ЗАВДАННЯ
ВАРІАНТ № 6 (16)
ПРОЕКТУВАННЯ АВТОМАТИЧНОГО
ПРИСТРОЇ № 1
Спроектувати на базі інтегральних логічних елементів ( далі ІЛЕ)серії К155 загальмований мультивібратора, автоколивальних мультивібратора,електронний ключ на базі високочастотного транзистора, вибратикеруючий тригер серії К155 і двійковий лічильник на тригерах,комбінаційні схеми на базі ІЛЕ серії К155.
| Автоколивальних | загальмований | Лічильник |
| мультивібратора | мультивібратора | |
| TU2, | UПФ/UЗФ | Т | tU2 | UПФ/UЗФ | K |
| мкс. | | | Мкс. | | Кіл - у імпульсів |
| 6 | 0.79 | 12 | 1 | 0.79 | 60 |
| |
| Електронний ключ на транзисторі |
| | | | | | |
| t, | U, | E000 | t, | t, | C |
| не менш | В | 00 [p | град. | мкс. | ключа |
| | | Ic] | max | | пФ |
| мкс. | | В | | | |
| | | | | | |
| 384 | 5 | 1,5 | 60 | 3 | 10 |
tU1 - тривалість вихідних імпульсів мультивібратора.
UПФ - напруга переднього фронту імпульса._
UЗФ - напруга заднього фронту імпульсу. tU2 - тривалість вихідного імпульсу загальмованому мультивібратора.
К - коефіцієнт перерахунку лічильника. t --- тривалість імпульсу на виході ключа.
U-амплітуда вихідного імпульсу.
E - напруга базового зміщення. t град max --- максимальна температура навколишнього середовища. t --- фронт вихідного імпульсу.
C --- ємність навантаження ключа.
Uо.випр. - Номінальна випрямлена напруга випрямляча (вхіднанапруга стабілізатора);
Iо.max.випр .- максимальний струм випрямляча; max
Iо.min.випр .- мінімальний струм випрямляча;amin-відносне відхилення напруги в бік пониження;amax-відносне відхилення напруги в бік підвищення;
Kп.випр-коефіцієнт пульсації напруги на виході випрямляча;
Kп.ф. - Коефіцієнт пульсації напруги на виході згладжує фільтраповинен бути в 10 разів менше.
У структурну схему входять наступні функціональні блоки:
1 - загальмований мультивібратора ЗМ;
2 - RS-тригер;
3 - електронний ключ на біполярному транзисторі;
4 - схема сполучення ключа зі схемою включення стабілізатора постійної напруги;
5 - понижуючий трансформатор;
6 - випрямляч;
7 - згладжує фільтр;
8 - стабілізатор компенсаційного типу для живлення автоколивальних мультивібратора;
9 - автоколивальних мультивібратора на інтегральних логічних елементах
(ІЛЕ);
10 - двійковий що підсумовує лічильник;
11 - комбінаційна схема КС1, яка визначає яку кількість імпульсів повинен підрахувати двійковий лічильник;
12 - комбінаційна схема КС2, що управляє передачею вмісту лічильника на вихідну шину даних BD;
13 - стабілізатор компенсаційного типу для живлення інших цифрових схем пристрою.
Принцип дії.
Автоматичний пристрій 3 після включення повинен сформувати живлятьсхеми напруга і під управлінням запускає імпульсу згенеруватипослідовність прямокутних імпульсів у заданими параметрами.
Кількість імпульсів задається параметром До лічильника. Результат роботипристрою може бути виведений на схему індикації або на яке-небудьвиконавчий пристрій через шину даних BD.
