Расчет элементов схемы мультивибратора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Задание курсового проекта

Тип IMC MB	, кГц
140УД7	7.8	6

Задание проекта: Заданием проекта является рассчитать элементы схемы мультивибратора, выполнить построение, привести таблицу переходов и временные диаграммы счётчика импульсов и начертить электрическую принципиальную схему устройства, которая состоит из мультивибратора и подключённого к его выходу счётчика импульсов.

усилитель мультивибратор импульс



План

Вступление

1. Основа построения мультивибратора на операционном усилителе

2. Основа построения мультивибратора на логических элементах

3. Построение мультивибратора на ИМС К1006ВИ1

4. Счетчик импульсов

5. Предварительный расчет МВ

Выводы

Список используемой литературы



Вступление

Мультивибратор -- релаксационный генератор сигналов электрических прямоугольных колебаний с короткими фронтами. Термин предложен голландским физиком ван дер Полем, так как в спектре колебаний мультивибратора присутствует множество гармоник -- в отличие от генератора синусоидальных колебаний («моновибратора»). Впервые мультивибратор был описан Икклзом и Джорданом в 1918 году.

Мультивибратор является одним из самых распространённых генераторов импульсов прямоугольной формы, представляющий собой двухкаскадный резистивный усилитель с глубокой положительной обратной связью. В электронной технике используются самые различные варианты схем мультивибраторов, которые различаются между собой по типу используемых элементов (ламповые, транзисторные, тиристорные, микроэлектронные и так далее), режиму работы (автоколебательный, ждущие синхронизации), видам связи между усилительными элементами, способам регулировки длительности и частоты генерируемых импульсов и так далее.



1. Основа построения Мультивибратора на операционном усилителе

Приведенная схема мультивибратора на двух транзисторах сейчас почти не применяется, так как имеет плохие частотные свойства и не очень крутые фронты, что ограничивает частоту его генерации до единиц МГц. На более высоких частотах оба транзистора запираются и для восстановления работы устройство надо перезапускать, что во многих случаях неприемлемо.

Основой построения мультивибратора на основе ОУ является инвертирующий триггер Шмитта. Он охватывается ООС. Если триггер находится в состоянии положительного напряжения на выходе, то для того, чтобы перевести его в противоположное состояние -Um , то нужно на инвертирующий вход подавать сигнал положительной полярности и когда этот сигнал превысит порог отпускания триггер выдаст на выходе отрицательную полярность напряжения.

В момент времени t1 величина напряжения на емкости достигнет порога отпускания, что приведет к переключению триггера Шмитта.

Рис. 1.1



Осциллограммы сигналов мультивибратора.

Рис.1.2

Длительность импульсов с одной стороны определяется постоянной времени, а с другой - от величины порогов срабатывания и отпускания.

В тех случаях, когда требуется различная длительность положительных и отрицательных импульсов, постоянные времени заряда и разряда емкости должны быть различны.

Тогда схемы строит иначе (см. рис.).

Рис. 1.3

На ОУ строят мультивибраторы, работающие на относительно низких частотах. (Большинство ОУ работают на НЧ). Для регулировки частоты и длительности применяют методы аналогичные предыдущей схеме.

Для раздельной регулировки длительности положительного и отрицательного импульсов применяют соединенные параллельно цепи, содержащие переменные резисторы.

Для регулировки соотношения длительности положительных и отрицательных импульсов применяется следующая схема (см. рис.).



Рис. 1.4

Аналогичные схемы можно построить и на основе логических элементов.

2. Основа построения мультивибратора на логических элементах

Нередко при отсутствии микросхем мультивибраторов построение генераторов меандра осуществляется на логических элементах НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ и др., благодаря простоте реализации и хорошим эксплуатационным характеристикам. При сравнительно невысоких требованиях к частоте колебаний чаще всего используются элементы на КМОП-логике1), обладающей высокой помехоустойчивостью в диапазоне напряжения питания от 3 до 15 В, большой амплитудой выходного напряжения, высоким входным и низким выходным сопротивлениями, сравнительно высокой частотой генерации, хорошей температурной стабильностью, малым энергопотреблением. Как правило, в одной микросхеме размещается от двух до шести идентичных логических элементов, на которых и строится генератор. Приведем одну из широко распространенных схем мультивибратора, реализуемого на двух логических элементах И-НЕ или ИЛИ-НЕ КМОП-логики (рис. 3.1,а).

Рассмотрим работу генератора с момента подачи напряжения питания на него, полагая, что конденсатор до этого был полностью разряжен.

