МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

Курсовая работа

по предмету «Микросхемотехника»

Генератор пачек импульсов

Выполнил Студент Попов И. О.

Группа А - 01 - 03

Москва 2005 г.

Содержание

• 1. Постановка задачи
• 2. Технические требования
• 3. Состав ГППИ
• 3.1 Усилитель сигнала запуска
• 3.2 Формирователь длительности пачки
• 3.3 Управляемый генератор прямоугольных импульсов
• 4. Графическая часть
• Список использованной литературы

1. Постановка задачи

На базе общей структурной схемы спроектировать генератор пачки прямоугольных импульсов (ГППИ), выбрав в соответствии с заданием узлы, а также элементную базу и конкретные типы интегральных схем. Привести описание работы схемы, дополнив его временными диаграммами для ключевых точек схемы.

Для каждого блока, исходя из заданных технических требований и принципа работы узла, рассчитать параметры элементов. Список всех элементов свести в спецификацию.

Для проверки работоспособности и достоверности расчетов смоделировать работу ГППИ (если это возможно) или отдельных (по заданию преподавателя) его блоков, воспользовавшись программами схемотехнического проектирования DesignLab 8.0, OrCad 9.2 или WEWB 5.1.

2. Технические требования

Параметры входного сигнала:

- полярность - «+»;

- минимальная амплитуда - 0.1В;

- минимальная длительность - 1мкс.

Параметры выходного сигнала:

- выходное напряжение в режиме покоя - Н;

- период следования импульсов в пачке - 2 мкс;

- скважность следования импульсов в пачке - 2;

- число импульсов в пачке - 7;

- уровни выходного напряжения соответствуют уровням ТТЛ.

3. Состав ГППИ

ГППИ строится на основе управляемого генератора прямоугольных импульсов. Структурная схема ГППИ представляет набор следующих функциональных узлов (рис. 1):

1. усилитель сигнала запуска,

2. формирователь длительности пачки,

3. управляемый генератор прямоугольных импульсов.

3.1 Усилитель сигнала запуска

Неинвертирующий усилитель сигнала запуска строится на базе интегрального операционного усилителя серии ИС140. Усилитель должен обеспечить необходимую амплитуду и полярность запускающего импульса.

3.2 Формирователь длительности пачки

Блок 2 ГППИ формирует сигнал определенной длительности, в течение которого работает генератор прямоугольных импульсов. Поэтому этот блок строится на базе одновибратора. Схема строится на базе интегрального операционного усилителя серии ИС140. Длительность выходного импульса определяется из технического задания на временные параметры ГППИ и числа импульсов в пачке.

3.3 Управляемый генератор прямоугольных импульсов

Блок 3 ГППИ - это управляемый генератор прямоугольных импульсов. Генератор вырабатывает импульсы только при подаче разрешающего сигнала. Схема строится на ТТЛШ-элементах серии 533.

Для формирования полного последнего импульса в пачке каждая схема должна быть дополнена логической схемой, которая расширяет сигнал разрешения.

В данной схеме между блоками 2 и 3 необходим блок согласования уровней для обеспечения работоспособности блока 3.

Блок-схема генератора пачек прямоугольных импульсов с добавленными блоками синхронизации и согласования уровней.

1. усилитель сигнала запуска,

2. формирователь длительности пачки,

2. согласователь уровней,

4. управляемый генератор прямоугольных импульсов, дополненный логической схемой, которая расширяет сигнал разрешения.

• 4. Графическая часть
• Полная уточненная принципиальная схема ГППИ
• Перечень элементов

Обозначение	Наименование	Номинал	Примечание
Усилитель сигнала запуска
R0	Сопротивление	1 кОм
R1	Сопротивление	100 кОм
R2	Сопротивление	1 кОм
С0	Конденсатор	0.1 мкФ
DA1	Операционный усилитель К140УД8А	-
Формирователь длительности пачки
R4	Сопротивление	5.1 Ом
R5	Сопротивление	5.1 кОм
R3	Сопротивление	150 Ом
R	Сопротивление	3.3 кОм
С	Конденсатор	6.8 нФ
С3	Конденсатор	1 нФ
D1	Диод Д233	-
D2	Диод Д233	-
DA2	Операционный усилитель К140УД8А	-
Блок согласования уровней
R6	Сопротивление	300 Ом
D3	Диод Д233	-
D4	Диод Д233	-
Управляемый генератор прямоугольных импульсов
R7	Сопротивление	470 Ом
R8	Сопротивление	680 Ом
R9	Сопротивление	100 Ом
С1	Конденсатор	1.5 нФ
D5	Диод Д233	-
D6	Диод Д233	-
D7	Диод Д233	-
D8	Диод Д233	-
DD1	К533ЛА3	-	2 И-НЕ Ч 4
DD2	К533ЛА2	-	8 И-НЕ

Описание работы всей схемы с поясняющими диаграммами.

