минимальные значения температурных коэффициентов сопротивления и емкости. Что касается зависимости временных интервалов от величины напряжения питания, то благодаря оригинальному схемному решению (впервые использованному при создании микросхемы NE555 [3]) она значительно меньше, чем у одновибраторов, построенных на основе биполярных (например, микросхема К155АГ1 [4]) или МОП-транзисторов [5].

По функциональному составу внутренних узлов аналоговые таймеры не являются полностью аналоговыми. Они наряду с компараторами напряжения, которые относят к аналоговым ИС, содержат узлы, выполняющие цифровые функции: логичеВнские вентили, триггеры, счетчики и др. Компараторы в таймерах обеспечивают повышение чувствительности их цифровых компонентов от единиц вольт до долей миллиВнвольта к изменениям входных напряжений. Таким обВнразом, основные функции в аналоговых таймерах выполняют цифВнровые узлы, точность же формирования интервала времени определяется в первую очередь компараторами напряжения.

1.1. Классификация и принципы построения таймеров

Массовое применение таймеров в аппаратуре, разВннообразие решаемых ими задач и, следовательно, мноВнгообразие требований, предъявляемых к их параметрам в зависимости от типа аппаратуры и рода выполВнняемых функций, обусловило создание большого семейВнства полупроводниковых таймеров.

Все аналоговые таймеры делятся на два класса: однотактные и многотактные со встроенным счетчиком ( см. рис. 1.1, ст. 27) [6].

Однотактные таймеры применяются, если длительВнность формируемых временных интервалов лежит в пределах от 1 мкс до 1 ч. Семейство таких таймеров можно разделить на две группы (рис. 1.2, ст. 27). К первой группе относятся таймеры общего применения, имеющие по одной, две и четыре ИС на одном кристалле. Вторую группу составляют специализированные таймеВнры: микромощные и помехоустойчивые ИС. ДлительВнность формируемого таймером (рис. 1.2,а) интервала времени определяется током заряда внешнего времязадающего конденсатора С_t а ток заряда тАФ сопротивлением внешнего времязадающего резистора R_t. ФорВнмируемый таймером временной интервал Т_n пропорВнционален постоянной времени RC-цепи и определяется длительностью изменения напряжения на C_t в пределах некоторого диапазона, установленного внутренВнним резисторным делителем таймера.

Однотактный таймер, представленный на рис. 1.2,а, работает следующим образом. В исходном состоянии, когда переключатель замкнут, напряжение на конденВнсаторе уменьшается до нуля и на выходе таймера устаВннавливается низкое напряжение, равное 0,1 В. При подаче импульса на вход триггера в нем формируется сигнал, размыкающий переключатель S1, и на выходе таймера устанавливается высокое напряжение. Если входное сопротивление компаратора А1 значительно больше сопротивления R_t, конденсатор С_t будет заряВнжаться только через R_t, а напряжение на Сt будет экспоненциально нарастать с постоянной времени R_tC_t, стремясь к своему максимальному значению U_n. Как только напряжение на конденсаторе достигнет неВнкоторой величины U_оп1, компаратор начнет вырабатыВнвать сигнал, устанавливающий триггер (а следовательВнно, и весь таймер) в исходное состояние Временной интервал Т_n должен быть значительно больше, чем длительность запускающего импульса. Опорное напряжение U_on1 формируется в таймере внутренним резисторным делителем.

Описанный цикл работы таймера имеет место при включении его по схеме одновибратора, когда формиВнруется один выходной импульс после подачи внешнего сигнала запуска на вход триггера. Для того чтобы таймер мог работать в режиме асинхронного мультиВнвибратора, управляющий входной сигнал от времязадающей RC-цепи подается на RS-триггер через комВнпаратор А2 с опорным напряжением U_on2.

Чтобы иметь возможность прервать выполнение тайВнмером заданной функции, независимо от завершенности временного цикла, введен переключатель S2. При поВндаче сброса S2 замыкается, конденсатор полностью разряжается и напряжение на нем остается близким к нулю до тех пор, пока сигнал сброса не будет снят. Обычно при подаче сигнала сброса на выходе таймера устанавливается низкое напряжение.