а) б)

Рис. 2.1

На выходе мультивибратора сначала низкий уровень напряжения (рис. 3.1,б). На входе А логического элемента (ЛЭ) DD1.1 также потенциал низкого уровня, а на выходе этого же элемента устанавливается высокий уровень напряжения (точка Б).

Таким образом конденсатор оказался под напряжением, определяемым разностью потенциалов между точкой Б и выходом, и практически равным напряжению питания .

Конденсатор начинает заряжаться по экспоненциальному закону, стремясь достигнуть напряжения питания . полярностью, указанной на конденсаторе С без скобок. По мере заряда конденсатора возрастает потенциал на входе ЛЭ DD1.1, приближаясь к пороговому1) значению , при котором произойдет изменение состояния ЛЭ DD1.1 и на его выходе установится низкий уровень (точка Б). На выходе генератора (ЛЭ DD1.2) установится высокий уровень напряжения. Конденсатор, напряжение на котором достигло напряжения питания, станет разряжаться по экспоненте. Но как только напряжение на нем достигнет порогового, произойдет опрокидывание ЛЭ DD1.1 и DD1.2. Далее процесс будет многократно повторяться.

Анализируя осциллограммы (рис. 3.1,б) изменения напряжения на конденсаторе, несложно определить длительности импульса и паузы . Отрезку времени t1 соответствует разряд конденсатора от напряжения питания до порогового значения, то есть:

·e- / = = Тогда = -

Время заряда конденсатора от нуля до порогового значения определяется уравнением:

· = = 0,5,

из которого находим,

» (2.11)

Период колебаний, генерируемых мультивибратором, определяется суммированием результатов уравнений (2.10) и (2.11):

Следует отметить, что, как и ранее, время импульса , паузы и периода колебаний практически не зависит от напряжения питания.

Выбор конкретных значений емкости и сопротивления определяется рекомендуемым диапазоном: 100 пФ… 0,5 мкФ; 20 кОм… 5МОм. Верхний предел емкости и нижний - сопротивления обуславливаются максимально допустимыми значениями выходного тока выбранной микросхемы.

В случае необходимости плавного изменения скважности выходных импульсов последнее обеспечивается разделением цепей заряда и разряда конденсатора и реализуется по схеме (рис. 3.2).

Рис. 2.2

В этой схеме конденсатор в одну часть периода заряжается через диод VD1, нижнюю часть резистора и резистор , а в другую часть периода - через VD2, верхнюю часть резистора и резистор. Для случая, когда = = , а , при перемещении подвижного контакта резистора скважность будет изменяться в пределах от 10:1 до 1: 10. Период колебаний при этом практически не изменяется.

Если посмотреть на путь развития радиоэлектроники нетрудно заметить, что прогресс двигался не только от простого к сложному, но и от большого и громоздкого к маленькому и даже миниатюрному.



Рис. 2.3

Цоколёвка микросхемы К155ЛА3Такое несложное устройство как мультивибратор изначально собиралось на электронных лампах, затем наступила очередь транзисторов.

На смену транзисторам пришли интегральные схемы с малой степенью интеграции. Сначала микросхемы выполнялись на биполярных транзисторах. Самой недорогой и широко распространённой была серия К155 (К133 её полный аналог, выпускавшийся в планарном корпусе и используемый в оборонной промышленности).

К сериям ТТЛ логики относятся 155, 555, 1533 серии. Их отличает высокое быстродействие и работа на более высоких частотах, но и большой потребляемый ток.

Основным недостатком ТТЛ логики был большой ток потребления и жёсткая привязка к напряжению питания + 5 вольт. В состав серии входил полный набор логических элементов, в том числе широко известная микросхема К155ЛА3, на которой собрать симметричный мультивибратор было очень просто. Микросхема содержала четыре логических элемента 2И - НЕ.

На двух элементах собирался сам мультивибратор, а ещё два элемента можно было использовать как инверторы и для формирования фронтов импульсов. Логические элементы могут быть с любым числом входов, так как в любом случае они объединяются и логический элемент используется как инвертор.

Вот классическая схема симметричного мультивибратора на двух логических элементах 2ИЛИ - НЕ (2И - НЕ). Здесь указана микросхема 561 серии. Её можно заменить на любую микросхему из серий приведённых ниже.

Схема симметричного мультивибратора на микросхеме К561ЛА7

Рис. 2.4

Большее распространение получили микросхемы 176, 561, 564, 1561 серии, выполненные по КМОП технологии, то есть не на биполярных, а на полевых транзисторах с изолированным затвором, что позволило снизить потребляемый ток до десятков микроампер. Серии на КМОП структурах удобны тем, что они не критичны к напряжению питания, например микросхемы серии 1561 работоспособны при напряжении питания от 3 до 18 вольт. Но эти микросхемы, как и полевые транзисторы смертельно боятся статического электричества. При работе с ними паяльник рекомендуется заземлять, а на руку надевать специальный браслет так же соединённый с общим проводом. Иначе можно испортить микросхему.

