Параметры элементов схемы мультивибратора

 

Номер варианта	Значения параметров	Напряжения
		С Б1(мкФ)	С Б2(мкФ)	R Б1(кОм)	R Б2(кОм)	R к(кОм)	Е пит(В)	Е ф(В)
	0,022	0,022			8,2
	0,022	0,022			8,2
	0,033	0,033			6,8
	0,047	0,047			6,8
	0,047	0,047			6,8
	0,01	0,01			6,8
	0,05	0,05			7,5
	0,5	0,5			7,5
	0,022	0,022			8,2
	0,022	0,022			8,2
	0,022	0,022			8,2
	0,022	0,022			8,2
	0,022	0,022			8,2
	0,022	0,022			8,2
	0,01	0,01			8,2
	0,01	0,01			8,2
	0,01	0,01			8,2
	0,01	0,01			8,2
	0,07	0,022			8,2
	0,07	0,022			8,2
	0,07	0,022			8,2
	0,07	0,022			8,2
	0,07	0,022			8,2
	0,05	0,05			8,2
	0,5	0,5			8,2
	0,068	0,01			6,8
	0,015	0,015			7,5
	0,01	0,01			8,2
	0,05	0,05			6,8
	0,05	0,05			7,5
	0,05	0,05			8,2
	0,05	0,05			7,5
	0,022	0,047			8,2
	0,033	0,022			8,2
	0,05	0,05			7,5
	0,05	0,1			8,2
	0,05	0,05			7,5
	0,05	0,033			7,5
	0,01	0,01			7,5
	0,01	0,05			7,5
	0,01	0,01			8,2
	0,01	0,01			8,2
	0,05	0,05			8,2
	0,01	0,05			8,2
	0,01	0,047			8,2
	0.01	0.047			7.5
	0.05	0.047			7.5
	0.015	0.015			8.2
	0.033	0.033			8.2
	0.07	0.07			6.8

Мощность, рассеиваемая транзистором в режиме отсечки, рассчитывается по формуле:

Р _отс = Е _к × I _кбо, (7.1)

где I _кбо- обратный ток с коллектора на базу; Е _к = Е _пит - приведены для всех вариантов в таблице 7.1.

Мощность, рассеиваемая транзистором в режиме насыщения:

Р _нас = I _кн × U _кэн, (7.2)

где U _КЭН - падение напряжения на транзисторе в режиме насы­щения_; I _кн - ток коллектора в режиме насыщения.

Ток коллектора I _кн равен_:

. (7.3)

Средняя мощность, рассеиваемая транзистором за время прямого и обратного переключений:

, (7.4)

где Т - период колебаний, рассчитываемый через уравнение: Т = t _и1+ t _и2; t _Ф - длительность фронта (длительность обоих фронтов считаем одинаковой).

Длительности t _и1 и t _и2 рассчитываются через исходные параметры мультивибратора, приведенные в таблице 7.1 по формуле:

t _и = 0,7 · C _б · R _б. (7.5.)

 

Длительность фронта у импульсов мультивибратора можно рассчитать через параметры схемы С _б и R _к приведенные в по формуле:

t _ф = 2,3 С _б R _к. (7.6)

Полная мощность, рассеиваемая в ключе:

 

, (7.7)

где t _отс, t _нас - время нахождения транзистора в состоянии отсечки или насыщения (соответствуют t _и1 и t _и2 приведенным на временных диаграммах рис. 7.3,б).

7.3.2. Симметричный мультивибратор

Мультивибратор является генератором релаксационных колеба­ний, форма которых близка к прямоугольной. Частота колебаний и их амплитуда определяются параметрами схемы мультивибратора, харак­теристиками транзисторов и напряжением источников питания. Муль­тивибраторы могут работать в режиме автоколебаний, внешнего за­пуска и синхронизации. Если усилительные элементы, сопротивления и емкости обоих плеч одинаковы, то мультивибратор называется сим­метричным. Симметричный мультивибратор генерирует на выводах коллекторов импульсы одина­ковой длительности, но противоположной полярности.

Мультивибратор в автоколебательном режиме представляет собой двухкаскадный усилитель на транзисторах с положительной обратной связью (рис 7.2).

