Автоколебательный мультивибратор на логических элементах

Размещено на http://www.allbest.ru

Техническое задание

Необходимо разработать автоколебательный мультивибратор на логических элементах в соответствии с нижеприведенными исходными данными.

Требуемые выходные параметры мультивибратора:

а) амплитуда генерируемых импульсов ,

б) частота колебаний генерируемых импульсов ,

в) скважность импульсов регулируется.

Параметры блока питания:

а) напряжение первичной питающей сети , частота ,

б) блок питания трансформаторный.

Климатические условия:

диапазон рабочих температур .

Конструктивные требования:

а) мультивибратор предназначен для работы в составе общего блока управления мехатронной (робототехнической) системы,

б) при изготовлении мультивибратора должен быть использован печатный монтаж,

в) при изготовлении блока питания должен быть использован навесной монтаж.



Анализ поставленной задачи

Для разработки автоколебательного мультивибратора потребуется:

спроектировать схему;

рассчитать параметры схемы;

выбрать необходимые компоненты с нужными характеристиками;

выбрать САПР и выполнить трассировку печатной платы;

найти нужные материалы и устройства для травления и пайки платы;

изготовить автоколебательный мультивибратор;

рассчитать параметры блока питания для автоколебательного мультивибратора;

провести экспериментальные исследования автоколебательного мультивибратора.



Разработка принципиальной электрической схемы автоколебательного мультивибратора

Проектирование схемы

Автоколебательный мультивибратор построен на трёх логических элементах, четвертый используется для улучшения формы сигнала.

Рис. 1.1.1 Принципиальная схема автоколебательного мультивибратора на логических элементах

В первом квазиустойчивом состоянии ЛЭ2 - закрыт (), ЛЭ1 - открыт () и ЛЭ3 - закрыт (). Зарядный ток конденсатора (рис. 1.1.2) обеспечивается выходной цепью логического элемента ЛЭ2 и входной цепью логического элемента ЛЭ3. По мере заряда конденсатора возрастает напряжение на входе ЛЭ3 до порогового уровня (), при котором ЛЭ3 открывается. Возникающий вследствие этого регенеративный процесс завершается переключением схемы.

Рис. 1.1.2 Направление зарядного тока конденсатора

Во втором квазиустойчивом состоянии логический элемент ЛЭ3 - открыт (), логический элемент ЛЭ1 - закрыт () и логический элемент ЛЭ2 - открыт (). Разрядный ток конденсатора (рис. 1.1.3) обеспечивается выходной цепью логического элемента ЛЭ1, а воспринимается выходной цепью ЛЭ2 (малым выходным током ЛЭ3 пренебрегаем).

Рис. 1.1.2 Направление разрядного тока конденсатора

Сопротивление R2 влияет на длительность квазиустойчивого состояния, поэтому для изменения скважности сопротивление должно изменяться при разных направлениях тока. Для регулировки скважности, не изменяя периода импульсов, необходимо чтобы при увеличении (уменьшении) сопротивления на зарядном токе, оно уменьшалось (увеличивалось) на разрядном токе. Поэтому сопротивление R2 следут выполнить в виде потенциометра, к крайним точкам которого подключены диоды, один подключен катодом, а второй анодом (рис1.1.4).

Рис. 1.1.4 Схема регулировки скважности

При разных направлениях, ток проходит разные части потенциометра, следовательно время 1-го и 2-го квазиустойчивых состояний будет разное.

Расчёт основных параметров функционирования схемы мультивибратора

Основные количественные показатели

, где ;

.

, где ;

.

Длительность импульсов

Длительность 1-го квазиустойчивого состояния

;

.

Так как постоянная времени заряда , то

.

Длительность 2-го квазиустойчивого состояния

;

.

Так как постоянная времени разряда

, то

Период колебаний

.

Частота колебаний

Скважность импульсов

Если за рабочие принять импульсы длительностью , то

.

Расчет

Зависимость периода T от R1, R2, C

При значениях R1=100 Ом, R2=1840 Ом, C=50 нФ

Длительность 1-го квазиустойчивого состояния:

Длительность 2-го квазиустойчивого состояния:

Период

Частота

Скважность импульсов

Рис. 1.2.1 временные диаграммы работы автоколебательного мультивибратора на логических элементах

Построение принципиальной электрической схемы мультивибратора

Т.к. реальные элементы имеют некоторые погрешности номиналов, то получить на выходе частоту импульсов ровно 5 кГц не получится. Поэтому нужно добавить потенциометр R2'' чтобы была возможность регулировки частоты в небольшом диапазоне.

Рис. 1.3.1 Схема регулировки скважности и частоты

Потенциометр R2' (регулировка скважности) и потенциометр R2'' (регулировка частоты) вместе образуют сопротивление R2 (рис. 1.3.1).

