ЗАДАНИЕ

ВАРИАНТ № 6 (16)

ПРОЕКТИРОВАНИЕ АВТОМАТИЧЕСКОГО

УСТРОЙСТВА №1

Спроектировать на базе интегральных логических элементов (далее ИЛЭ) серии К155 заторможенный мультивибратор, автоколебательный мультивибратор, электронный ключ на базе высокочастотного транзистора, выбрать управляющий триггер серии К155 и двоичный счетчик на триггерах, комбинационные схемы на базе ИЛЭ серии К155.

|Автоколебательный |Заторможенный |Счётчик |
|мультивибратор |мультивибратор | |
|TU2, |UПФ/UЗФ |Т | tU2 |UПФ/UЗФ |K |
|мкс. | | |мкс. | |кол - во импульсов|
| 6 | 0.79 |12 |1 |0.79 |60 |

| |
|Электронный ключ на транзисторе |
| | | | | | |
|t[pic], |U[pic], |E[pic]000|t, |t[pic], |C[pic] |
|не менее|В |00[pic][p|град. |мкс. |ключа |
| | |ic] |max | |пФ |
|мкс. | |В | | | |
| | | | | | |
|384 |5 |1,5 |60 |3 |10 |

tU1 — длительность выходных импульсов мультивибратора.

UПФ — напряжение переднего фронта импульса._

UЗФ — напряжение заднего фронта импульса. tU2 — длительность выходного импульса заторможенного мультивибратора.

К — коэффициент пересчёта счётчика. t[pic]---длительность импульса на выходе ключа.

U[pic]— амплитуда выходного импульса.

E[pic] — напряжение базового смещения. t град max---максимальная температура окружающей среды. t[pic]---фронт выходного импульса.

C[pic]---ёмкость нагрузки ключа.
Uо.выпр. - номинальное выпрямленное напряжение выпрямителя (входное напряжение стабилизатора);
Iо.max.выпр.- максимальный ток выпрямителя;max
Iо.min.выпр.- минимальный ток выпрямителя; amin- относительное отклонение напряжения в сторону понижения; amax- относительное отклонение напряжения в сторону повышения;
Kп.выпр- коэффициент пульсации напряжения на выходе выпрямителя;
Kп.ф. - коэффициент пульсации напряжения на выходе сглаживающего фильтра должен быть в 10 раз меньше.

[pic]

В структурную схему входят следующие функциональные блоки:
1- заторможенный мультивибратор ЗМ;
2- RS-триггер;
3- электронный ключ на биполярном транзисторе;
4- схема сопряжения ключа со схемой включения стабилизатора постоянного напряжения;
5- понижающий трансформатор;
6- выпрямитель;
7- сглаживающий фильтр;
8- стабилизатор компенсационного типа для питания автоколебательного мультивибратора;
9- автоколебательный мультивибратор на интегральных логических элементах

(ИЛЭ);
10- двоичный суммирующий счетчик;
11- комбинационная схема КС1, определяющая какое количество импульсов должен подсчитать двоичный счетчик;
12- комбинационная схема КС2, управляющая передачей содержимого счетчика на выходную шину данных BD;
13- стабилизатор компенсационного типа для питания остальных цифровых схем устройства.
Принцип действия .

Автоматическое устройство 3 после включения должно сформировать питающие схемы напряжение и под управлением запускающего импульса сгенерировать последовательность прямоугольных импульсов в заданными параметрами.
Количество импульсов задается параметром К счетчика. Результат работы устройства может быть выведен на схему индикации или на какое-либо исполнительное устройство через шину данных BD.