 

 

Рис.7.2. Симметричный мультивибратор с коллекторно-базовыми связями

 

Для снижения зависимости частоты колебаний от изменения – E k напряжение смещения на базы транзисторов подают в отпирающей полярности через R б. Период колебаний Т зависит от параметров R б и конденсаторов обратной связи С.

Допустим в данный момент времени VT 1 открыт, а VT 2 закрыт и через VT 1 течет ток, определяемый током R к1 и током заряда С 1 через R б1.Ток заряда С 1 вызывает падение напряжения на R б1 с полярностью запирающей VТ 2. После заряда С 1 напряжение запирающее VТ 2 снижается и VТ 2 отпирается, при этом U к2 уменьшается, и этот перепад напряжения через С 2 плюсом подается на базу VТ1 и закрывает его. Этот процесс идет лавинообразно и заканчивается сменой состояний транзисторов. Теперь начинается перезаряд С 2 по цепи: Е к- R б2- С 2- VТ 2-земля. Через время t _и=0,7 R _б2 С 2 заканчивается заряд С 2, при этом напряжение запирающее VТ 1 снижается и он начинает отпираться, что приводит к следующему переключению транзисторов.

 

 

Рис.7.3. а -симметричный мультивибратор с диодной фиксацией., б -временные диаграммы его работы.

 

 

Частота колебаний мультивибратора:

, (7.8)

где Т - период колебаний; t _u - длительность импульса, т.е. длительность запертого и открытого состояния соответствующего транзистора.

Длительность запертого состояния транзистора определяется скоростью перезаряда конденсатора, соединяющего в данный момент коллектор открытого транзистора с базой запертого.

Часто требуется иметь разные длительности импульсов (t _u1) и паузы (t _u2).Тогда скважность импульсов:

. (7.9)

Главным препятствием на пути увеличения скважности является большая длительность фронтов (t _Ф) импульсов.

Максимальная скважность:

Q_max = (b/3) + 1. (7. 10)

Учитывая, что минимальная скважность Q _min = 2 и отношение С 2 /С 1 = 1, получаем условие

R 1 > 3,3 R _к . (7.11)

Одним из способов укорочения отрицательного фронта является диодная фиксация коллекторных потенциалов на уровне Е _ф меньшем напряжения Е _к. Схема с диодной фиксацией показана на рис. 7.3,а, а соответствующие временные диаграммы на рис. 7.3,б., из которых легко выразить время t _ф1 на уровне 0,9.

, (7.12)

где ε _ф = Е _ф / Е _к - относительный уровень фиксации.
При этом

Q _max = 0,8 × (b/ε_Ф) + 1; (7.13)

R 1 > 1,3ε_Ф × R _K. (7.14)

 

Таким образом, схема с диодной фиксацией обеспечивает преимущество в отношении длительности отрицательного фронта и максимальной скважности.

Варианты, у которых Е _ф=0, расчет t _ф1 и Q _max производить не нужно.

 

РАСЧЕТНОЕ ЗАДАНИЕ № 8

Изучение цифровых счетчиков импульсов

 

8.1. Цель работы

 

8.1.1. Изучить схему и принцип действия цифровых счетчиков импульсов

8.1.2. Рассчитать количество триггеров схемы исходя из емкости счётчика соответствующей варианту задания.

8.1.3. Разработать схему счётчика исходя из варианта: а) с обратными связями; в) со схемой И. Схемы разработать в трёх вариантах: 1) структурную; 2) электрическую принципиальную счётчиках на ТТЛ; 3) электрическую принципиальную на счётчиках МОП.

8.1.4. Дать описание работы схем и обоснование выбора схемы счётчика на примере двух- трёх счётчиков.

8.2. Содержание расчетного задания

8.2.1. Выполнить расчёт и разработку схемы цифрового счетчика импульсов. Варианты исходных параметров для расчета приведены в таблице 8.1 и указываются преподавателем.

8.3. Методические указания

 

Счетчик – устройство, выполненное на основе цепочки триг­геров, осуществляющее счет импульсов и фиксирующее это число в коде. Счетчики применяются в различных областях цифровой тех­ники, в частности, в электроизмерительной аппаратуре, управляю­щих системах ЭВМ, датчиках технологических параметров и т.д. Наибольшее распространение получили двоичные и двоично­-десятичные счетчики.