Принципиальная схема автоколебательного мультивибратора на логических элементах с регулировкой скважности импульсов будет выглядеть следующим образом:

Рис. 1.3.2 Принципиальная схема автоколебательного мультивибратора

где R1 = 100 Ом, R2 = 1840 Ом, С = 50 нФ.



Разработка печатного узла и печатной платы

Выбор элементной базы и составление спецификации

В качестве R1 выбран резистор МЛТ 0.25 100 Ом 10%;

для регулировки скважности потенциометр B1K 1кОм;

для регулировки частоты потенциометр B5K 5кОм;

в качестве диодов VD1, VD2 выбран 1N4148 - импульсный малосигнальный диод (Uобр.max=75В, Iпрям.max=150мА, максимальная рассеиваемая мощность 500мВт);

ёмкость C=50нФ будет выполняться из 2ух последовательно соеденённых керамических конденсаторов 104 ёмкостью 100нФ;

логические элементы будут находится в 2ух микросхемах КМ155ЛА4, представляющих собой три логических элемента 3И-НЕ в керамическом корпусе;

все эти элементы будут располагаться на одностороннем текстолите размером 10x8 см;

для подключения питания и вывода сигналов используются металические контакты диаметром 2 мм и высотой 8 мм.

Размещение электрорадиоизделий

Размещение компонентов на печатной плате влияет на последующие этапы проектирования. Задача размещения плохо формализируется, что связано с необходимостью учёта большого количества факторов и критериев, часто противоречащих друг другу. Исходной информацией для решения задачи размещения является:



- количество и геометрические размеры конструктивных элементов, подлежащих размещению;

- схема соединений, а также ряд ограничений на взаимное расположение отдельных элементов, учитывающих особенности разработки конструкции.

Все компоненты располагаются на текстолите размером 100х80 мм. Они находятся на достаточном расстоянии друг от друга с учётом их собственных размеров, чтобы между ними можно было провести все необходимые дорожки, а также чтобы было удобство при их монтаже.

Размещение компонентов с учётом их размеров указано на рис. 2.2.1, где размеры сетки указываются в мм.

Рис. 2.2.1 Размещение компонентов на плате

Здесь DD1, DD2 - микросхемы КМ155ЛА4; R1 - резистор 100Ом; RP1, RP2 - потенциометры B5K, B1K; VD1, VD2 - диоды 1N4148, С1, С2 - конденсаторы 100нФ; X1, X2, X3 - контакты диаметром 2 мм.



Выбор САПР для трассировки печатной платы

Для трассировки печатной платы используется программа Sprint-Layout. Sprint-Layout - простой и удобный редактор для создания односторонних, двухсторонних и многослойных печатных плат. Программное обеспечение включает в себя многие элементы, необходимые в процессе разработки  полного проекта. Sprint-Layout позволяет наносить на плату контакты, SMD-контакты, проводники, полигоны, текст и так далее
В своем наборе компонентов Sprint-Layout имеет достаточный выбор всех электронных элементов начиная от конденсаторов, диодов, транзисторов и заканчивая микросхемами всех видов. Интегрированный автотрассировщик может быстро проложить проводники. Фотовид позволяет увидеть плату в почти реальном виде. Это помогает найти ошибки в создании платы.

Рис. 2.3.1 Скриншот работы программы Sprint-Layout 5.0



Трассировка печатной платы

Задача трассировки сводится к отысканию для каждого размещенного элемента таких позиций, при которых обеспечиваются наиболее благоприятные условия последующего электрического монтажа. Уменьшение длин соединений улучшает электрические характеристики устройства.

Трассировка платы (рис. 2.4.1) автоколебательного мультивибратора проводилась вручную. Дорожки оптимально проложены с учётом расположения компонентов и их размеров. Ширина дороже 1.5 мм, радиус контактных площадок 2 мм.

Рис. 2.4.1 Трассировка печатной платы автоколебательного мультивибратора



Разработка трасформаторного блока питания

Определение необходимых требований к блоку питания

К блоку питания предъявляются следующие требования:

- блок питания должен работать от сетевого напряжения 220 В 50 Герц.

- блок питания должен надежно выполнять свою функцию при возможных колебаниях сетевого напряжения 220 Вольт в пределах от - 10% до +15%. В некоторых случаях эти пределы могут существенно расширяться;

- выходное напряжение блока питания должно быть стабилизировано в соответствии с требованиями устройства - нагрузки и иметь уровень пульсаций не выше допустимых;

- при изготовлении блока питания должен быть использован навесной монтаж;

- блок питания должен быть безопасным в пожарном отношении;

- конструкция блока питания должна быть герметичной, исключающей попадание вовнутрь пыли и влаги.

