Проектирование программируемого генератора прямоугольных импульсов

Размещено на http://www.allbest.ru/

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 электронного коммутатора, который управляется микроконтроллером.

2. Выбор и обоснование структурной схемы разрабатываемого устройства

Проанализировав задание на проектирование, мною предложена структурная схема разрабатываемого устройства, изображенная на рисунке 8.

Рисунок 8.

Рассмотрим подробнее данную структурную схему. От источника питания подаётся постоянное напряжение на электронный коммутатор, микроконтроллер и мультивибратор. С помощью электронного коммутатора происходит переключение между парами времязадающих резисторов, тем самым меняется длительность импульса с определенной дискретностью в заданном диапазоне значений. В свою очередь режим работы электронного коммутатора определяется двоичным кодом, поданным с выходов микроконтроллера на адресные входы коммутатора.

Электронный коммутатор должен иметь один вход и десять выходов (или больше), т.к. к нему подключаются десять пар времязадающих резисторов. Если коммутатор имеет меньшее количество выходов, то будут использоваться несколько электронных коммутаторов. В зависимости от количества используемых коммутаторов определяется разрядность микроконтроллера. При использовании одного электронного коммутатора будут использоваться 4-ёх разрядный микроконтроллер, при использовании двух - должно быть минимум 5 разрядов в порте ввода-вывода микроконтроллера.

Сигнал, поступив с электронного коммутатора на мультивибратор, преобразуется и на выходе мультивибратора наблюдаются импульсы напряжения прямоугольной формы различной длительности, в зависимости от выбранной пары резисторов.

Данная структурная схема привлекательна своей простотой исполнения и относительно небольшой стоимостью элементной базы.

3. Выбор элементной базы, разработка принципиальной схемы, её описание и расчёт элементов

Как уже было сказано в п.1, за основу данного проекта я взял мультивибратор на биполярных транзисторах (рисунок 9).



Рисунок 9.

Мультивибратор, собранный по основной схеме (рисунок 9), представляет собой двухкаскадный резистивный усилитель, построенный на транзисторных ключах-инверторах.

Положительная обратная связь имеется в схеме за счет того, что выход одного ключа соединен с входом другого. Действительно, если относительно эмиттера потенциал базы транзистора VT1 станет, к примеру, более отрицательным, то потенциал коллектора VT1 (и базы VT2) окажется более положительным, а потенциал коллектора VT2 (и базы VT1) -- более отрицательным. Так, к первоначальному приращению потенциала добавляется приращение того же знака, поступающее в исходную точку по петле обратной связи. Заметим, что цепь положительной обратной связи замыкается и нормально функционирует, когда оба транзистора отперты и работают в усилительном режиме.

Физические процессы в мультивибраторе. Рассмотрение работы мультивибратора начнем с момента, когда транзистор VT2 насыщен, конденсатор С2 разряжается и напряжение на нем приближается к нулю.

Транзистор VT1 напряжением заперт, так как левая по схеме обкладка С2 непосредственно соединена с базой VT1, а правая оказывается подсоединенной к эмиттеру VT1 через насыщенный транзистор VT2.

Формирование фронта импульса. Когда напряжение на разряжающемся конденсаторе С2 станет примерно равным нулю, транзистор VT1 отпирается.

При одновременно отпертых транзисторах замыкается цепь положительной обратной связи -- в схеме создаются условия для лавинообразного процесса. Отпирание транзистора VT1 приводит к уменьшению отрицательного потенциала его коллектора. Так как напряжение на конденсаторе С1 не может изменяться мгновенно, то этот положительный скачок напряжения целиком прикладывается между базой и эмиттером VT2, что вызывает уменьшение тока в его цепи. Вследствие этого потенциал коллектора VT1 становится более отрицательным -- отрицательный скачок напряжения через конденсатор С2 передается на базу транзистора VT1, что приводит к еще большему отпиранию его и т. д.

Так как каждый последующий скачок напряжения на базе больше предыдущего (за счет усилительных свойств транзисторов), то описанный процесс нарастает лавинообразно и спустя небольшое время, исчисляемое долями микросекунды, транзистор VT2 оказывается запертым. С этого момента цепь положительной обратной связи обрывается и лавинообразный процесс прекращается. Параметры схемы выбраны так, что открывшийся транзистор VT1 оказывается в режиме насыщения.

