Таймеры общего применения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Введение

2. Литературный обзор

2.1 Классификация и принципы построения таймеров

2.2 Особенности структур таймеров общего применения

2.3 Особенности применения и основные параметры одноконтактного таймера

2.4 Особенности применения и основные параметры программируемого таймера

2.5 Одновибраторы на таймерах. Базовые структуры одновибраторов

2.6 Мультивибраторы на таймерах. Мультивибраторы на одноконтактных таймерах

3. Выбор и обоснование принципиальной электрической схемы

3.1 Выбор элементов схемы

3.2 Принцип работы схемы

4. Принципиальная электрическая схема

Список используемой литературы

Заключение

1. Введение

таймер одноконтактный программируемый мультивибратор

Таймер - прибор производственно-технического, военного или бытового назначения, в заданный момент времени выдающий определённый сигнал, либо включающий - выключающий какое либо оборудование через своё устройство коммутации электроцепи. Большей частью под таймерами подразумеваются устройства, отмеряющие заданный интервал времени с момента запуска (вручную или электрическим импульсом) с секундомером обратного отсчёта, вместе с тем, существуют таймеры, момент срабатывания которых задаётся установкой необходимого времени суток (так называемые таймеры реального времени), в этом случае таймер имеет в своём составе часы или устройство хранения времени, простейшим таймером такого рода является будильник. Таймеры, имеющие достаточную точность и предназначенные для установки длительности каких-либо процессов в промышленном производстве, на транспорте, в связи, научных исследованиях аттестуются в качествесредств измерений.

Некоторые виды таймеров имеют программное устройство для обеспечения срабатывания в разные моменты времени, с выдачей сигналов по разным каналам, например, для включения в определённой последовательности разных бытовых приборов. Также, существуют программные таймеры, реализующие сходные функции.

В программировании, таймером является объект, возбуждающий событие по истечении заданного промежутка времени. Событием является посылка сообщения, вызов функции, установка параметров объекта ядра и т.д. Обычно, данный тип таймеров поддерживается операционной системой, причём часто поддержка таймеров существует на уровне аппаратуры. По своему исполнению подразделяются на механические, электромеханические и электронные. Среди последних отдельную группу составляют интегральные таймеры - 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 - счетчики, регистры, ячейки памяти, шифраторы и дешифраторы Первичным эталоном временного интервала тут является пьезокварцевый резонатор, за счет чего достигается высокая точность работы таймера. 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 - 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) она значительно меньше, чем у одновибраторов, построенных на основе биполярных (например, микросхема К155АГ1) или МОП-транзисторов.

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. Компараторы в таймерах обеспечивают повышение чувствительности их цифровых компонентов от единиц вольт до долей милливольта к изменениям входных напряжений. Таким образом, основные функции в аналоговых таймерах выполняют цифровые узлы, точность же формирования интервала времени определяется в первую очередь компараторами напряжения.

2. Литературный обзор

2.1 Классификация и принципы построения таймеров

Массовое применение таймеров в аппаратуре, разнообразие решаемых ими задач и, следовательно, многообразие требований, предъявляемых к их параметрам в зависимости от типа аппаратуры и рода выполняемых функций, обусловило создание большого семейства полупроводниковых таймеров.

Все аналоговые таймеры делятся на два класса: однотактные и многотактные со встроенным счетчиком.

Однотактные таймеры применяются, если длительность формируемых временных интервалов лежит в пределах от 1 мкс до 1 ч. Семейство таких таймеров можно разделить на две группы (рис. 1). К первой группе относятся таймеры общего применения, имеющие по одной, две и четыре ИС на одном кристалле. Вторую группу составляют специализированные таймеры: микромощные и помехоустойчивые ИС. Длительность формируемого таймером (рис. 2,а) интервала времени определяется током заряда внешнего времязадающего конденсатора С_t а ток заряда - сопротивлением внешнего времязадающего резистора R_t. Формируемый таймером временной интервал Т_n пропорционален постоянной времени RC-цепи и определяется длительностью изменения напряжения на C_t в пределах некоторого диапазона, установленного внутренним резисторным делителем таймера.