При соблюдении равенств период следования импульсов определяется по формуле:

Симметричный мультивибратор легко собирается на интегральном D триггере. У него имеются вход установки SET, сброса RESET, счётный вход С, вход D ( задержка) и два выхода прямой и инверсный.

Схема мультивибратора на триггере

Рис. 2.5

На схеме видно, что входы C и D соединены между собой и заземлены, а сам триггер за счёт заряда-разряда конденсаторов С1 и С2 по входам установки и сброса переходит из одного состояния в другое 100 раз в секунду.

Мультивибраторы широко применяются во всевозможных радиолюбительских конструкциях, но поскольку единственное, что делает мультивибратор, это генерирует импульсы определённой частоты, то область применения таких схем достаточно узка. Хотя часто мультивибратор используется в более сложных схемах в качестве, например, генератора тактовой частоты.

Вот схема простейшего электронного звонка на двух логических элементах 2И - НЕ (пример). Кнопка включения на схеме не показана, через неё подаётся напряжение питания, и мультивибратор сразу начинает работать.

Простейшая схема звонка на микросхеме

Рис. 2.6

С помощью подстроечных резисторов можно поэкспериментировать с частотой и длительностью импульсов. Так же можно менять ёмкости конденсаторов. Для усиления сигнала лучше использовать усилительный каскад на одном транзисторе.

Вот более сложная схема мелодичного электронного звонка на двух мультивибраторах и усилительном каскаде на транзисторе VT2. Данную схему усилительного каскада можно использовать и в первой схеме. Поскольку здесь применяется микросхема К176ЛА7 на КМОП структуре напряжение питания можно выбрать от 4 до 12 вольт, главное соблюдать все требования по защите от статического электричества.

Схема мелодичного электронного звонка на микросхеме К561ЛА7

Очень часто бывает так, что правильно собранная схема не работает. Это означает то, что микросхема скорее всего вышла из строя по причине электростатического пробоя.

Напряжение питания от блока питания подключается через кнопку в точку соединения коллекторов транзисторов VT1 и VT2.

Схема представляет собой два мультивибратора. Первый управляет работой второго. За счёт разных величин ёмкостей конденсаторов С1 и С3, на выходе получается модулированное переливчатое звучание. С помощью резисторов PR1 и PR2 можно регулировать частоту каждого генератора, тем самым меняя характер звучания. Если подойти к работе творчески и использовать несколько мультивибраторов то, настроив их на определённые ноты можно получить звучание аккорда. Для этого придётся использовать логические элементы с большим числом входов для объединения генераторов по схеме логическое «И».



3. Построение мультивибратора на ИМС К1006ВИ1

Микросхема КР1006ВИ1 представляет собой универсальный таймер. Это позволяет применять ее в самых разнообразных электронных конструкциях. Этот таймер представляет собой высокостабильный контроллер, способный вырабатывать точные временные задержки и (в зависимости от конкретной задачи и элементов внешней времязадающей цепи) периодические колебательные сигналы (импульсы). Входы управляющего напряжения (вывод 5), вход запуска (вывод 2) и вход сброса (вывод 4) позволяют, соответственно, запускать или сбрасывать прибор в исходное состояние. Когда данная интегральная схема включена в режиме формирования временных задержек, их длительность точно задается при помощи внешнего резистора и конденсатора. Точность данных временных интервалов зависит от параметров резистора (отклонения сопротивления при изменении температуры -- нагреве) и значения температурного коэффициента емкости ТКЕ конденсатора. Для оптимальной стабильности желательно, чтобы в таком устройстве применялся конденсатор с малым током утечки (например, оксидный конденсатор марки К53-1А, К53-4, К53-18 -- ток утечки в диапазоне температур -60…+120°С равен 1…8 мкА) и резистор с отклонением от номинала не более 5%.

Температурная стабильность частоты таймера составляет 0,005%/1°С.

Эта многофункциональная микросхема содержит в себе более 25 дискретных электронных компонентов: транзисторов, резисторов, диодов и т.д. Таймер применяется в устройствах, предназначенных для синхронизации, генерации импульсов, широтноимпульсной модуляции, фазоимпульсной модуляции и последовательного тактирования, а также в устройствах, регистрирующих пропуски импульсов. Потребляемый самой микросхемой ток в зависимости от режима работы находится в пределах 3…15 мА.