Многотактные таймеры разработаны для аппаратуВнры, требующей использования генераторов сигналов сверхнизкой частоты с продолжительностью импульсов до нескольких суток. Семейство этих таймеров делится на две основные группы (рис. 1.1). К первой группе относятся программируемые таймеры, в которых формируемый временной интервал задается программно, установкой соответствующих перемычек на выходах счетчика. В зависимости от вида соединения выходов счетчика многотактный таймер умножает постоянную времени RC-цепи в n раз (n-определяет диапазон программирования или коэффициент деления счетчиков). Программируемые таймеры содерВнжат таймеры общего применения, выполненные по биВнполярной технологии, и микромощные. Ко второй групВнпе относятся специализированные таймеры со встроенВнными счетчиками, у которых однозначно задан коэфВнфициент деления п.

Программируемые таймеры работают следующим образом (рис. 1.2, б). При подаче на вход запуска имВнпульса включается внутренний мультивибратор на однотактном таймере, генерирующий импульсы длительностью T_n==R_tC_t. Подключенный к выходу таймера N-разрядный двоичный счетчик подсчитывает входные импульсы и формирует на N выходах счетчика временВнные интервалы, длительность которых может устанавВнливаться от Т_n до (2^n-1)Т_n. На первом выходе форВнмируется импульс длительностью Т_n, на втором тАУ длительностью 2Т_n, а на N-ном длительностью (2^n-1) Гц. Счетчик допускает объединение выходов, причем длиВнтельность формируемого в этом случае временного инВнтервала определяется суммой длительностей импульсов на объединенных выходах. Например, объединены выходы, формирующие отдельно импульсы длительВнностью T_n, 8Т_n и 128Т_n, тогда длительность формируеВнмого временного интервала равна T_n+8Т_n+128Т_n= 137Т_n. Таким образом, объединяя соответствующие выходы, можно получить любую длительность импульВнса или задержку его фронта в диапазоне T_n- (2ⁿ-1)T_n. Выполнение таким таймером предварительно заданной программы можно прервать, подав на специальный вход импульс сброса. Для синхронной работы внутреннего однотактного таймера и счетчика испольВнзуется управляющая цифровая ИС.

1.2. Особенности структур таймеров общего применения

В полупроводниковых таймерах наибольшее распроВнстранение получили структуры, использованные в однотактных таймерах NE 555, LM 322 и программируемом XR 2240. Структура таймера КР1006ВИ1, аналогичного NE 555, показана на рис. 1.3,а. Эти таймеры состоят из четырех функциональных узлов: двух компараторов напряжения на входе, RS-триггера и инвертирующего усилителя мощности на выходе [6]. Внутренний резисторный делитель задает пороговые напряжения, равВнные 2U_n/3 для компаратора А1 и U_n/3 для компараВнтора А2. Длительность генерируемых выходных импульВнсов устанавливается внешней времязадающей цепью R_tC_t. Аналогичен NE 555 по структуре и параметрам таймер XR 320, разработанный фирмой Ехаг. Этот таймер, в отличие от NE 555, может управляться не только спадом, но и фронтом импульса. Кроме того, XR 320 в дополнение к низкоомному выходу имеет инверсный выход с открытым коллектором. Существенным преиВнмуществом XR 320 является то, что времязадающий конденсатор С_t заряжается внутренним генератором постоянного тока, величину которого определяет внешний резистор R_t [6]. Благодаря этому напряжение на С_t увеличивается линейно, что важно для некоторых применений однотактных таймеров. Тем не менее, этот таймер используется сравнительно редко, не имеет такого схемотехнического обеспечения как NE 555 и обладает незначительными преимуществами по сравнению с последним. Наиболее удачной структурой таймера является использованная в LM322. Этот таймер, второй по массовости применения среди однотактных, существенно превосходит NE 555 по сочетанию параВнметров точности, быстродействия и потребления. LM322 часто относят к прецизионным, подразумеВнвая под этим не столько его высокие точностные харакВнтеристики, сколько специфичность применения в аппаВнратуре. Таймер содержит источник опорного напряжеВнния 3,15 В к которому подключается внешний времяВнзадающий резистор. Применен только один компаратор быстродействие, которого можно увеличить, подключив дополнительный вывод N к источнику питания. ЗаВнпускается таймер положительным фронтом импульса. Таймер LM322 существенно отличается от NE355 конструкцией выходного каскада. Хотя использованное в схеме включение транзистора VT2 и делает более униВнверсальным выход таймера, для большинства применений предпочтительнее мощный выходной каскад, как в NE355.