Для питания автоколебательного мультивибраотра требуется постоянное напряжение 5 В ±10%. Для этого будет использован блок питания с выходным напряжением 10 В и с возможностью его регулировки.

Расчёт блока питания

Трансформатор Т понижает напряжение сети до некоторого необходимого значения, диоды VDI--VD4, включенные по мостовой схеме, выпрямляют это напряжение, а конденсатор фильтра Сф сглаживает его пульсации.

Рис. 3.2.1 Схема трансформатора с двуполупериодным выпрямителем

Исходные параметры при расчете: - требуемое напряжение на нагрузке, - максимальный ток, потребляемый нагрузкой.

Расчёт блока питания:

переменное напряжение на вторичной обмотке трансформатора:

, где А - коэффициент, численное значение которого зависит от тока; при , .

;

максимальный ток, текущий через каждый диод выпрямительного моста:

, где Б - коэффициент, зависящий от максимального тока нагрузки; при , .

Обратное напряжение диодов, используемых в выпрямителе, должно быть в 1,5 раза больше напряжения питания:

Емкость фильтрующего конденсатора Сф в мкФ определяют по формуле:

, где - коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения;

значение тока, который будет течь во вторичной обмотке:

максимальная мощность, Вт, потребляемая от вторичной обмотки:

мощность трансформатора:

Площадь сечения магнитопровода S (см2):

, где 1,3 -- постоянный усредненный коэффициент;

число витков первичной и вторичной обмоток:

;

;

диаметр проводов обмоток трансформатора:

для вторичной: ;

для первичной: .



Принципиальная электрическая схема блока питания

Для получения более постоянного напряжения на нагрузке при изменении потребляемого тока к выходу выпрямителя подключают стабилизатор.

Схема стабилизатора взята из готового реального стабилизатора, где резисторы R1 = 10kОм, R2 = 2,7kОм, R3= 3kОм, R4 = 1kОм, потенциометр RP = 47kОм служит для регулировки выходного напряжения.

Принципиальная схема всего блока питания, состоящего из трансформатора, выпрямителя и стабилизатора напряжения, изображена на рис. 3.3.1.

Рис. 3.3.1 Принципиальная электрическая схема блока питания.



Изготовление автоколебательного мультивибратора

Поэтапное изготовление печатной платы

Для изготовления печатной платы была использована “лазерно-утюжная технология”. Ход работы был следующим:

Разводка платы проводилась в программе Sprint Layout 5.0. Далее рисунок печатной платы распечатывался лазерным принтером на тонком глянцевом листе, вырезанным из журнала, т.к. с этой бумаги хорошо переводится рисунок на плату (для лучшего качества в принтере была отключена экономия тонера). Затем вырезлся нужного размера (10х8см) текстолит (рис. 4.1.1).

Рис. 4.1.1 Текстолит перед переводом рисунка

На зачищенную заготовку платы ровно накладывлась бумага с рисунком, края лишней бумаги заварачивались за текстолит (получается “конвертик”), это нужно чтобы рисунок не смещался с тексолита. Далее утюгом, выставленным на большую мощность,тщательно проглаживались все места платы в течении нескольких минут. После этого плата ложилась в теплую воду, чтобы бумага рязмякла и её было легко удалить.

После удаления бумаги, на текстолите остались напечатанные дорожки. В некоторых местах дорожки не отпечатались, поэтому они дорисовывались при помощи лака.

Рис. 4.1.2 Текстолит с нанесёнными дорожками

Травление платы происходило в растворе хлорного железа в течении часа. После травления краска с дорожек смывалась ацетоном.

Рис. 4.1.3 Протравленная плата

Сверление отверстий проводилось сверлом диаметром 1мм, под потенциометры и контакты сверлились отверстия 7мм и 3мм.

Плата закончена и готова для пайки.

Пайка электронных компонентов

Пайка компонентов происходила следующим образом:

На вставленные в отверстия контакты элемента наносился флюс, для улучшения смачиваемости поверхности металлов, чтобы припой лучше приставал к ним. В качестве флюса использовалась канифоль. Разогрев припоя производился при помощи электронагревательного прибора - паяльника. Припой наносился на контакты компонентов быстро, чтобы не поизошло сгорание этого компонента. После припаивания всех компонентов остатки флюса смывались ацетоном.

Рис. 4.2.1 Плата после завершения пайки (вид снизу и сверху)

Изготовление автоколебательного мультивибратора завершено и он готов к использованию.

Экспериментальные исследования автоколебательного мультивибратора

Подключение платы к оборудованию:

Перед подключением блока питания к плате ,на нём выставляется выходное напряжение 5В, “+” подаётся на вход, “-” на землю платы. Затем к выходу платы подключается осцилограф. Подключенная плата изображена на рис. 5.1.

