Минимальная частота генерации ограничивается максимально возможной постоянной времениτ = RC.

Через резистор R, как следует из рис. 2.24, должен протекать входной ток усилителяIвх(~) и ток заряда конденсатора. Чтобы приведенные выше соотношения были точны, ток заряда конденсато-

ра должен многократно превышать Iвх(~), что накладывает ограничение на максимально допустимое значение сопротивления

резистора R..

Что же касается емкости конденсатора С, то ее максимальное значение также ограничивается. В схеме нельзя использовать неполярные оксидные конденсаторы, обладающие большой идеальной емкостью. Это связано с большим разбросом номинальных значенийемкостиуконденсаторов одного итогоже типа, а также

с нестабильностью их емкостей.

Существенным моментом может оказаться интенсивная абсорбция зарядов в таких конденсаторах.

2.6.2. Таймеры

Семейство микросхем "таймеры" представлено множеством

различных промышленных образцов. Однако, несмотря на разнообразие этого семейства, оно базируется на хорошо известном

555-м таймере. Таймеры используются для генерации сигналов различной формы, а также для временной синхронизации процессов в электронных устройствах. Они обеспечивают токи в нагрузках порядка сотен миллиампер. При соответствующей организации их внешних цепей можно задавать временные интервалы

разной длительности или вырабатывать сигналы с частотой в мегагерцы. Упрощенная функциональная блок-схема 555-го таймера

приведена на рис.2.25.

Схема содержит два детектора уровня ДУ1 и ДУ2. Наинвертирующий вход ДУ1 подается положительное опорное напряжение

U5 = Uп 2R/3R = 3Uп/2.

При нулевом сигнале на неинвертирующем входе ДУ1 (цепь "вывод 6 – земля" закорочена) на выходе ДУ1 наблюдается близ-

кое к нулю напряжение,т.е. низкое напряжение ("н"). Аналогично положительное напряжение UА=⅓Uп поступает на

неинвертирующий вход ДУ2. Это значит, что при нулевом сигнале на входе 2 (цепь "зажим 2 – земля" закорочена) на выходе ДУ2 на-

71

блюдается высокое напряжение, т.е. по выходу ДУ2 находится в состоянии "в".

Рис. 2.25

Если соединить входы 2 и 6 и постепенно увеличивать напряжение на них, то схема поведет себя следующим образом. После достижения U2>+⅓Uп детектор уровня ДУ2 из состояния "высокое" переключается в состояние "низкое". Выходы с того и другого детекторов будут пребывать в состоянии"низкое" до тех пор, пока U6 не превысит U5=+⅔Uп. В этот момент времени выход ДУ1

перейдет из состояния"низкое" в состояние "высокое".

Итак, при увеличении U6 и U2 от нуля до значения, бóльшего ⅔Uп, состояния выходов блока детектора уровней, состоящего из ДУ1 и ДУ2, меняются следующим образом:

•приU6=U2=0 выход ДУ1 "низкий", а выход ДУ2– "высокий";

•при⅓Uп < (U2=U6) < ⅔Uп оба выхода детекторов уровней остаются неизменными;

•при U2=U6 > ⅔Uп состояния выходов детекторов уровней становятся обратными по сравнению со случаем U2=U1=0, т.е. выход ДУ1 становится"высоким", а уровень ДУ2– "низким".

При уменьшении входных сигналов блока детекторов от уровня ⅔Uп до нуля наблюдается обратнаякартина.

72

Управление блоком детектора по входам 2 и 6 можно осуществить как раздельно, так и объединив в зажимы2 и6.

Выходы блока детекторов управляют электронным переключателем (триггером). Эта схема реагирует лишь на сочетание уровнейсигналов на ее входах.

Так при "высоком" Uвх1 и "низком" Uвх2 на выходе триггера наблюдается высокое выходное напряжение. Если оба входа"низ-

кие", то триггер останется в исходном, предыдущем состоянии. Он переключится в состояние "низкое" лишь при "низком" Uвх1 и высоком Uвх2. Состояние узлов схемы обозначено на рис.2.25 буквами"в"и "н"соответственно.

Триггер управляет инвертирующим усилителем мощности УСМ и переключающим транзистором9. При высоком выходном

напряжении триггера открыт разрядный транзистор9 и на выходе 3 микросхемы наблюдается низкое напряжение. При низком вы-

ходном напряжении триггера закрыт транзистор 9 и наблюдается высокое напряжение на выходе 3 микросхемы.

