336 ЛЕКЦИИ И ВОПРОСЫ К ЗАЧЕТУ / ЛЕКЦИИ / Лекция №8 - Таймеры, Сбор инфо,напр-част

ТАЙМЕРЫ

Таймер предназначен для формирования импульсов с устанавливаемыми длительностью и скважностью. Схема однотактного таймера (рис. 8.69, а) содержит разряжающий транзистор – ключ, компаратор, триггер и делитель напряжения, а также внешнюю времязадающую (хронирующую) RC-цепь.

В исходном состоянии триггер сброшен в 0 (U_вых=0) и единица с его инверсного выхода замыкает ключ, который шунтирует конденсатор С. Поэтому на выходе компаратора К – логический 0 (S=0, R=0). С поступлением запускающего импульса триггер по прямому выходу переключается в 1, ключ размыкается и конденсатор начинает заряжаться от источника Е с постоянной времени ф=RC. Когда напряжение на нем достигает значения U_оп (рис. 8.69, б), компаратор переключается в 1 (S=0, R=1), триггер устанавливается в 0 (Р=0, Q=1) – ключ замыкается и конденсатор через него быстро разряжается, а компаратор поэтому переключается в 0 (S=0, R=0). На этом такт заканчивается: схема переходит в исходное устойчивое состояние, в котором пребывает до поступления следующего запускающего импульса.

Длительность импульса, формируемого на выходе схемы, зависит от значений ф и опорного напряжения U_on.

На базе однотактного таймера реализуется ждущий мультивибратор. Длительность t_И формируемого им импульса можно определить исходя из того, что конденсатор С заряжается от источника Е через резистор R до напряжения , после чего компаратор переключает триггер в 0 и зарядка конденсатора сменяется быстрой разрядкой через отпирающийся ключ. Поэтому

,

отсюда

.

Учитывая, что ф=RC, а опорное напряжение часто выбирают равным U_on=(2/3)Е, имеем .

Схема многотактного таймера, формирующего непрерывную последовательность импульсов, приведена на рис. 8.70, а. В отличие от схемы рис. 8.69, а она содержит два компаратора, задающих верхнюю и нижнюю границы, между которыми может изменяться напряжение на конденсаторе С. Рассмотрение работы схемы начнем с момента (t₁ на рис. 8.70, б), когда вследствие разрядки конденсатора С компаратор К1, а вслед за ним и триггер переключаются в состояние 1 (S=1, R=0, Р=1, Q=0) и транзистор-ключ размыкается. После этого конденсатор начинает заряжаться от источника Е через резисторы R1 и R2. Когда напряжение на нем и_C чуть превысит опорное U_оп1, компаратор К1 переключится в 0 и на обоих входах триггера окажутся низкие потенциалы (S=0, R=0).

В процессе дальнейшей зарядки напряжение и_C нарастает. Когда оно чуть превысит U_оп2 (момент t₂ на рис. 8.70, б), компаратор К2 переключится в 1 (S=0, R=1) и установит триггер в 0 (Р=0, Q=1). Затем произойдет замыкание ключа, и конденсатор через него и резистор R1 начнет разряжаться. Когда и_C окажется чуть ниже U_on2, компаратор К1 переключится в 0 (S=0, R=0), а когда и_C будет ниже U_on1 (момент t₃ на рис. 8.70, б), компаратор К1 переключится в 1 (S=1, R=0) – триггер установится в 1 и ключ разомкнётся – наступит этап, с которого было начато рассмотрение процесса.

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЕ-ЧАСТОТА

Такие преобразователи формируют импульсы, частота которых пропорциональна входному напряжению. Они широко используются при необходимости перехода от аналогового сигнала – напряжения – к цифровому, выраженному количеством импульсов в единицу времени.

Принцип описываемого преобразования иллюстрируется рис. 9.18. Конденсатор С интегратора, собранного на операционном усилителе (ОУ), заряжается током и напряжение на нем при U_вх=const нарастает во времени линейно:

.

Через некоторое время оно достигает порогового уровня U_пор, при котором компаратор (К) переключается по выходу в 1. Под действием ее замыкается ключ (Кл), через который конденсатор быстро разряжается. Поэтому напряжение на неинвертирующем входе компаратора и на его выходе принимает значение 0. Так формируется один выходной импульс, после чего описанный процесс повторяется. Чем больше U_вх, тем быстрее заряжается конденсатор до уровня U_пор, тем чаще появляются выходные импульсы.

