
- •Теория дискретных устройств автоматики и телемеханики в электроснабжении курс лекций
- •Введение
- •1. Математическое описание дискретных устройств
- •1.1. Системы счисления
- •1.2. Дискретные сигналы
- •1.3. Логические константы и переменные. Логические операции. Логические элементы
- •1.4. Классификация логических устройств
- •1.5. Способы записи функций алгебры логики
- •1.6. Структурная схема логического устройства
- •1.7. Принцип двойственности
- •1.8. Теоремы алгебры логики
- •2. Минимизация функций алгебры логики
- •2.1. Цель минимизации фал
- •2.2. Способ представления фал с использованием карт Вейча – Карно
- •2.3. Минимизация полностью определённой фал
- •2.4. Минимизация недоопределённой фал
- •2.5. Минимизация системы фал
- •3. Техническая реализация логических устройств на реальной элементной базе
- •3.1. Техническая реализация лу на электромагнитных реле
- •3.2. Техническая реализация лу на базе диодной матрицы
- •3.3. Техническая реализация лу на цифровых микросхемах
- •4. Типовые функциональные узлы комбинационных логических устройств
- •4.1. Мультиплексор
- •4.2. Демультиплексор
- •4.3. Шифратор
- •4.4. Дешифратор
- •4.5. Цифровой компаратор
- •4.6. Функция «Исключающее или»
- •4.7. Логические элементы, реализующие сложные функции
- •5. Триггеры
- •5.1. Асинхронный rs-триггер
- •5.2. Синхронный rs-триггер
- •5.5. Двухступенчатый т-триггер
- •5.6. Двухступенчатый синхронный jk-триггер
- •5.7. Триггер с динамическим управлением
- •6. Счётчики
- •6.1. Двоичный суммирующий счётчик
- •6.2. Двоичный вычитающий счётчик
- •6.3. Двоично-кодированный счётчик
- •6.4. Двоично-десятичный счётчик
- •6.5. Распределитель тактов
- •7. Регистры
- •7.1. Параллельный регистр
- •7.2. Сдвигающий регистр
- •8. Генераторы и формирователи импульсов
- •8.1. Симметричный мультивибратор
- •8.2. Генератор с одной времязадающей rс-цепью
- •8.3. Кварцевый генератор
- •8.4. Ждущий мультивибратор (генератор одиночных импульсов)
- •8.5. Одновибратор на d-триггере
- •8.6. Одновибратор на специализированной микросхеме
- •8.7. Интегральные таймеры
- •8.8. Мультивибратор на интегральном таймере
- •8.9. Одновибратор на интегральном таймере
- •8.10. Преобразователь «напряжение – частота»
- •8.11. Формирователь импульсов на триггере Шмитта
- •9. Арифметико-логические устройства
- •9.1. Сумматоры
- •9.2. Вычитание двоичных чисел
- •10. Запоминающие устройства
- •10.1. Оперативные запоминающие устройства
- •10.2. Постоянные запоминающие устройства
- •11. Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи
- •11.1. Аналого-цифровое преобразование
- •11.2. Цифро-аналоговое преобразование
- •Библиографический список
- •Теория дискретных устройств автоматики и телемеханики в электроснабжении курс лекций
- •443022, Самара, Заводское шоссе, 18
8.10. Преобразователь «напряжение – частота»
Такая схема формирователя импульсов применяется в системах телеуправления электроснабжением в качестве бесконтактного датчика напряжения на шинах тяговой подстанции и в контактной сети. Преобразователь «напряжение – частота» построен на интегральном таймере, включённом по схеме мультивибратора. При этом резистор времязадающей цепи заменяется на управляемый генератор тока, выходной ток которого прямо пропорционален входному напряжению. Схема такого датчика напряжения на шинах тяговой подстанции с преобразователем «напряжение – частота» представлена на рис. 8.17.
|
Рис. 8.17. Схема датчика напряжения на шинах тяговой подстанции
с преобразователем «напряжение – частота»
Входной делитель напряжения RД1, RД2 преобразует напряжение постоянного тока 3,3 кВ в напряжение около 12 В. Это напряжение поступает на вход операционного усилителя DA1, который совместно с транзистором VT1 и резистором R1 образует схему преобразователя «напряжение – ток». Транзисторы VT2 – VT4 представляют собой схему «токового зеркала». Эта схема преобразует ток коллектора VT1 в ток заряда конденсатора C1 времязадающей цепи.
Рассмотрим временную диаграмму работы схемы (рис. 8.18).
Ток заряда конденсатора С1, поступающий с «токового зеркала», постоянный по величине, поэтому напряжение на конденсаторе изменяется линейно и составляет:
,
(8.6)
где
- напряжение на входе операционного
усилителя DA1.
