книги / Применение аналоговых микросхем

рой недостаток базовой структуры мультивибратора и ее модифи­ кации (табл. 4.1,а) в том, что выходное напряжение таймера в первый момент после включения питания устанавливается на уровне £/п, а не на нулевом. Последнее во многих устройствах, где полезным сигналом является напряжение лог. 1, требует дополни­ тельных аппаратурных затрат для исключения действия таймера в течение времени установления напряжения питания.

Устранить оба недостатка можно простой перекомпоновкой це­ пей элементов мультивибратора на рис. 4.10,а, не меняя их числа и номиналов (табл. 4.1,6). В момент включения питания модифи­ цированного таким образом мультивибратора устанавливаются почти одинаковые потенциалы на выводах 2, 5 и 6. Вследствие этого напряжение на выходе таймера остается равным 0,1 В. Ис­

делителя в таймере. Следовательно, в момент включения питания напряжение на выводах 2 и 6 начинает уменьшаться от своего ис­ ходного значения 2UJ3 (при 3/?i>40 кОм) из-за заряда конден­ сатора Ct через резистор RL После уменьшения напряжения Us на выводе 5 до Us=2Un/3 за время 0,693i?iC< выходное напряже­ ние переключится от 0 до Un. Затем конденсатор начинает заря­ жаться, и в течение времени Qfi93(Rt+Ri)Ct напряжение на Ct уменьшается до нуля, после чего выходное напряжение изменится от Un до 0, т. е. вернется в исходное состояние. Затем описывае­ мый цикл повторяется.

Большие сопротивления резисторов Rt и R1 необходимы при генерировании длительных интервалов времени (больше 1 с), ког­ да ошибки в работе обычного мультивибратора особенно сущест­ венны. При уменьшении сопротивления R1 до величины, близкой к сопротивлению /?д, напряжение Uu становится значительно мень­ ше 2UJ3. Поэтому в момент включения £/„ на конденсаторе Ct по­ является напряжение 2U„/3—UH, и за время уменьшения этого на­ пряжения до нуля на выходе таймера будет поддерживаться вы­ сокий уровень напряжения. Длительность этого времени сущест­ венно меньше, чем в обычном мультивибраторе, пока выполняется неравенство R ^^R u При параметрах элементов схемы, приведен­ ной в табл. 4.1,6, коэффициент заполнения выходных колебаний около 66%. Чтобы получить коэффициент заполнения меньше 50% » необходимо включить в мультивибратор диоды, как показано на схеме а табл. 4.1. Для управления режимом работы мультивибра­ тора рекомендуется использовать цепь с диодом VD1. Если от ло­ гического элемента на катод подано напряжение 0,1 0,3 В, то ге­ нерация колебаний таймером прекращается. Необходимо учиты­ вать, что выходная цепь логического элемента в этом случае должна

Рис. 4.12. Схемы мультивибраторов с регулируемыми длительностями импульсов и пауз (а) и скважности (б)

Регулировку частоты и скважности выходных импульсов муль­ тивибратора можно осуществить, разделив цепи заряда и разряда времязадающего конденсатора С*. В схеме на рис. 4.12,а это до­ стигается включением диодов VD1\ VD2, что позволяет регулиро­ вать временные интервалы U и U независимо друг от друга. При такой регулировке одновременно с коэффициентом заполнения из­ меняется и частота выходных импульсов. В схеме на рис. 4.12,6 ин­

ность выходных импульсов можно регулировать, не меняя их ча­

= # 4 = 1 кОм коэффициент заполнения выходных импульсов мож­ но регулировать в диапазоне 0,01 ...99,99%.

Период выходных сигналов в обеих схемах больше, чем в ба­ зовой схеме мультивибратора (см. рис. 4.10,а). Объясняется это уменьшением изменения напряжения на конденсаторе Ct от С/п/3

=#*С*1п[(2£/„/3—£/д)/(С/п/3—t/д)]. Чем меньше напряжение пи­ тания мультивибраторов, тем сильнее сказывается влияние диодов. Например, при напряжении питания 15 В период выходного сиг­ нала равен 0,76#*С*, а при С/п= 5 В увеличивается до 1,4RtCt.