Наиболее распространенным в современной микроэлектронной аппаратуре среди многотактных программируемых таймеров является XR 2240, полная функВнциональная схема которого приведена на рис.1.4 [6] Таймер состоит из трех основных узлов, выделенных штрихпунктирными линиями: однотактного таймера подобного NE 555; 8-разрядного двоичного счетчика и управляющего триггера. Двоичный счетчик и управляющий триггер питаются от внутреннего источника стабилизированного напряжения 6,3 В. Внутренний резисторный делитель устанавливает на входах компараторов А1 и А2 пороВнговые напряжения переключения, равные 3U_n/4 и U_n/4 соответственно. Выходами двоичного счетчика являютВнся открытые коллекторы транзисторов VT4-VT12. Триггер D10 управляет работой счетчика D2-D9 и триггера D1 в однотактном таймере, который в свою очередь управляет работой первого каскада D2 счетчиВнка.

1.3. Особенности применения и основные параметры

однотактного таймера

Для полного и правильного использования различВнных возможностей таймера КР1006ВИ1 необходимо знать назначение его выводов, характеристики и треВнбования к выбору параметров времязадающих элеВнментов.

Назначение выводов таймера КР1006ВИ1 (рис. 1.3,а) незначительно отличается от рассмотренного ранее для обобщенной структуры на рис. 1.2,а. Напряжение питания U_n, подаваемое на вывод 8 и измеряемое относительно вывода 1, равно 5-16,5 В. Приращение потребляемого таймером тока на 1 В изВнменения напряжения питания равно 0,7 мА (рис. 1.5,а). Таймер способен отдать в нагрузку или принять из нее ток не более 200 мА, что позволяет управлять непосредственно ламВнпочками и даже электромагнитными реле. Выходное сопротивление около 10 Ом как для низкого, так и для высокого уровней выходного напряжения. Запуск таймера осуществляется подачей на вывод 2 напряжения менее U_n/3 (эту цепь обычно называют триггерным входом). По отношению к выходу этот вход является инвертиВнрующим. Зависимость минимальной длительности Т_n запускающего импульса от низкого уровня его напряВнжения U показана на рис. 1.5,6. При высоком напряжении на выводе 2 состоянием выхода таймера можно управлять с помощью компаратора А1 по выводу 6, называемому обычно пороговым входом (рис. 1.3,а). Относительно изменений выходного напряжения этот вывод является неинвертирующим входом таймера. Входной ток, втекающий для компаратора А1 (вывод 6) и вытекающий для компаратора А2 (вывод 2), не превышает 0,5 мкА. Для сброса таймера, т. е. установВнления на его выходе низкого напряжения, независимо от напряжения на выводах 2 и 6, используется вывод 4. Если напряжение на этом выводе меньше тАУ равно 0,4 В, напряВнжение на выходе равно 0,1-0,2 В. При напряжении большем 1 В цепь сброса выключена и не влияет на рабоВнту таймера. Кроме низкоомного выхода (вывод 3) таймер имеет и вспомогательный высокоомный выход (выВнвод 7), представляющий собой открытый коллектор транВнзистора VT1 (рис. 1.3,а), Этот вывод обычно используетВнся для организации обратной связи с выхода на входы (выводы 2 и 6) таймера. Допустимое изменение напряжения на выводах 2, 4, 6 и 7 лежит в пределах 0 - 16,5 В. В таймере имеется доступ через вывод 5 к входам внутренних компараторов, на которые поданы пороговые напряжения. Этот вывод от резисторного делителя позволяет дополнительно управлять работой таймера, изменяя пороговые напряжения компараторов при постоянном напряжении питания. Чтобы избежать влияния внешних помех и пульсаций напряжения питания на точность работы таймера рекомендуется шунтировать вывод 5 конденсатором емкостью около 0,01 мкФ.

В режиме прямой трансляции сигнала с входа на выход таймер может работать в диапазоне частоты до 10 МГц (рис. 1.5, д). Однако приводимое в справочных данных значение погрешности формирования временного интервала (табл. 1.1), равное 0,5%, измеряется обычно при формировании импульсов длительностью более 10 мкс. Время нарастания выходного напряжения таймера не превышает 100 нс [6].

Временные параметры этого однотактного таймера слабо зависят от изменений Uп и температуры (рис. 1.5,е) и полностью определяются схемотехникой внутренних компараторов и качеством биполярной технологии их изготовления. В таймерах, изготовленных, по КМОП-технологии (табл. П.1), отличающейся худшим согласованием параметров парных транзисторов. Зависимость характеристик от U_n и температуры значительно выше, чем у таймеров, изготовленных по биВнполярной технологии.

