Проектирование автоматического устройства

t
(R2
+ R1
ВЫХ
)* С2
* ln

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

UПФ
/ UЗФ
= R / (R + R
)

где R = R1
для ИЛЭ DD1.1., R = R2
для ИЛЭ DD1.2.

Скважность генерируемых импульсов:

Q = 1 + tU2
/ tU1

Если t =t ,то C=C.

Расчёт автоколебательного мультивибратора.

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

Проверяем условия :

R < R1
ВХ
*[(I 1
ВХ
* R1
ВХ
/ U
)-1] = 230,47(Ом)

R > R1
ВХ
*[(I 1
ВХ
* R1
ВХ
/ U)-1]-1
= 666,67(Ом)

Uпф/Uзф= 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 =T - t=12-6=6=t ,то мультивибратор симметричный, и C =C

C= =

= =6,76*10(Ф)

Выбираем из шкалы номинальных значений

C = C= 6,8*10Ф.

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 и входными I 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 с самой нижней кривой семейства выходных характеристик с параметром I= - I. Этой области соответствует режим отсечки, при котором:

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

U>0, U<0

--напряжение U= - E+I*R - E

--ток коллектора минимален и определяется обратным (тепловым) током коллекторного перехода I=I

--ток базы I= - I,а ток эмиттера I=0

--сопротивление транзистора постоянному току наибольшее

R =100 кОм.

Активная область
расположена между нижней кривой коллекторного тока и линией насыщения. Этой области соответствует активный нормальный режим, при котором эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный -- в обратном:

U<0,U>0

Ток коллектора I=B*I+(B+1)I=B*I+I ; I=(B+1)I.

Где B – коэффициент усиления базового тока в схеме с ОЭ.

Область насыщения
определяется точками пересечения линии нагрузки с линией насыщения. Этой области соответствует режим насыщения. При котором:

--транзистор открыт, т.к. оба его перехода смещены в прямом направлении

U<0,U<0

--напряжение U и U насыщенного транзистора составляет доли вольта

--максимальный ток транзистора (ток насыщения) I, практически не зависит от параметров транзистора

I= (3.1)

--сопротивление транзистора постоянному току минимально (десятки ом)

r=

Коллекторный ток насыщения достигается при граничном токе базы I==. (3.2)

Глубина или степень насыщения транзистора определяется коэффициентом насыщения S

S=.

3.2.Расчёт транзисторного ключа.

Расчёт ключей производится с целью обеспечения статического и динамического режимов, при которых в заданном диапазоне происходит надёжное включение и выключение транзистора с требуемым быстродействием.

Выбор типа транзистора.

Тип транзистора выбирается исходя из заданного быстродействия, необходимой амплитуды выходного напряжения, температурного диапазона работы.

Выбираем тип транзистора КТ315А.

Iдоп=100 мА

IмкА (при 20)

f МГц

C пФ

B=55

Выбор источника коллекторного питания.

Значение источника E выбирают по заданной амплитуде U выходного напряжения

E=(1,11,2)*U=(1,11,2)*5=5,56 (B),

При этом должно выполнятся неравенство

EUдоп=20 (В),

Выбираем E =5,7 B.

Коллекторный ток насыщения

. Величина тока I ограничена с двух сторон

20*IIIдоп,

где I -обратный ток коллекторного перехода при t;

Iдоп=допустимый ток коллектора в статическом режиме (в состоянии длительного включения).

Можно рекомендовать

I=0,8*Iдоп=0,8*100*10=80*10(А) (3.3)

Определение коллекторного сопротивления.

Величина коллекторного сопротивления находится из (3.1),(3.3):

R===71,25 (Ом)

Выбираем R=75 Ом.

Обратный ток коллекторного перехода

определяется при максимальной температуре t по формуле

I =I(20) *2,

Где I(20)-обратный ток коллекторного перехода при 20.

Сопротивление резистора R

выбирается из условия получения режима отсечки закрытого транзистора при максимальной температуре.

R==9735 (Ом)

Выбираем R=9,1 (кОм)

Ток базы I.

