Схемота / DgCxT_konspekt_lektsiy_1-14

Как видно из таблицы выходное напряжение интегратора все время балан-

сирует вокруг нуля что предотвращает его насыщение в отличие от АЦП двойного интегрирования. Разрядность выходного кода можно менять, изменяя общее время подсчета выходных импульсов, подстраивая таким образом параметры АЦП под требования задачи. Сам сигма-дельта модулятор при этом работает непрерывно.

Неделя 13

13.1 Преобразователи «напряжение-частота»

Преобразователь напряжение-частота (ПНЧ) не является классическим АЦП, поскольку результат преобразования — это прямоугольные импульсы опре-

деленной частоты, а не цифровой код. Тем не менее частоту импульсов можно достаточно просто измерить цифровыми методами и получить требуемое значе-

ние в виде кода. Основная область применения таких преобразователей – это пе-

редача сигнала на относительно большие расстояния. Передача сигнала в анало-

говом виде сопряжена с проблемой помех, а передача импульсных сигналов в го-

раздо меньшей степени страдает от этого, поскольку амплитуда сигнала в этом случае не так важна и может иметь определенный уровень шума, а информация заключена в моментах перехода сигнала от 0 к 1 и обратно. Кроме того, импульс-

ные сигналы в отличие от аналоговых гораздо проще гальванически изолировать,

передавая таким образом сигнал между частями устройства, находящимися под разными потенциалами.

На базе ПНЧ могут быть построены интегрирующие АЦП, обеспечиваю-

щие относительно высокую точность преобразования при низкой стоимости. Су-

ществует несколько видов ПНЧ. Структурная схема ПНЧ с заданной длительно-

стью выходного импульса приведена на рисунке.

Источник

тока

Рисунок 104 – Структурная схема ПНЧ с одновибратором

Под действием положительного входного сигнала +Uвх напряжение UИНТ на выходе интегратора уменьшается. При этом ключ S1 разомкнут. Когда напряже-

ние UИНТ уменьшится до нуля, компаратор переключается, запуская тем самым одновибратор. Одновибратор формирует импульс фиксированной длительности ТИНТ, который управляет ключом. Ключ подключает к входу интегратора источ-

ник стабильного тока с полярностью, противоположной входному сигналу на время ТИНТ, заряжая конденсатор С до фиксированного уровня. Далее процесс снова повторяется. Последовательность этих импульсов (выходная частота) явля-

ется выходным сигналом ПНЧ.

Для его преобразования выходной частоты ПНЧ в двоичный код можно ис-

пользовать счетчик, который будет считать импульсы в течении фиксированного времени – т.е., по сути, использовать простейший частотомер.

Можно заметно повысить точность ПНЧ, если вместо одновибратора вклю-

чить тактируемый импульсами стабильной частоты D-триггер. Несложно убе-

диться, что в этом случае ПНЧ превращается в однобитный сигма-дельта модуля-

тор.

13.2 Транзисторные ключи

Транзисторный ключ выполняется на одном или нескольких транзисторах,

работающих в ключевом режиме. Изменение состояния транзистора, приводящее к переключению тока в нагрузке, обеспечивается подачей на его управляющий вход напряжения определённой полярности и уровня. Для биполярного транзи-

стора управляющим входом является база, для полевого – затвор.

Работа электронных ключей основана на усилительных свойствах транзи-

сторов, когда используется режим отсечки и режим насыщения. Активный режим,

характерный для аналоговых усилителей в ключевых схемах не используется.

Например, ключи на биполярных транзисторах, включённых по схеме с общим эмиттером, работают следующим образом. При подаче на базу транзистора сиг-

нала низкого уровня (лог. 0) относительно эмиттера транзистор закрыт, ток через транзистор не течет, при этом на коллекторе транзистора будет всё напряжение питания нагрузки. При подаче на базу транзистора сигнала лог. 1, транзистор от-

крывается и в цепи коллектор-эмиттер возникает ток. Напряжение между коллек-

тором и эмиттером становится небольшим, при этом все напряжения питания нагрузки оказывается приложенным к нагрузке.

Рисунок 105 – Биполярные транзисторные ключи

Транзисторные ключи используются тогда, когда выходной ток или напряжение логического элемента недостаточны для включения мощной нагрузки, такой как, например резистивный нагревательный элемент (R3) или лампа накаливания.

Также в качестве ключей возможно использование полевых транзисторов.

Ключи на полевых транзисторах потребляют меньшую мощность управления, по-

скольку затвор управляется напряжение, а не током, как в случае биполярного транзистора. Быстродействие ключей на полевых транзисторах обычно ниже по сравнению с биполярными. В ключевом режиме могут работать как обычные (по-

левые и биполярные) транзисторы, так и транзисторы, специально разработанные для работы в ключевом режиме (IGBT-транзисторы).

13.3 Простейшее управление двигателями

Двигатели различной мощности часто используются в приборах и устрой-

ствах в качестве исполнительных механизмов, например в сервоприводах или детских игрушках. Мощности таких двигателей как правило невелики (единицы ватт), но все же не позволяют подключать их напрямую к выходам логических элементов. Для подключения двигателя необходим усилитель мощности. В про-

стейшем случае это может быть транзисторный ключ, который был рассмотрен в предыдущей теме, или электромагнитное реле.