Так как в начальный момент времени конденсатор разряжен (UC1 = 0), а Uпор.в = 2/3Uп, то есть напряжение на конденсаторе изменяется от 0 до 2/3Uп. отсюда можно определить длительность сформированного импульса:
.
(8.7)
|
Рис. 8.18. Временная диаграмма работы датчика напряжения на шинах тяговой подстанции
с преобразователем «напряжение – частота»
Следовательно, чем больше Uвх, тем короче импульс и выше частота.
На выходе схемы включён инфракрасный светодиод, частота миганий которого воспринимается фотодиодом схемы, находящимся от светодиода на расстоянии около 0,5 метра. Такое расстояние не может быть перекрыто электрическим разрядом, поэтому аппаратура телемеханики гальванически развязана от высокого напряжения контактной сети.
8.11. Формирователь импульсов на триггере Шмитта
Триггером Шмитта называется логический элемент, пороги переключения которого из состояния логической 1 в логический 0 и обратно отличаются по уровню напряжения. Передаточная характеристика триггера Шмитта представлена на рис. 8.19.
|
Рис. 8.19. Передаточная характеристика триггера Шмитта на микросхеме К561ТЛ1
Микросхема К561ТЛ1 содержит 4 элемента 2И-НЕ с передаточной характеристикой, имеющей петлю гистерезиса. Если напряжение питания микросхемы составляет 15 В, тогда при увеличении входного напряжения переключение элемента происходит при Uвх = 9 В, а при уменьшении – при Uвх = 5 В, то есть гистерезис составляет 4 В. Величина гистерезиса для различных значений напряжения питания представлена в таблице 8.1.
Временная диаграмма работы триггера Шмитта представлена на рис. 8.20. Из временной диаграммы следует, что триггер Шмитта формирует прямоугольные импульсы из медленно изменяющегося входного сигнала. Такая работа схемы формирования импульсов требуется, например, в фотореле, когда медленно изменяющийся сигнал от фотодатчика следует превратить в чёткие сигналы срабатывания исполнительного устройства.
Таблица 8.1
Зависимость гистерезиса переключения микросхемы К561ТЛ1
от напряжения питания
Uп, В |
Uгис, В |
5 |
0,6 |
10 |
2 |
15 |
4 |
|
Рис. 8.20. Временная диаграмма работы триггера Шмитта
Преимущество триггера Шмитта на микросхеме К561ТЛ1 – стабильность порога переключения. Однако, если требуется другая величина порогов переключения, триггер Шмитта можно построить на любом неинвертирующем элементе, охватив его положительной обратной связью через резистор, и подавая входной сигнал через другой резистор. Схема такого триггера Шмитта представлена на рис. 8.21.
|
Рис. 8.21. Триггер Шмитта с регулируемыми порогами переключения
Пороги переключения можно рассчитать по формулам:
(8.8)
Ширина петли гистерезиса такого триггера также зависит от напряжения питания, и может быть определена по формуле:
. (8.9)
Пример применения триггера Шмитта в фотореле представлен на рис. 8.22.
В схеме для получения положительной обратной связи два инвертора DD1, DD2 включены последовательно.
|
Рис. 8.22. Фотореле
Пороги включения и отключения выбраны практически равными (R3 R4). Поэтому включение реле вечером и отключение утром происходит при практически одинаковой освещённости, величина которой устанавливается резистором R1. Конденсатор С1 служит для предотвращения отключения реле ночью при кратковременной засветке датчика (фоторезистора R2).
Контрольные вопросы
1. Для какой цели предназначены генераторы импульсов? Назовите условия возникновения генерации.
2. Приведите схему и временную диаграмму работы симметричного мультивибратора на двух инверторах. Перечислите достоинства и недостатки схемы.
3. Как определить частоту импульсов на выходе симметричного мультивибратора? Какова скважность импульсов?
4. Приведите схему и временную диаграмму работы мультивибратора на двух инверторах с одной времязадающей цепью. Перечислите достоинства и недостатки схемы. Как определить частоту импульсов на выходе схемы?
5. Как повысить стабильность частоты, генерируемой мультивибратором?
6. Приведите схему кварцевого генератора.
7. Приведите схему и временную диаграмму работы ждущего мультивибратора на двух инверторах. Перечислите достоинства и недостатки схемы.
8. Приведите схему и временную диаграмму работы одновибратора на D-триггере. Перечислите достоинства и недостатки схемы.
9. Приведите схему и временную диаграмму работы одновибратора на специализированной микросхеме К155АГ3. Как осуществляется управление длительностью импульса?
10. Как работает интегральный таймер с одним и с двумя компараторами?
11. Приведите схему и временную диаграмму работы мультивибратора на таймере.
12. Приведите схему и временную диаграмму работы одновибратора на таймере.
13. Для какой цели применяется формирователь импульсов на триггере Шмитта? Приведите схему и временную диаграмму работы такого формирователя.