Пристрій працює таким чином. При включенні автоматичногопристрої напруга мережі ~ 220 B подається на силовий понижуючийтрансформатор 5, випрямляється випрямлячем 6, згладжується фільтром 7 іподає на вхід стабілізатора мультивібратора 8 і стабілізатора напругидля живлення всіх цифрових мікросхем пристрої (блок 13). Напругаживлення подається на всі блоки схеми, крім мультивібратора. Що запускаєімпульс переводить RS-тригер управління 2 в нульове стан і гаситьпідсумовує двійковий лічильник 10 сигналом R і запускає загальмованиймультивібратора 1. Вихідний сигнал RS-тригера відкриває електронний ключ 3на виході якого з'являється вихідна напруга рівне нулю. Ценапругу за допомогою пристрою сполучення 4 формує сигнал включеннястабілізатора мультивібратора 8. Автоколивальних мультивібратора 9починає генерувати послідовність прямокутних імпульсів ззаданими параметрами, які підраховуються підсумовуючі двійковимлічильником 10. Двійковий код лічильника аналізується комбінаційної схемою КС1
(блок 11), і як тільки цей код стане рівним заданому числу К,виробляється одиничний керуючий сигнал, який перемикає RS-тригерв нульове стан. При цьому ключ закривається, пристрій сполучення 4формує напругу 2 В, що вимикає стабілізатор напруги 8 імультивібратора, лічильник фіксується в останньому стані, а результатрахунку через комбінаційну схему КС2 (блок 12) виводяться на шину даних BD.
У такому стані автоматичний пристрій буде знаходитися до приходунаступного запускає імпульсу.
Uо.випр. - Номінальна випрямлена напруга випрямляча (вхіднанапруга стабілізатора);
Iо.max.випр .- максимальний струм випрямляча; max
Iо.min.випр .- мінімальний струм випрямляча;amin-відносне відхилення напруги в бік пониження;amax-відносне відхилення напруги в бік підвищення;
Kп.випр-коефіцієнт пульсації напруги на виході випрямляча;
Kп.ф. - Коефіцієнт пульсації напруги на виході згладжує фільтраповинен бути в 10 разів менше.
1.Заторможенний мультивібратора з резистивної-зворотним зв'язком місткості на елементах. І - НЕ
1.1 Загальні відомості. Принцип дії. Методика розрахунку.
мультивібратора - це простий релаксаційний генератор прямокутнихімпульсів, до яких не висувають жорстких вимог за параметрами.
Використовується позитивний зворотний зв'язок. Є два види порушення:жорстке і м'яке. При твердому - обидва плеча в однаковому стані (немаєгенерації).
загальмований мультивібратора (далі, як ЗМ) призначений дляформування прямокутного імпульсу з заданою амплітудою і тривалістюу відповідь на один запускає імпульс.
ЗМ можна отримувати з відповідних автоколивальнихмультивібратора (далі, як АМ) шляхом заміни однієї з гілок резистивної -ємнісний зворотного зв'язку ланцюгом запуску.
Тривалість імпульсу запуску, з одного боку, повинна бутидостатньою для перемикання ІЛЕ, тобто більше сумарної затримки їхперемикання (t01зд або t10 зд). З іншого боку, тривалостіформується імпульсу tU. В іншому випадку мультивібратора під часдії запускає імпульсу буде у невизначеному стані.
ЗМ з резистивної-зворотним зв'язком місткості на ІЛЕ І-НЕ ТТЛ виходитьз АМ (рис.1.1) шляхом виключення, наприклад, конденсатора С2, резистора R2 ідіода VD2. При цьому резистивної-емкостная зворотній зв'язок замінюєтьсябезпосереднім зв'язком виходу ІЛЕ DD1.2 з одним із входів ІЛЕ DD1.2.
Запускають імпульси негативної полярності з амплітудою Uвх »Eвих,подається на вільний від тригерній включення вхід ІЛЕ DD1.1. У вихідномустані ІЛЕ DD1.1 і DD1.2 знаходяться в нульовому і єдиному станахвідповідно. Під дією запускає імпульсу (t = t) логічнихелементів змінюють свої статки на протилежні, времязадающійконденсатор починає заряджатися через вихід ІЛЕ DD1.1 і резистор R.