Устройство работает следующим образом. При включении автоматического устройства напряжение сети ~220 B подается на силовой понижающий трансформатор 5, выпрямляется выпрямителем 6, сглаживается фильтром 7 и подает на вход стабилизатора мультивибратора 8 и стабилизатора напряжения для питания всех цифровых микросхем устройства (блок 13). Напряжение питания подается на все блоки схемы, кроме мультивибратора. Запускающий импульс переводит RS-триггер управления 2 в нулевое состояние и гасит суммирующий двоичный счетчик 10 сигналом R и запускает заторможенный мультивибратор 1. Выходной сигнал RS-триггера открывает электронный ключ 3 на выходе которого появляется выходное напряжение равное нулю. Это напряжение с помощью устройства сопряжения 4 формирует сигнал включения стабилизатора мультивибратора 8. Автоколебательный мультивибратор 9 начинает генерировать последовательность прямоугольных импульсов с заданными параметрами, которые подсчитываются суммирующим двоичным счетчиком 10. Двоичный код счетчика анализируется комбинационной схемой КС1
(блок 11), и как только этот код станет равным заданному числу К, вырабатывается единичный управляющий сигнал, который переключает RS-триггер в нулевое состояние. При этом ключ закрывается, устройство сопряжения 4 формирует напряжение +2В, которое отключает стабилизатор напряжения 8 и мультивибратор, счетчик фиксируется в последнем состоянии, а результат счета через комбинационную схему КС2 (блок 12) выводятся на шину данных BD.
В таком состоянии автоматическое устройство будет находиться до прихода следующего запускающего импульса.
Uо.выпр. - номинальное выпрямленное напряжение выпрямителя (входное напряжение стабилизатора);
Iо.max.выпр.- максимальный ток выпрямителя;max
Iо.min.выпр.- минимальный ток выпрямителя; amin- относительное отклонение напряжения в сторону понижения; amax- относительное отклонение напряжения в сторону повышения;
Kп.выпр- коэффициент пульсации напряжения на выходе выпрямителя;
Kп.ф. - коэффициент пульсации напряжения на выходе сглаживающего фильтра должен быть в 10 раз меньше.

1.Заторможенный мультивибратор с резистивно-емкостной обратной связью на элементах. И - НЕ

1.1 Общие сведения. Принцип действия. Методика расчёта.

Мультивибратор — это простой релаксационный генератор прямоугольных импульсов, к которым не предъявляют жёстких требований по параметрам.
Используется положительная обратная связь. Есть два вида возбуждения : жёсткое и мягкое. При жёстком — оба плеча в одинаковом состоянии (нет генерации).

Заторможенный мультивибратор (далее, как ЗМ) предназначен для формирования прямоугольного импульса с заданной амплитудой и длительностью в ответ на один запускающий импульс.

ЗМ можно получать из соответствующих автоколебательных мультивибраторов (далее, как АМ) путем замены одной из ветвей резистивно- емкостной обратной связи цепью запуска.

Длительность импульса запуска, с одной стороны, должна быть достаточной для переключения ИЛЭ, т.е. больше суммарной задержки их переключения (t01зд или t10 зд). С другой стороны, длительности формируемого импульса tU. В противном случае мультивибратор во время действия запускающего импульса будет в неопределённом состоянии.

ЗМ с резистивно-емкостной обратной связью на ИЛЭ И-НЕ ТТЛ получается из АМ (рис.1.1) путём исключения, например, конденсатора С2, резистора R2 и диода VD2. При этом резистивно-емкостная обратная связь заменяется непосредственной связью выхода ИЛЭ DD1.2 с одним из входов ИЛЭ DD1.2.
Запускающие импульсы отрицательной полярности с амплитудой Uвх »Eвых, подаётся на свободный от триггерного включения вход ИЛЭ DD1.1. В исходном состоянии ИЛЭ DD1.1 и DD1.2 находятся в нулевом и едином состояниях соответственно. Под действием запускающего импульса (t=t[pic]) логических элементов изменяют свои состояния на противоположные, времязадающий конденсатор начинает заряжаться через выход ИЛЭ DD1.1 и резистор R.

