Краткие теоретические сведения

Одним из функциональных узлов в современной аналоговой микросхемотехнике является полупроводниковый таймер. Электронный таймер - это времязадающая схема, которая используется для построения микроэлектронных формирователей точных интервалов времени длительностью от микросе­кунд до месяцев. Полупроводниковые таймеры в литературе часто называют «интегральными машинами времени». Электронной промышленностью выпус­кается микросхема однотактного таймера КР1006ВИ1, структура которого по­казана на рис.5.1.

Т

Рисунок 5.1

аймер состоит из пяти функциональных узлов: двух компара­торов напряжения DА1 и DА2, RS-триггера, инвертирующего усилителя на выхо­де, разрядного транзистора . Внутренний резисторный делитель задает пороговое напряжение на входах компараторов DА1 и DА2: = /3 на неинвертирующем входе компаратора А2 и =2 /3 на инвертирующем входе компаратора А1. Вы­ходные сигналы компарато­ров могут принимать лишь два значения: высокий уровень логической единицы = , когда на входах компаратора имеет место соотношение > , и низкий уровень логи­ческого нуля = при < Выходы компараторов управ­ляют работой RS-триггера, построенного на логических элементах D1 и D2.

На выход таймера (вывод 3) сигнал передается с выхода RS-триггера через инвертирующий усилитель. Вы­ходной инвертор обеспечивает ток в нагрузке до 200 мА, что позволяет управлять непосред­ственно с выхода таймера микросхемами тран­зисторно-транзисторной логики, электромаг­нитными реле, элементами индикации. Сигнал с выхода RS-триггера управляет также состояни­ем транзистора через который разряжается внешний времязадающий конденсатор С.

Переключение схемы происходит при воздействии управляющих сигналов на триггерный (вывод 2) и пороговый (вывод 6) входы таймера. Подключе­нием к выводу 5 внешнего источника напряжения можно изменять пороги сра­батывания и компараторов.

При построении различных устройств на базе таймера КР 1006ВИ1 сле­дует учитывать, что из-за конечной величины входных токов компараторов ( 0,5 мкА) не рекомендуется к выходам 2, 6 подключать внешние резисторы с номиналом более 20 МОм. Емкость внешнего конденсатора С ограничена только его токами утечки. Время переключения таймера составляет 100 нс, наибольшая частота генерации не превышает 200 кГц. Схема может питаться от источников с напряжением от +5 до +16,5 В.

Как времязадающее устройство таймер может работать в двух режимах одновибратора (ждущего мультивибратора) и мультивибратора (генератора пе­риодических колебаний).

Схемы одновибраторов на таймерах

В режиме одновибратора (ждущего мультивибратора), таймер работает как генератор одиночных импульсов, длительность которых устанавливается внешней RС-цепью (рис.5.2).

В

Рисунок 5.2

исходном состоянии на триггерном входе таймера (вывод 2) действу­ет высокий потенциал > /3 (рис.5.3). Транзистор под действием высоко­го потенциала с выхода Q RS-триггера насыщен, поэтому потенциал на выво­де 7 и соответственно на пороговом входе таймера (вывод 6) близок к нулю. При этом оба компаратора находятся в состоянии логического нуля на выходе и поддерживают RS-триггер в режиме хранения при Q=1, что соответствует низкому уровню напряжения на выходе таймера. Одновибратор запускается воздействием отрицательного перепада напряжения < /3 на триггерный вход таймера. Сигнал на выхо­де компаратора А1 принимает значение = под действием которого RS-триггер пере­ключается в состояние Q=0.

Т

Рисунок 5.3

ранзистор запирается и начинается заряд конденсатора С от источника через резистор R. Напряжение на конденсаторе нарастает по экспоненциальному закону с постоянной времени RC, стремясь к макси­мальному уровню . Когда через время напряжение на конденсаторе сравня­ется с пороговым = =2 /3 сигнал на выходе компаратора А1 примет вы­сокое значение = и переключит RS-триггер в исходное состояние Q=l. Возросший потенциал на базе откроет транзистор , и через его коллекторную цепь произойдет быстрый разряд конденсатора С. Малое время разряда обеспечивается относительно большой величиной коллекторного тока транзистора . На выходе таймера формируется прямоугольный импульс положительной полярности. Длительность импульса равна времени, в течение которого на­пряжение на конденсаторе нарастает от нулевого уровня до верхнего порога срабатывания:

=RC =1,1RC.

Если в течение этого времени на вход 2 придет еще один запускающий импульс, он не изменит состояние RS-триггера и повторный запуск мультивиб­ратора не произойдет. Длительность импульса практически не зависит от на­пряжения питания, так как порог срабатывания =2 /3 таймера пропор­ционален . Следует учитывать, что низкий потенциал на выводе 2 не должен сохраняться дольше времени 1,1RC, иначе таймер через время начнет гене­рировать импульсы произвольной формы.