Особенности применения таймера КР1006ВИ1 связаВнны с не идеальностью его параметров и схемотехникой узлов. Чтобы параметры времязадающей цепи R_tC_t не влияли на точность формирования временных интерваВнлов, необходимо ограничить диапазон изменения сопротивления R_tи емкости С_t. Максимальное значение этого сопротивления определяется входным током компараторов, протекающим по выводам 2 и 6. Для формирования устойчивых временных интервалов достаточно выбрать максимальное сопротивление R_tиз условия что его максимальное значение должно быть меньшим отношения значений напряжения питания к входному току Расчеты дают его величину в 20 МОм при U_n=10 В и Iвх=0,5 мкА. При включении таймера по схеме мультивибратора когда выводы 2 и 6 объединены, входные токи, втекающий по выводу 6 и вытекающий по выводу 2, частично взаимно компенсируются и таймер может сохранить работоспособность при несколько большем значении этого сопротивления. При включении таймера по схеме одновибратора для R_t=20МОм отдельные типы таймеров не будут выВнполнять требуемую функцию. Поэтому не рекомендуется использовать времязадающие резисторы с сопротивлением более 10 МОм.

Минимальное сопротивление R_t определяется макВнсимально допустимым током, протекающим через внутренний транзистор VT1 таймера, при его насыщении. Хотя допустимый выходной ток по выводу 7 устанавливают обычно на уровне 100 мА, не рекомендуется использовать малые сопротивления R_t в сочетании с большими емкостями С_t. Объясняется это тем что при разряде конденсаторов С_t большой емкости транзистор VT1 не мгновенно переходит в режим насыщения, а через время t_a. В течении этого времени транзистор работает в активном режиме и может выйти из строя из-за чрезмерной величины рассеиваемой на нем мощности. Поэтому при формировании малых временных интервалов рекоВнмендуется ограничиться значением времязадающего резистора в l кОм и выбрать исходя из этого емкость С. Если же таймер применяется в схеме, где C=100 пФ, то сопротивление R_tможет быть уменьшено до 150 Ом, что для аппаратуры специального назначения должно подтверждаться соответствующими техническими условиями.

Минимальная емкость времязадающего конденсатоВнра C_t должна быть значительно больше изменений собственной входной емкости таймера на выходах 2, 6 и 7, в зависимости от напряжения на них. Поскольку изменение входной емкости при перезаряде C_t не превышает нескольких пикофарад, не рекомендуется при формировании точных временных интервалов использовать С_t < 100 пФ. Можно применять конденсаторы C_tсколь угодно большой емкости, если их ток утечки пренебрежимо мал. Фактически же, чем больше емкость конденсатора, тем больше его ток утечки. Для нормальной работы таймера необходимо, чтобы ток утечки C_t не превышал зарядный ток через R_t. Для формирования точных (около l %) временных интерваВнлов ток утечки через C_t должен быть более, чем на два порядка меньше зарядного тока.

Выходной инвертирующий усилитель таймера (рис. 1.3,а) работает в режиме АБ, вследствие чего на переходной характеристике возникает ВлполкаВ» длительностью 10-20 нс при напряжении 1,5 В. Если таймер нагружен на быстродействующие ТТЛ-схемы (например, серий 130 или 533), то наличие такой ВлполкиВ» недопустимо, так как она находится в их пороговой области и может вызвать ложное срабатывание логического элемента. Чтобы выровнять линию переходного процесса, необходимо выход таймера зашунтировать конденсатором емкостью около 100 пФ.

1.4.Особенности применения и основные параметры

программируемого таймера.

Программируемые таймеры со встроенными счетчиками обеспечивают такую же точность формирования временных интервалов, как и однотактные. Однако диапазон, в котором обеспечивается эта точность, расширен от единиц микросекунд до нескольких суток.

Назначение выводов программируемого таймера следует из его функциональной схемы (рис. 1.4). ОсВнновное напряжение питания, подаваемое на вывод 16 и измеряемое относительно вывода 9 равно 4-15 В. Приращение потребляемого таймером тока на 1 В увеВнличения напряжения U_ai равно 1 мА. При напряжении питания 4,5 В внутренний источник стабилизированного напряжения U_ny, перестает работать, поэтому выводы 15 и 16 следует объединить, чтобы обеспечить норВнмальную работу счетчика. Максимальный ток, который выходы счетчика (выводы 1-8) могут принимать от нагрузки, не должен превышать 5 мА. Допустимое изВнменение напряжения на выводах 1-8 лежит в предеВнлах 0-15 В. Запуск таймера осуществляется положиВнтельным фронтом импульса, подаваемого на вывод 11 управляющего триггера. В момент запуска напряжения на выводах 1-8 начинают изменяться в соответствии с временной диаграммой (рис. 1.6). Соединением выводов 1-8 обеспечивается выполнение на выходе логической функции проводное ИЛИ. Таймер не воспринимает следующий импульс запуска, поступивший в течение формирования установленного заранее временного интервала. Сброс таймера осуществляется положительным фронтом импульса, подаваемого на вывод 10. В момент подачи импульса сброса транзисторы VT4-VT12 (рис. 1.4) закрываются. Для управления таймером по выводам 10, 11 необходимы импульсы с логическими уровнями, соответствующими ТТЛ-схемам, и с длительностью более 1,5 мкс.