Окончательно:

•при U2=U6=0 выход триггера определяется состоянием "низкое". При этом выход 3 микросхемы имеет высокий уровень и разрядный транзистор закрыт;

•при U2>⅓ Uп(+) и U6<⅔Uп триггер сохраняет предыдущее состояние, т.е. на выход 3 микросхемы поступает высокое напряже-

ние, а разрядный транзистор закрыт;

• при U2>⅓ Uп и U6>⅔Uп(+) выход триггера переключается в со-

стояние "высокое", выход микросхемы становится низким и открывается разрядныйтранзистор.

2иU6, то:

•при U6<⅔Uп(-) и U2>⅓Uп(-) схема сохраняет предыдущее состояние;

•при U6<⅔Uп иU2<⅓Uп(-) схема переключается в первичное состояние, т.е. закрывается разрядный транзистор, и выход микросхемыстановится "высоким".

Вывод 5 микросхемы позволяет устанавливать другие желаемые значения опорных напряжений в схеме. Если же этот вывод не используется, то во избежание ложных срабатываний

необходимо соединить его с землей высокочастотным конденсатором.

73

Одновременное одинаковое изменение напряжений на выводах 2 и 6 микросхемы наблюдается, если включить ее по схеме на рис. 2.26, б.

Здесь вывод 5 не задействован – соединенс землейконденсатором С1. Пороговые напряжения на детекторы уровня задаются внутренними резистивными делителями. Вне микросхемы образуется дополнительная цепь R1-R2-C. В момент подачи напряжения

на эту цепь конденсаторС разряжен иUс=0.

Этой ситуации соответствует состояние 1 детекторов уровня, триггера и выхода таймера (рис. 2.25). На выходе таймера наблюдается высокое напряжение, а на выходе триггера низкое, т.е. транзистор 9 закрыт. Конденсатор заряжается через резисторы R1 иR2 с постоянной времениτ 1 = (R1+R2)C, и напряжение на егообкладкахувеличивается экспоненциально. В момент времени t1 оно

достигает Uс=⅓Uп, и детекторы уровня переходят в состояние 2 (рис. 2.25). Выходные состояния микросхемы и триггера остаются

неизменными. В момент времени t2 напряжение на конденсаторе становится равным Uс=⅔Uп, и микросхема переходит в состояние 3. На выходе ее напряжение становится низким, а выход триггера высоким, открывается транзистор 9, и начинается разряд конденсатора С через резистор R2 и транзистор 9. Постоянная времени

разряда τ2=R2C. Затем напряжение на конденсаторе становится меньше Uс<⅔Uп, и детекторы уровня переходят в состояние4. По-

скольку в этом случае выход триггера высокий, то продолжается

74

разряд конденсатора, и выход схемы остается низким (рис.2.25). Такое состояние схемы остается до момента времени t3,когда напряжение на конденсаторе уменьшится до Uс=⅓Uп и схема перейдет в состояние 5 (рис. 2.25). При этом выход схемы станет высоким, транзистор 9 закроется и конденсатор вновь начнет

заряжаться. Так формируется периодический установившийся режим работы схемы – она начинает генерировать прямоугольные

импульсы напряжения с разнойдлительностью импульса и паузы, посколькуτ1>τ2,т.е. tх>tп (рис. 2.26, в).

В соответствии с рис. 2.26, а напряжение на конденсаторе

фильтра увеличивается экспоненциально, стремясь достичь значения Uп. Отсюда следует: 2Uп/3 = Uп(1– е–t2/(RΣC)) или е–t2/(RΣC) = 1/3

или–t2/(RΣC) = ln1/3 = –1,09 или t2 = 1,09RΣC, где RΣ= R1+R2.

В установившемся режиме конденсатор заряжается не от Uс=0, а от Uс=⅓Uп. Время, необходимое для заряда конденсатора до

Uс=⅓Uп , определяется из уравнения

или t1 = 0,405R∑C.

Следовательно, в установившихся режимах время заряда конденсатора – длительность импульса выходного напряжения– равно

tи = t2 – t1 = 0,69(R1+R2)C.

Состояние микросхемы "низкое" обусловлено длительностью паузы, которая находится аналогично:tп = 0,69R2C. Отсюда период колебанийоказываетсяравным

Т= tи + tп = 0,69(R1+R2)C + 0,69R2C = 0,69(R1+2R2)C,

ачастота колебаний

f = 1/T = 1,45/(R1+2R2)C.

Длительность паузы и импульса можно сделать равными. Для

этого необходимо равенство постоянных временизаряда иразряда конденсатора. Этолегкореализуется, есливзять R1=R2=R и зашун-

тировать R2 диодом (рис. 2.27, а).

