2.25. Таймеры

Таймер 555 представляет собой сочетание очень полезного генератора средней точности и схемы, задающей время. Таймер может работать в двух режимах – мульти­вибратора и одновибратора. Схема может давать колебания с частотой до 100 кГц, а в новом исполнении с использованием КМОП-структур – до 250 кГц. Схема может работать от источ­ника питания с напряжением от 4,5 до 18 В. Нижний уровень выходного напряжения U_вых находится в пределах от 0,1 В при I_{вых. пр} = 10мА (U_вых отдает ток в нагрузку, подключенную к U_КК) до 2,5 В при I_{вых. пр} = 200 мА. Таймер может работать от источников питания схем ТТЛ и может приводить в действие схемы ТТЛ. Время нараста­ния и спада выходного напряжения составляет 100 нс каждое.

Блок-схема таймера типа 555 представлена на рис. 48. Опорное напряжение для компараторов обеспечивается с по­мощью делителя напряжения R-R-R. Опорные напряжения со­ставляют 2/3U_КК для порогового компаратора (компаратор 2) и 1/3 U_КК для компаратора триггера (компаратор 1). Триггер устанавливается (приводится в положение, когда на его выходе высокий уровень напряжения) с помощью порогового компара­тора, когда U_пор > 2/3U_КК. Высокий уровень напряжения на вы­ходе триггера вызывает переход выходного напряжения допол­нительного выходного каскада на низкий уровень и отпирание разряжающего транзистора Т₁.

Рис. 48. Таймер 555: 1 – земля; 2 – триггер, 3 – выход, 4 – возврат, 5 – управляющее напряжение, 6 – порог, 7 – разряд, 8 – + U_КК.

Триггер устанавливается в нуль (переходит на низкий уро­вень выходного сигнала) с помощью компаратора триггера всякий раз, когда U_трг < 1/3U_КК. Низкий уровень выходного на­пряжения триггера вызывает переход выходного напряжения схемы на высокий уровень и запирание транзистора Т₁. Низкое напряжение на выводе, именуемом возврат, вызывает отпира­ние транзистора Т₁ и немедленное понижение выходного напря­жения. Подача напряжения на управляющий вывод позволяет менять опорное пороговое напряжение. Управляющее напряже­ние меняет частоту следования импульсов при работе схемы 555 в режиме мультивибратора и ширину импульса при работе этой схемы в режиме одновибратора за счет изменения опорного напряжения компаратора 2. Когда этот вывод схемы не исполь­зуется, то для предотвращения нежелательной модуляции от помех необходимо присоединить конденсатор емкостью 0,01 мкФ между управляющим выводом и землей

2.26. Измерительные усилители

Измерительный усилитель представляет собой ОУ или схему с ОУ, используемые для измерения малых разностей напряже­ния на фоне синфазного напряжения, которое часто бывает больше, чем измеряемое разностное напряжение. Этот тип уси­лителя часто называют также усилителем датчика, разностным усилителем, усилителем ошибки (рассогласования) и мостовым усилителем.

Измерительный усилитель должен иметь дифференциальный вход, высокое значение коэффициента усиления, низкий сдвиг нулевого уровня и очень большой (обычно больше 80 дБ) ко­эффициент ослабления синфазного сигнала (КРСС). Большое значение КОСС необходимо потому, что напряжение, которое должно быть усилено, часто наложено на более высокое син­фазное напряжение.

Дифференциальный входной сигнал часто представляет со­бой выходное напряжение, снимаемое с мостовой схемы, как это показано на рис. 49, а. Датчик выявляет любые измене­ния, измерение которых предусматривается спроектированной схемой. Датчик или преобразователь представляет собой устрой­ство, преобразующее измеряемый параметр и его изменения в электрический, например температуру или давление в изменение сопротивления или напряжения. Примеры датчиков-преобразо­вателей: 1) фоторезисторы для преобразования уровней осве­щенности в величины сопротивления; 2) термисторы для преоб­разования изменений температуры в изменения сопротивления; 3) тензодатчики – специально закрепляемые резисторы, сопро­тивление которых изменяется пропорционально механической деформации материала; применяются для измерения деформа­ций и давления; 4) термопары – соединения разных металлов, дающие на выходе напряжение, пропорциональное температуре спая.

Если все четыре сопротивления моста рис. 49, а равны по величине, то e₁ = е₂ = U_R/2. Когда физическое воздействие вы­зывает изменение сопротивления датчика ΔR, e₁ уже не будет равно е₂ и полярность e₁ по отношению к е₂ будет зависеть от того, представляет ли собой ΔR повышение или понижение со­противления датчика. Выходное напряжение моста e₁ – е₂ бу­дет равно

e₁ = е₂=U_R [ΔR/(4R + 2 ΔR)] (26)

или при малых ΔR

e₁ – е₂ ≈ U_RΔR/4R, (27)

где ΔR<<4R.

Выходное напряжение моста, естественно, будет достаточно малым.

Схема ОУ, которая усиливает дифференциальный выходной сигнал e₁ – е₂ мостовой схемы и подавляет или ослабляет син­фазное напряжение U_сс, на которое наложен сигнал e₁ – е₂, представляет собой сумматор-вычитатель или дифференциаль­ную схему. Выходное напряжение схемы, приведенной на рис. 49, б, будет равно

U_вых = (R_о.с /R₁) (e₁ – е₂),

где R_о.с = R'_о.с и R₁ = R'_1.

Сопротивления резисторов R_о.с и R'_о.с и входных резисто­ров R₁ и R'₁ должны быть подогнаны друг к другу очень близко, чтобы синфазные напряжения, имеющиеся на каждом входе, точно взаимно компенсировались на выходе. Если сопротивле­ния обратной связи и входные сопротивления подогнаны и ОУ имеет высокий КОСС, то синфазный сигнал будет подавлен, а дифференциальный – усилен. Таким образом, схема рис. 49, б в целом имеет высокий КОСС.

Схема рис. 49, б имеет два недостатка, которые ограни­чивают область ее применения. Во-первых, она обладает срав­нительно низким входным сопротивлением, а во-вторых, доста­точно трудно производить изменения коэффициента усиления схемы.

а б

Рис. 49. Мостовой усилитель: а – мостовая схема; б – сумматор-вычитатель в качестве усилителя выходного напряжения моста