13.3. Задание на проведение исследований

1. По результатам расчетов собрать схему (рис. 13.1). В случае отсутствия генерации модернизировать ее до схемы с принудительным возбуждением (рис. 13.2). С помощью осциллографа измерить параметры выходных импульсов и сравнить их с исходными данными.

2. Изменяя сопротивления резисторов R₁ и R₂ при расчетном значении емкости С, снять зависимости длительности и формы импульсов от номиналов указанных элементов до достижения срыва генерации.

3. Рассчитать элементы схемы (рис. 13.3) с помощью приближенных формул (13.2). Измерить параметры выходных импульсов и уточнить по результатам измерений числовые значения коэффициентов k₁ и k₂.

4. Исследовать зависимость формы и длительности импульсов от сопротивления R₂, увеличивая его до срыва генерации. Зафиксировать R₂ на среднем уровне и повторить исследование, изменяя сопротивление R₁.

5. Зарисовать осциллограммы сигналов, построить полученные зависимости.

13.4. Содержание отчета

Отчет должен содержать исследуемые схемы, расчет значений всех элементов схем, графики всех полученных зависимостей (зависимости длительности и формы импульсов от номиналов элементов), сравнение экспериментальных значений с расчетными, осциллограммы сигналов, выводы.

13.5. Вопросы для самопроверки

1. Какие элементы схем мультивибраторов определяют длительность импульсов?

2. Чем объясняется работоспособность мультивибраторов лишь в определенной области значений R₁ и R₂?

3. Почему мультивибраторы на ЛЭ имеют значительно лучшие формы фронта и среза по сравнению с мультивибратором на транзисторах?

4. Можно ли применить в исследованных схемах электролитические конденсаторы?

5. Будут ли справедливы приведенные расчетные соотношения для мультивибраторов на ЛЭ КМДП?

Лабораторная работа №14

ИССЛЕДОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ НА ОСНОВЕ

ИНТЕГРАЛЬНОГО ТАЙМЕРА

Цели работы – ознакомится с устройством интегрального таймера NE555, приобрести навыки по использованию данной микросхемы в качестве генератора линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН) и генератора с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).

14.1. Исходные данные

1. В лабораторной работе рассчитывается, монтируется и исследуется схема генератора импульсов с ШИМ на таймере NE555 (КР1006ВИ1). Справочные данные на таймер NE555 и аналоговый компаратор LM393N приведены в приложении.

2. Параметры выходных сигналов задаются преподавателем.

3. Для питания таймера и компаратора следует использовать стабилизированное напряжение U_п = +12 В.

4. Запуск схем осуществляется от генератора сигналов специальной формы.

5. Контроль формы и амплитуды напряжений в исследуемых схемах осуществляется с помощью осциллографа.

14.2. Основные теоретические сведения

Таймером называют функциональный элемент, предназначенный для отсчета времени и вырабатывающий по истечении установленного интервала времени сигнал тайм-аута (timeout). По составу внутренних узлов и способу выполнения своей основной функции интегральные таймеры не являются полностью аналоговыми или цифровыми микросхемами. Созданные в 70-е годы микросхема NE555 и ее отечественный аналог КР1006ВИ1 получили широкое распространение и активно применяются до настоящего времени в качестве мульти- и одновибратора, а также в качестве активного элемента ГЛИН и генератора импульсов с ШИМ.

Напряжение питания U_п, подаваемое на вывод 8 (рис. 14.1) относительно вывода 1, может быть задано от 5 до 16.5 В. Таймер способен отдать в нагрузку с выхода 3 ток до 200 мА, что позволяет управлять непосредственно лампочками или электромагнитными реле. Выходное сопротивление составляет около 10 Ом как для низкого (U⁰ < 0.1 В), так и для высокого уровня выходного напряжения (U¹ = U_п – 0.5 В). Выходы компараторов связаны с входами RS-триггера (триггер с прямыми входами). В схеме используется только инвертирующий выход триггера, т. е. при R = 1 и S = 0 на его выходе будет лог. 1, при R = 0 и S = 1 на его выходе будет лог. 0., а при R = 0 и S = 0 триггер будет находиться в режиме хранения информации. В корпусе таймера имеются два компаратора, сравнивающие входное напряжение с фиксированным напряжением, заданным внутренним делителем, состоящим из трех одинаковых резисторов. Для верхнего компаратора опорным напряжением является 2U_п/З, а для нижнего U_п/З. Воздействуя на вход 5 можно получить и другие значения опорного напряжения компараторов. Чтобы избежать влияния внешних помех и пульсаций напряжения питания на точность работы таймера, рекомендуется шунтировать вывод 5 конденсатором емкостью около 0.01 мкФ.

