Проектирование программируемого генератора прямоугольных импульсов

Преобразование энергии источника постоянного тока в энергию электрических колебаний при помощи релаксационных генераторов. Устройство автоколебательного мультивибратора на дискретных компонентах. Выбор структурной схемы генератора прямоугольных импульсов.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Техническое задание на проектирование

Программируемый генератор прямоугольных импульсов.

Частота колебаний .

Программируемый параметр - длительность импульса дискретно изменяется от 10 мкс до 100 мкс с шагом 10 мкс.

Введение

В импульсной технике широко применяются генераторы прямоугольных импульсов, которые относятся к классу релаксационных генераторов. Колебания, в которых медленные изменения чередуются со скачкообразными, называют релаксационными. Такими колебаниями являются, в частности, прямоугольные и пилообразные импульсы.

Подобно генераторам синусоидальных (гармонических) напряжений, релаксационные преобразуют энергию источника постоянного тока в энергию электрических колебаний. Однако если в генераторе гармонических колебаний LC-типа происходит непрерывный обмен энергией между конденсатором и катушкой контура и за период расходуется обычно небольшая часть энергии, полученной от источника, то в релаксационном генераторе в течение одной части периода энергия запасается в реактивном элементе только одного типа, обычно в конденсаторе, а в другую часть периода выделяется в виде теплоты в резисторах схемы.

Усилительный элемент работает в данном случае в ключевом режиме, переключая конденсатор с зарядки на разрядку и обратно.

Широко используются релаксационные генераторы, построенные на основе усилителей с положительной обратной связью. Релаксационные генераторы, в которых положительная обратная связь создается с помощью RC-цепей, называют мультивибраторами. Причем глубина положительной обратной связи остается почти постоянной в широкой полосе частот.

Мультивибраторы могут работать в двух режимах: ждущем и автоколебательном.

В ждущем режиме схема имеет одно устойчивое состояние, в котором может находиться неограниченно долго. Под действием короткого запускающего внешнего импульса схема скачком переходит в квазиустойчивое состояние, а затем самостоятельно возвращается в исходное состояние, формируя импульс заданной длительности.

В автоколебательном режиме схема имеет два квазиустойчивых состояния, длительность каждого из которых определяется времязадающей цепью. Изменяя параметры времязадающей цепи, можно менять длительность этих состояний.

1. Обзор существующих или возможных способов решения поставленной задачи

В основе данного проекта лежит автоколебательный мультивибратор на дискретных компонентах, где активными элементами являются биполярные транзисторы (рисунок 1).

Рисунок 1.

Помимо дискретных компонентов, мультивибраторы могут быть выполнены на операционных усилителях, цифровых интегральных микросхемах и в виде монолитных интегральных микросхем.

В мультивибраторе (МВ), выполненном на операционном усилителе, положительная обратная связь реализуется благодаря резистивной связи между выходом и неинвертирующим входом ОУ. Схема данного МВ изображена на рисунке 2.

Моменты переключения MB из одного состояния квазиравновесия в другое определяются моментами встречи изменяющегося напряжения на конденсаторе С с пороговыми уровнями U+_пор и U-_пор напряжения, задаваемыми значениями напряжения и+_вх в состояниях квазиравновесия.

Пусть в первом состоянии квазиравновесия , при этом ; напряжение , равное напряжению на конденсаторе C, возрастает по экспоненциальному закону с постоянной времени и стремится к уровню +E. В момент, когда станет равным , ОУ переходит в усилительный режим, восстанавливается петля положительной обратной связи, и возникающий регенеративный процесс завершается переключением схемы во второе состояние квазиравновесия. Теперь , , конденсатор C разряжается с постоянной времени , и напряжение стремиться к уровню -E. В момент, когда , происходит переключение МВ вновь в первое состояние квазиравновесия.

Рисунок 2.