Запуск и сброс микросхемы выполняются по отрицательным фронтам входных сигналов. Однако есть и исключение. На рис. 4.З показана схема управления таймером положительным импульсом (сброс также осуществляется отрицательным фронтом импульса на соответствующем входе). Выходной каскад микросхемы достаточно мощный -- позволяет управлять устройствами нагрузки с током потребления до 200 мА. Таким образом, в качестве исполнительного узла можно нагрузить на выход микросхемы маломощное реле (РЭС15, РЭС22) без промежуточного усилительного транзисторного каскада. На выходе микросхемы реализован двухтактный усилитель, что позволяет управлять устройствами нагрузки как высоким, так и низким уровнем напряжения (можно подключать нагрузку (реле) между выходом таймера и любым из полюсов источника питания).

Цоколевка микросхемы КР1006ВИ1

Рис. 3.1

Работа микросхемы в ждущем режиме

Цоколевка КР1006ВИ1 показана на рис. 41



Рис. 3.2

Наиболее популярное исполнение микросхемы -- в пластмассовом корпусе (из прессованной пластмассы) DIP-8, с двухрядным расположением выводов по четыре с каждой стороны.

Рис. 3.3

Микросхема может формировать временные интервалы длительностью от нескольких микросекунд до единиц часов и может работать в нескольких режимах: в режиме ждущего мультивибратора, в автоколебательном, в режиме детектора пропущенных импульсов, делителя частоты, фазоимпульсной и широтно-импульсной модуляции. Остановимся на этих режимах работы подробнее.

Рассмотрим работу микросхемы в ждущем режиме (рис. 4.2).

В исходном состоянии внешний конденсатор разряжен через внутренний транзистор микросхемы. При подаче на вывод 2 отрицательного импульса внутренний триггер переключается, выключает цепь короткого замыкания внешнего конденсатора и устанавливает на выходе (вывод 3) высокий уровень напряжения. Тогда напряжение на внешнем конденсаторе растет по экспоненциальному закону (конденсатор заряжается) с постоянной времени t = RAC. Когда напряжение на конденсаторе достигает уровня 2/3 1)пит , внутренний компаратор сбрасывает триггер в исходное состояние, а триггер в свою очередь быстро разряжает внешний конденсатор и переключает выходной каскад в низкоуровневое состояние. Такая схема (рис. пб.2) запускается отрицательным фронтом импульса, когда его амплитуда будет не менее 1/3 11пит После запуска микросхема сохраняет свое состояние в течение всего заданного интервала времени, даже если в это время на вход придут другие запускающие импульсы. Время, в течение которого на выходе таймера сохраняется высокий уровень напряжения, определяется формулой

Скорость заряда конденсатора во внешней цепи и порог срабатывания компаратора прямо пропорциональны напряжению питания и, следовательно, длительность выходного импульса от напряжения питания схемы не зависит. Если на вход «сброс» (вывод 4) микросхемы во время рабочего цикла подать отрицательный импульс (замкнуть на общий провод), то внешний конденсатор разрядится, и рабочий цикл начнется снова. Тогда началом нового цикла будет являться положительный фронт импульса сброса. Пока на вход «сброс» воздействует отрицательный импульс, на выходе микросхемы поддерживается низкий уровень напряжения. Если функция сброса в этом режиме не используется, то вывод 4 следует соединить с положительным полюсом источника питания, чтобы избежать возможных ложных срабатываний схемы.

Работа в автоколебательном режиме (рис. 4.4).

При подаче питания электролитический конденсатор имеет очень малое сопротивление электрическому току и начинает заряжаться через резистор от источника питания. В первый момент времени на входе запуска (вывод 2) возникает отрицательный импульс, а на выходе микросхемы (вывод 3) устанавливается напряжение высокого логического уровня. Напряжение на заряжающемся конденсаторе растет по экспоненциальному закону с постоянной времени

где -- сумма сопротивлений Ra и Rb. Когда напряжение на обкладках конденсатора С достигает уровня 2/3 напряжения питания, внутренний компаратор сбрасывает триггер микросхемы в исходное состояние, а триггер в свою очередь быстро разряжает конденсатор и переключает выходной каскад в низкоуровневое состояние. Таким образом, периодический заряд конденсатора С осуществляется через цепь из резисторов RaRb, а разряд только через RB. Это позволяет точно регулировать скбажность импульсов, задавая соотношение между сопротивлениями этих резисторов. В данном режиме напряжение на обкладках конденсатора С изменяется от 1/3 до 2/3 напряжения источника питания. Скорость заряда конденсатора и порог срабатывания внутреннего компаратора прямо пропорциональны напряжению питания, поэтому длительность выходного импульса от напряжения питания не зависит. Выход таймера переключается, резко изменяя напряжение на выводе 3. Изменением сопротивления резистора RB регулируется подача смещения на вывод 2 микросхемы. При максимальном сопротивлении этого резистора постоянному току частота следования импульсов автогенератора минимальна. Вывод 5 микросхемы нужно оставить свободным или подключить к общему проводу через конденсатор типа КМ емкостью 0,01 мкФ. Это в данной схеме не принципиально.