Выход внутреннего однотактного таймера (вывод 14) необходимо подключать через резистор с сопротивлением более 20 кОм к шине стабилизированного внутреннего источника напряжения питания. Вывод 14

можно использовать и в качестве автономного входа /счетчика, работающего от внешних импульсов. Для этого необходимо закрыть транзистор VT2, заземлив, например, вывод 13 через резистор с сопротивлением 1 кОм. В этом случае счетчик срабатывает по спаду положительных импульсов, подаваемых на вывод 14. Этот вывод может использоваться и в качестве дополнительной цепи управления работой счетчика. Счет прекращается независимо от состояния транзистора VT2, если вывод 14 заземлить. Для управления по выводу 14 необходимы ТТЛ-уровни напряжений.

Внутренний однотактный таймер генерирует импульсы длительностью около 0,35 мкс с частотой, равной \/=R_tC_f. Времязадающая цепь включается между выводами 9 и 16, а ее средняя точка соединяется с выводом 13. Максимальная частота генерируемых импульсов равна 130 кГц (при Rt = 1кОм, C_t = 0,007 мкФ). Не рекомендуется устанавливать частоту меньше 10^-4 Гц (R=10МОм, С=10³ мкФ). В то же время счетчик может работать от внешних сигналов с частотой до 1,5 МГц.

Как и в однотактном таймере, в программируемом имеется вывод от внутреннего резисторного делителя. Это позволяет управлять работой счетчика с помощью аналогового сигнала, подаваемого на вывод 12.

Таймер спроектирован таким образом, что в момент включения его напряжения питания производится автоматический самосброс счетчика, если на выводах 10 и 11 напряжения около 0 В. Цепи сброса и запуска не равносильны при управлении триггером D10. Если одновременно поданы положительные импульсы на выводы 10 и 11, то управляющий триггер D10 отреагиВнрует только на импульс запуска.

При разомкнутой цепи обратной связи с выходов счетчика на вывод 10 таймер работает в режиме мультивибратора, генерирующего непрерывные последовательности выходных импульсов после подачи на вывод 11 положительного импульса. Если цепь обратной связи замкнута, то после подачи положительного импульса на вывод 11 таймер генерирует последовательности выходных импульсов до прихода первого положительного импульса на вывод 10 .

Глава 2. Проектирование схемы таймера

2.1. Расчет возможности перекрытия диапазона 1:60.

Предварительный анализ литературных источников показал, что базовым элементом для создания устройства, технические характеристики которого описаны в формулировке задания наиболее рациональным будет использование микросхемы КР1006ВИ1.

Для дальнейшей работы по проектированию необходимо произвести некоторые предварительные расчеты.

Определим возможность регулировки величины интервала времени 1 сек тАУ 60 сек при помощи изменения величины только одного из времязадающих резисторов без применения переключения диапазонов. В этом случае:

= 60,

где Т_max= 60 сек, Т_min = 1сек.

Поскольку период Т генерируемых таймером, включенным в режиме мультивибратора (рис. 2.1) колебаний равен

Т = 0.685(R_A1+ 2R_B1)C, (2.1)

то

60 =, (2.2).

где R_A1, R_B1 тАУ значения времязадающих резисторов в конце диапазона (максимальные значения).

R_A2, R_B2 - значения времязадающих резисторов в начале диапазона (минимальные значения).

Анализ формулы (1) показывает, что более выгодно для увеличения интервала регулировки в пределах одного диапазона изменять не величину R_A , а величину R_B .

Поскольку было оговорено наличие только одного элемента регулировки, положим R_A1=R_A2. Начальное значение R_B следует выбрать достаточно большим для достижения большого диапазона перекрытия. Для проволочных переменных резисторов наибольший номинал тАУ 47 кОм, остановимся на этом значении.