Таким образом, мультивибратор генерирует напряжение прямоугольной формы меандр (рисунок 3), причем, как легко видеть, период автоколебаний:

T=t₁+t₂.

Рисунок 3.

Мультивибраторы на логических элементах. Выходным каскадом цифровой интегральной схемы И--НЕ, а также ИЛИ--НЕ является усилитель (инвертор). Это дает возможность построить на таких элементах мультивибратор, аналогичный мультивибратору на транзисторах. За счет положительной обратной связи в схеме развивается лавинообразный процесс, благодаря чему переход выходного напряжения с одного уровня на другой происходит с большой скоростью.

Автоколебательный мультивибратор. Схема автоколебательного мультивибратора приведена на рисунке 4. Входы каждого из элементов Э1 и Э2 соединены -- элементы использованы как усилители-инверторы. Выход одного элемента связан со входом другого цепью C1--R2 (C2)/(R1)₉ за счет чего (так же, как и в схеме транзисторного мультивибратора) создается положительная обратная связь.

Диоды VD1, VD2 являются защитными, напряжение на них не может быть ниже U_Dотп0,7В. В отсутствие VD1, VD2 на входы элементов через конденсаторы будут передаваться значительные отрицательные перепады напряжений, что выведет микросхемы из строя. Если защитные диоды имеются внутри самих микросхем, то необходимость установки их снаружи отпадает. Изменения потенциалов на выходах элементов обусловлены перезарядкой конденсаторов C1, С2.

Рисунок 4.

Принцип работы мультивибратора на интегральном таймере основан на свойстве таймера сохранять прежнее значение своего выходного сигнала, если напряжение на объединенных входных выводах его компараторов верхнего и нижнего уровней лежит между порогами срабатывания: U_п/3<U_c(t) <2U_п/3. Схема данного мультивибратора приведена на рисунке 5.

Рассмотрим работу данной схемы. При этом будем полагать, что выходное напряжение на выходе таймера может принимать только два значения: U_выx= U_n и U_вых = 0. Допустим, что в начальный момент времени (t₀) U_c(t₀)<U_п/3, и на выходе (вывод 3) ИС установилось высокое напряжение, равное U_пит. Напряжение конденсатора под действием этого напряжения начнет увеличиваться и в момент t₁ достигнет значения, равного 2U_п/3.

Рисунок 5.

При этом произойдет срабатывание компаратора верхнего уровня DA1 таймера, который своим выходным напряжением сбросит триггер DD1. Выходное напряжение таймера уменьшится до и_вых = 0, и времязадающий конденсатор начнет разряжаться. В момент t₂ его напряжение уменьшится до значения U_с(t₂) = U_п/3 и процесс повторится.

Основные идеи и схемотехнические решения, применяемые в мультивибраторах на дискретных компонентах, используются и для реализации многих типов интегральных мультивибраторов.

На рисунке 6 приведено изображение микросхемы 218ГГ1 автоколебательного мультивибратора с навесными времязадающими конденсаторами С1 и С2, совокупность которых составляет автоколебательный мультивибратор.



Рисунок 6.

На рисунке 7 показан вид импульсов на выходе МВ на дискретных компонентах.

Рисунок 7.

Для изменения длительности импульса на выходе мультивибратора нужно менять значение постоянной времени разрядки конденсатора C₁. Для мультивибратора на дискретных компонентах (рисунок 1):

.

Меняя номинал , мы будем изменять постоянную времени, а следовательно и длительность импульса. Но, изменив длительность импульса, измениться частота колебаний МВ, которая, исходя из технического задания, должна оставаться постоянной. Поэтому требуется также менять значение постоянной времени разрядки конденсатора C₂:

.

Таким образом, меняя номиналы резисторов и , можно добиться изменения длительности импульсов при постоянной частоте колебаний МВ.

Дискретного изменения длительности импульсов можно добиться, включая попеременно пары резисторов и с разными номиналами с помощью элект...