Базовый ток ,при котором транзистор заходит в режим насыщения, вычисляется по формуле (3.2) с учётом, что коэффициент усиления B=B

I= (мА)

Сопротивление резистора R.

Для заданной амплитуды входного управляющего сигнала U=E величина сопротивления R рассчитывается по формуле

R=

Значение коэффициента насыщения S при заданной длительности t находим из формулы

S= ,где величина t определяется из формулы

t=t,

t-cреднее время жизни неосновных носителей (дырок) в базе

t=(с)

t=8,9*10+55*75*(7+10)*10 (с)

S=

R= (кОм)

Выбираем R

Величина ускоряющей ёмкости C.

В транзисторном ключе с ускоряющей ёмкостью C величина ёмкости находится из равенства

C= (пФ)

4.Триггер

Триггер
-это запоминающий элемент с двумя устойчивыми состояниями, изменяющихся под воздействием входных сигналов. Как элемент ЭВМ, триггер предназначен для хранения бита информации, т.е. “0” или “1”.

Выбираем D-триггер К155ТМ2.

Триггером типа D наз. синхронный запоминающий элемент с двумя устойчивыми состояниями и одним информационным

D-входом.

Рассмотрим работу D-триггера на основе RS-триггера.Закон его функционирования приведен в таблице переходов

Триггер устанавливается в состояние лог. "1" при одновременной подаче напряжения низкого уровня на входы эл-тов D2.1, D2.3 независимо от уровня напряжения на счетном входе С. При напряжении низкого уровня на счетном входе установка триггера в состояние лог. “0” может быть произведена при подаче напряжения низкого уровня на вход элемента D2.1, при напряжении высокого уровня на счетном входе — при подаче напряжения низкого уровня на вход эл-та D2.3. Поэтому при построении суммирующего счетчика, импульсы первого подают на шестые элементы, а при построении вычитающего счетчика — на 4-ые элементы.

Установка триггера в состояние лог.”1” при напряжении низкого уровня на счетном входе осуществляется подачей напряжения низкого уровня на вход элемента D1.1, при напряжении высокого уровня на счетном входе и входах "установка 0" (R1, R2) — подачей напряжения низкого уровня на вход элемента D2.2

При одновременной подаче напряжения низкого уровня на входы элементов D1.1 и D2.2 установка в состояние “1” осуществляется независимо от уровня напряжения на счетном входе. Поэтому при записи в счетчик произвольного кода и при установке реверсивных счетчиков в состояние “0” следует подавать импульсы установки на оба входа установки 1 (S1, S2) одновременно или раздельно в зависимости от рода работы.

При напряжении высокого уровня на счетном входе триггер находится в одном из двух устойчивых состояний, а при напряжении низкого уровня — в промежуточном состоянии (основной триггер, элементы D1.1 и D2.1 в предыдущем состоянии, на входах элементов D1.2 и D2.2 напряжение высокого уровня).

Минимальная длительность импульсов установки триггера

tи уст min
= t0, 1
зд р max
+ t1, 0
зд р max
.

Минимальная длительность цикла работы одиночного триггера

tmin
= 3 t0, 1
зд р
+2 t1, 0
зд р
.

Установка в “0” схем выполненных на триггерах JK и D серий ИС ТТЛ, осуществляется отрицательным импульсом, подаваемым на вход R. Запись кода ведется в 2 такта: сначала установка в “0”, затем запись “1” в соответствующий разряд.

При выполнении схем на ИС типа ТВ1 и использовании предварительной установки 1 и 0 на вход синхронизации необходимо подавать напряжение низкого уровня.

5.Счетчик

Счётчиком
наз. типовой функциональный узел ЭВМ, предназначенный для счета входных импульсов. Счётчик относится к классу накапливающих схем и представляет собой цепочку T-триггеров, образующих память автомата с заданным числом устойчивых состояний. Разрядность счётчика равна числу счётных триггеров.Каждый входной импульс изменяет состояние счётчика,которое сохраняется до поступления следующего считываемого сигнала. Логические значения выходов счётчика Q отображают результат счёта в прмнятой системе счисления.