Напруга Uвх2 на виході ІЛЕ DD1.2 при цьому експоненціальнозмінюється від Emax, прагнучи до нуля. Формування робочого імпульсутривалістю tU закінчується при Uвх2 (tU) = U1n (t = t), тому щоподальше зменшення вхідної напруги призводить до збільшення вихідногонапруги ІЛЕ DD1.2. При t> t2 в мультивібратора розвиваєтьсярегенеративний процес, після закінчення якого ІЛЕ повертається у вихіднестан, а напруга Uвх2 зменшується стрибком від U1n до (U1n -
E1вих). Далі мультивібратора в два етапи повертається в початковий стан.
Спочатку конденсатор З розрядиться через зміщений у прямому напрямку діод
VD, а потім, після замикання діода, конденсатор перезаряджається вхіднимвипливають струмом Iвх ІЛЕ DD1.2, а напруга Uвх2 прагнути до значення
U. Якщо знехтувати часом розряду З через діод VD, то tB (R | | R) * З * ln [10 +].
Тривалість імпульсу дорівнює:tU2 = (R + R) * З * ln
Якщо період запускають імпульсів Т> tU + tB, то мультивібраторавстигне відновитися.
Для отримання майже прямокутної форми вихідних імпульсівзагальмованому мультивібратора при Т> = tU + t B опірвремязадающего резистора R вибирається таким чином:
R 1.2 Розрахунок загальмованому мультивібратора.
Зробимо розрахунок загальмованому мультивібратора на ІЛЕ І - НЕ серії
К155 (стандартної).
Основні параметри серії К155:
| Параметри | | Параметри | |
| I1ВХ, mА | - 0,8 | R1ВХ, кОм | 10 |
| I0ВХ, mА | 0 | R0ВХ, кОм | Г |
| E, В | 4,2 | R, Ом | 200 |
| E, В | 0 | R, Ом | 0 |
| U, В не | 2,4 | K, не менше | 8 |
| менш | | Uвх MAX, В | 5,5 |
| U, В не | 0,4 | | |
| більше | | | |
| U, В | 1,5 | Uвх MIN, В | - 0,4 |
| U, В | 0,5 | I MAX, mА | 10 |
| U, В | 1 | f MAX, МГц | 10 |
| | | PПОТ, мВт, не більше | |
Перевіряємо умову:
R Uпф/Uзф = R = 752,38 (Ом)
R не задовольняє умові (1.1)
Беремо Uпф/Uзф = 0,76 Ю R = 633,33 (Ом)
З шкали номінальних значень беремо R = 620 (Ом)
Знайдемо ємність конденсатора С:tU2 = (R + R) * З * ln
С = =
= =
= 1,626 * 10 (Ф)
Вибираємо С = 1,5 * 10-9 (Ф)
Розрахуємо час відновлення мультивібратора: tB (R | | R) * З * ln [10 +] =
= (1,613 * 10 +5 * 10) * 1,5 * 10 * ln [10 +] =
= 1,383 * 10 (c)
Загальна характеристика:
Резистор: R = 620 Ом, тип МЛТ, номінальна потужність Р =......... Вт, граничне напруження -......... В
Конденсатор: С = 1,5 пФ, тип ......., граничне напруження -......... В.
2. Автоколивальних мультивібратора на базі
ІЛЕ І-НЕ.
2.1. Загальні відомості. Принцип дії. Методика розрахунку.
автоколивальних мультивібратора (далі АМ) генеруєпослідовність прямокутних імпульсів із заданою тривалістю,амплітудою і частотою повторення.
Розглянемо методику проектування АМ з перехресними резисторні --ємнісними зворотними зв'язками на елементах І - НЕ. До складу мультивібраторавходять: два інвертора на двухвходових ІЛЕ І - НЕ DD1.1 і DD1.2, резистори
R1 і R2, конденсатори C1 і C (Рис.2.1).