Что касается величины R_B2 тАУ то это величина дополнительного (тоже проволочного) постоянного или подстроенного резистора, включённого последовательного с переменным резистором R_B.

Преобразуем уравнение (2.2) к виду

R_A1 + 2R_B1 = 60R_A2 + 120R_B2

при, поскольку R_A1 = R_A2 = R_A, a R_B1 = 47KОм

R_A + 94 = 60R_A+120R_B2

откуда

R_B2==

Из этой формулы видно, что величина R_A не может превышать значения 1,5932 кОм (числитель становится отрицательным).

Заметим также, что при приближении номинала R_A к этому значению разность потенциалов между видами 7 и 6 + 2 стремится к нулю, что может вызвать затруднения в работе мультивибратора. Придав величине R_A ряд значений, далёких от критического значения 1,59 кОм, рассчитаем соответствующие значения R_B2.

При R_A =1.5 кОм - R_B2 =0.0458 кОм

при R_A = 1.2 кОм - R_B2 = 0.19(3) кОм

при R_A = 0.82 кОм - R_B2 = 0.3802 кОм

при R_A = 0.75 кОм - R_B2 = 0.4145 кОм

при R_A = 0.68 кОм - R_B2 = 0.449 кОм

при R_A = 0.51 кОм - R_B2 = 0.5326 кОм

Остановимся на значении R_А = 0.82 Ком, поскольку ему соответствует значение R_В2=0.3802 кОм, что довольно близко к стандартному номиналу резисторов 390 Ом. Если воспользоваться построечным резистором в 390 Ом, то его легко подрегулировать под точное значение R_В2.

Определим емкость времязадающего конденсатора, исходя из формулы (2.1). Поскольку его значение одинаково для всех точек выбранного диапазона, зададимся минимальным значением R_В, которому отвечает период в 1 сек.

Поскольку

Т=0.685(R_А+2R_В)С

то при Т= 1сек

с =

При 923,9 мкФ.

Столь большое значение ёмкости встречается только у электролитических конденсаторов, которые, обладая большой утечкой, сильной зависимостью ёмкости от температуры и заметным тАЮстарениемтАЭ (изменением значения ёмкости со временем) абсолютно не подходят в роли частотозадающего элемента. В качестве такового желательно использовать керамический конденсатор с минимальным (желательно тАУ отрицательным) значением температурного коэффициента ёмкости. Однако на такие большие номиналы они не выпускаются.

2.2 Разработка схемы допускающей применение времязадающего

конденсатора меньшей емкости.

Выход из положения может быть найден за счёт усложнения схемы таймера, подсоединив к выходу микросхемы К1006ВИ1 включенной по схеме мультивибратора (Рис 2.1) делитель частоты, коэффициент деления которого подобран так, что на его выходе присутствуют прямоугольные колебания, частота которых будет изменяться в пределах 1 Гц тАУ Гц при соответствующей регулировке частоты, генерируемой мультивибратором.

Как видно из соответствующих формул, уменьшение периода в тысячу раз приведёт к уменьшению ёмкости частотозадающего конденсатора также в 1000 раз, тогда его ёмкость должна быть равной 923,9 нФ.

Задавшись стандартным значением ёмкости C_cт, можно вычислить значение коэффициента пересчёта счётчика, используемого в делителе D.

N=

Выберем С_ст = 9,1нФ. Тогда

N==101527.47 101.528

Приведём значение N в двоичную систему счисления:

N=N₂=1100001010011000₂.

Вид этого числа указывает что счётчик, необходимости для пересчёта на 101528 будет содержать 19 триггеров (по числу знаков в N₂) и в составе счётчика должен быть элемент 7И, входа которого должны быть подсоединены к выходам триггеров NN 4,5,8,11,13,18,19, а выход элемента тАУ обнулять счётчик при совпадении всех единиц на его входах тАУ именно тогда будет достигнут искомый коэффициент пересчёта.

Ближайшее к N значение двоичного числа тАУ 2¹⁷ = 131.072. Поскольку построение чисто двоичных счётчиков легче (отсутствует многовходовый элемент тАЮИтАЭ для самосброса счётчика) определим, какое 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 тАУ 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 тАУ 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 формиВнровании 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, образоВнванным 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 тАУ 1,100 Гц тАУ 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

Вместе с этим смотрят:

GPS-навигация

GPS-прийомник авиационный

IP-телефония и видеосвязь

IP-телефония. Особенности цифровой офисной связи

Unix-подобные системы