Однотактный таймер, представленный на рис. 2,а, работает следующим образом. В исходном состоянии, когда переключатель замкнут, напряжение на конденсаторе уменьшается до нуля и на выходе таймера устанавливается 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 заряжаться только через R_t, а напряжение на Сt будет экспоненциально нарастать с постоянной времени R_tC_t, стремясь к своему максимальному значению U_n.

Рис 1 Классификация полупроводниковых таймеров

а) б)

Рис. 2 Обобщенные структуры однотактного (а) и многотактного (б) таймеров

Как только напряжение на конденсаторе достигнет некоторой величины U_оп1, компаратор начнет вырабатывать сигнал, устанавливающий триггер (а следовательно, 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 формируется один выходной импульс после подачи внешнего сигнала запуска на вход триггера. Для того чтобы таймер мог работать в режиме асинхронного мультивибратора, управляющий входной сигнал от времязадающей RC-цепи подается на RS-триггер через компаратор А2 с опорным напряжением U_on2.

Чтобы иметь возможность прервать выполнение таймером заданной функции, независимо от завершенности временного цикла, введен переключатель S2. При подаче 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 аппаратуры, требующей использования генераторов сигналов сверхнизкой частоты с продолжительностью импульсов до нескольких суток. Семейство этих таймеров делится на две основные группы (рис. 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 содержат таймеры общего применения, выполненные по биполярной технологии, и микромощные. Ко второй группе относятся специализированные таймеры со встроенными счетчиками, у которых однозначно задан коэффициент деления п.

Программируемые таймеры работают следующим образом (рис. 2,б). При подаче на вход запуска импульса 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 временные интервалы, длительность которых может устанавливаться от Т_n до (2^n-1)Т_n. На первом выходе формируется импульс длительностью Т_n, на втором - длительностью 2Т_n, а на N-ном длительностью (2^n-1) Гц. Счетчик допускает объединение выходов, причем длительность формируемого в этом случае временного интервала определяется суммой длительностей импульсов на объединенных выходах. Например, объединены выходы, формирующие отдельно импульсы длительностью T_n, 8Т_n и 128Т_n, тогда длительность формируемого временного интервала равна T_n+8Т_n+128Т_n= 137Т_n. Таким образом, объединяя соответствующие выходы, можно получить любую длительность импульса 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 используется управляющая цифровая ИС.

2.2 Особенности структур таймеров общего применения

В полупроводниковых таймерах наибольшее распространение получили структуры, использованные в однотактных таймерах NE 555, LM 322 и программируемом XR 2240. Структура таймера КР1006ВИ1, аналогичного NE 555, показана на рис. 3,а. Эти таймеры состоят из четырех функциональных узлов: двух компараторов напряжения на входе, RS-триггера и инвертирующего усилителя мощности на выходе. Внутренний резисторный делитель задает пороговые напряжения, равные 2U_n/3 для компаратора А1 и U_n/3 для компаратора А2.

Рис. 3 Функциональные схемы однотактных таймеров общего применения КР1006ВТ1 (а) и прецизионного LM322 (б)

Длительность генерируемых выходных импульсов 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 преимуществом XR 320 является то, что времязадающий конденсатор С_t заряжается внутренним генератором постоянного тока, величину которого определяет внешний резистор R_t. 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(рис. 3,б). Этот таймер, второй по массовости применения среди однотактных, существенно превосходит NE 555 по сочетанию параметров точности, быстродействия и потребления. LM322 часто относят к прецизионным, подразумевая под этим не столько его высокие точностные характеристики, сколько специфичность применения в аппаратуре. Таймер содержит источник опорного напряжения 3,15 В к которому подключается внешний времязадающий резистор. Применен только один компаратор быстродействие, которого можно увеличить, подключив дополнительный вывод N к источнику питания. Запускается таймер положительным фронтом импульса. Таймер LM322 существенно отличается от NE355 конструкцией выходного каскада. Хотя использованное в схеме включение транзистора VT2 и делает более универсальным 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 функциональная схема которого приведена на рис. 4.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 пороговые напряжения переключения, равные 3U_n/4 и U_n/4 соответственно. Выходами двоичного счетчика являются 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 счетчика.