Независимое регулирование частоты выходного сигнала муль­ тивибратора в диапазоне от 10 Гц до 10 кГц и его коэффициента заполнения от 1 до 99% можно получить, применив схему на рис. 4.13. Таймер D1 работает в автоколебательном режиме с пе­ риодом выходных импульсов Гн= 1 ,4 (# 1+ # 2)С, который регули­ руется потенциометром RL Таймер D2 работает в режиме одновибратора и периодически запускается сигналом U\. Экспоненци­ альное пилообразное напряжение U2t получаемое со входа тайме­ ра D1, подается на таймер D2 через неинвертирующий повтори-

и,

4

Рис. 4.13. Схема мультивибратора с неза­ висимой регулировкой частоты и скважно­ сти импульсов (а) и временные диаграммы его работы (б)

тель на ОУ. Коэффициент заполнения выходных импульсов, т. е. время t2, зависит не от параметров цепи RlR2Cu а от напряжения на пороговом входе (вывод 6) таймера D2.

Уровень выходного напряжения таймера D2 остается высоким, пока пороговое напряжение не превысит 2UJ3. Напряжение U4 на пороговом входе таймера зависит от напряжений U2 и С/з и оп­ ределяется выражением 1^=[£/2#5/(#5+#б)] + [^зЯб/(/?5+Яб)]. Напряжение U2 изменяется от UJ3 до 2£/п/3. Использование ОУ исключает влияние резисторов R5 и R6 на параметры времязадающей цепи на входе таймера DU т. е. действие цепи регулировки коэффициента заполнения на частоту выходных импульсов. Коэф­ фициент заполнения регулируется резистором R3.

Таким образом, частота и коэффициент заполнения могут ре­ гулироваться независимо друг от друга. Диапазон регулирования частоты можно установить равным 100 Гц..Л00 кГц, уменьшив емкость Ct до 0,01 мкФ.

Формирование тактовых импульсов с коэффициентом заполне­ ния 50%, или так называемого меандра, является обычной зада­ чей в современной цифровой аппаратуре. Меандр, у которого вре­ менные интервалы совпадают с точностью 2...3%, можно полу­ чить на выходе рассмотренных выше мультивибраторов при Rt= = 0, Æi-w» в схеме на рис. 4.10,а и при Rt=Ri в табл. 4.1,6. Од­ нако в этих мультивибраторах невозможно получить предельную для таймера точность совпадения U и t2, равную 0,5%. Объясня­ ется это тем, что сопротивление Rt в схеме на рис. 4.10,а ограни­ чено снизу максимально допустимым выходным током внутренне­ го транзистора V77, а сопротивление R1 должно быть менее

20 МОм для нормальной работы мультивибратора. Выполнить равенство Rt=Ri проще, но, чтобы получить высокую точность, необходимы прецизионные резисторы, что не всегда приемлемо. Кроме того, при уменьшении напряжения питания существенное влияние на коэффициент заполнения будет оказывать разброс па­ раметров диодов. Поэтому для генерирования импульсов с коэф­ фициентом заполнения 50% обычно применяют специализирован­ ные мультивибраторы (табл. 4.2), обеспечивающие погрешность менее 1 %.

Генерирование меандра с помощью Ж-триггера, подключенно­ го к выходу таймера (табл. 4.2,а), не требует изменения базовой схемы мультивибратора. Частота выходного сигнала триггера, уп­ равляемого по счетному входу, в два раза меньше частоты собст­ венных выходных импульсов таймера /г= 0,5 Г„= 1 /[2 (# £+ +2/?i)C*]. Поэтому на параметры выходных импульсов триггера влияет не отношение сопротивлений Rt и Ru а их абсолютные зна­ чения.

Построить генератор можно, перекомпоновав элементы базо­ вой схемы мультивибратора, как показано в табл. 4.2,6. В отличие от схемы на рис. 4.10,а времязадающая цепь здесь управляется выходным напряжением таймера, а не по выводу 7. Поэтому меж­ ду выходом таймера и цепью питания подключен нагрузочный ре­ зистор /?„, позволяющий увеличить амплитуду выходного напря­ жения почти до £/„. Высокая точность при формировании меандра получается благодаря тому, что заряд и разряд конденсатора С* осуществляются через резистор Rt. На точность влияют стабиль­ ность высокого и низкого уровней выходного напряжения и их симметричность относительно пороговых напряжений UJ3 и 2t/n/3.