Рассмотренныйрежим работы таймера имеетместо призакорачивании выводов 8-4 и эмиттера транзистора 10. В этом случае транзистор 10 превращается в обратно смещенный p-n переход, и не влияет на работу совокупности остальных элементов схемы.

75

Вывод 4 схемы можно использовать для синхронизации работы таймера с другими устройствами или для обнуления его выхода. Для этого достаточно вывод 4 освободить и подать на него низкое (близкое к нулю) напряжение. При соединенных выводах 8 и эмиттера транзистора 10 это приведет к открытию транзистора10,

а следовательно, и транзистора 9. На выходе триггера установится высокое напряжение, а на выходе таймера низкое. Это состояние

схемы будет удерживаться до тех пор, пока на выводе 4 будет поддерживаться низкий уровень напряжения.

Таймер можно ввести в режим моностабильного мультивибратора, т.е. в режим устройства, вырабатывающего под действием управляющего сигнала одиночные импульсы требуемой длительности. Для этого достаточно оснастить таймер навесными элементамив соответствиис рис. 2.27, б.

Рис. 2.27

При подаче на вход2 этой схемы напряженияU2>⅓Uп, выход таймера всегда будет низким (Uвых ≈ 0). Это стабильное состояние схемы. В самом деле, положим, что выход низкий, тогда выход

триггера высокий и транзистор 9 открыт. Заряд конденсатора С невозможен. Схема во времени стабильна. Состояние детекторов

уровня сопротивления соответствует случаю2 (рис. 2.25). Перевести схему в неустойчивое состояние из устойчивого

можно, уменьшив напряжение на выводе2 до значения U2<⅓Uп, (момент времениt1 на рис. 2.26,а). В этот момент блок детекторов

76

переходит в состояние 3 (см. рис. 2.25). Этому соответствует низкое напряжение на выходе триггера и высокое на выходе схемы. Конденсатор заряжается, и в момент времениt2 (рис. 2.26), напряжение на нем достигает Uс=U6=⅔Uп. В момент времениt2 схема возвращается в исходное устойчивое состояние. Так, в ответ на

понижение входного сигнала до уровня U2=⅓Uп схема реализует одиночный прямоугольный импульс напряжения.

Если длительность управляющего импульса на входе 2 окажется такой большой, что в момент времени, когда Uс=U6=⅔Uп, напряжение U2<⅓Uп,то,как видно из схемы рис. 2.25 , на выходе детекторов будут наблюдаться оба высоких напряжения. Это может привести к выходу схемы из строя. По этой причине длительность управляющего импульса всегда должна быть меньше длительно-

сти выходного. Лучше запускать такую схему очень короткими импульсами.

Длительность импульса выходного напряжения определяется длительностью заряда конденсатора от нуля до Uс=U6=⅔Uп. По аналогии с предыдущими процедурами длительность импульса равна:

tи = 1,09RC ≈ RC.

2.7. Основыпостроениягенераторовнапряженийразличной формы

Рассмотренная электронная элементная база позволяет построить генераторы электрических напряженийразличной формы. Для этого ее достаточнодополнить детекторами уровня.

2.7.1 Детекторыуровня

Простейшим детектором уровня является детектор нуля на основе операционного усилителя R-tо-R с однополярным питанием

(рис. 2.28, а).

Здесь приUвх= 0 равно нулю и выходное напряжение усилителя. Прибольшом коэффициенте усиления усилителя его насыще-

ние (выходное напряжение равно +Uп) происходит прималейшем превышении входным напряжением нулевого уровня. Это значит,

что как только входное напряжение усилителя несколько превысит нулевое значение, выходное напряжение становится равным +Uп.

77

ПриUвх≤ 0 оно обнуляется. Таким образом,данная схема позволяет судить об отклонении входного сигнала от нуля в область положительных или отрицательных значений.Это и есть детектирование нуля– сравнение с нулевым напряжением.

а

б

в

Рис. 2.28

На схеме рис. 2.28, б представлена схема детектора уровня. Здесь входной сигнал сравнивается с эталонным положительным

напряжением. При Uвх = 0 напряжение на выходе Uвых = 0. Как только Uвх превысит Uэт, напряжение на выходесхемыUвых= +Uп.

Таким образом, и здесь можно судитьпо выходному напряжению о том,как отличаетсявходное напряжение от Uэт.

На рис. 2.28, в приведена схема широтно-импульсной модуляции сигнала Uy с использованием детектора уровня и источника пилообразного напряжения. Увеличение Uу приведет к увеличению длительности импульсов выходного напряжения.

78