Поскольку двигатель имеет большую индуктивность то при прерывании тока через обмотку (включении или выключении двигателя) на выводах двигателя появляется импульс большого напряжения. Это напряжение может привести к по-

вреждению транзистора вызывая пробой его переходов. Кроме того, высоковоль-

тные импульсы создают значительные помехи. Для предотвращения этого необ-

ходимо параллельно с индуктивной нагрузкой подключить диод. Необходимо от-

метить, что такой диод необходим при подключении любой индуктивной нагрузки, например электромагнитного реле.

+UПИТ

R1

UВХ

VT1

R2

Рисунок 106 – Простейшая схема управления двигателем постоянного тока

Решение, приведенное выше, имеет основной недостаток — невозможно управлять двигателем в двух направлениях, поскольку полярность напряжения,

приложенного к обмоткам всегда одинакова. Для управления полярностью можно использовать так называемый H-мост.

+UПИТ

Рисунок 107 – Мостовая схема управления двигателем постоянного тока

В этой схеме транзисторы VT1 и VT6 преобразуют входные управляющие сигналы в напряжение питания двигателя. Если на оба входа подано лог. 0, то эти

транзисторы будут закрыты и на коллекторах будет потенциал напряжения питания. Открытыми в этом случае могут быть транзисторы VT3 и VT4, но в нагрузку ток не потечет, так как двигатель обоими полюсами будет подключен к напряжению питания. Если входные сигналы противоположны, тогда будут открыты либо транзисторы VT3 и VT5, либо VT2 и VT4. В любом случае двигатель будет подключен между общим проводом и питанием, но полярность подключения будет разной. Таким образом с помощью мостовой схемы можно не просто включать двигатель, но и управлять направлением его вращения.

Необходимо отметить, что в настоящее время выпускаются специализированные микросхемы для управления двигателями, которые позволяют также регулировать скорость оборотов при помощи широтно-импульсной модуляции.

Неделя 14

14.1Аналоговые коммутаторы и мультиплексоры

Впрактической электронике очень часто цифровые блоки соседствуют с аналоговыми и должны ими управлять. Один из способов управления аналого-

выми сигналами это их мультиплексирование (выбор одного из нескольких по примеру выбора программы на телевизоре) либо коммутация – простое включе-

ние и выключение.

Аналоговый коммутатор служит для переключения непрерывно изменяю-

щихся аналоговых сигналов. Если коммутатор находится в состоянии "вклю-

чено", его выходное напряжение должно по возможности точно равняться вход-

ному; если же коммутатор находится в состоянии "выключено", выходное напря-

жение должно быть как можно ближе к нулю или, во всяком случае, должно как можно меньше зависеть от входного.

Как правило в качестве ключа, через который проходит аналоговый сигнал используют полевой транзистор с изолированным затвором (МОП-транзистор).

Его можно переводить в открытое состояние, подавая управляющее напряжение большее порогового и больше, чем максимальное входное положительное анало-

говое напряжение. Схема ключа на МОП-транзисторе приведена на рисунке.

UУПР

UУПР

Рисунок 108 – Аналоговые коммутаторы на МОП транзисторах

В левой части рисунка ключом является n-канальный МОП-транзистор.

При нулевом управляющем напряжении он закрыт. В этом состоянии сопротив-

ление канала, как правило, достигает единиц или даже десятков ГОм, и сигнал не

проходит через ключ. Подача на затвор относительно истока значительного поло-

жительного напряжения приводит канал в проводящее состояние с типичным со-

противлением от 20 до 200 Ом для транзисторов, используемых в качестве анало-

говых ключей. При этом сопротивление транзистора в открытом состоянии зави-

сит от уровня аналогового сигнала и для снижения этого влияния параллельно n-

канальному транзистору ставят p-канальный, у которого эта зависимость в данной схеме включения будет иметь обратный характер (схема на рисунке справа).

На рисунке приведен пример аналогового коммутатора – микросхемы К590КН5 и КР590КН5. Ключи замкнуты при низком уровне входного управляю-

щего напряжения

Рисунок 109 – Аналоговый коммутатор К590КН5

Для выбора одного из нескольких источников аналоговых сигналов исполь-

зуют аналоговые мультиплексоры. В этом случае управляющий цифровой сигнал задается в виде двоичного числа, которое с помощью цифрового дешифратора преобразуется в позиционный код непосредственно управляющий включением конкретного ключевого транзистора.

На рисунке приведен пример аналогового мультиплексора – микросхемы К590КН6 и КР590КН6.

Рисунок 110 – Аналоговый мультиплексор К590КН6, функциональная схема и внутренняя структура

14.2 Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ)

Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) как правило используются в микропроцессорной технике для хранения программ и данных, но в обычных цифровых электронных устройствах им можно найти применение. ПЗУ относятся к комбинационным цифровым устройствам. Поставляются ПЗУ «чистыми», ис-

ходно содержащими как правило все единицы. Данные в ПЗУ должны быть запи-

саны с помощью специальных программаторов, при этом ПЗУ сохраняют инфор-

мацию при отключенном питании.

ПЗУ по принципу работы являются преобразователями n-разрядного кода адреса ячейки А в m-разрядный код хранящегося в ней слова D. Данные считыва-

ются при подаче разрешающего уровня (лог. 0) на вход CS (chip select).