Напряжение Uвх2 на выходе ИЛЭ DD1.2 при этом экспоненциально изменяется от Emax, стремясь к нулю. Формирование рабочего импульса длительностью tU заканчивается при Uвх2 (tU)=U1n (t=t[pic]), так как дальнейшее уменьшение входного напряжения приводит к увеличению выходного напряжения ИЛЭ DD1.2. При t > t2 в мультивибраторе развивается регенеративный процесс, по окончании которого ИЛЭ возвращается в исходное состояние, а напряжение Uвх2 уменьшается скачком от U1[pic]n до (U1n -
E1вых). Далее мультивибратор в два этапа возвращается в исходное состояние.
Сначала конденсатор С разряжается через смещенный в прямом направлении диод
VD, а затем, после запирания диода, конденсатор перезаряжается входным вытекающим током Iвх ИЛЭ DD1.2, а напряжение Uвх2 стремиться к значению
U[pic]. Если пренебречь временем разряда С через диод VD, то tB[pic] (R || R[pic] )*[pic]С* ln [ 10 + [pic][pic]].

Длительность импульса равна: tU2 = (R + R[pic])*С * ln[pic][pic]

Если период запускающих импульсов Т > tU + tB, то мультивибратор успеет восстановиться.

Для получения почти прямоугольной формы выходных импульсов заторможенного мультивибратора при Т >= tU + t B сопротивление времязадающего резистора R выбирается таким образом:

R < R1вх *[(I1вх * R1вх / U0n) - 1][pic]

1.2 Расчёт заторможенного мультивибратора.

Произведём расчёт заторможенного мультивибратора на ИЛЭ И - НЕ серии
К155(стандартной).

Основные параметры серии К155:
| Параметры | | Параметры | |
|I1ВХ, mА | - 0,8 |R1ВХ, кОм | 10 |
|I0ВХ, mА | 0 |R0ВХ, кОм | Ґ |
|E[pic] ,В | 4,2 |R[pic], Ом | 200 |
|E[pic] ,В | 0 |R[pic], Ом | 0 |
|U[pic] , В не | 2,4 |K, не менее | 8 |
|менее | |UВХ MAX, В |5,5 |
|U[pic] ,В не |0,4 | | |
|более | | | |
|U[pic] ,В | 1,5 |UВХ MIN, В | - 0,4 |
|U[pic] ,В | 0,5 |I[pic] MAX, mА | 10 |
|U[pic] ,В | 1 |f MAX, МГц | 10 |
| | |PПОТ, мВт, не более | |

Проверяем условие:

R < R1ВХ*[(I 1ВХ * R1ВХ / U0П)-1]-1=666,7(Ом) (1.1)

Uпф/Uзф=[pic][pic]R=752,38(Ом)

R не удовлетворяет условию (1.1)

Берем Uпф/Uзф=0,76 Ю R=633,33(Ом)

Из шкалы номинальных значений берём R=620(Ом)

Найдём ёмкость конденсатора С: tU2 = (R + R[pic])*С * ln[pic][pic] [pic]

С = [pic][pic]=

=[pic] =

=1,626*10[pic](Ф)[pic]

Выбираем С =1,5*10-9 (Ф)

Рассчитаем время восстановления мультивибратора: tB[pic] (R || R[pic] )*[pic]С* ln [ 10 + [pic][pic]] =

=(1,613*10[pic]+5*10[pic])*1,5*10[pic]*ln[10+[pic]] =

=1,383*10[pic](c)

Общая характеристика:

Резистор: R = 620 Ом, тип МЛТ, номинальная мощность Р =.........Вт, предельное напряжение -.........В

Конденсатор: С = 1,5 пФ, тип......., предельное напряжение -.........В.

2. Автоколебательный мультивибратор на базе

ИЛЭ И -НЕ.

2.1 . Общие сведения. Принцип действия. Методика расчёта.

Автоколебательный мультивибратор (далее АМ) генерирует последовательность прямоугольных импульсов с заданной длительностью, амплитудой и частотой повторения.

Рассмотрим методику проектирования АМ с перекрёстными резисторно - ёмкостными обратными связями на элементах И – НЕ. В состав мультивибратора входят: два инвертора на двухвходовых ИЛЭ И - НЕ DD1.1 и DD1.2, резисторы
R1 и R2, конденсаторы C1 и C[pic] (рис.2.1).