В зависимости от требуемой частоты /г выходного сигнала возмож­

нения влияния RBxн можно подключить приемник сигнала к высо­ коомному выходу (вывод 7), который в рассматриваемом включе­ нии таймера свободен. Если же использовать высокоомный выход таймера не представляется возможным или необходим низкоом­ ный мощный выход, то целесообразно воспользоваться схемой табл. 4.2,в. В отличие от рассмотренных выше генераторов меанд­ ра в этой схеме конденсатор Ct заряжается через транзистор и времязадающий резистор Rt. Перепад напряжения, заряжающего Cty равен Un—11эб. а разряжающего Un— (t/A+t7„), где £/эб и

обеспечивает диод Шотки или цепь диода с транзистором, реали­ зуемая на базе однокристальной транзисторной сборки. Показан­ ная регулировка рабочей частоты резистором Rt может быть при­ менена в схеме б табл. 4.2, а графики на рис. 4.14 могут быть ис­ пользованы для выбора параметров Rt и Ct в рассматриваемом мультивибраторе.

Вместо биполярного транзистора и диода в схеме в табл. 4.2 можно включить р-канальный полевой транзистор (например, КП202), управляемый с выхода таймера. Такой мультивибратор также обеспечивает точное формирование меандра (около 1 %), но, во-первых, работает в ограниченном диапазоне напряжений Un= 10... 15 В, а, во-вторых, указанная точность сохраняется толь­ ко при низких частотах выходных сигналов из-за значительного сопротивления (0,5... 3 кОм) канала большинства полевых транзи­ сторов.

Для получения импульсов с частотой до 10~ 3 Гц можно вос­ пользоваться схемой на трех таймерах (рис. 4.15,а). При сравни­ тельно низкоомных резисторах и конденсаторах небольшой емко­ сти генератор позволяет получить регулируемые периодические сигналы длительностью до 1 ч. Таймеры D1 и D2 работают в ре­ жиме одновибратора, a D3 — в режиме мультивибратора. Генери­ руемые мультивибратором импульсы поступают на транзисторы VT1 и VT2t включенные последовательно с времязадающими ре­ зисторами R1 и R2 одновибраторов. Транзисторы находятся в на­ сыщении при низком выходном напряжении D3 в течение времени OJRtCs. При высоком выходном напряжении D3 в течение време­ ни 0,7 (/?з“М?4)С5 транзисторы закрыты. На рис. 4.15,6 показано изменение напряжения на времязадающем конденсаторе СЗ в те­ чение формируемого таймером D1 временного интервала U. Ана­ логичного вида и изменение напряжения на времязадающем кон­ денсаторе С4 таймера D2 за время формирования временного ин­ тервала и.

Рис. 4.15. Схема генератора импульсов сверхнизкой частоты (а) и временные диаграммы его работы (б)

Работает генератор следующим образом. При отрицательном перепаде выходного напряжения таймера D2 импульс, запускаю­ щий таймер D2, поступает на его триггерный вход. На выходе тай­ мера D1 устанавливается напряжение, равное Unt внутренний раз­ рядный транзистор таймера D1 закрывается и конденсатор СЗ на­ чинает разряжаться через резистор R1 и насыщенный транзистор VT1. Поскольку транзистор VT1 находится в насыщении периоди­ чески, когда выходное напряжение таймера D3 близко к нулю, то и увеличение напряжения на СЗ происходит ступенчато (рис. 4.15,6). Пока транзистор VT1 закрыт, напряжение на конденсато­ ре СЗ практически не увеличивается. В момент достижения напря­ жением на СЗ уровня 2UJ3 одновибратор на таймере D1 возвра­ щается в свое устойчивое состояние и его выходное напряжение уменьшается до нуля. Время заряда СЗ от 0 до 2t/n/3 равно U = = 1,U?IC3(2-H?3/#4)* При изменении выходного напряжения тай­ мера D1 от Un до нуля запускается одновибратор на таймере D2, поскольку отрицательный перепад напряжения передается через конденсатор С2 на триггерный вход таймера D2.