В состоянии покоя (при отсутствии входного сигнала) на выходе схемы устанавливается напряжение U¹ = 3.4 В. На вход схемы поступает запускающий импульс положительной полярности с амплитудой U_вх = 0.1 В длительностью 1 мкс. Усилитель неинвертируя усиливает сигнал до уровня U_М = 10 В. Формирователь длительности пачки увеличивает длительность сигнала до t_и ? 15 мкс. Согласователь уровней уменьшает амплитуду сигнала до уровня U⁺_ст = 5 В и обрезает нижнюю составляющую на уровне U^-_ст. Управляемый генератор прямоугольных импульсов все время действия разрешающего сигнала U₃ вырабатывает последовательность из 7 импульсов. Затем схема возвращается в состояние равновесия U_вых = U¹ = 3.4 В.

Описание функциональных узлов

1. Усилитель сигнала запуска.

Принципиальная схема имеет вид:

Входное напряжение подается на неинвертирующий вход, а с выхода усилителя через делитель R₁, R₂ на инвертирующий вход подается напряжение обратной связи. На выходе схемы наблюдается входной сигнал, усиленный до уровня U_М.

На рисунке приведены временные диаграммы, иллюстрирующие работу усилителя.

ОУ выбирается из серии ИС 140. Его основные характеристики следующие:

U_пит = 2Ч15 В

I_вх ? 0.2 нА

R_вх ? 10 МОм

R_вых ? 200 Ом

R_н ? 2 кОм

|U_выхmax| ? 10 В

Коэффициент усиления определяется следующим соотношением:

Выберем R₁ и R₂ так, чтобы R₁ + R₂ было больше R_{н min}, при этом должны выполняться неравенства R₁ < R_вх, R₂ >> R_вых.

Пусть , тогда

Для исправления ошибок в форме входного сигнала добавим к данному блоку дифференцирующую цепь - резистор R₀ и конденсатор большой емкости C₀, так, чтобы ф = C₀·R₀ >> t_и = 1 мкс:

Из номинального ряда выбираем R₀ = 1 кОм

Пусть

Обозначение	Наименование	Номинал	Примечание
R0	Сопротивление	1 кОм
R1	Сопротивление	100 кОм
R2	Сопротивление	1 кОм
С0	Конденсатор	0.1 мкФ
DA1	Операционный усилитель К140УД8А	-

Результаты моделирования:

Осциллограмма напряжения показана на рисунке 1.

2. Формирователь длительности пачки.

Принципиальная схема имеет вид:

Активным компонентом является операционный усилитель. В цепь положительной обратной связи неинвертирующего входа включается резистивный делитель R₂?R₁. Времязадающая RC?цепь включена в цепь инвертирующего входа (отрицательной обратной связью). Для обеспечения устойчивости одного состояния равновесия (в данной схеме состояния с высоким уровнем потенциала на выходе) времязадающий конденсатор шунтируется диодом.

Состояние устойчивого равновесия устанавливается сразу после включения напряжений источников питания и остается до тех пор, пока на вход не поступит пусковой импульс по цепи запуска C₁, R₃, D₂. Она должна оставить от сколь угодно длинного входного сигнала короткий импульс: такой короткий, чтобы не повлиять на длительность выходного сигнала, но и достаточно длинный для того, чтобы ОУ успел переключиться из одного устойчивого состояния равновесия в другое. Входной импульс укорачивается до длительности t_и 0,7R₃C₁ и передается через диод D₂ на неинвертирующий вход ОУ. На рисунке приведены временные диаграммы, иллюстрирующие работу одновибратора.

При отсутствии пускового сигнала одновибратор находится в состоянии устойчивого равновесия (в ждущем режиме), при котором на выходе ИОУ (состояние отрицательного насыщения), {У тебя положительное} диод D₁ открыт, конденсатор С разряжен U_c = U_{д пр} << (U_{д пр} ? напряжение на открытом диоде D₁), так что напряжение U_c можно принять U_c = 0, при этом напряжение U_д = U_ни U_и = < 0.

При подаче по цепи запуска на неинвертирующий вход положительного перепада, {У тебя отрицательный} обеспечивающего изменение полярности напряжения U_д на дифференцирующем входе ОУ с отрицательной на положительную, происходит регенеративное переключение ИОУ в состояние положительного насыщения (выходное напряжение становится равным ), в результате чего диод D₁ запирается и напряжение на конденсаторе начинает изменяться по закону

Когда напряжение U_c достигает значения

напряжение U_д переходит через нуль и ИОУ возвращается в состояние отрицательного насыщения . При этом конденсатор C начинает разряжаться с той же постоянной времени, так как диод D₁ остается закрытым. Отпирание диода произойдет только тогда, когда напряжение U_c достигнет напряжения отпирания диода U_отп.д. После отпирания диода D₁ на конденсаторе установится напряжение U_c = U_дпр и процесс восстановления завершится. Длительность выходного импульса при равна

t_и = ·ln(1?)^?1 = ·ln(1+R₁/R₂).

