Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство Образования и Науки Российской Федерации

Уфимский Государственный Авиационный Технический Университет

Кафедра технической кибернетики

Пояснительная записка к курсовой работе по дисциплине «Электронике»

Расширитель импульсов

Выполнил: студент группы Т28-220 Дымов В.В.

Проверил: Пугин А.М.

Техническое задание на курсовой проект

Расширитель импульсов

1.1 Разработка функциональной схемы устройства

В системах передачи информации для ослабления влияния случайных флуктуаций, а также для управления в устройствах автоматики нередко требуется из коротких импульсов получать более широкие, определенной длительности. Эта задача легко реализуется с помощью ждущего мультивибратора (одновибратора). Одновибратор является триггерной схемой, которая генерирует одиночный импульс под действием внешнего управляющего сигнала. При этом подразумевается, что формируемый импульс превышает длительность запускаемого.

Как правило, применяют один из двух методов формирования импульса: аналоговый или цифровой. Наиболее простым является аналоговый - используется процесс перезаряда конденсатора.

Рис. 1.1 Формирователь широкого импульса с использованием триггера Шмитта

Пример такой схемы показан на рис. 1.1. Для правильной работы данного одновибратора необходимо, чтобы длительность входного запускающего импульса была достаточно большой, чтобы конденсатор успел полностью разрядиться. После окончания запускающего импульса конденсатор заряжается через резистор до величины напряжения питания. При этом, как только напряжение достигнет -- элемент D2.1 переключится. В этом случае длительность выходного импульса () зависит от номиналов установленных емкости и резистора во времязадающей цепи. Упрощенная формула позволяет ориентировочно рассчитать длительность импульса

,

где -- напряжение питания схемы; - уровень используемого порога (рис. 1.2) для переключения элемента.

Рис. 1.2 Области допустимых уровней сигнала на входе МОП микросхем

С учетом разброса значений напряжения порога переключения () длительность импульса может принимать значения от до . Обычно в одновибраторах используются ЛЭ из одного корпуса (кристалла). В этом случае разброс оказывается незначительным и можно принять . Это соотношение используется для определения длительности импульса в большинстве схем.

Применяемые в схемах диоды ускоряют процесс перезаряда емкости, что уменьшает возможности возникновения импульсных помех на выходе ЛЭ.

Чтобы выходное сопротивление ЛЭ не сказывалось на точности расчета, а также не перегружался выход, резистор должен быть номиналом не менее 10...20 кОм. Чтобы пренебречь при расчетах емкостью монтажа, минимальная емкость может быть 200...600 пФ. Для получения высокой температурной стабильности временного интервала номинал должен быть < 200 кОм, а конденсатор не более 1, 5 мкФ. Использование электролитических конденсаторов увеличивает нестабильность временного интервала.

Для уменьшения влияния разброса значений на длительность формируемого импульса можно воспользоваться схемами с двумя времязадающими цепями (рис. 1.3). Если постоянные времени обеих времязадающих цепей одинаковы, то при максимальном разбросе значений от до изменение длительности формируемого импульса не превышает 9%.

Рис. 1.3 Одновибраторы с двумя времязадающими цепями

Выполнение одновибраторов на RS-триггере, рис. 1.4, дает возможность иметь два раздельных входа запуска (по переднему фронту импульса), а также сразу получать на выходах прямой импульс и импульс с инверсией. Еще одним преимуществом одновибраторов на RS-триггерах является возможность осуществлять запуск от медленно меняющегося входного напряжения.

Рис. 1.4 Ждущие мультивибраторы: а) на D-триггере; б) на JK-триггере, в) с повышенной стабильностью при изменении питания

Второй метод получения импульса нужной длительности связан с использованием счетчиков -- цифровых одновибраторов Их применяют, когда временной интервал должен быть очень большим или предъявляют высокие требования к стабильности формируемого интервала. В этом случае минимальная получаемая длительность ограничена только быстродействием используемых элементов, а максимальная длительность может быть любой (в отличие от схем, использующих RC-цепи).

Рис. 1.5 Цифровой одновибратор на программируемом счетчике

Принцип работы цифрового одновибратора основан на включении триггера входным сигналом и отключении через временной интервал, определяемый коэффициентом пересчета счетчика. Использование в одновибраторе счетчиков с переключаемым коэффициентом деления, рис. 1.5, позволяет получить импульс любой длительности. Микросхема 564ИЕ 15 состоит из пяти вычитающих счетчиков, модули пересчета которых программируются параллельной загрузкой данных в двоичном коде. На загрузку чисел в счетчики требуется три такта, поэтому можно устанавливать коэффициент деления N>3

При работе цифрового одновибратора с кварцевым автогенератором тактовой частоты обеспечивается более высокая стабильность длительности выходного импульса, что позволяет их применять в измерительных приборах.