Рис. 3.4

Время заряда, в течение которого на выходе микросхемы действует высокий уровень напряжения, определяется формулой

а время разряда (низкий уровень напряжения на выходе) определяется формулой

Полный период колебаний равен

Частота колебаний равна, соответственно,

Скважность импульсов в данном случае определяется формулой



Микросхема при работе может незначительно нагреваться (до 30…40°С). Питание устройства может быть как автономным (батарея типа «Крона»), так и от стационарного источника питания со стабилизированным напряжением от +5 до +18 В.

Схема формирования временных интервалов требуется во многих случаях и часто для этого используется таймер КР1006ВИ1. Несмотря на то что этот таймер является универсальным прибором, его применение ограничивается тем, что, как показывают многочисленные публикации, он может запускаться в классическом варианте только отрицательным входным импульсом. Однако, при более внимательном рассмотрении блок-схемы этой микросхемы-таймера, можно заметить, что вывод 5, соединенный с неинвертирующим входом компаратора (вывод 2) через ограничивающий резистор, можно использовать как вход для запуска от положительного фронта импульса. Таким образом, вывод 5 может эффективно служить в качестве входа управляющего напряжения, для чего он первоначально и предназначался разработчиками таймера КР1006ВИ1 (считается, что разработчик таймера 555 фирма Philips ECG Ink) и в качестве входа положительного запускающего импульса.

Поскольку фронт запускающего положительного импульса короткий, импульс заканчивается до момента, пока времязадающий конденсатор успеет зарядиться до уровня управляющего напряжения, а входной пусковой импульс при подаче его на вывод 5 не оказывает влияния на управляющее напряжение. Поэтому к положительным импульсам на выводе 5 микросхема не чувствительна. Внизу рис. 4.3 показаны осциллограммы последовательности входных прямоугольных импульсов до конденсатора , и изменение их формы после конденсатора . Благодаря разделительному конденсатору на вход управления (вывод 5) таймера приходят отрицательные импульсы, которые запускают схему.

Чувствительность микросхемы при подаче пускового импульса на вывод 5 определяется разностью напряжений между выводами 2 и 5. Следовательно, эту чувствительность можно регулировать путем присоединения вывода 2 таймера к отводу делителя напряжения .

Как показано на схеме, ждущий мультивибратор, который в данном включении представляет собой микросхема КР1006ВИ1, запускается передним фронтом положительного входного импульса. Вывод 2 присоединен к средней точке делителя напряжения, включенного между положительным полюсом источника питания и общим проводом. Кроме того, к выводу 2 присоединен шунтирующий конденсатор для того, чтобы обеспечить нечувствительность микросхемы к помехам в виде паразитных импульсов от, возможно, расположенных рядом микросхем.

Рассмотрим работу микросхемы в режиме детектора пропущенных импульсов (рис. 4.5).

Здесь рабочий цикл постоянно прерывается поступающими на вход «запуск» последовательными импульсами. Изменение частоты или пропуск импульса вызывает нормальное завершение рабочего цикла выдержки времени, обусловленное значениями

RC-цепи. В результате происходит изменение состояния выхода таймера. Нормальное (исходное) состояние выхода таймера -- высокий уровень напряжения. При пропуске импульса напряжение на выходе кратковременно меняется на низкий уровень. Для эффективной работы этой схемы задержка выключения должна быть немного больше, чем период поступающих на микросхему импульсов. Схема уверенно работает при сопротивлении резистора Ra = 1 кОм, емкости конденсатора С = 1 мкФ. Такое схемное решение находит применение в разработках охранных систем.



Рис. 3.5

Если частота входных импульсов известна заранее, то таймер легко превратить в делитель частоты соответствующим подбором длительности рабочего цикла. Из таймера удается сделать делитель частоты на три. Такое применение схемы основано на том, что она не может быть запущена повторным появлением входного импульса во время своего рабочего цикла.

Для реализации режима широтно-импульсной модуляции микросхема включается как обычный одновибратор (рис. 4.6) -- генератор одиночного импульса. Такая схема запускается непрерывной последовательностью импульсов, а ее пороговое напряжение, при котором срабатывает компаратор, модулируется напряжением на входе 5 («Управляющее напряжение»). При этом длительность выходных импульсов модулируется при изменении управляющего напряжения.