Рис. 14.1. Структура интегрального таймера NE555

Для сброса триггера, а значит для установки на выходе 3 низкого уровня напряжения независимо от напряжения на входах 2 и 6, используется вход 4. Если напряжение на этом входе меньше 0.4 В, то напряжение на выходе таймера равно 0.1...0.2 В, а при напряжении более 1 В цепь сброса выключена и не влияет на работу таймера. Транзистор VT1, находящийся внутри микросхемы таймера, служит для разряда подключаемого к таймеру внешнего конденсатора или для замыкания на общую точку одного из входов. Если на выходе триггера устанавливается лог. 1, то возникает ток базы транзистора и цепь эмиттер-коллектор приобретает низкое проходное сопротивление. Если же на выходе триггера имеется лог. 0, то транзистор заперт и закорачивания внешней цепи не происходит.

Установка лог. 1 на выходе триггера, а значит сброс выхода таймера в ноль, производится подачей на вход 2 (его называют триггерным входом) напряжения менее U_п/3 при условии, что вход 6 (пороговый вход) имеет потенциал менее 2U_п/3. Подача на вход 6 потенциала более 2U_п/3 при условии, что вход 2 имеет потенциал более U_п/З, приводит установке на выходе триггера лог. 0. и высокого уровня напряжения на выходе таймера.

В настоящей лабораторной работе исследуется применение интегрального таймера в качестве генератора импульсов, длительность которых зависит от величины входного напряжения. Такой режим работы схемы называется широтно-импульсной модуляцией. Для получения ШИМ необходимо подавать на один вход аналогового компаратора импульсы напряжения, нарастающего по линейному закону, а на другой вход – преобразуемое в ШИМ напряжение. Длительность выходных импульсов компаратора будет тогда зависеть от уровня преобразуемого сигнала (рис. 14.2).

Приведенные на рис. 14.2 сигналы соответствуют подаче U_вх на прямой вход компаратора, а U_ГЛИН – на инвертирующий. В этом случае длительность импульсов ШИМ пропорциональна уровню входного сигнала. Это свойство находит применение при построении аналого-цифровых преобразователей. Если же подать U_вх на инвертирующий вход, а U_ГЛИН – на прямой, то выходной сигнал ШИМ превращается в дискретный управляющий сигнал для импульсного регулятора или импульсного стабилизатора.

В схеме ШИМ микросхема таймера NE555 управляет работой ГЛИН (рис. 14.3). Запускающие импульсы отрицательной полярности, определяющие частоту повторения выходных сигналов ГЛИН, подаются на триггерный вход запуска таймера (вывод 2). Если напряжение на входе запуска становится ниже U_п/3, устанавливается внутренний триггер таймера, который снимает напряжение с базы разрядного транзистора VT1 (рис. 14.1) и запирает его. К пороговому входу (вывод 6) подключен конденсатор С1, заряжаемый от источника тока на транзисторе VT. Схема на транзисторе представляет собой источник тока с конденсатором С1 в цепи коллектора. Ток заряда конденсатора в этом случае определяется потенциалом базы транзистора и сопротивлением эмиттерного резистора: I_c = U_э/R_э ≈ U_б/R_э.

С учетом того, что I_c = С dU_c/dt, скорость нарастания напряжения на конденсаторе, заряжаемом постоянным током, неизменна и равна dU_c/dt = I_c/С. Когда напряжение на конденсаторе достигает 2U_п/З, внутренний триггер таймера переходит в первоначальное состояние, предшествующее подаче запускающего импульса на вывод 2 и вновь включает разрядный транзистор. Поскольку коллектор разрядного транзистора (вывод 7) подключен к конденсатору, то конденсатор быстро разряжается и продолжает оставаться разряженным до прихода нового импульса запуска.

Таким образом на клеммах конденсатора С1 будет периодически генерироваться линейно нарастающее напряжение с частотой импульсов запуска. Длительность стадии нарастания определяется током транзистора VT. На выводе 3 таймера будет генерироваться импульс положительной полярности с длительностью, равной продолжительности ЛИН, т.е. по данному выходу таймер работает как одновибратор.

При подключении компаратора устройство превращается в генератор импульсов с ШИМ. Используемый в лабораторной работе компаратор LM393N требует подключения резистора коллекторной нагрузки. Для этого в схему введен резистор R₄ сопротивлением в несколько кОм.