Рис. 1.6 Цифровой одновибратор с повышенной стабильностью временного интервала

На рис. 1.6 показан пример простейшей схемы для получения импульса с помощью счетчика. Работу одновибраторов поясняют диаграммы, показанные на рисунках. Недостатком приведенной схемы является случайная погрешность, связанная с произвольностью фазы задающего генератора в момент запуска. Погрешность может составлять до периода тактовой частоты и уменьшается с увеличением частоты генератора и коэффициента пересчета счетчика.

Проработав рекомендованную литературу, я понял, что можно реализовать предложенную задачу двумя способами. При помощи аналоговых схем или при помощи цифровых. Приняв во внимание то, что аналоговая схема очень большая и требует много расчетов. Я остановился на цифровой схеме, которая меньше по своим размерам и занимает, не много времени в расчетах, а самое главное то, что при использовании цифровой схемы повышается точность работы.

1.2 Функциональная схема универсального расширителя импульсов

2. Разработка и описание принципиальной схемы устройства

Генератор импульсов.

При построении генераторов типа мультивибраторов на основе цифровых ИС используются усилительные свойства инверторов. Чтобы обеспечить возникновение и существование устойчивых автоколебаний, следует исходно вывести инверторы по постоянному току на линейный участок передаточной характеристики - участок между уровнями «нуль» и «единица», где инверторы работают как инвертирующие усилители входного сигнала. После этого остается ввести в устройство положительную обратную связь с помощью одного или двух конденсаторов.

Стабилизация режимов инверторов по постоянному току обеспечивается в данном случае за счет общей обратной связи через резистор , охватывающий три последовательно включенных инвертора. Положительная обратная связь реализуется за счет конденсатора .

Период импульсов, вырабатываемых мультивибратором, определяется в первом приближении постоянной времени (, где обычно имеет значение 1,0-2,0). При использовании ТТЛ-инверторов сопротивление может лежать в диапазоне от 0 до 2кОм. Если в ТТЛ-мультивибраторе резистор отсутствует, то период колебаний определяется задержками в срабатывании инверторов и временем перезаряда через выходные сопротивления соответствующих инверторов. Для того чтобы уменьшить токи, протекающие при перезаряде конденсатора через защитные диоды, имеющиеся на входах интегральных КМОП-схем, в КМОП-мультивибраторе рекомендуется устанавливать последовательно со входом первого инвертора ограничивающий резистор .

Относительно большие входные токи ТТЛ-инверторов препятствуют увеличению сопротивления резистора обратной связи . Поэтому для получения низкочастотных импульсов приходится применять большие емкости .

Генераторы импульсов могут быть построены также на двух или на одном инверторе.

Счетчики.

Счетчиком называют устройство, предназначенной для подсчета числа импульсов поданных на вход. Простейший многоразрядный двоичный делитель частоты с коэффициентом деления 2ⁿ соединив последовательно n триггеров Т-типа. Более общее назначение для делителей частоты - счетчики. Используя множество различных вариантов счетчиков: асинхронные и синхронные; двоичные и десятичные; однонаправленные (с увеличением счета) и двунаправленные (с увеличением или уменьшением счета), называемые реверсивными, с постоянным или переключаемым коэффициентом деления. Основой любого счетчика является линейка из нескольких триггеров.

Между триггерами могут быть введены дополнительные обратные связи, позволяющие получить любой коэффициент деления, а не только 2ⁿ. Например счетчик состоящий из 4 триггеров может иметь максимальный коэффициент деления 2⁴ степени. Чтоб получить коэффициент деления 10 необходимо ввести обратные связи.

Микросхема ИЕ5 является 4х разрядным асинхронным счетчиком. Счетчик состоит из 4х JK-триггеров, образующих 2 независимых делителя на 2 и на 8. Счетчик имеет два входа R для синхронного сброса, выводы 2 и 3. Тактовые входы всех триггеров инверсные динамические, поэтому переключение триггеров будет происходить спадом импульсов.

Микросхема СП1 - это схема сравнения (компаратор) двух четырехразрядных чисел. Она имеет одиннадцать входов, четыре пары (8 входов) из них принимают два четырехразрядных числа А0…А3, и В0…В3, а также три входа I(A<B), I(A=B), I(A>B) необходимых для увеличения разрядности схемы. Компаратор имеет три выхода A<B, A=B, A>B.