При использовании m - входовых ИЛЭ И - НЕ ТТЛ (m -1) незадействованных входов подключается к источнику питающего напряжения через резистор 1 кОм или объединяются все m входов (при m [pic] 3), т.к. объединение входов при m > 3 приводит к снижению входных сопротивлений элементов (в m раз). При заземлении хотя бы одного из входов ИЛЭ будет постоянно находиться в единичном состоянии.

При работе мультивибратора в автоколебательном режиме инверторы DD1.1 и DD1.2 поочерёдно находятся в единичном и нулевом состояниях. Время пребывания инверторов в нулевом или единичном состоянии определяется временем заряда одного из конденсаторов С1 или С2. Если ИЛЭ DD1.1 находится в единичном состоянии, а DD1.2 в нулевом (t =0), то конденсатор С1 заряжен током, протекающим через выход ИЛЭ DD1.1 и резистор R1. Этот ток, как и входной ток ИЛЭ DD1.2,пренебрежимо мал и не оказывает существенного влияния на процесс заряда конденсатора. По мере заряда конденсатора C1, входное напряжение UВХ2 инвертора DD1.2 уменьшается по экспоненциальному закону с постоянной времени t1 , стремясь к нулевому уровню. Когда напряжение UВХ2 достигнет порогового напряжения U[pic], ниже которого дальнейшее уменьшение входного напряжения приводит к уменьшению выходного напряжения инвертора
ТТЛ, в мультивибраторе развивается регенеративный процесс, при котором состояния элементов DD1.1 и DD1.2 изменяются на противоположные (t = t1).
Скачкообразное уменьшение выходного напряжения UВЫХ1 вызывает уменьшение входного напряжения UВХ2, что приводит к быстрому разряду конденсатора C1, а затем к его перезаряду вытекающим током DD1.2 через резистор R1. Входное напряжение UВХ2 при этом возрастает до значения UВХ(t[pic]), определяемого моментом окончания процесса заряда конденсатора C2 с постоянной времени t2 в противоположной ветви мультивибратора (t= =t2).

Таким образом, процессы периодически повторяются, и на выходах ИЛЭ
DD1.1 и DD1.2 формируется два изменяющихся в противофазе импульсных напряжения с длительностями t U1 и t U2.

Так как на протяжении всего времени заряда конденсатора С2 (С1) и перезаряда конденсатора С1(С2) ИЛЭ DD1.2 (DD1.1) должен находится в единичном состоянии, его входное напряжение UВХ2(UВХ1) не должно превышать порогового уровня U[pic], следовательно, сопротивление времязадающего резистора R1 (R2) должно быть достаточно малым. При этом необходимо вычислить минимальное и максимальное значение резисторов R1 и R2.

Максимально допустимое значение резистора вычисляется по следующему неравенству:

R < R1ВХ *[( I1ВХ * R1ВХ / U[pic]) - 1] - 1 (2.1)

Если при выборе сопротивления навесных резисторов R1 и R2 ограничиваться выражением (2.1), то при определённых условиях в мультивибраторе может наступить жёсткий режим возбуждения, когда после включения источника питающего напряжения оба инвертора оказываются в единичном состоянии. Для устранения такого режима необходимо выполнить условие:

R > R1ВХ * [( I1ВХ*R1ВХ / U[pic]- 1] - 1 (2.2)

При выполнении (2.2) рабочие точки обоих ИЛЭ оказываются на динамических участках передаточных характеристик и, следовательно, даже небольшое различие в коэффициентах усиления К приводит к одному из двух квазиустойчивых состояний, когда на выходе одного ИЛЭ устанавливается высокий уровень выходного напряжения, а на выходе другого — низкий.
Самовозбуждение мультивибратора в этом случае будет мягким.

Длительности импульсов на выходе мультивибратора можно определить по следующим выражениям:

t[pic] [pic](R1 + R1ВЫХ)*С1*ln [pic]

t[pic][pic](R2 + R1ВЫХ)* С2* ln [pic]

Выходные импульсы рассматриваемого мультивибратора по форме близки к прямоугольным. Отношение амплитуд переднего и заднего фронтов выходного напряжения определяется соотношением:

UПФ / UЗФ = R / (R + R[pic]) где R = R1 для ИЛЭ DD1.1., R = R2 для ИЛЭ DD1.2.