2.3 Особенности применения и основные параметры однотактного таймера

Для полного и правильного использования различных возможностей таймера КР1006ВИ1 необходимо знать назначение его выводов, характеристики и требования к выбору параметров времязадающих элементов.

Назначение выводов таймера КР1006ВИ1 (рис. 3,а) незначительно отличается от рассмотренного ранее для обобщенной структуры на рис. 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 изменения напряжения питания равно 0,7 мА (рис. 5,а). Таймер способен отдать в нагрузку или принять из нее ток не более 200 мА, что позволяет управлять непосредственно лампочками 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 инвертирующим.

Рис. 4 Функциональная схема многотактного программируемого таймера XR 2240

Зависимость минимальной длительности Т_nзапускающего импульса от низкого уровня его напряжения U показана на рис. 5,б. При высоком напряжении на выводе 2 состоянием выхода таймера можно управлять с помощью компаратора А1 по выводу 6, называемому обычно пороговым входом (рис. 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. установления на его выходе низкого напряжения, независимо от напряжения на выводах 2 и 6, используется вывод 4. Если напряжение на этом выводе меньше или равно 0,4 В, напряжение на выходе равно 0,1-0,2 В. При напряжении большем 1 В цепь сброса выключена и не влияет на работу таймера. Кроме низкоомного выхода (вывод 3) таймер имеет и вспомогательный высокоомный выход (вывод 7), представляющий собой открытый коллектор транзистора VT1 (рис. 1.3,а), Этот вывод обычно используется 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. 5, д). Однако приводимое в справочных данных значение погрешности формирования временного интервала, равное 0,5%, измеряется обычно при формировании импульсов длительностью более 10 мкс. Время нарастания выходного напряжения таймера не превышает 100 нс.

Временные параметры этого однотактного таймера слабо зависят от изменений Uп и температуры (рис. 5,е) и полностью определяются схемотехникой внутренних компараторов и качеством биполярной технологии их изготовления. В таймерах, изготовленных, по КМОП-технологии, отличающейся худшим согласованием параметров парных транзисторов. Зависимость характеристик от U_n и температуры значительно выше, чем у таймеров, изготовленных по биполярной технологии.

Особенности применения таймера КР1006ВИ1 связаны с не идеальностью его параметров и схемотехникой узлов. Чтобы параметры времязадающей цепи R_tC_t не влияли на точность формирования временных интервалов, необходимо ограничить диапазон изменения сопротивления R_t и 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_t из 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.

Рис. 5 Зависимости тока I_п от U_п (а), длительности импульса запуска импульса от его напряжения лог. (б), максимального напряжения от выходного тока (в), напряжения лог. 0 от выходного тока (г), задержки распространения от напряжения лог. 0 импульса запуска (д) и точности формирования времени от температуры и U_п (е) для таймера КР1006ВИ1

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 выполнять требуемую функцию. Поэтому не рекомендуется использовать времязадающие резисторы с сопротивлением более 10 МОм.

Минимальное сопротивление R_t определяется максимально 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 рекомендуется 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_t может быть уменьшено до 150 Ом, что для аппаратуры специального назначения должно подтверждаться соответствующими техническими условиями.

Минимальная емкость времязадающего конденсатора 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_t сколь 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 интервалов ток утечки через C_t должен быть более, чем на два порядка меньше зарядного тока.

Выходной инвертирующий усилитель таймера (рис. 3,а) работает в режиме АБ, вследствие чего на переходной характеристике возникает «полка» длительностью 10-20 нс при напряжении 1,5 В. Если таймер нагружен на быстродействующие ТТЛ-схемы (например, серий 130 или 533), то наличие такой «полки» 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.