RS-триггер.

Это триггер с раздельной установкой состояний логического нуля и единицы (с раздельным запуском). Он имеет два информационных входа R и S. По входу S триггер устанавливается в состоянии Q=1, а по входу R - Q=0.

Асинхронные RS-триггеры являются наиболее простыми триггерами. В качестве самостоятельного устройства применяются редко, но являются основой для построения более сложных триггеров. В зависимости от логической структуры различают R-S триггеры с прямыми и инверсными входами. И-НЕ триггер с инверсными входами. Выход каждого из логического элементов подключен к одному из входов другого элемента, что обеспечивает триггеру два устойчивых состояния.

При подаче на вход импульса длительностью на выходе RS-триггер передним фронтом переключается в состояние «1». В это время пока не закончился импульс на выходе элемента D1.4 формируются счетные импульсы подаваемые на счетчик D2. Одновременно с этим происходит счет импульсов на составном счетчике D3, D5 с коэффициентом пересчета 15 что обеспечивает коэффициент увеличения длительности импульса в 15 раз. Полученные на выходах счетчиков коды сравниваются на микросхеме сравнения D6. При равенстве кодов на выходе микросхемы D6 генерируется сигнал переключающий RS-триггер в состояние «0».

3. Временные диаграммы

На данной диаграмме:

1. Входной импульс.

2. Импульсы на входе первого счетчика (D2).

3. Импульсы на выходе делителя, на входе второго счетчика (D5).

4. Импульсы на выходе компаратора.

5. Выходной импульс.

4. Расчетная часть

Из технического задания

1. Определим частоту задающего генератора. На данную величину установлено два ограничивающих условия: снизу - погрешностью длины выходного импульса , а сверху - разрядностью используемых в схеме счетчиков.

2. Вычислим абсолютную величину погрешности рассматриваемого выходного импульса:

Рис. n.1 К определению погрешностей

3. Найдем нижний предел частоты задающего генератора из условия:

4. Определим минимальную необходимую разрядность для используемых в схеме счетчиков. Для этого вычислим максимальное количество импульсов задающего генератора, помещающихся в исходном импульсе.

Следовательно достаточно использовать 2 разряда 4-разрядного счетчика.

5. Минимальная длительность выходного импульса ограничена его абсолютной погрешностью умноженной на

6. Определим параметры элементов задающего генератора. Резистор является ограничительным, и его сопротивление в схеме с ТТЛ инверторами не должно быть меньше 1,0kОм, а чтобы он не влиял на расчетную частоту, номинал резистора выберем значительно больше .

Полный период генератора для используемой схемы составляет .

Возьмем стандартный конденсатор емкостью 9,1нФ.

5. Принципиальная схема

Заключение

В данном курсовом проекте я исследовал работу нескольких схем расширителей импульсов и спроектировал схему универсального расширителя. Длина входящих импульсов 0-100мкс. Расчетная погрешность длины выходных импульсов составила не более 3%.

Список использованной литературы

1. Алексенко А. Г., Шагурин И. И. Микросхемотехника: Учеб. пособие для вузов. М.: Радио и связь, 1990. 496 с.

2. Алексенко А.Г. Основы микросхемотехники. М.: Лаборатория базовых знаний, 2001. 352 с.

3. Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы: Справочное пособие/ С. В. Якубовского, М.: Радио и связь, 1984. 432.

4. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Л.: Энергоатомиздат, 1988. 304 с.

5. Осадчий Ю. Ф. Аналоговая и цифровая схемотехника. М.: Прямая линия, 1999.

6. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. М.: Лаборатория базовых знаний, 2000. 488 с.

7. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. Пер. с нем. М.: Мир, 1982. 512 с.

8. Богданович М.И. Цифровые интегральные микросхемы: Справ. Мн: Беларусь, 1991. 493.

9. Шелестов И.П. Радиолюбителям. Полезные схемы. М.: Солон-Р, 2001. 216 с.

10. Методические указания по оформлению курсовых и дипломных проектов для студентов специальностей 210300 -"Роботы и робототехнические системы", 220200 "Автоматизированные системы обработки информации и управления", 210100 - "Управление и информатика в технических системах/Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т; Сост. Р.Г. Валеева, Ю.В. Старцев. Уфа, 1997. 42 с.

Размещено на Allbest.ru