В режиме фазоимпульсного модулятора (рис. 4.7) таймер включается в автоколебательный режим (который уже был рассмотрен ранее) с той лишь разницей, что на его вход «Управляющее напряжение» (вывод 5) подается модулирующий сигнал.

Тогда при изменении модулирующего напряжения изменяется временное положение импульса, т.к. меняются пороговое напряжение и временная задержка в схеме.

На рисунке показаны изменения выходного сигнала (на выводе 3) при воздействии на вход (вывод 5) импульсов треугольной формы. Оптимальные значения номиналов элементов для этой схемы следующие: RA = 3 кОм, RB = 500 Ом, С = 0,01 мкФ, RHarp = 1 кОм.

Рис. 3.6

Рис. 3.7

Предельно допустимые параметры для микросхемы КР1006ВИ1:

Напряжение питания, В -- 4,5…18. Рассеиваемая мощность, мВт -- 600. Диапазон рабочих температур, °С -- 0…+70.

Допустимая температура пайки одного вывода, °С (в течение 1 с) -- 300.

4. Счетчик импульсов

Электронный счетчик импульсов предназначен для подсчета количества импульсов, поступающих с измерительных датчиков на счетные входы (или один счетный вход) счетчика импульсов и пересчета их в требуемые физические единицы измерения путем умножения на заданный множитель (например, в метры, литры, штуки, килограммы и т. д.); подсчета суммарной выработки за смену, сутки, неделю, месяц и т. д.; управления исполнительными механизмами одним или несколькими дискретными выходами (чаще всего, в счетчиках импульсов в качестве дискретного выхода используется реле или оптопара).

Счетчики могут быть одноразрядными (позволяют отображать цифры или числа, соответствующие одному разряду системы счисления) либо многоразрядными. Очевидно, что для того, чтобы отображать определенные цифры в системе счисления, один разряд счетчика должен иметь столько отличающихся друг от друга состояний, сколько цифр в системе. Состояния счетчика отображаются статическими потенциалами (или импульсами) на его выходах. Очевидно, что у одноразрядного счетчика должно быть столько выходов, сколько у него имеется состояний. Каждое состояние одного разряда счетчика может отображаться в соответствии с принятой двоичной системой прямым (1) или инверсным (0) сигналом, которым соответствуют прямой и инверсный выходы

Как правило, в качестве датчика применяется механический прерыватель или индуктивный датчик (бесконтактный датчик) или энкодер.

Электронные счетчики импульсов могут иметь высокую степень защиты IP (степень защиты оболочки) от пыли и воды (например, IP65).

Счетчик импульсов (некоторые модели) может иметь встроенную функцию тахометра или расходомера.

Электронные счетчики импульсов сохраняют результат измерений при исчезновении напряжения питания в течение неограниченного периода времени в энергонезависимой памяти (EEPROM). После возврата напряжения питания счет импульсов продолжается, начиная с сохраненного значения; некоторые модели счетчиков импульсов индицируют факт пропадания напряжения питания во время работы.

Некоторые модели имеют интерфейс для подключения к сети или компьютеру (например, RS485, RS232, CAN), а также аналоговый выход ЦАП, который может быть использован как для передачи информации другим контрольно-измерительным приборам управления исполнительными механизмами (например, электроприводом).

Кроме того, счётчики импульсов классифицируют по направлению счета (режиму работы):

суммирующие счетчики импульсов;

вычитающие счетчики импульсов;

реверсивные счетчики импульсов.

Импульсы от энкодера с определением направления вращения

Реверсивные счетчики импульсов чаще всего используются при работе с 2-х канальными энкодерами или с двумя индуктивными датчиками, при этом:

-автоматически счетчиком импульсов определяется направление вращения энкодера;

-происходит увеличение в 4 раза разрешающей способности энкодера, то есть 1 полный импульс c энкодера счетчик импульсов превращает в 4 инкремента.

Основной параметр счётчика -- модуль счёта -- максимальное число единичных сигналов, которое может быть сосчитано счётчиком. Счётчики обозначают через СТ (от англ. counter).