По выполняемой функции счетчики делятся на суммирующие, вычитающие и реверсивные. В суммирующих счетчиках число увеличивается на одну единицу с приходом каждого нового счет­ного импульса. Вычитающие счетчики содержащееся в них число уменьшают на одну единицу под воздействием очередного счетно­го импульса. Реверсивные счетчики в зависимости от поданной ко­манды могут работать как в режиме суммирования, так и в режиме вычитания счетных импульсов.

Основу счетчиков составляют триггеры, как правило, D- или JK-типов, включаемые в счетном режиме (Т-триггеры). Каждый триггер образует соответствующий разряд счетчика. В дальнейшем символом Q ₀ будем обозначать младший, символом Q_n-1 – стар­ший разряд счетчика, где n – общее число разрядов. Максимальное количество импульсов суммируемых счётчиком с n разрядов определяется уравнением N=2 ⁿ.

Таблица 8.1

Ёмкость счётчика по вариантам

 

Номер варианта	Емкость счётчика	Номер варианта	Ёмкость счётчика

 

 

Алгебра логических схем отображает двоичное многоразрядное число в виде суммы величины чисел отдельных разрядов Q соответствующих его номеру. Уравнение N=2ⁿ можно для n=8 написать так:

N=2ⁿ=2⁰+2¹+2²+2³+2⁴+***+2⁸⁼1+2+4+8+16+***+256. (8.1.)

По принципу построения счетчики подразделяются на асин­хронные и синхронные. Асинхронные счетчики представляют собой последовательное включение триггеров, где каждый последующий триггер переключается под действием выходного сигнала предыду­щего триггера. В синхронных счетчиках счетный импульс одновре­менно подается на управляющие входы триггеров всех разрядов.

Рассмотрим асинхронный двоичный суммирующий счетчик на основе JK-триггеров, работающих по заднему фронту импульса на входе С (рис. 8.1, а). Вход С каждого последующего триггера подключается к прямому выходу триггера предыдущего разряда.

Для организации Т-режима в JK-триггерах на входы J и К пода­ется «1» (рис. 8.1, б). При этом источник счетных импульсов под­ключается к выходу С триггера младшего разряда. Для триггеров более старших разрядов источником счетных импульсов является информационный сигнал с выхода триггера предыдущего разряда.

.

 

Рис. 8.1. Асинхронный двоичный суммирующий счетчик а,

JK-триггер в Т-режиме б, временные диаграммы работы счётчика в.

 

Считаем, что в начальный момент времени счетчик находится в нулевом состоянии. Триггер младшего разряда изменяет свое состояние синхронно с задним фронтом каж­дого счетного импульса Хс, поступающего на его вход С (рис.8.1,в). Триггеры вто­рого и последующих разрядов счетчика реагируют на задний фронт выходных импульсов Q _0, Q ₁, Q ₂, Q ₃ с инверсных выходов предыдущих разрядов. В результа­те уровень сигнала Q ₀ изменяется с приходом каждого второго счет­ного импульса Х_с , сигнала Q ₁ с приходом каждого четвертого импульса Х_с , сигнала Q ₂ с приходом каждого восьмого импульса Х_с. При этом каждый импульс Х_с вызывает увеличение содержи­мого счетчика на одну единицу до тех пор, пока не произойдет пере­ход всех разрядов в состояние «1» (десятичное число 15)), то есть 15=2⁴.

8.2. Условное обозначение двоичного счётчика

Частота импульсов на выходе каждого последующего разряда в два раза меньше частоты выходного сигнала предыдущего разряда. На схемах двоичные счетчики однонаправленного действия (сум­мирующие или вычитающие) имеют условное графическое обозна­чение (рис. 8.2). Цифра 2 при символе СТ обозначает, что счет­чик работает в двоичном коде, R – вход установки счетчика в со­стояние 0; S – вход установки счетчика в со­стояние 1; С – счетный вход; Q ₀… Q ₃ – выходы соответствующего разряда счетчика, где Q ₀ – младший разряд.

Для получения счетчика, работающего в другом коде, например десятичном, применяют обратные связи. На рис. 8.3,а приведена функциональная схема десятичного (декадного) счетчика импульсов на четырех триггерах, а на рис. 8.3,б — его условное обозначение при интегральном исполнении.