Во время лавинообразного процесса напряжение на конденсаторе С2 не успевает измениться. Только после запирания транзистора VT2 этот конденсатор начинает заряжаться по цепи: +Е_К -- «земля» -- эмиттер -- база насыщенного транзистора VT1 -- С2 -- R_К2 -- (-- Е_К). Когда конденсатор С2 зарядится, напряжение на коллекторе примет значение u_К2 ? -- Е_К. На этом формирование фронта импульса закончится.

Формирование плоской вершины импульса. После насыщения транзистора VT1 напряжение на конденсаторе С1 оказывается приложенным между базой и эмиттером транзистора VT2 и удерживает его запертым. Поэтому напряжение и_К2 остается неизменным -- на коллекторе VT2 формируется плоская вершина импульса.

При насыщенном транзисторе VT1 конденсатор С1 получает возможность разряжаться по цепи: +E_K -- «земля»--VT1 -- С1 --R_Б2 -- (--Е_K). Когда напряжение на нем окажется близким к нулю, транзистор VT2 отпирается и в схеме вновь создаются условия для лавинообразных процессов. На этом формирование плоской вершины заканчивается.

Формирование среза импульса. Начавшийся лавинообразный процесс протекает аналогично описанному с той лишь разницей, что теперь напряжение на коллекторе VT1 по абсолютному значению увеличивается, а напряжение на коллекторе VT2 уменьшается. В результате транзистор VT1 запирается, а транзистор VT2 насыщается -- на коллекторе VT2 формируется срез импульса.

Пауза. Через насыщенный транзистор VT2 происходит разрядка конденсатора С2 по цепи: + Е_К -- «земля» -- VT2 -- С2 -- R_Б1 --(--Е_К) (аналогично через соответствующие элементы схемы ранее разряжался конденсатор С1). Пока напряжение не приблизится к нулю, транзистор VT1 заперт, а транзистор VT2 насыщен. После отпирания VT1 начнется формирование очередного импульса на коллекторе VT2. Указанное состояние схемы (транзистор VT1 заперт, транзистор VT2 насыщен, конденсатор С2 разряжается) совпадает с тем состоянием, с которого было начато рассмотрение работы мультивибратора.

Из рассмотренной работы мультивибратора следует, что когда насыщен транзистор VT1 и разряжается конденсатор С1, заперт транзистор VT2; когда насыщен транзистор VT2 и разряжается конденсатор С2, заперт транзистор VT1.

Таким образом, формирование импульса на коллекторе VT2 соответствует паузе между импульсами на коллекторе VT1 и наоборот, а уменьшающийся положительный потенциал на базе VT2 соответствует приблизительно нулевому потенциалу на базе VT1 и наоборот.

В ходе этих физических процессов на выходе мультивибратора будет наблюдаться сигнал, представленный на рисунке 10.

Рисунок 10.

Т.к. техническое задание не предусматривает определенной амплитуды импульса на выходе мультивибратора, то питающее напряжение будет равным . Известно, что . Следовательно, амплитуда импульсов:

.

Транзисторы VT1 и VT2 следует выбирать исходя из следующих соотношений:

,

.

Т.е. ,

Данным параметрам удовлетворяют транзисторы КТ209А, их параметры приведены в таблице 1.

Предельные значения параметров при TП = 25 °С	Значения параметров при TП = 25 °С
Iк.макс, мА	Iк.и.макс, мА	UкэR, B	Uкбо.макс, B	Рк.макс, мВт	h21Э	Uкб, B	Iэ, мА	Iкбо, мкА	fгр, МГц
300	500	15	15	200	20...60	1	30	0,4	5

Сопротивления резисторов R_к1 и R_к2 примем равными и найдём, опираясь на соотношение:

,

т.е. сопротивление выбирают с таким расчётом, чтобы ток открытого транзистора не превышал максимально допустимого.

,

Чтобы мощность на коллекторе транзистора не превышала максимальной, R_к выбирается исходя из соотношения:

,

.

Опираясь на данные соотношения, мною выбраны резисторы С2-ЗЗН-0.125 номиналом 250 Ом ().

Для изменения длительности импульса ф требуется менять значение постоянной времени разрядки конденсатора C1:

,

Чтобы при этом период колебаний оставался постоянным потребуется также менять время паузы , меняя постоянную времени разрядки конденсатора C2:

.

Для автоколебательного мультивибратора длительность импульса определяется соотношением:

,

время паузы:

,

период колебаний:

.