При використанні m - входові ІЛЕ І - НЕ ТТЛ (m -1) незадіянихвходів підключається до джерела напруги живлення через резистор 1 кОмабо об'єднуються всі m входів (при m 3), тому що об'єднання входів приm> 3 призводить до зниження вхідних опорів елементів (в m разів). Призаземленні хоча б одного з входів ІЛЕ буде постійно знаходитися водиничному стані.
При роботі мультивібратора в автоколивальних режимі інвертори DD1.1і DD1.2 по черзі знаходяться в одиничному і нульовому станах. Часперебування інверторів в нульовому або одиничному стані визначаєтьсячасом заряду одного з конденсаторів С1 або С2. Якщо ІЛЕ DD1.1 знаходитьсяв одиничному стані, а DD1.2 в нульовому (t = 0), то конденсатор С1 зарядженийструмом, що протікає через вихід ІЛЕ DD1.1 і резистор R1. Цей струм, як івхідний струм ІЛЕ DD1.2, пренебрежимо малий і не робить істотного впливуна процес заряду конденсатора. У міру заряду конденсатора C1, вхіднанапруга UВХ2 інвертора DD1.2 зменшується за експоненціальним закону зпостійної часу t1, прагнучи до нульового рівня. Коли напруга UВХ2досягне порогового напруги U, нижче якого подальше зменшеннявхідної напруги призводить до зменшення вихідної напруги інвертора
ТТЛ, в мультивібратора розвивається регенеративний процес, при якомустану елементів DD1.1 і DD1.2 змінюються на протилежні (t = t1).
Стрибкоподібне зменшення вихідної напруги UВИХ1 викликає зменшеннявхідної напруги UВХ2, що призводить до швидкого розряду конденсатора C1,а потім до його перезаряду випливають струмом DD1.2 через резистор R1. Вхіднанапруга UВХ2 при цьому зростає до значення Uвх (t),визначається моментом закінчення процесу заряду конденсатора C2 зпостійної часу t2 у протилежної гілки мультивібратора (t = = t2).
Таким чином, процеси періодично повторюються, і на виходах ІЛЕ
DD1.1 і DD1.2 формується два змінюються в протифазі імпульснихнапруги з тривалістю t U1 і t U2.
Так як протягом усього часу заряду конденсатора С2 (С1) іперезаряду конденсатора С1 (С2) ІЛЕ DD1.2 (DD1.1) повинен знаходиться водиничному стані, його вхідна напруга UВХ2 (UВХ1) не повинно перевищуватипорогового рівня U, отже, опір времязадающегорезистора R1 (R2) повинно бути досить малим. При цьому необхіднообчислити мінімальне та максимальне значення резисторів R1 і R2.
Максимально допустиме значення резистора обчислюється за наступноюнерівності:
R Якщо при виборі опору навісних резисторів R1 і R2обмежуватися виразом (2.1), то за певних умов умультивібратора може наступити жорсткий режим збудження, коли післявмикання джерела напруги живлення обидва інвертора опиняються водиничному стані. Для усунення такого режиму необхідно виконатиумова:
R> R1ВХ * [(I1ВХ * R1ВХ/U-1] - 1 (2.2)
При виконанні (2.2) робочі точки обох ІЛЕ виявляються надинамічних ділянках передавальних характеристик і, отже, навітьневелике розходження в коефіцієнтах посилення До приводить до одного з двохквазіустойчівих станів, коли на виході одного ІЛЕ встановлюєтьсявисокий рівень вихідної напруги, а на виході іншого - низький.
Самозбудження мультивібратора в цьому випадку буде м'яким.