 

Рис. 8.3. Схема (а) и условное обозначение (б) десятичного счетчика

 

С выхода триггера Т₄ сигналы обратной связи поступают на входы триггеров T ₂, Т ₃. Благодаря этому после поступления на вход счет­чика восьмого импульса на выходе триггера Т₄ появляется сигнал <↓>, который переводит триггеры Т₃, Т₂ из состояния «0» в состоя­ние «1» (табл. 8.3).

Девятый импульс переводит триггер Т4 в состояние «1», и все триггеры оказываются в состоянии «1». Десятый импульс перево­дит все триггеры в состояние «0», и счет начинается снова. Исполь­зуя обратные связи, можно построить счетчик, работающий в систе­ме счисления с любым основанием.

Это свойство обратных связей необходимо использовать для разработки схемы с ёмкостью счётчика указанной в задании.

Рассмотренные счетчики выполняют операцию суммирования числа импульсов, поступивших на вход, поэтому их называют сум­мирующими.

Таблица 8.3

Таблица переходов десятичного счетчика

 

Номер входного импульса	Состояние триггеров	Номер входного импульса	Состояние	триггеров
Т4	Т3	Т2	Т1	Т4	Т3	Т2	Т1
							0(1)	0(1)
						↓	↑	↑

 

Счетчики, выполняющие операции сложения и вычитания, назы­вают реверсивными. Обычно они имеют два входа: сложения и вы­читания.

Описанные счетчики относятся к последовательным (асинхрон­ным), у которых импульсы поступают только на вход триггера пер­вого разряда, а каждый последующий триггер управляется вы­ходным сигналом предыдущего. Для повышения быстродействия применяют параллельные (синхронные) счетчики, в которых вход­ной сигнал воздействует параллельно на входы синхронизации всех разрядов счетчика, построенного на jk-триггерах. Использова­нием D-входов добиваются необходимой последовательности пере­ключения триггеров.

Для выполнения задания необходимо взять счётчик с числом триггеров обеспечивающим суммирование указанных в задании чисел. Количество триггеров или разрядов можно сосчитать по формуле N=2 ⁿ, где n это число разрядов то есть триггеров.

Для разработки схемы счётчика, работающей по принципу суммирования чисел разрядов заданного числа, необходимо ввести в схему логический элемент И с числом входов n, которые подключаются к выходам триггеров Q ₁- Q _n.Если для разработки схемы такой схемы взять за основу схему рисунка 8.1,а, то суммируя сигналы с выходов триггеров Т: Q 0, Q 1, Q 3, Q 4 с помощью логической схемы И, имеющей четыри входа на её выходе Q, получим сигнал, когда на всех входах будет логическая 1. Как рассматривалось ранее в этой схеме N=15. Если в задании число меньше 32, то нужен счётчик из пяти триггеров, а если задано число меньше 64, то в счётчике должно быть 6 триггеров и т. Д..

Счетчики, выпускаемые промышленностью, выполняют в виде интегральных микросхем, например К176ИЕ1 (шестиразрядный двоичный счетчик), К176ИЕ2 (пяти­разрядный счетчик), К155ИЕ4 (счетчик-делитель на 12). Микросхемы К176ИЕ8и К561ИЕ8 (рис. 8.4)—десятичные счетчики-делители.

Микросхемы К176ИЕ8 и К561ИЕ8 имеют 10 дешифрированных выходов Q 0... Q 9. Если на входе разрешения счета СE микросхемы К561ИЕ8 присутствует низкий уровень, счетчик выполняет свои операции синхронно с положительным перепа­дом на тактовом входе С. При высоком уровне на входе СE действие тактового входа запрещается и счет останавливается. При высоком уровне на входе сбро­са R счетчик очищается до нулевого отсчета. На рис. 8.4 показана схема применения счетчика К561ИЕ8 с уко­роченным циклом. Здесь от выхода N (где 2<N<9) импульс подается на сброс RS-триггера (используются ключи DD2.3 и DD2.4 дополни­тельной микросхемы K561JIE5). Если N -6, то счетчик ИЕ8 будет ра­ботать как делитель на шесть, что необходимо для устройств отсчета секунд и минут для часов. Выходной сигнал с частотой fвых = fвх/N, появляющийся на выходе переноса, используется для запуска следующего каскада. Дополнительный RS-триггер, на DD3 и DD4 в схеме (рис. 8.4) запускается при совпадении тактового импульса fвх и импульса нулевого отсчета скорости счета (входы 1и2 DD2.1). При этом сигнал с выхода 11 DD2.4, приходя на вход 15[R] микросхемы К561ИЕ8 (DD1), переводит её в состояние счёта с N=6. При этом в выходных сигналах отсутствуют пики по­мех. Сигнал выходного переноса завершает цикл счета при шестом тактовом импульсе. Положительные фронты импульсов fвыхиспользуются как тактовая последовательность для последующего счетчика ИЕ8.