Одновибратор на таймере D2 идентичен одновибратору на тай­ мере DU поэтому процесс формирования временного интервала

тора на таймере DL Во время работы R1—R7 последовательно подключаются к времязадающему конденсатору С*2 с помощью аналоговых переключателей S1—S7. На входе инвертора D3 цепь RC дифференцирует тактовые сигналы с выхода таймера D1 для того, чтобы таймер D2 запускался короткими (менее 10 мкс) им­ пульсами. Последним положительным импульсом на выходах счетчика осуществляется его общий сброс. Замкнутый в процессе генерирования последовательности переключатель S8 размыкает­ ся, и длительность выходного импульса таймера D1 увеличивает­ ся, формируя паузу между пачками импульсов. Тем самым отме­ чается окончание серии импульсов, а затем процесс автоматиче­ ски повторяется.

Для приведенных на схеме параметров элементов в секунду вырабатывается три пачки по семь импульсов в каждой. Требуе­ мые длительности импульсов устанавливаются выбором сопротив­ лений резисторов R1—R7 и емкости С*2 в соответствии с равенст­ вом Tui=RiCt2, где i= 1... 7. Паузы между импульсами определя­ ются сопротивлением R8 и емкостью времязадающего конденсато­ ра Сц на входе таймера D1. Промежутки между пачками импуль­ сов можно регулировать резистором R9. Для нормальной работы генератора необходимо следить за тем, чтобы полупериод выход­ ных импульсов таймера D1 был больше любого значения Ги*.

Рассмотренное устройство молено использовать в качестве мно­ гоканального широтно-импульсного модулятора, если сопротивле­ ния резисторов R1—R7 сделать зависимыми от напряжения. В си­ стемах обработки информации схему можно применить в качест­ ве простейшего программно-временного устройства, определяюще­ го скорость обслуживания нескольких датчиков данных.

4.2. СХЕМЫ И ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПРОГРАММИРУЕМЫХ ТАЙМЕРОВ

Наиболее распространенным в современной мик­ роэлектронной аппаратуре среди многотактных программируемых таймеров является таймер XR2240, упрощенная схема которого приведена на рис. 4.17. Таймер состоит из трех основных узлов, выделенных штрихпунктирными линиями: однотактного таймера, подобного NE555, 8-разрядиого двоичного счетчика и управляю­ щего триггера. Двоичный счетчик и управляющий триггер питают­ ся от внутреннего источника стабилизированного напряжения 6,3 В, образованного цепью VDlt RI, VT3. Внутренний резистор­ ный делитель устанавливает на входах компараторов А1 и А2 по­ роговые напряжения переключения, равные 3{/п/4 и[/п/4 соответ­ ственно. Выходами двоичного счетчика являются открытые кол-

Рис. 4.17. Упрощенная схема многотактного программируемого таймера

лекторы транзисторов VT4—VT12. Триггер D10 управляет рабо­ той счетчика D2—D9 и триггера D1 в однотактном таймере, кото­ рый в свою очередь управляет работой триггера D2 счетчика.

Программируемые таймеры со встроенными счетчиками обес­ печивают такую же точность формирования временных интерва­ лов, как и однотактные. Однако диапазон, в котором достигается такая точность (см. табл. П4.2), расширен от единиц микросекунд до нескольких суток.

Назначение выводов программируемого таймера следует из его упрощенной схемы (см. рис. 4.17). Основное напряжение пита­ ния, подаваемое на вывод 16 и измеряемое относительно вывода 9, равно 4... 15 В. Приращение потребляемого таймером тока на 1 В увеличения напряжения t/ni равно 1 мА. При напряжении питания 4,5 В внутренний источник стабилизированного напряжения Ua2 перестает работать, поэтому выводы 15 и 16 следует объединить, чтобы обеспечить нормальную работу счетчика. Максимальный ток, который могут принимать от нагрузки выходы счетчика (вы­ воды 1—8), не должен превышать 5 мА. Допустимое изменение напряжения на выводах 1—8 лежит в пределах 0... 15 В.

Запуск таймера осуществляется положительным фронтом им­ пульса, подаваемого на вывод 11 управляющего триггера (рис. 4.18,а). В момент запуска напряжения на выводах 1—8 начинают изменяться в соответствии с временной диаграммой на рис. 4.18Д Соединением выводов 1—8 достигается выполнение на выходе ло­ гической функции ПРОВОДНОЕ ИЛИ. Таймер не воспринимает следующий импульс запуска, поступивший в течение формирова­ ния установленного заранее временного интервала. Сброс таймера осуществляется положительным фронтом импульса, подаваемого на вывод 10. В момент подачи импульса сброса транзисторы VT4—VT12 (см. рис. 4.17) закрываются. Для управления тайме-