Автоколебательные мультивибраторы используют в качестве генераторов прямоугольных импульсов с заданной длительностью и частотой повторения в тех случаях, когда нет жестких требований к стабильности этих параметров.
Автоколебательный мультивибратор имеет два состояния квазиравновесия и не имеет ни одного устойчивого состояния. Мультивибратор переходит скачком из одного состояния квазиравновесия в другое без каких-либо импульсов запуска. Длительность, амплитуда и частота повторения генерируемых импульсов определяются параметрами схемы мультивибратора.
Автоколебательные мультивибраторы генерируют импульсы одинаковой длительности с одним и тем же периодом повторения.
Примеры схем импульсных генераторов
Принципиальная схема — графическое изображение (модель) с помощью условных графических и буквенно-цифровых обозначений (пиктограмм) связей между элементами электрического устройства.
Принципиальные схемы являются важнейшими из схем, так как они позволяют понять, как функционирует устройство в целом. На принципиальных схемах нет изображения самого устройства, с клеммами или выводами, к которым паяются или зажимаются под винтовое соединение провода.
В генераторе по схеме (рис. 1.5, а) стабилизация режима инверторов обеспечивается за счет введения ООС по постоянному току через резистор R с выхода третьего инвертора на вход первого. А для выполнения условий возникновения автоколебаний в устройство введена ПОС через конденсатор C с выхода второго на вход первого инвертора.
В мультивибраторе по схеме (рис. 1.5, б) режим по постоянному току задается с помощью резистора R. Сопротивление этого резистора должно быть подобрано так, чтобы оба инвертора работали в усилительном режиме – петлевое усиление по замкнутому контуру, состоящему из двух инверторов, должно быть больше единицы.
В схеме (рис. 1.5, в) для задания режима по постоянному току используется сочетание резисторов, обеспечивающих местные ООС по постоянному току.
В генераторе по схеме (рис 1.5, г) цепи местной ООС по постоянному току содержат наряду с резисторами также и диоды. Это обеспечивает примерно одинаковые условия для перезаряда конденсаторов при любой полярности тока перезаряда.
Рисунок 1.5 – Схемы генераторов импульсов
ПРОЕКТНАЯ ЧАСТЬ
Выбор элементной базы
Элементная база данного импульсного генератора включает в себя следующие элементы:
1) Светодиод. Полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока в прямом направлении. В данном курсовом проекте использовался светодиод красного цвета с максимальной силой света 2 Кд, размером линзы – 5 мм и рабочей температурой от -40 до 85 °С. Схематическое обозначение светодиода изображено на рисунке 2.1.
Рисунок 2.1 – Светодиод
2) Резистор. Элемент электрической цепи, предназначенный для использования его электрического сопротивления. В данном курсовом проекте использовались резисторы на 1 кОм и на 820 Ом. Схематическое обозначение резистора изображено на рисунке 2.2.
Рисунок 2.2 – Резистор
3) NE555. Аналоговая интегральная схема, универсальный таймер — устройство для формирования (генерации) одиночных и повторяющихся импульсов со стабильными временными характеристиками. Применяется для построения различных генераторов, модуляторов, пороговых устройств и прочих узлов электронной аппаратуры. В качестве примеров применения микросхемы-таймера можно указать функции восстановления цифрового сигнала, искаженного в линиях связи, фильтры дребезга, двухпозиционные регуляторы в системах автоматического регулирования, импульсные преобразователи напряжения, устройства широтно-импульсного регулирования, таймеры и др.
Микросхема (рисунок 2.4) состоит из делителя напряжения с двумя опорными напряжениями для сравнения, двух прецизионных компараторов (низкого и высокого уровней), RS -триггера с дополнительным входом сброса, транзисторного ключа с открытым коллектором и выходного усилителя мощности для увеличения нагрузочной способности.