2.4 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. 4). Основное напряжение питания, подаваемое на вывод 16 и измеряемое относительно вывода 9 равно 4-15 В. Приращение потребляемого таймером тока на 1 В увеличения напряжения U_п1 равно 1 мА. При напряжении питания 4,5 В внутренний источник стабилизированного напряжения U_п2, перестает работать, поэтому выводы 15 и 16 следует объединить, чтобы обеспечить нормальную работу счетчика. Максимальный ток, который выходы счетчика (выводы 1-8) могут принимать от нагрузки, не должен превышать 5 мА. Допустимое изменение напряжения на выводах 1-8 лежит в пределах 0-15 В. Запуск таймера осуществляется положительным фронтом импульса, подаваемого на вывод 11 управляющего триггера. В момент запуска напряжения на выводах 1-8 начинают изменяться в соответствии с временной диаграммой (рис. 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. 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 1/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.

Рис. 6 Основная схема включения (а) и временные диаграммы работы (б) XR2240

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 отреагирует 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.

2.5 Одновибраторы на таймерах. Базовые структуры одновибраторов

Применение таймеров в одновибраторах позволило решить одну из наиболее распространенных задач цифровой аппаратуры - формирование одиночного управляющего сигнала с произвольными временными характеристиками установленными внешней RC-цепью.

Схема одновибратора на однотактном таймере КР1006ВИ1 приведена на рис. 7 работает такой одновибратор следующим образом. При положительном входном напряжении, большем U_п/3 RS-триггер таймера удерживает внутренний транзистор VT1 насыщенным и напряжение на время задающем конденсаторе C_t близко к нулю. Поэтому и выходное напряжение близко к нулю . при подаче на триггерный вход(вывод2) Напряжение не менее U_п/3 компаратор A1 в таймере переключает RS-триггер, транзистор VT1 закрывается, напряжение на C₁ экспоненциально нарастает, стремясь к своему максимальному значению, равному U_п (рис. 7), и на выходе устанавливается напряжение . Скорость нарастания напряжения U_с на времязадающем конденсаторе C_t определяется постоянной времени цепи R_t C_t. Значение сохраняется в течении времени увеличения U_c напряжения 2 U_п/3. В момент, когда выполняется равенство U_с(t)=2U_п/3, RS-триггер в таймере переключается в исходное состояние транзистор VT1 насыщается разряжая конденсатор C_t, и . Низкий уровень выходного напряжения таймера сохраняется до тех пор, пока на триггерный вход вновь не поступит импульс, изменяющий напряжение на выводе 2 от U_п до величины, меньшей U_п/3.

Одновибратор запускается спадом положительного импульса амплитудой, равной U_п. однако если спад импульса поступит на триггерный вход таймера в период увеличение U_с от 0 до 2U_п/3, то таймер на этот спад не отреагирует. В то же время, конденсатор С_t,будет мгновенно (за время менее 50нс) разряжен, не зависимо от величины U_с, если подать напряжение менее 0.4 В в цепь сброса таймера (вывод 4). Эта цепь не влияет на работу одновибратора, если напряжение на выводе 4 больше 1 В. Когда цепь сброса не используется для управления работой одновибратора, то для уменьшения влияния внешних помех вывод 4 следует подключить к шине питания.

Время задержки t_з, в течение которого на выходе таймера сохраняется высокий уровень напряжения, равного U_п, можно рассчитать из уравнения , предполагая, что U_с=0 при насыщенном транзисторе VT1. Это время t_з=1.1 R_tC_t. зависимости, позволяющие при заданном времени t_з определить возможные сочетания R_t C_t, приведены на рис. 8. Время t_з практически не зависит от U_п при его изменении в диапазоне 5-16 В, поскольку пороговые напряжения внутренних компараторов таймера пропорциональны U_п.

При расчете R_tC_t-цепи одновибратора следует учитывать что низкий уровень напряжения запуска не должен сохранятся дольше времени 1.1 R_tC_t. Нарушение этого условия приводит к тому, что через время таймер начинает генерировать импульсы произвольной формы.