ОУ выбирается из серии ИС 140. Его основные характеристики следующие:

U_пит = 2Ч15 В

I_вх ? 0.2 нА

R_вх ? 10 МОм

R_вых ? 200 Ом

R_н ? 2 кОм

|U_выхmax| ? 10 В

Найдем R1 и R2: Пусть - коэффициент обратной связи - равен 0,5

Пусть R1 = R2 = 5.1 кОм.

Найдем R из условия I_вых < I_{вых доп}:

Поскольку необходимо получить на выходе пачку из 7 импульсов длительностью 1 мкс каждый с периодом следования 2 мкс при условии высокого уровня на выходе схемы в состоянии покоя, то общее время пачки составит 15 мкс {У тебя своя длительность выходного сигнала} .

Длительность импульса определяется экспонентой U_с(t).

Найдем значение С:

Из номинального ряда выбираем С = 6.8 нФ

Пересчитаем R:

Из номинального ряда выбираем R = 3300 Ом

Рассчитаем элементы цепи запуска:

Для того, чтобы ОУ успел переключиться в состояние положительного насыщения достаточно 100 нс. В то же время нам нужно получить длительность выходного импульса одновибратора tи = 15 мкс. К этому времени переходной процесс в цепи C₁ - R₃ должен закончиться.

Выберем C₁ = 1 нФ. Рассчитаем R₃:

Из номинального ряда выбираем R₃ = 150 Ом

Выбор диода D₁:

Выбор диода D₂:

Выберем диоды типа Д233 удовлетворяющие данным условиям.

Обозначение	Наименование	Номинал	Примечание
R1	Сопротивление	5.1 Ом
R2	Сопротивление	5.1 кОм
R3	Сопротивление	150 Ом
R	Сопротивление	3.3 кОм
С	Конденсатор	6.8 нФ
С1	Конденсатор	1 нФ
D1	Диод Д233	-
D2	Диод Д233	-
DA1	Операционный усилитель К140УД8А	-

Результаты моделирования:

Осциллограмма напряжения показана на рисунке 2.

3. Блок согласования уровней.

Принципиальная схема имеет вид:

Схема представляет собой диодный ограничитель напряжения с балластным резистором, ограничивающим ток через диод. На рисунке приведены временные диаграммы, иллюстрирующие работу схемы:

При подаче на вход напряжения 0 < U_вх < 5 В оба диода закрыты и сигнал проходит без искажений. Если U_вх > 5 В, то открывается диод D₁, и на выходе устанавливается напряжение U_вых ? 5 В. Если U_вх < 0, то открывается диод D₂, и на выходе устанавливается напряжение U_вых ? 0 В.

Из номинального ряда выберем значение R_б = 300 Ом.

Диоды должны удовлетворять условиям:



Выберем диоды типа Д233 удовлетворяющие данным условиям.

Обозначение	Наименование	Номинал	Примечание
R1	Сопротивление	300 Ом
D1	Диод Д233	-
D2	Диод Д233	-

Результаты моделирования:

Осциллограмма напряжения показана на рисунке 3.

4. Управляемый генератор прямоугольных импульсов.

Принципиальная схема имеет вид:

Данная схема представляет собой стробируемый мультивибратор на элементах И-НЕ. При подаче на вход высокого уровня на выходе генерируется последовательности прямоугольных импульсов. На рисунке приведены временные диаграммы, иллюстрирующие работу схемы:

Когда U_вх = U⁰, то U₁ = U¹ и U_вых = U⁰, т.о. мультивибратор не работает. При U_вх = U¹ устанавливается напряжение U₁ = U⁰ и U_вых = U¹, а напряжение U₂ увеличивается на величину перепада U¹ - U⁰, т.е. устанавливается значение U₂ = U¹ + (U¹ - U⁰). Начиная с этого момента происходит процесс перезаряда конденсатора С по цепи: выход элемента DD2 (U_вых = U¹) - С - R - выход элемента DD₁ (U₁ = U⁰). В момент времени, когда U₂ достигает значения U_пер, элемент DD₁ изменяет свое состояние (U₁ = U¹, U_вых = U⁰), после чего U₂ изменяется скачком на величину перепада U¹ - U⁰. Затем снова происходит процесс перезаряда конденсатора С по цепи: выход элемента DD₁ (U₁ = U¹) - R - C - выход элемента DD₂ (U_вых = U⁰). Когда U₂ снова достигает значения U_пер, элемент DD₁ изменяет свое состояние (U₁ = U⁰, U_вых = U¹), после чего U₂ опять изменяется скачком на величину перепада U¹ - U⁰. Далее процесс повторяется.