генератор прямоугольный импульс релаксационный

В качестве конденсаторов C1 и С2 я выбрал конденсаторы К10-17 с одинаковым номиналом 1000 пФ (C1=C2=C).

Чтобы изменять длительность импульса от 10 мкс до 100 мкс при постоянном периоде, необходимо менять пары транзисторов и . Исходя из соотношений для и номиналы резисторов находятся по формулам:

,

,

Рассчитаем номиналы резисторов для каждой из заданных длительностей импульсов , времени паузы , а также найдём скважность импульсов .

:

,

,

.

:

,

,

.

:

,

,

.

:

,

,

.

:

,

,

.

:

,

,

.

:

,

,

.

:

,

,

.

:

,

,

.

:

,

,

.

В качестве резисторов R_б так же будут использоваться резисторы С2-ЗЗН-0.125.

Рассчитаем длительность переднего фронта импульса (время восстановления схемы):

,

.

Чтобы форма импульсов была близка к прямоугольной и конденсатор C успевал заряжаться за время , должно выполняться условие:

,

 - как видно, условие выполняется для самой маленькой длительности импульса, а, следовательно, выполняется и для больших длительностей.

Для переключения сигнала между парами резисторов я выбрал электронный коммутатор КР591КН1 (рисунок 11).

Назначение выводов:

I0 - I15 - аналоговые входы (выходы);

Out - аналоговый выход (вход);

A, B, C, D - адрес (выбор соединения);

E+ - положительное напряжение питания;

E- - отрицательное напряжение питания;

Gnd - общий вывод (цифровая земля).

Технические характеристики коммутатора КР591КН1

Обозначение	Сопро-тивление Rds (Ом)	Время включе-ния (мкс)	Переключаемый сигнал (В)	Напряжене питания (В)	Корпус	Температура
591КН1	500	2,5	±5	+5; -15	керамический DIP	-60 до +80 °C

Данный аналоговый коммутатор будет управляться с помощью микроконтроллера. С выходов последнего будет подаваться определенный сигнал на адресные входы коммутатора A, B,C, D, тем самым определяя режим работы коммутатора.

Для данного проекта я выбрал микроконтроллер ATtiny15L фирмы Atmel (Рисунок 12).

Рисунок 12.

Как и все микроконтроллеры AVR фирмы «Atmel», микроконтроллеры семейства Tiny являются 8-разрядными микроконтроллерами, предназначенными для встраиваемых приложений. Они изготавливаются по малопотребляющей КМОП-технологии, которая в сочетании с усовершенствованной RISC-архитектурой позволяет достичь наилучшего соотношения быстродействие/энергопотребление. Удельное быстродействие этих микроконтроллеров может достигать значения 1 MIPS/МГц (1 миллион операций в секунду на 1 МГц тактовой частоты). Микроконтроллеры данного семейства предназначены в первую очередь для низкостоимостных («бюджетных») приложений и соответственно являются самыми дешевыми из всех микроконтроллеров AVR. Важной особенностью этих микроконтроллеров является эффективное использование выводов кристалла, например, в 8-выводном корпусе все выводы (кроме, разумеется, выводов питания) могут использоваться в качестве линий ввода/вывода.

Перечислим вкратце основные особенности микроконтроллеров семейства Tiny:

* возможность вычислений со скоростью до 1 MIPS/МГц;

* FLASH-память программ объемом 1...2 Кбайт (число циклов стирания/записи не менее 1000);

* оперативная память (статическое ОЗУ) объемом 1...2 Кбайт;

* память данных на основе ЭСППЗУ (EEPROM) объемом до 64 байт (число циклов стирания/записи не менее 100000);

* возможность защиты от внешнего чтения и модификации памяти программ и данных (в EEPROM);

* возможность программирования непосредственно в системе через последовательный интерфейс*;

* различные способы синхронизации: встроенный генератор с внутренней или внешней времязадающей RC-цепочкой; встроенный генератор с внешним резонатором (пьезокерамическим или кварцевым); внешний сигнал синхронизации;

* наличие двух или трех режимов пониженного энергопотребления;

* некоторые модели микроконтроллеров могут работать при пониженном до 1.8 В напряжении питания.

Основными характеристиками подсистемы ввода/вывода являются:

* программное конфигурирование и выбор портов ввода/вывода;

* выводы могут быть запрограммированы как входные или как выходные независимо друг от друга;

* входные буферы с триггером Шмитта на всех выводах;

* возможность подключения к входам внутренних подтягивающих резисторов (сопротивление резисторов составляет 35... 120 кОм).