Наличие в таймере компараторов, разряжающего ключа и опорных уровней напряжения позволяет использовать его в схеме преобразователя напряжение – частота (рис. 9.19, а).

Выход интегратора на ОУ подключен к входам 2 и 6 компараторов таймера, а точка А – к коллектору его разряжающего транзистора. Предположим, что на выходе таймера высокое напряжение и этот транзистор заперт. Тогда точка А отсоединена от «земли» и конденсатор С заряжается под действием отрицательного напряжения на резисторе R3. При этом левая по схеме обкладка конденсатора имеет более низкий потенциал, чем правая, т.е. напряжение на выходе ОУ (на входе таймера) линейно нарастает (рис. 9.19, б). Когда оно чуть превысит уровень 2U_пор/3, один из компараторов таймера переключится, на выходе появится низкое напряжение и разряжающий транзистор откроется, замыкая точку А на «землю».

Теперь цепь конденсатора оказывается подключенной к напряжению U_R4 с полярностью, противоположной первоначальной. Благодаря этому конденсатор начинает заряжаться в противоположном направлении и напряжение на выходе ОУ линейно падает. Когда оно опустится чуть ниже уровня U_пор/3, переключится другой компаратор таймера, на выходе появится высокое напряжение, разряжающий транзистор запрется и описанный процесс начнет повторяться.

Длительность импульса t_И и пауза t_п определяются емкостью конденсатора и сопротивлениями резисторов в цепях его зарядки и разрядки.

Рассмотренные преобразователи используются в качестве одного из основных блоков большого класса цифровых вольтметров. Измеряемое напряжение представляется в них эквивалентным значением частоты, которая затем измеряется частотомером.

УСТРОЙСТВО СБОРА И ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ

Рассматриваемое устройство предназначено для поочередного периодического или выборочного опроса датчиков и индикации полученной информации.

На рис. 9.12 изображена функциональная схема устройства. Со счетчика DD1 периодически изменяющийся код поступает на адресные входы аналогового коммутатора DА1, за счет чего датчики D1, D2, ... поочередно подключаются к его выходу. Напряжение каждого из них масштабируется операционным усилителем DА2 и представляется на выходах АЦП DА3 двоичным кодом. Преобразователь кодов DD2 формирует из него двоично-десятичный код, а семисегментные дешифраторы DD3-DD5 – сигналы для управления индикаторами. Код на адресных входах коммутатора, подключающий тот или иной датчик к узлам преобразования и индикации, поступает также к дешифратору DD6. Его возбужденный выход включает светодиод, указывающий, к какому датчику относится присутствующее на индикаторе число.

По желанию оператор может установить наблюдение только за одним датчиком (режим выборочного опроса) с соответствующим номером, т.е. подавая напряжение на один из входов шифратора DD7, размыкая ключ Кл1-Кл3. Когда изменяющийся код на выходах счетчика 1 окажется равным коду на выходах шифратора, логическая 1 с выхода цифрового компаратора DD8 через элемент И DD9 заблокирует элемент DD10 «Запрет» и содержимое счетчика DD1 перестанет меняться.

Масштабирование напряжений датчиков будем производить, предполагая, что устройство, к примеру, обслуживает датчики температуры (Д1), атмосферного давления (Д2) и влажности воздуха (ДЗ) со следующими параметрами:

а) диапазон изменения температуры T=20~100°С, максимальное напряжение на выходе U_1max=0,4 В;

б) диапазон изменения давления Р=700~800 мм рт. ст., максимальное напряжение на выходе U_2max=0,5 В;

в) диапазон изменения влажности ц=10~100%, максимальное напряжение на выходе U_3max=0,2 В.

Будем считать характеристики датчиков линейными. Тогда изменения напряжения на выходах датчиков в ответ на единичное изменение параметра соответственно равны:

Выберем десятиразрядный АЦП с максимальным входным напряжением U_вхmax=10 В. Тогда входное напряжение, вызывающее увеличение выходного кода на единицу,

Такое напряжение должна развивать на входе АЦП каждая единица любого измеряемого параметра. Поэтому коэффициенты масштабирования напряжений датчиков должны быть соответственно равны:

При этом напряжения на входе АЦП от максимальных значений параметров:

Рассчитанные значения К₁, К₂, К₃ реализуются отношениями сопротивлений резисторов: .