Рис. 8.4. Работа счетчика К561ИЕ8 с укороченным циклом

 

Цифровые счетчики импульсов применяют для счета числа им­пульсов либо для деления числа импульсов. Счет числа импульсов, поступающих на вход с высокой частотой, необходим в вычисли­тельной технике, автоматике, информационно-измерительной тех­нике (цифровые измерительные приборы), ядерной физике (счет­чики элементарных частиц).

Выпускаемые промышленностью счётчики имеют максимальный коэффициент деления (КД) 64. В задании во всех вариантах КД больше, поэтому потребуется несколько счётчиков включенных последовательно. При этом заданный КД получают умножением коэффициентов деления счётчиков с подходящими значениями КД. Эти параметры счётчиков можно подобрать просмотрев параметры счётчиков ТТЛ приведённых в справочниках [4,8] или учебниках[11-12].

. Например: задан КД=120. Это число можно получить из двух чисел 10 и12, или трёх: 10. 3, и 4.

Схема структурная и схема электрическая принципиальная. разработанные в соответствии с заданием. должны быть выполнены в соответствии с требованиями ГОСТ. Условные обозначения элементов схем даны в справочниках [4,8] или учебниках[11-12].

В работе, в дополнение к схемам необходимо привести необходимые расчёты, описание работы разработанных схем, описание параметров счётчиков и принципа их работы.

Библиографический список

 

1. Горбачев Г. Н., Чаплыгин Е. Е. Промышленная электроника. М.: Энергоатомиздат, 1988.

2. Промышленная электроника:учебник для вузов / Котлярский А. И.,

Миклашевский С. П., Наумкин Л. Г., Павленко В. А. М.: Недра, 1984.

3. Ровинский С. Р. Силовые полупроводниковые преобразователи в металлургии: справочник. М.: Металлургия, 1986.

4. Основы промышленной электроники: учеб. для вузов / Герасимов А. Г., Князьков О. М., Краснопольский А. Е., Сухоруков В. В. М.: Высш. шк., 1986.

5. Достал И. Операционные усилители: пер. с англ. - М.: Мир, 1982

6. Миловзоров О. В., Панков И. Г. Электроника: учебник-М.: Высш. шк., 2004. 288 с.

7. Розанов Ю. К. Электронные устройства электромеханических систем: Учебное пособие -М.: Издательский центр (Академия), 2004. 272с.

8. Перельман Б. Л. Полупроводниковые приборы.: справочник «Солон», «Микротех», 1996.

9. Маругин А. П., Меженный Е. В. Физические основы электроники. Часть 3: методические указания и расчетные задания для студентов очного и заочного факультетов специальности 140604 – «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» / А. П. Маругин, Е. В. Меженный. – Екатеринбург: Изд- во УГГУ, 2009 г., 56 с.

10. Маругин А. П. Физические основы электроники: методические указания и расчетные задания для студентов очного и заочного факультетов специальности 140604 – «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов». Часть 2. Екатеринбург: Изд- во УГГУ, 2007, 58 с.

11. Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы: Справочное пособие / С. В. Якубовский, Н. А. Барканов, Л. И. Ниссельсон и др.; под ред. С. В. Якубовского. – М.: Радио и связь, 1984. 432 с.

12. Шило В. Л. Популярные цифровые микросхемы: справочник. - Челябинск: Металлургия, 1988. 352 с.

 

Учебное издание

Анатолий Петрович Маругин