Основные параметры микроконтроллера ATtiny15L

Память программ (FLASH) [Кбайт]	Память данных (EEPROM) [байт]	Количество линий ввода/вывода	Напряжение питания [В]	Тактовая частота [МГц]	Тип корпуса
1	64	6	2.7...5.5	0...1.2	DIP-8; S0IC-8

В данной работе микроконтроллер будет подключаться к источнику питания +5 В. Мною выбран тип корпуса DIP-8.

+В проекте будут задействованы только первые четыре разряда порта В, который будет работать в режиме выхода. Определённый сигнал с выводов порта В будет посылаться на адресные входы коммутатора, тем самым, выбирая режим коммутации, а соответственно и длительность выходных импульсов.

В результате анализа элементной базы мною предложена принципиальная схема, разрабатываемого устройства, изображенная на рисунке 13.

Рисунок 13.

Данная схема привлекательна простотой исполнения и относительно небольшой стоимостью элементной базы.

4. Разработка алгоритма и его описание

Программа будет состоять из десяти подпрограмм (TimeX), каждая из которых соответствует определённой длительности импульса. Вызывая определённую подпрограмму, можно получить необходимую длительность импульса на выходе генератора. Алгоритмы работы подпрограмм представлены ниже.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рассмотрим общий принцип работы подпрограмм. Чтобы с выводов порта В на входы коммутатора был подан определённый сигнал, необходимо записать число, соответствующие этому сигналу в ядро микроконтроллера - регистр общего назначения (запись числа 0bxxxx в регистр R10). После чего из РОН переслать его в регистр данных порта В. По умолчанию все выводы порта В работают как входы, чтобы порт работал как выход, необходимо переслать из РОН единицу (0b111111) в регистр направления порта В. После данной процедуры сигнал поступит на входы электронного коммутатора. Программа на ассемблере представлена в приложении 1.

5. Инструкция по проверке схемы

Функциональная схема, разрабатываемого программируемого генератора прямоугольных импульсов изображена на рисунке 14.

Принцип работы схемы заключается в том, что с микроконтроллера поступает определённый сигнал на адресные входы коммутатора (электронного ключа), который замыкает определённый ключ на пару резисторов мультивибратора, которые определяют длительность импульса на выходе устройства.

Для правильной работы схемы необходимо использовать микроконтроллер ATtiny15L, аналоговый коммутатор КР591КН1. Источник питания должен подавать постоянное напряжение +5 В, - 5 В, - 15 В, а так же должен иметь вход для «земли». Подключение питания осуществляется в соответствии со схемой на рисунке 14. Электронный осциллограф С1-72 подключается к выходу генератора. Выбирая режим работы микроконтроллера, на экране осциллографа будут наблюдаться прямоугольные импульсы различной длительности (от 10 до 100 мкс).

Заключение

В данном проекте мною был разработан генератор прямоугольных импульсов с программируемой длительностью импульсов от 10 до 100 мкс с шагом 10 мкс, работающий на частоте 1 кГц. Полученное устройство отличается простотой исполнения и относительно небольшой стоимостью элементной базы. В проекте подробно описаны принцип работы и проверка функционирования устройства. Так же представлены структурная, функциональная и принципиальная схемы генератора, сборочный чертёж устройства и программа на языке Assembler для микроконтроллера ATtiny15L.

Список использованных источников

1. Браммер Ю.А., Пащук И.Н. Импульсные и цифровые устройства // М.: Высшая школа, 2006.

2. Гольденберг Л.М. Импульсные устройства. // М.: Радио и связь, 1981.

3. Ерофеев Ю.Н. Импульсные устройства. // М.: Высшая школа, 1989.

4. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. // М.: Высшая школа, 1991 (2-е издание).

5. Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника. // М.: Горячая линия - Телеком, 2005.

6. Дьяконов М.Н. Справочник по электрическим конденсаторам. // М.: Радио и связь, 1983.

7. Москатов Е. А. Справочник по полупроводниковым приборам. // Таганрог, 2005.

8. Лебедев О. Н. Изделия электронной техники. Цифровые микросхемы. Микросхемы памяти. Микросхемы ЦАП и АЦП: справочник // М.: Радио и связь, 1994.

9. Евстифеев А.В. Микроконтроллеры AVR семейств Tiny и Mega фирмы “Atmel” // М: ДОДЕКА-ХХI, 2004.

Размещено на Allbest.ru