Номинальное напряжение питания базовой версии микросхемы может находиться в пределах от 5 В ± 10 % до 15 В ± 10 % (т. е. 4,5...16,5 В), однако некоторые производители подняли верхний предел напряжения питания до 18В. Потребляемый микросхемой ток может достигать величины 6...15 мА в зависимости от напряжения питания (6 мА при VCC = 5 В и 15 мА при VCC = 15 В). Типовое потребление бывает меньше и обычно составляет 3...10 мА в состоянии низкого уровня и 2...9 мА — в состоянии высокого. Ток потребления КМОП-версий таймера не превышает сотен микроампер. Максимальный выходной ток для отечественной КР1006ВИ1 составляет 100 мА. Большинство ныне выпускаемых зарубежных аналогов, выполненных по биполярной технологии, допускает выходной ток до 200 мА и более.
Рисунок 2.3 – Цоколевка микросхемы NE555
Таблица 2.1 – Расположение выводов и обозначение на схеме
| № вывода | Обозначение | Альтернативное обозначение | Назначение |
| GND | -U | Общий | |
| TRIG | S | Запуск | |
| OUT | Q или без обозначения | Выход | |
| RESET | E | Сброс (разрешение запуска) | |
| CTRL | UR | Управление (контроль делителя) | |
| THR | R | Останов | |
| DIS | ◊ или ¤< | Разряд | |
| VCC | +U | Питание |
Назначение выводов:
Вывод №1 - Земля. Вывод подключается к минусу питания или к общему проводу схемы.
Вывод №2 - Запуск. Этот вывод является одним из входов компаратора №2. При подаче на этот вход импульса низкого уровня, который должен быть не более 1/3 напряжения питания, происходит запуск таймера и на выводе №3 появляется напряжение высокого уровня на время, которое задается внешним сопротивлением Ra+Rb и конденсатором С. Данный режим работы называется - режим моностабильного мультивибратора. Импульс, подаваемый на вывод №2, может быть как прямоугольным, так и синусоидным и по длительности он должен быть меньше чем время заряда конденсатора С.
Вывод №3 - Выход. Высокий уровень равен напряжению питания -1,7 В. Низкий уровень равен примерно 0,25 В. Время переключения с одного уровня на другой происходит примерно за 100 нс.
Вывод №4 - Сброс. При подаче на этот вывод напряжения низкого уровня (не более 0,7 В) произойдет сброс таймера и на выходе его установится напряжение низкого уровня. Если в схеме нет необходимости в режиме сброса, то данный вывод необходимо подключить к плюсу питания.
Вывод №5 - Контроль. Обычно, этот вывод не используется. Однако его применение может значительно расширить функциональность таймера. При подаче напряжения на этот вывод можно управлять длительностью выходных импульсов таймера, а значит отказаться от RC времязадающей цепочки. Подаваемое напряжение на этот вход в режиме моностабильного мультивибратора может составлять от 45% до 90% напряжения питания, а в режиме мультивибратора от 1,7В и до напряжения питания. Если этот вывод не используется, то его лучше подключить через конденсатор 0,01 мкФ к общему проводу.
Вывод №6 - Стоп. Этот вывод является одним из входов компаратора №1. При подаче на этот вывод импульса высокого уровня (не менее 2/3 напряжения питания), работа таймера останавливается, и на выходе таймера устанавливается напряжение низкого уровня. Как и на вывод №2, на этот вывод можно подавать импульсы как прямоугольные, так и синусоидные.
Вывод №7 - Разряд. Этот вывод соединен с коллектором транзистора Т1, эмиттер которого соединен с общим проводом. При открытом транзисторе конденсатор С разряжается через переход коллектор-эмиттер и остается в разряженном состоянии пока не закроется транзистор. Транзистор закрыт, когда на выходе таймера высокий уровень и открыт, когда на выходе низкий уровень.
Вывод №8 - Питание. Напряжение питания таймера составляет от 4,5 до 16 В.
Рисунок 2.4 – Внутреннее строение микросхемы NE555
Принципиальная схема
1) Импульсный генератор.
Для изготовления импульсного генератора была выбрана принципиальная схема, представленная на рисунке 2.5.
