ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ_2 / ЭЛЕКТРО_Почаевец

Из выражения (2.5) видно, что [ер зависит от Еп, Т.е. при отклоне­ нии напряжения источника питания будет меняться [ер' возникнет

погрешность, зависящая от Еп.

Исnользоваlluе разряда КОllдеllсатора для образоваllИЯ времеllllОго uнтервала поясняется рис. 2.32. В исходном состоянии контакты клю­ ча SB2 замкнуты (рис. 2.32, а) и конденсатор С заряжен до напряже­ ния Еп. В момент переключения ключа tn (рис. 2.32, б) его контакты SB2 размыкаlОТ цепь заряда конденсатора С, а контакты SBl замы­ кают цепь разряда конденсатора на резистор R. Напряжение ИС сни­

жается по экспоненциальному закону в соответствии с выражением

.'

где t = RC - постоянная времени цепи разряда.

Когда напряжение Иdt) снизится до напряжения срабатывания

порогового устройства Иер' последнее переключится и напряжение

I

Рис. 2.32. Образование временн6го интервала с исполъзованием разряда

КOIrденсатора:

а - принципиалъная схема устройства; б - временная диаграмма работы

90

а

Рис. 2.33. Образование временн6го интервала с использованием перезаряда

конденсатора:

а - принципиальная схема устройства; б - временная диаграмма работы

Из выражения 2.7 видно, что [ср зависит от Еп·

Использование перезаряда К01lденсатора для образоваllИЯ време1l1l0-

го Иllтервшzа показано на схеме рис_ 2.33. Предварительно заряжен­ ный конденсатор С через контакт SB2 (рис. 2.33, а) до напряжения Еп в момент времени tп (рис. 2.33, 6), соответствующий переключе­ пию ключа (контакты SB2 размыкаются, SBl замыкаются), начина­ ет разряжаться до нуля, потом заряжается до -Еп. Таким образом напряжение на конденсаторе изменяется па величину 2Еп. Процесс перезаряда можно представить как разряд конденсатора от 2Еп до

нуля. Нуль-индикатор срабатывает, когда напряжение ИС = О, Т.е.

экспонента пересекает ось времени Uср = Еп. Используя выражение

(2.7), можно записать

п

Таким образом, (ер не зависит от напряжения источника питания Еп.

Формирователь импульсов задШlНОЙ продолжительности представ­

лен на рис. 2.34. В нем для создания импульсов необходимой дли­ тельности используется процесс разряда конденсатора С. В исход­ ном состоянии транзистор внешней управляющей схемы УТ1 ЗqКРЫТ (рис. 2.34, а). Транзистор формирователя импульсов УТ2 открыт под

91

действием тока в цепи: +Ек, переход эмипер-база, R2, -Ек. На выхо­

де VT2 - высокий (нулевой) потенциал; конденсатор С заряжен до

значения Ек током в цепи: +Ек, эмипер, база, С, Rl, -Ек.

В момент времени t 1 (рис. 2.34, б) на вход транзистора VТl пода­

ется отрицательный потенциал, трансзистор открывается и через него

потенциал +Ек поступает на обкладку 1 конденсатора С, при этом

потенциал обкладки 2 становится выше, чем потенциал обкладки 1 на величину Et<: Этот потенциал подается на базу транзистора VT2,

после чего последний закрывается. Конденсатор С разряжается че­ рез R2 и источник питания (частично через резистор Rl). Во время разряда конденсатора от Ек до нуля транзистор VТ2 закрыт; на его выходе потенциал снижается до -Ек И формируется отрицательный

импульс длительностью lвых = 0,7 R 2 С.

После окончания входного импулрса длительностью (вх транзис­ тор VTl закрывается, начинается заряд конденсатора по цепи: +Ек, эмипер-база транзистора VT2, конденсатор С, резистор R 1, -Ек. Время заряда конденсатора составляет (3...5) Тзар' где постоянная времени заряда конденсатора 'tзар =R 1 С. После заряда 1Сонденсато­

ра формирователь снова готов к действию.

а

Рис. 2.34. Формироватenъ прямоуголъного импульса заданной npoлолжителъности:

а - принципиалъная схема; 6 - временная диаграмма работы

92

Рассмотренная схема является простейшей из тех, которые позво­

ляют формировать импульсы прямоугольной формы заданной про­ должительности. Она используется для выполнения одновибраторов,

реле времени и других времязадающих схем.

Простой тРШlзuсторный одновибратор представлен на рис. 2.35. Ов занимает промежугочпое положение между триггером, имеющим два устойчивых состояния, и мультивибратором, имеющим два вре­ менно устойчивых состояния (на время разряда конденсатора). Од­

новибратор имеет одно устойчивое и одно временно устойчивое со­

стояние. Это обусловлено тем, что между базой транзистора VTl и

коллектором VT2 смонтирована резисторная связь с помощью ре­

зистора Rc, а между базой транзистора VT2 и коллектором VTl - емкостная связь с помощью конденсатора С (рис. 2.35, а).

В исходном состоянии транзистор VТ1 закрыт, а VT2 открыт, и с

его коллектора нулевой пот~пциал поступает на базу VТl. Конден­ сатор С заряжен, так как на его обкладку 1 поступает потенциал -Ек,

а на обкладку 2 - нулевой потенциал через переход эмитrер-база транзистора VT2.

Для запуска одновибратора подается отрицательный потенциал

на вход 1 или положительный - на вход 2.