Длительностью импульсов одновибратора можно управлять напряжени­ем на выводе 5 таймера (рис.4, а). При изменении смещаются пороги срабатывания компараторов. Чем выше пороговый уровень компаратора А1, тем больше времени требуется для заряда конденсатора С до порогового на­пряжения и тем больше длительность выходного импульса. Эту возможность используют для создания широтно-импульсного модулятора (ШИМ). Таймер запускается непрерывной последовательностью импульсов с постоянным периодом (рис.4). Модулирующий сигнал прикладывается к выводу 5. Дли­тельность выходных импульсов будет изменяться в такт с изменением моду­лирующего напряжения (рис.4, б). Одновибратор преобразуется в генератор импульсов пилообразной фор­мы, если зарядный резистор заменить генератором стабильного тока (ГСТ). В схеме рис.5,а роль ГСТ выполняет транзистор с резистором в цепи эмит­тера. При изменении напряжения на коллекторе транзистора ГСТ его ток остается постоянным:

= .

Известно, что при заряде конденсатора постоянным током напряжение на нем изменяется по линейному закону:

.

После за­пуска таймера в момент (рис.5,6) начина­ется заряд конденсатора посто­янным током ГСТ. Напряжение на конденсаторе изменяется по ли­нейному закону и за время =2 С/3 нарастает до поро­гового значения 2 /3. Затем таймер переключается и происходит быстрый разряд конденсатора через внутренний транзистор . С приходом очередного запускающего импульса цикл повторяется. На конденсаторе С (выводы 6,7) формируются импульсы пилообразной формы. Изменением тока ГСТ с по­мощью напряжения на базе транзистора можно изменять длительность прямого хода пилообразного напряжения.

Автоколебательные мультивибраторы на таймерах

Таймеры позволяют формировать разнообразные по форме и параметрам периодические сигналы. Базовая схема мультивибратора и временные диаграммы, характеризующие его работу, показаны на рисунках 5.4 и 5.5 соответственно.

В

Рисунок 5.4

ремязадающий кон-денсатор С заряжается через сопротивления R и , а разряжается через ре­зистор . После включения питания конденсатор С заряжается от нулевого уровня до порогового напряжения2 /3.Время =1,1( +R)C характеризует продолжительность вы-ходного импульса мультивибратора на периодический режим работы. Первый импульс длиннее после­дующих, так как вначале конденсатор наряжается от нулевого уровня, а не от /3, как в последующих циклах. В момент напряжение на конденсаторе достигает порогового уровня, таймер переключается в состояние «0» на выходе, открывается внутренний транзистор и сопротивление от уровня 2 /3 до /3. В момент напряжение на конденсаторе сравнивается с нижним порогом срабатывания = /3, и таймер возвращается в состояние «1» на выходе. Транзистор закрывается, восстанавливается зарядная цепь через резисторы R и , и напряжение на конденсаторе нарастает по экспоненте до величины 2 /3 и т.д. Возникают незатухающие периодические колебания с периодом Т= + . Величины и рассчитываются по формулам:

Рисунок 5.5

=( + R) ( /3)] 0,693( + R)C;

=0,693 C.

Частота генерации колебаний

=1/T=1,443/C(2 +R).

Частота практически не зависит от напряжения питания таймера, так как уровни срабатывания и компараторов А1 и А2 изменяются про­порционально отклонениям питающего напряжения. Поэтому стабильность частоты генерации в основном определяется стабильностью параметров R и С времязадающей цепочки и составляет / =1%.

Частоту повторения импульсов можно рейдировать изменением пороговых напряжений , . Если к выводу 5 приложить изменяющийся во времени сигнал схема на рис.7 будет функционировать как частотно-импульсный модулятор. Частота выходных импульсов изменяется в зависимо­сти от величины модулирующего сигнала .

Скважность выходных импульсов Q= /T мультивибратора устанавливается выбором резисторов R и :

Q=( +R)/ (2 +R).

Пределы регулирования скважности 0,5<Q<1. В схеме рис.6 трудно получить колебания со скважностью, точно равной 0,5,(меандр), которые часто используются в цифровой технике. Для генерирования меандра применяют специальные схемы. Одна из них показана на рис.8. В отличие от структуры на рис.6 времязадающая RC-цепь в схеме рис.8 управляется выходным напряже­нием с выхода 3. Заряд и разряд осуществляются через один и тот же резистор R. Это обеспечивает равенство = =l,1RC. Стабильность и точность уста­новки скважности Q=0,5 зависит от стабильности и точности пороговых уров­ней и и составляет 1%.