Т.о. импульс, поступающий на вход схемы, является разрешающим. В течение этого импульса на выходе генерируется пачка импульсов.

Схема строится на логических элементах, выполненных по технологии ТТЛШ серии 533. Характеристики данной серии следующие:

U_пит = 5 В;

U¹ = 3.4 В, U¹_min = 2.5 В

U⁰ = 0.25 В, U⁰_max = 0.4 В

U¹_{вх min} = 2 В, U⁰_{вх max} = 0.7 В

U_пер = 1.35 В

R⁰_вых = 40 Ом, R¹_вых = 10 Ом

Длительность импульса определяется экспонентой U₂(t).

Т.к. ф_и ? ф_п, то необходимо заменить ветвь с сопротивлением R на 2 параллельно соединенных ветви с сопротивлением и диодом:



	=>

Положим R₁ ? 10·( R⁰_вых+ R¹_вых). Из номинального ряда выбираем значение R₁ = 470 Ом.

Вычислим С:

Из номинального ряда выбираем значение С = 1.5 нФ.

Вычислим R₂:

Из номинального ряда выбираем значение R₂ = 680 Ом.

Для того чтобы защитить вход элемента DD₁ от перенапряжения вставим в схему диодный ограничитель, аналогичный блоку 3.

Из номинального ряда выберем значение R₃ = 100 Ом.

Диоды в цепи защиты должны удовлетворять условиям:

Выберем диоды типа Д233 удовлетворяющие данным условиям.

Выбор диода D₁:



Выбор диода D₂:

Выберем диоды типа Д233 удовлетворяющие данным условиям.

Чтобы обеспечить высокий уровень на выходе схемы при отсутствии входного сигнала необходимо проинвертировать выходной сигнал элемента DD₂. Для этого на выход ставится элемент И-НЕ. Для формирования полного последнего импульса в пачке дополним схему логической схемой, расширяющей сигнал разрешения. Т. о. схема приводится к следующему виду:

Элемент DD₅ выполняет роль инвертора. Элементы DD₄ и DD₃ осуществляют расширение разрешающего сигнала. Также элемент DD₃ обеспечивает наличие высокого уровня на выходе схемы при отсутствии входного воздействия.

Т. о. при отсутствии входного воздействия устанавливаются напряжения U₁ = U¹, U₂ = U⁰, U₃ = U⁰ и U_вых = U¹. При подаче U_вх = U¹ установятся U₁ = U⁰, U₂ = U¹, и на выходе мы будем наблюдать проинвертированную пачку импульсов U_вых = -U₃. Если входной импульс завершится раньше, чем закончится последний выходной импульс (U_вх = U⁰, U_вых = U⁰), то U₁ = U¹, U₂ = U¹, следовательно выходной импульс не обрежется. Как только U_вых = U¹, U₂ = U⁰ и схема завершает свою работу.

На рисунке приведены временные диаграммы, иллюстрирующие работу схемы:

Обозначение	Наименование	Номинал	Примечание
R1	Сопротивление	470 Ом
R2	Сопротивление	680 Ом
R3	Сопротивление	100 Ом
С	Конденсатор	1.5 нФ
D1	Диод Д233	-
D2	Диод Д233	-
D31	Диод Д233	-
D32	Диод Д233	-
DD1	К533ЛА3	-	2 И-НЕ
DD2	К533ЛА3	-	2 И-НЕ
DD3	К533ЛА3	-	2 И-НЕ
DD4	К533ЛА3	-	2 И-НЕ
DD5	К533ЛА3	-	2 И-НЕ

Результаты моделирования:

Осциллограмма напряжения показана на рисунке 4.

	рис 1. Осциллограмма входного и выходного напряжения усилителя сигнала запуска
	рис 2. Осциллограмма входного и выходного напряжения формирователя длительности пачки

Список использованной литературы

1. Ткаченко Ф.А. Техническая электроника. - Мн.: Дизайн ПРО, 2002. - 368с. (УДК 621.38; Т484)

2. Электротехника и электроника. Учебник для вузов.- В 3-х кн. Кн. 3. Электрические измерения и основы электроники/ Г.П.Гаев, В.Г.Герасимов, О.М.Князьков и др.; Под ред. проф. В.Г.Герасимова. - М.: Энергоатомиздат, 1998. (УДК 621.3; Э45)

3. Методические указания к курсовой работе по курсу “Электроника, микросхемотехника и САПР”. Под ред. Шмелева С.К. -М.: Изд-во МЭИ, 1996

4. Отечественные микросхемы и зарубежные аналоги: Справочник. Перельман Б.Л., Шевелев В.И. "НТЦ Микротех", 1998г.,376 с.