Счётчики разделяют на простые ( суммирующие и вычитающие ) и реверсивные.

В нашем устройстве используем двоично - десятичный четырёхразрядный синхронный реверсивный счётчик К155ИЕ7.

Этот счётчик имеет три основных режима :

параллельная асинхронная загрузка двоично - десятичного кода по входу DI ;

режим суммирования ;

режим вычитания .

В двух последних режимах счетные импульсы подают на различные входы : при вычитании на вход CD .

Выходы переноса в указанных режимах также разные : PU - при суммировании , PD - при вычитании .

Функциональные возможности счётчика демонстрируют временные диаграммы ( рис. ) ,где показан пример предварительной записи двоично - десятичного кода числа 7.

Соответственно на временной диаграмме импульс переполнения PU появляется между состояниями счётчика отвечающими числами “ 15 ” и “ 0 ”. Аналогично импульс PD формируется в паузе между “ 0 ” и “ 15 ”.

Схема каскадного объединения счётчика показано на рис . .

Схема и УГО счётчика К155ИЕ7 приведена на рис . .

Стабилизированный источник питания

Основными частями стабилизированного источника питания являются : силового трансформатора, схемы выпрямления, сглаживающего фильтра. Силовой трансформатор служит для повышения или понижения напряжения сети до необходимой величины. Схема выпрямления состоит из одного или нескольких вентилей, обладающих односторонней проводимостью тока и выполняющих основную функцию выпрямителя – преобразование переменного тока в постоянный. Сглаживающий фильтр предназначен для уменьшения пульсаций выпрямленного тока. Стабилизатор постоянного напряжения предназначен для поддержания автоматически с требуемой точностью постоянное напряжение при нагрузке при изменении дестабилизирующих факторов в обусловленных пределах.

Выбираем двухполупериодную схему выпрямителя со средней точкой.

Задаемся вспомогательными коэффициентами B =и D=.

Амплитуда обратного напряжения на вентиле U==

4. Стабилизатора постоянного напряжения.

В выпрямителях величина постоянной составляющей может изменяться при колебаниях напряжения сети и при изменениях тока нагрузки. Для получения необходимой величины постоянного напряжения на сопротивлении нагрузки применяют стабилизаторы напряжения.

Стабилизатором постоянного напряжения называют устройство, поддерживающее автоматически и с требуемой точностью постоянное напряжение на нагрузке при изменении дестабилизирующих факторов в заданных пределах.

Основными параметрами стабилизатора являются:

Коэффициент стабилизации, представляющий собой отношение относительного изменения напряжения на входе к относительному изменению напряжения на выходе стабилизатора (при изменении тока нагрузки).

Где Uвх
и Uвых
— номинальные напряжения на входе и выходе стабилизатора; DUвх
и DUвых
— абсолютные изменения напряжений на входе и выходе стабилизатора.

Коэффициент стабилизации служит основным критерием для выбора схемы стабилизатора и оценки её параметров.

Выходное сопротивление, характеризующее изменение выходного напряжения при изменении тока нагрузки и неизменном входном напряжении,

Rвых
= DUвых
/DIн

Чем меньше Rвых
тем лучше при этом уменьшается общее внутреннее сопротивление блока питания, что приводит к уменьшению падения напряжения на нём и способствует повышению устойчивости работы многокаскадных схем, питающихся от общего источника.

Коэффициент полезного действия, равный отношению мощности к нагрузке и номинальной входной мощности:

h = Uвых
Iн
/ Uвх
Iвх

Относительная нестабильность входного напряжения du
, характеризующая допустимое относительное отклонение стабилизированного напряжения.

Расчет стабилизатора постоянного напряжения:

Rд
= Uвых
/1,5мА=5/0,0015=3333,3

Uоп min
= 2В

Iд min
=1,5 мА

h219
=140

R2
=1*10-4

R1
= Rд
- R2
= 3332,9996