тривалості імпульсів на виході мультивібратора можна визначити затаким виразами:
t (R1 + R1ВИХ) * С1 * ln
t (R2 + R1ВИХ) * С2 * ln
Вихідні імпульси розглянутого мультивібратора за формою близькі допрямокутним. Відношення амплітуд переднього і заднього фронтів вихідногонапруги визначається співвідношенням:
UПФ/UЗФ = R/(R + R) де R = R1 для ІЛЕ DD1.1., R = R2 для ІЛЕ DD1.2.
скважність генеруються імпульсів:
Q = 1 + tU2/tU1
Якщо t = t, то C = C.
2. Розрахунок автоколивальних мультивібратора.
Зробимо розрахунок автоколивальних мультивібратора на ІЛЕ І - НЕсерії К155:
Перевіряємо умови:
R R> R1ВХ * [(I 1ВХ * R1ВХ/U) -1] -1 = 666,67 (Ом)
Uпф/Uзф = 0,79 = R/(R + 200)
R - 0,79 * R = 0,79 * 200
R = 752,38 (Ом)
Умови виконуються.
Вибираємо з шкали номінальних значень R = 750 Oм.
Розрахуємо ємність конденсаторів.
Оскільки t = T - t = 12-6 = 6 = t, то мультивібраторасиметричний, і C = C
C = =
= = 6,76 * 10 (Ф)
Вибираємо з шкали номінальних значень < p> C = C = 6,8 * 10Ф.
3. Електронний ключ на транзисторі.
3.1. Загальні відомості. Принцип дії.
Електронний ключ-основний функціональний вузол дискретноїсхемотехніки для перемикання струмів або потенціалів на навантаженні. []
В імпульсних пристроях дуже часто потрібно комутувати
(вмикати і вимикати) електричні кола. Ця операція виконуєтьсябезконтактним способом за допомогою транзисторних ключів.
Ключові схеми використовуються для побудови генераторів іформувачів імпульсів, а також різних логічних схем цифровоїобчислювальної техніки. Ключ виконує елементарну операціюінверсії логічної змінної і називається інвертором.
У статичному режимі ключ знаходиться в стані «включено» (ключ замкнутий), або в стані «вимкнено» (ключ розімкнути).
Переключення ключа з одного стану в інший відбувається підвпливом вхідних керуючих сигналів: імпульсів або рівнівнапруги. Найпростіші ключові схеми мають один керуючий вхід і один вихід.
Основу ключа становить транзистор в дискретно або інтегральному виконанні.
Залежно від стану ключ шунтує зовнішню навантаженнявеликим або малим вихідним опором. У цьому й полягаєкомутація ланцюга, що виробляється транзисторним ключем.
Основними параметрами ключа є:
- швидкодія, яке визначається максимально можливим числом перемикань в секунду; для ключових інтегральних схем воно складає мільйони комутацій;
- тривалість фронтів вихідних сигналів;
- внутрішні опору у відкритому і закритому стані;
- споживана потужність;
- перешкодостійкість , що дорівнює рівню перешкоди на вході, що викликає помилкове перемикання;
- стабільність порогових рівнів, при яких відбувається перемикання;
- надійність роботи в реальних умовах старіння радіодеталей, зміни джерел живлення і т.д.
У ключових схемах у загальному випадку використовуються всі основнісхеми включення транзисторів: з загальною базою (ПРО), із загальнимколектором (ОК), ключ-«зірка», із загальним емітером (ОЕ). Найбільшезастосування отримали транзисторні ключі за схемою з ОЕ.
Статичні характеристики.
Поведінка ключа в статичному режимі визначається вихідними
I і вхідними I характеристиками транзистора по схемі з
ОЕ.
На вихідних характеристиках виділяються три області, яківпливають на процес відсічення колекторного струму, активний режим і режим насичення ключовою схеми.
Область відсічення визначається точками перетину лінії навантаження
R з самої нижньої кривий сімейства вихідних характеристик зпараметром I = - I. Цією області зоответствует режимвідсічення, при якому:
- транзистор закритий, тому що обидва його переходу зміщені у зворотномунапрямку
U> 0, U