Счётчики классифицируют:

по числу устойчивых состояний триггеров:

на двоичных триггерах

на троичных триггерах

на n-ичных триггерах

по модулю счёта:

двоично-десятичные (декада);

двоичные;

с произвольным постоянным модулем счёта;

с переменным модулем счёта;

по направлению счёта:

суммирующие;

вычитающие;

реверсивные;

по способу формирования внутренних связей:

с последовательным переносом;

с ускоренным переносом;

с параллельным ускоренным переносом;

со сквозным ускоренным переносом;

с комбинированным переносом;

кольцевые;

по способу переключения триггера:

синхронные;

асинхронные;

Счётчик Джонсона

Двоичные счетчики

Схему двоичного счетчика можно получить с помощью формального синтеза, однако более наглядным путем представляется эвристический. Таблица истинности двоичного счетчика -- последовательность двоичных чисел от нуля до 2^n-1, где n - разрядность счётчика. Наблюдение за разрядами чисел, составляющих таблицу, приводит к пониманию структурной схемы двоичного счетчика.

Состояния младшего разряда при его просмотре по соответствующему столбцу таблицы показывают чередование нулей и единиц вида 01010101..., что естественно, т. к. младший разряд принимает входной сигнал и переключается от каждого входного воздействия. В следующем разряде наблюдается последовательность пар нулей и единиц вида 00110011... . В третьем разряде образуется последовательность из четверок нулей и единиц 00001111... и т.д. Из этого наблюдения видно, что следующий по старшинству разряд переключается с частотой, в два раза меньшей, чем данный.

Рис. 5.1

Известно, что счетный триггер делит частоту входных импульсов на два. Сопоставив этот факт с указанной выше закономерностью, видим, что счетчик может быть построен в виде цепочки последовательно включенных счетных триггеров. Заметим, кстати, что согласно ГОСТу входы элементов изображаются слева, а выходы справа. Соблюдение этого правила ведет к тому, что в числе, содержащемся в счетчике, младшие разряды расположены левее старших.

Двоичные счетчики с параллельным переносом

Выше рассмотрены схемы двоичных последовательных счетчиков, то есть таких счетчиков, в которых при изменении состояния определенного триггера возбуждается последующий триггер, причем триггеры меняют свои состояния не одновременно, а последовательно. Если в данной ситуации должны изменить свои состояния n триггеров, то для завершения этого процесса потребуется n интервалов времени, соответствующих времени изменения состояния каждого из триггеров. Такой последовательный характер работы является причиной двух недостатков последовательного счетчика: меньшая скорость счета по сравнению с параллельными счетчиками и возможность появления ложных сигналов на выходе схемы. В параллельных счетчиках синхронизирующие сигналы поступают на все триггеры одновременно.

Последовательный характер переходов триггеров счетчика является источником мощных сигналов на его выходах. Например, в счетчике, ведущем счет в четырехразрядном двоичном коде с “весами” 8-4-2-1, при переходе от числа 7_{10} = 0111_2 к числу 8_{10} = 1000_2 на выходе появится следующая последовательность сигналов:

0111 ->р 0110 ->р 0100 ->р 0000 ->р 1000

Это означает, что при переходе из состояния 7 в состояние 8 на входах счетчика на короткое время появятся состояния 6; 4; 0. Эти дополнительные состояния могут вызвать ложную работу других устройств.

С целью уменьшения времени протекания переходных процессов можно реализовать счетчик в варианте с подачей входных импульсов одновременно на все триггеры. В этом случае получим счетчик с параллельным переносом.

Здесь на информационные входы триггеров подаются сигналы, являющиеся логической функцией состояния счетчика и определяющие конкретные триггеры, которые изменяют свое состояние при данном входном импульсе. Принцип стробирования сводится к следующему: триггер меняет свое состояние при пропускании очередного импульса синхронизации, если все предыдущие триггеры находились в состоянии логической единицы.

Параллельные счетчики имеют более высокое быстродействие по сравнению с последовательными, поскольку синхронизирующие импульсы поступают на все триггеры одновременно.

Максимальным быстродействием обладают синхронные счетчики с параллельным переносом, структуру которых найдем эвристически, рассмотрев процессы прибавления единицы к двоичным числам и вычитания ее из них.

Счетчики с последовательно-параллельным переносом.

В связи с ограничениями на построение счетчиков с параллельным переносом большой разрядности широкое распространение получили счетчики с групповой структурой, или счетчики с последовательно-параллельным переносом. Разряды таких счетчиков разбиваются на группы, внутри которых организуется принцип параллельного переноса. Сами же группы соединяются последовательно с использованием конъюнкторов, формирующих перенос в следующую группу при единичном состоянии всех триггеров предыдущих. При единичном состоянии всех триггеров группы приход очередного входного сигнала создаст перенос из этой группы. Эта ситуация подготавливает межгрупповой конъюнктор к прямому пропусканию входного сигнала на следующую группу.