Рис. 5.1 Фотография подключенного автоколебательного мультивибратора

Исследование работы автоколебательного мультивибратора:

После подключения платы на осцилографе видны импульсы. Покрутив на плате ручку регулировки частоты, выставляется частота, требуемая в задании, т.е. период равен 200 мкс. Амплитуда импульсов напряжения получилась равной 3,5 В.

Рис. 5.2 Снимок выходного сигнала с осцилографа

Вращением ручки регулировки скважности импульсов выполнялось изменение скважности. При изменении скважности немного изменялся период импульсов, тогда он восстанавливался при помощи ручки регулировки частоты, амплитуда напряжения не изменялась.

Рис. 5.3 Снимки выходного сигнала с разной скважностью импульсов



Заключение

В ходе выполнения данного проекта были изучены устройства и принцип действия автоколебательного мультивибратора на логических элементах. Была разработана принципиальная электрическая схема и выполнен расчет основных параметров мультифибратора, по которым разрабатывалась его печатная плата. При её создании выполнялались трассировка, травление и пайка.

При экспериментальном исследовании автоколебательного мультивибратора были получены данные, которые соответствуют требуемым параметрам, а именно:

- амплитуда генерируемых импульсов , требуется ;

- в диапазон регулировки частот входит частота 5 кГц.

Также была добавлена регулировка скважности импульсов.

Мультивибратор работает от напряжения блока питания, который работает от сети 220 В, 50 Гц.

Диапазон рабочих температур мультивибратора от -45 до 85, что соответствует требуемым .

Выходные импульсы были правильной формы, без каких-либо искажений, что служит хорошим показателем качества работы авоколебательного мультивибратора.



Список литературы

Справочник по микросхемам серии К155, 1991 -- с.250

Нефедов А.В. Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги. Справочник. Т. 2. -- 2000. -- с. 640

Воробьев Н.И. Проектирование электронных устройств.- 1989.

Горюнов Н.Н. Полупроводниковые приборы: Диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы, 1982.

Чертвертков И.И. Резисторы: Справочник, 1981.

Чертвертков И.И. Справочник по электрическим конденсаторам, 1983.

Романычева Э.Т. Разработка и оформление конструкторской документации, 1989.



Приложение 1. Принципиальная электрическая схема автоколебательного мультивибратора



Приложение 2. Топологическая схема печатной платы



Приложение 3. Разводка контактов интегральных микросхем

Разводка контактов микросхемы КМ155ЛА4



Приложение 4. Основные параметры и характеристики интегральных микросхем

Параметры и характеристики микросхемы КМ155ЛА4

Микросхема КМ155ЛА4 представляет собой три логических элемента 3И-НЕ в металлокерамическом корпусе 201.14-8 (масса не более 2,2 г.). В состав этой микросхемы входит 45 интегральных элементов.

Конструктивные параметры микросхемы КМ155ЛА4

Предельные параметры микросхемы КМ155ЛА4

Параметр	Значение
Максимальное напряжение питания	6 В
Максимальное напряжение на выходе закрытой схемы	5,25 В
Входное пробивное напряжение	5,5 В
Минимальное допустимое напряжение на входе схемы	-0,4 В
Максимальная рабочая температура	+85 OC
Минимальная рабочая температура	-45 OC

Электрические параметры микросхемы КМ155ЛА4

Параметр	Обозначение	Значение
Номинальное напряжение питания	Vcc	5 ± 0,5 В
Время задержки	tзад	9 нс
Максимальное значение тока логического "0" на входе	I0вх	1,6 мА
Максимальное значение тока логической "1" на входе	I1вх	40 мкА
Нагрузочная способность	N	10
Максимальное значение напряжения логического "0" на выходе	U0вых	0,4 В
Минимальное значение напряжения логической "1" на выходе	U1вых	2,4 В
Максимальное значение тока короткого замыкания	Iкз макс	55 мА
Минимальное значение тока короткого замыкания	Iкз мин	18 мА
Максимальное время задержки включения	t10	15 нс
Максимальное время задержки выключения	t01	22 нс
Максимальное значение входного напряжения,  воспринимаемое как уровень логического "0"	U0пор	0,8 В
Минимальное значение входного напряжения, воспринимаемое как уровень логической "1"	U1пор	2 В
Максимальное значение потребляемого тока при логическом "0" на выходе	I0п	16,5 мА
Максимальное значение потребляемого тока при логической "1" на выходе	I1п	6 мА
Максимальная потребляемая статическая мощность на 1 логический элемент	Pлэ	19,7 мВт

автоколебательный мультивибратор конденсатор

Размещено на Allbest.ru