Рисунок 2.5 – Принципиальная схема
На разъёмы X1.1 и X1.2 подаётся напряжение 5 В. В разъёмы X2, X3 подключается RC -цепь.
Сила тока текущая через резисторы заряжает конденсатор. Как только напряжение на конденсаторе превысит 2/3 VCC, конденсатор начнет разряжаться. Как только напряжение на конденсаторе станет меньше 1/3 VСС конденсатор начнет заряжаться. Таким образом, пока напряжение на конденсаторе меняется между 1/3 VСС и 2/3 VСС процесс повторяется, создавая тем самым прямоугольные импульсы.
Период колебаний можно определить по формуле:
2) Ждущий мультивибратор.
На рисунке 2.6 приведена схема ждущего мультивибратора.
В данной схеме таймер запускается логическим нулем на входе 2, выходной импульс снимается с выхода 3 и длительность импульса определяется по формуле:
Рисунок 2.6 – Принципиальная схема включения ждущего мультивибратора
3) Автоколебательный мультивибратор.
На рисунке 2.7 приведена схема автоколебательного мультивибратора.
Рисунок 2.7 – Принципиальная схема включения автоколебательного
мультивибратора
Длительности импульса и паузы генерируемой последовательности импульсов (рис. 2.8) определяются значениями R1 и R2
При этом для стабильной работы схемы необходимо, чтобы R1+R2 не превышало 10 МОм при Uпит >= 15 В и 3 МОм при Uпит = 5 В.
Рисунок 2.8 – Временная диаграмма автоколебательного мультивибратора
Сборка изделия
Импульсный генератор был изготовлен методом навесного монтажа. При сборке импульсного генератора была использована макетная плата (рисунок 2.9).
Рисунок 2.9 – Макетная плата
При создании электронных устройств, макетная плата позволяет избежать ряда проблем:
- плату необходимо конструировать и изготавливать, а при ошибке в схеме, возможно, переделывать;
- для создания единственного экземпляра макетного устройства часто печатную плату делать невыгодно;
- если схемы на аналоговых элементах и микросхемах низкой степени интеграции можно было делать навесным монтажом, то микропроцессорные устройства выполнять, таким образом сложно.
В качестве ножек использовались 4 болта длиной 100 мм и диаметром 6 мм. На оргстекле были размечены места для монтажа RCA -разъёмов, кнопки и светодиода. Высверливанием отверстий были изготовлены посадочные места для каждой детали.
RCA -разъёмы используются для подачи питания на микросхему и подключения к ней RC -цепи.
Рисунок 2.10 – Готовое устройство
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе выполнения курсовой работы были изучены основные виды и характеристики импульсных генераторов. Были рассмотрены принципиальные схемы генераторов импульсов. Освоены принципы и методы системного подхода процесса проектирования радиоэлектронных устройств; произведен обоснованный выбор структурной и функциональной схем радиоэлектронной аппаратуры.
В результате для проведения лабораторных работ был разработан генератор прямоугольных импульсов, работающий на микросхеме NE555.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1) Варзяев А.В., Помян С.В., Столяренко Ю.А. Методические указания к выполнению курсовой работы по дисциплине «Электроника» – Тирасполь, Издательство ПГУ, 2012 год.
2) ГОСТ 7.32–2001. Отчет о научно-исследовательской работе. Структура и правила оформления – М.: Издательство стандартов, – 2001.
3) Жека А. А., Батушкина Т.В. 200 практических схем генератора: Справочник – Кишинев: Картя Молдовеняскэ, 1987 год.
4) NE555 [Электронный ресурс]. – Режим доступа:
https://ru.wikipedia.org/wiki/NE555
5) Описание таймера NE555 [Электронный ресурс]. – Режим доступа:
https://orion.ucoz.com/publ/spravochniki/ne555/opisanie_tajmera_ne555/22-1-0-28
6) Простой генератор прямоугольных импульсов [Электронный ресурс]. – Режим доступа:
https://deeman.ucoz.ru/publ/4-1-0-28
|
|
|
|
|
|
|