В развитых сериях ИС обычно имеется по 5…10 вариантов двоичных счетчиков, выполненных в виде 4-х разрядных групп (секций). Каскадирование секций может выполняться путем их последовательного включения по цепям переноса, организации параллельно-последовательных переносов или для более сложных счетчиков с двумя дополнительными управляющими входами разрешения счета и разрешения переноса путем организации параллельных переносов и в группах и между ними.

Особенностью двоичных счетчиков синхронного типа является наличие ситуаций с одновременным переключением всех его разрядов (например, для суммирующего счетчика при переходе от кодовой комбинации 11…1 к комбинации 00…0 при переполнении счетчика и выработке сигнала переноса). Одновременное переключение многих триггеров создает значительный токовый импульс в цепях питания ЦУ и может привести к сбою в их работе. Поэтому в руководящих материалах по использованию некоторых БИС/СБИС программируемой логики, в частности, имеется ограничение на разрядность двоичных счетчиков заданной величиной k (например, 16). При необходимости применения счетчика большей разрядности рекомендуется переходить к коду Грея, для которого переходы от одной кодовой комбинации к другой сопровождаются переключением всего одного разряда. Правда, для получения результата счета в двоичном коде придется использовать дополнительно преобразователь кода, но это является платой за избавление от токовых импульсов большой интенсивности в цепях питания.

5. Предварительный расчет МВ

Исходные данные:

Частота поступления импульсов, генерированных МВ на ОП, составляет:

Примем соотношение:

При этом напряжение на конденсаторе изменяется ещё достаточно линейно, что обеспечивает чёткое срабатывание ОП как компаратора, а значит и стабильность частоты генерированных импульсов.

Зададим частоту сопротивления резистора :

Тогда:

В качестве резисторов выберем резисторы соответствующей величины типа С 2-33 с номинальной мощностью 0.125 Вт.

Тогда

Откуда:

Принимаем значение С=0.01 мкФ, для частоты f=7.8 кГц получим:

Результат расчета соответствует ограничениям.

Построение счётчика импульсов

Чтобы получить СИ с коэффициентом перерасчёта 6 из четырёхразрядного последовательного двоичного, необходимо ограничить число состояний последнего - оставить от нулевого до тринадцатого. Для этого надо с помощью логического элемента И дешифровать его четырнадцатое состояние, которому соответствует на выходах , , , комбинация сигналов 0110, и обеспечить установление счётчика по этой комбинации в нуль. При этом понадобится двухходовой логический элемент И. Поскольку в качестве логических элементов мы можем использовать элементы И-НЕ, то необходим ещё и инвертор. Его мы получим из двухходового элемента, если подадим на один из его входов сигнал const 1.



Временная диаграмма работы СИ



Выводы

В результате данного курсового проекта разработана схема мультивибратора на операционном усилителе.

Были проведены расчеты и подбор значений конденсаторов и резисторов.

В результате расчетов подтверждено работоспособность данной схемы.

В работе приведен чертеж мультивибратора со счетчиком-делителем формата А3.



Список использованной литературы

1. Воробьев Н.И. Проектирование электронных устройств.- М.: Высшая школа, 1989.

2. Усатенко С.Т., Каченюк Т.К. Терехова М.В. Выполнение электрических схем по ЕСКД. - М.: Изд. Стандартов, 1989.

3. Полупроводниковые приборы: Диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы: Справочник/Под ред. Н.Н. Горюнова. - М.: Энергоиздат, 1982.

4. Полупроводниковые приборы: Транзисторы: Справочник/Под ред. Н.Н. Горюнова .-М.: Энергоиздат, 1985.

5. Гурлев .Д.С. Справочник по электронным приборам .- К.: Техника, 1979.

6. Резисторы: Справочник/Под ред. И.И. Чертверткова. -М.: Энергоиздат, 1981.

7. Справочник по электрическим конденсаторам/Под ред. И.И. Чертверткова, В.Ф. Смирнова.-М.: Радио и связь, 1983.

8. Разработка и оформление конструкторской документации РЭА. Справочник/Под ред. Романычевой Э.Т. -М.: Радио и связь, 1989.

9. Расчет электронных схем/Под ред. Г.И. Изъюровой, Г.В. Королева, В.А. Терекова. -М.: Высшая школа, 1987.

10. Гусев В.Г., Гусев В.М. Электроника. -М.: Высшая школа, 1991.

11. Справочник конструктора РЭА: Общие принципы конструирования-М.:Сов.Радио 1980. -480с.,ил.

12. Гелль П.П., Иванов-Есипович Н.К. Конструирование и микроминиатюризация радиоэлектронной аппаратуры: Учебник для вузов. - Л.: Энергоатомиздат.

Размещено на Allbest.ru

...