Рис. 7 Одновибратор на однотактном таймере (а) и временные диаграммы работы

Рис 8 Зависимости для определения R_t и C_t при заданном времени t_з

2.6 Мультивибраторы на таймерах. Мультивибраторы на однотактных таймерах

Базовая схема мультивибратора и изменения напряжений на выводах таймера в этом включении приведены на рис 9. Времязадающий конденсатор C_t заряжается через сопротивления R₁+R_t, а разряжается через R1. Поэтому временные параметры рабочего цикла мультивибратора могут быть точно установлены соответствующим выбором соотношений между сопротивлениями R₁+R_t и R1.

Рабочий цикл. После включения питания U_н конденсатор С_t заряжается от 0 до 2U_н/3 за время t₀=1.1(R₁+R_t)C_t. Напряжение на выходе таймера в течение этого времени равно U_п. В момент t₀, когда напряжение на C_t достигнет величины 2U_п, потенциал выводов 3 и 7 падает до нуля и конденсатор C_t начинает разряжаться от 2U_п/3 до U_п/3. Время t₀ определяет продолжительность выхода таймера на периодический режим работы, после чего формируются одинаковые повторяющиеся сигналы. Рабочий цикл таймера в режиме мультивибратора складывается из времени заряда C_t от U_н/3 до 2U_н/3 и времени разряда C_t от 2U_н/3 до U_н/3. Время заряда t₁=(R₁+R_t)C_tln[(U_п - 2U_п/3)/(U_п - U_п/3)]= 0.693(R₁+R_t)C_t, время заряда t₂=0/693R₁С_t, длительность рабочего цикла мультивибратора Т_и=t₁+t₂, а частота генерируемых выходных сигналов f_г=1/Т_и=1.443/(2R₁+R_t)C_t.

Скважность выходных импульсов мультивибратора обычно определяют как отношение длительности импульса t₁ к сумме длительностей импульса и паузы D=t₁/(t₁+t₂)=(R₁+R_t)/(2R₁+R_t). Возможные комбинации соотношений между R_t, R1и C_t необходимые для получения требуемых частоты f_r и скважности D выходных импульсов мультивибратора (рис. 9,а), можно определить из графиков на рис 10. Как видно из рисунка, этот мультивибратор позволяет регулировать скважность выходных импульсов в диапазоне 50%?D?100%.

Рис. 9 Базовая структура мультивибратора (а) и временные диаграммы его работы (б)

Получить скважность импульсов меньше 50% можно, включить в схему на рис 9,а диод VD1. C_t в таком мультивибраторе будет заряжаться через R_t и открытый диод VD1, а разряжаться, как и в базовой схеме, через R1. Чтобы уменьшить влияние диода VD1 на точность формирования временных интервалов, целесообразно последовательно с резистором R1 включить диод VD2, идентичный по параметрам диоду VD1 (например, использовать однокристальные диодные или транзисторные сборки). В этом случае влияние диодов на временные интервалы t₁ и t₂ взаимокомпенсируются. Однако t₁, t₂ импульсов, генерируемых таким мультивибратором, больше аналогичных времен импульсов, генерируемых базовой структурой. Следует учитывать, что чем меньше напряжение U_п, тем существеннее влияние диодов. Вместе с тем при напряжении питания 15 В погрешность определения параметров R_t и C_t в зависимости от требуемой частоты f_г не превышает 10%, т.е. лежит в рамках обычного разброса параметров R_t и C_t.

3. Выбор и обоснование принципиальной электрической схемы

3.1 Выбор элементов схемы

Принципиальная построена на основе таймера КР1006ВИ1, описанного в п. 2.2 и 2.3.электрическая схема показана на рис. 10. Параметры КР1006ВИ1 указаны в таблице 1 и таблице 2. Также в состав схемы входит микросхема серии КМОП 564ИР2, она представляет собой два четырехразрядных регистра сдвига с последовательным вводом и параллельным выводом информации (рис. 12). Содержит 236 интегральных элементов. Корпус типа 402.16-23, масса не более 2г. Технические условия: АЕЯР.431200.150-11 ТУ. Рабочая температура: -60…+125⁰С. Ток потребления: не более 0,6 мА., напряжение питания 4,2-13,5 В.