Скважность генерируемых импульсов:

Q = 1 + tU2 / tU1

Если t[pic] =t[pic] ,то C[pic]=C[pic].

2. Расчёт автоколебательного мультивибратора.

Произведем расчёт автоколебательного мультивибратора на ИЛЭ И - НЕ серии К155:

Проверяем условия :

R < R1ВХ*[(I 1ВХ * R1ВХ / U[pic])-1] [pic]= 230,47(Ом)

R > R1ВХ*[(I 1ВХ * R1ВХ / U[pic])-1]-1 = 666,67(Ом)

Uпф/Uзф=[pic] [pic] 0,79= R / (R + 200)

R - 0,79*R = 0,79*200

R = 752,38 (Ом)

Условия выполняются.

Выбираем из шкалы номинальных значений R = 750 Oм.

Рассчитаем ёмкость конденсаторов.

Т.к. t[pic] =T - t[pic]=12-6=6=t[pic] ,то мультивибратор симметричный, и C [pic]=C[pic][pic]

C[pic]=[pic] =

=[pic] =6,76*10[pic](Ф)

Выбираем из шкалы номинальных значений

C[pic] = C[pic]= 6,8*10[pic]Ф.

3. Электронный ключ на транзисторе.

3.1. Общие сведения. Принцип действия.

Электронный ключ –основной функциональный узел дискретной схемотехники для переключения токов или потенциалов на нагрузке. []

В импульсных устройствах очень часто требуется коммутировать
(включать и выключать) электрические цепи. Эта операция выполняется бесконтактным способом с помощью транзисторных ключей.

Ключевые схемы используются для построения генераторов и формирователей импульсов , а также различных логических схем цифровой вычислительной техники. Ключ выполняет элементарную операцию инверсии логической переменной и называется инвертором.

В статическом режиме ключ находится в состоянии «включено» (ключ замкнут), либо в состоянии «выключено» (ключ разомкнут).
Переключение ключа из одного состояния в другое происходит под воздействием входных управляющих сигналов : импульсов или уровней напряжения. Простейшие ключевые схемы имеют один управляющий вход и один выход.

Основу ключа составляет транзистор в дискретном или интегральном исполнении.

В зависимости от состояния ключ шунтирует внешнюю нагрузку большим или малым выходным сопротивлением. В этом и заключается коммутация цепи, производимая транзисторным ключом.

Основными параметрами ключа являются :

--быстродействие, определяемое максимально возможным числом переключений в секунду ; для интегральных ключевых схем оно составляет миллионы коммутаций ;

--длительность фронтов выходных сигналов ;

--внутренние сопротивления в открытом и закрытом состоянии ;

--потребляемая мощность ;

--помехоустойчивость, равная уровню помехи на входе, вызывающей ложное переключение ;

--стабильность пороговых уровней, при которых происходит переключение ;

--надежность работы в реальных условиях старения радиодеталей, изменения источников питания и т.д.

В ключевых схемах в общем случае используются все основные схемы включения транзисторов: с общей базой (ОБ), с общим коллектором (ОК), ключ-«звезда», с общим эмиттером (ОЭ). Наибольшее применение получили транзисторные ключи по схеме с ОЭ.

Статические характеристики.

Поведение ключа в статическом режиме определяется выходными
I[pic] и входными I[pic] характеристиками транзистора по схеме с
ОЭ.

На выходных характеристиках выделяются три области, которые определяют режим отсечки коллекторного тока, активный режим и режим насыщения ключевой схемы.

Область отсечки определяется точками пересечения линии нагрузки
R[pic] с самой нижней кривой семейства выходных характеристик с параметром I[pic]= - I[pic]. Этой области соответствует режим отсечки, при котором:

--транзистор закрыт, т.к. оба его перехода смещены в обратном направлении

U[pic]>0, U[pic]