Принципиальная электрическая схема также включает в себя: 5 логических вентилей “И-НЕ” типа CD4011; 2 триггера D1 и D2 типа 564ЛА7; 2 транзистора VT1 типа 2N2907 и VT2 типа 2N3053 и др.

Таблица 1

Параметры таймера КР1006ВИ1

Таблица 2

Предельно допустимые режимы эксплуатации КР1006ВИ1

Рис. 10 Электрическая схема КР1006ВИ1

Назначение выводов КР1006ВИ1

1 - общий;

2 - запуск;

3 - выход;

4 - сброс;

5 - контроль делителя;

6 - срабатывание;

7 - цепь разряда;

8 - напряжение питания.

3.2 Принцип работы схемы

Имитатор неисправности двигателя защитит автомобиль от угона если водитель не включил охранную сигнализацию. Устройство обеспечивает нормальный запуск двигателя, а спустя 12 с размыкает цепь катушки зажигания, в результате чего двигатель глохнет. Через 4 с цепь катушки замыкается и двигатель можно снова запустить, но уже только на 10 с. После двух не удачных попыток, похититель отъехав на небольшое расстояние оставит по его мнению неисправный автомобиль.

Устройство включается замаскированным выключателем S1. Некурящие водители могут замаскировать S1 в зажигалке, провод которой отключается от аккумулятора и подключается к схеме в точке А. Для полноценной защиты можно выключатель зажигания соединить последовательно с S1. Схема защиты включается при заземлении точки А. При включении зажигания срабатывает триггер D1 и импульсы с выхода таймера поступают на сдвигающий регистр. Спустя 12 с (6 импульсов), вентили НЕ-И закроют VT2 и запуск двигателя можно возобновить. Когда похититель включает зажигание в третий раз, то срабатывает триггер D2 и запуск двигателя блокируется до замыкания S1 временные диаграммы детально показаны на рис. 10. Подключив выводы 5 и 12 сдвигающего регистра к дополнительному двухвходовому вентилю ”И-НЕ”, управляющему звуковым или световым сигналом, через 60 с можно получить сигнал тревоги. Потребляемый устройством ток в режиме сторожа не превышает 10 мА. Чтобы сделать устройство непохожим на противоугонное средство, его можно собрать на небольшой плате и разместить в корпусе, напоминающем прибор для контроля загрязнения окружающей среды.

Рис. 11 Временные диаграммы характеризующие работу “имитатора неисправности двигателя”

Рис. 12 Структурная схема и назначение выводов микросхемы 564ИР2

Список используемой литературы

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

2. Воробьев Н.И. Проектирование электронных устройств. М.: Высшая школа, 1989. 222 с.

3. Грунди. Противоугонное устройство. Электроника, 1976, №26, с 57.

4. Коломбет Е.А. Таймеры. М.: Радио и связь, 1983. 128 с.

5. Нефедов А.В. Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги: Справочник. Том 7. М.: ИП РадиоСофт, 1999. 640 с.

6. Шило Л.В. Популярные цифровые микросхемы. Справочник. М.: Радио и связь, 1989. 352 с.

Заключение

В данной курсовом проекте были описаны принцип работы различных типов таймеров и представлены их примеры, подробно рассмотрены структурные схемы и диаграммы, характеризующие работу некоторых из этих типов таймеров. Представлены преимущества и недостатки всех описанных в этом курсовом проекте таймеров исходя из чего был выбран таймер КР1006ВИ1 для построения принципиальной электрической схемы “имитатор неисправности двигателя”. Были описаны схемы одновибратора и мультивибратора построенных на основе таймера КР1006ВИ1 и диаграммы, демонстрирующие их работу, а также принцип работы схемы “имитатор неисправности двигателя”.

Размещено на Allbest.ru