При подаче на вход 1 отрицательного потенциала транзистор VТl открывается и начинается разряд конденсатора С. При этом транзис­ тор VT2 закроется и отрицательный потенциал с его коллектора бу­ дет удерживать VTl открытым даже после окончания пусконого им­ пульса. Такое состояние со-

93

больше входного, но так как коэффициент усиления по току одиноч­

ного транзистора не может быть очень большим и сопротивление разрядного резистора R обычно не превышает 1О кОм, то длитель­

ность выходного импульса мала и не превышает нескольких десят­

ков миллисекунд. При этом погрешность длительности выходного

импульса при изменении температуры окружающей среды составля­

ет 5-100/0.

Одновибратор на операционномУСWlиmелР., схема.которогопредстав­

лена на рис. 2.36, а, имеет погрешность MeH~e 1 0/0. В схеме использо­

ван процесс заряда конденсатора С через резистор R. ДЛЯ фиксации

момента достижения напряжения при заряде конденсатора порого­

вого значения Ил используется компаратор СА на операционном уси­ лителе и транзисторах УТ1 и УТ2. Схема на УТ1 и VТ2 осуществляет согласование ОУ и выходного триггер'а Т, так как выход ОУ непос­ редственно для управления триггером использован быть не может.

В исходном состоянии триггер Т находится в положении О, тран­ зистор УТ3 открыт, конденсатор С разряжен. При поступлении на вход «Пуск) короткого импульса (рис. 2.36, б) ТРИIТер Т переключа-

ется в положение 1, с его выхода Q поступает нулевой потенциал на

вход транзистора УТ3 и запирает его. В этот момент начинается за­ ряд конденсатора С. После достижения напряжения на нем, равного

напряжению порога срабатывания СИе = Ил), на выходе ОУ напря­

жение понижается, транзисторы УТl и VТ2 открываются, триггер Т

94

переходит в состояние О. При этом транзистор УТ3 вновь открыва­ ется, через него разряжается конденсатор С.

Напряжение порога срабатывания и1 определяется сопротивлени­ ем резисторов R I и R2 и должно быть меньше допустимой разнocrn напряжений на входах ОУ (для современных ОУ оно составляет 5 В). При напряжении питания Е1 =10 В, R} =R2• Длительность выход-

Т.е. Ти не зависит от напряжения питания.

Величина зарядного сопротивления R в этой схеме в 102.. .103 раз

больше, чем в схеме одновибратора на рис. 2.35, следовательно, для

получения импульса заданной продолжительности Ти можно исполь­ зовать конденсатор значительно меньшей емкости.

Существенным недостатком одновибраторов является их низкая помехоустойчивость, вызванная наличием положительных обратных связей и , как следствие, лавинообразных процессов. С целью повы­ шения помехоустойчивости стремятся использовать схемы форми­ рователей импульсов без положительных обратных связей.

Таймеры с использованием счетных схем позволяют получить вы­

держки времени, превышающие 100 с. Реле времени на основе заря­

да и перезаряда конденсатора не могут создать таких выдержек, так

как это требует применения конденсаторов очень большой емкости. ПОЭТОМУ, чтобы получить большие выдержки времени (до несколь­ ких минут и более), применяют реле времени, в которых генератор тактовых импульсов ГИ, имеющий стабильный период повторения

95

при этом импульсы ГИ передаются на двоичный счетчик, который

переключается из одного положения в другое, соответствующее оп­

ределенному сигналу на одном из выходов дешифратора. После от­

счета счетчиком заданного числа импульсов ГИ останавливается

импульсом, поступающим с соответствующего выхода дешифрато­

ра. Одновременно импульс поступает на выход реле. При постоян­ ном периоде повторения импульсов Т время срабатывания опреде­

ляется длительностью импульса и числом отсчитанных импульсов

Тер = NT.

С выходов такого реле можно получить несколько выходных им­ пульсов с различными выдержками времени. Такие реле MOryr исполь­

зоваться в качестве датчиков времени в устройствах телемеханики.

Микросхема на МОП-транзисторах, содержащая 21-разрядный

счетчик, позволяет отсчитывать N = ;l21 = 2-106 импульсов. Если вы­

полнить управляемый мультивибратор ГИ с периодом Т = 1 с, то у

такого реле время срабатывания Тер = 2 ·106 с = 550 ч. В качестве ГИ

можно использовать кварцевый генератор, размеры которого умень­

шаются с увеличением частоты, поэтому целесообразно применять

генераторы с частотой 105-106 Гц. Используя рассмотренную мик­

росхему, содержащую 21-разрядный счетчик, можно получить реле

времени с Тер = 2 + 20 с.

Таймеры с использованием счетных схем выпускаются промыш­

ленностью в виде однокристальной микросхемы. Для изменения вре­

мени срабатывания они снабжаются многоразрядными шинками уп­ равления, на которые подаются кодовые комбинации. Каждой ком­ бинации соответствует своя выдержка времени. Такие таймеры

используются в микропроцессорных устройствах, которые задают про­

грамму работы таймера и изменяют кодовые комбинации.

29. МоДУAЯIOРЫ ИМПУЛЬСНЫХПОСАсдовareльнocreй

в преобразовательной технике широко применяют модуляторы: qастотно-импульсные (ЧИМ); широтно-импулъсные (ШИМ); фазо­ импульсные (ФИМ). В них входные напряжения, являющиеся ана­ логами контролируемых величин, преобразуются в частоту, длитель­

ность или фазу импульсной периодической последовательности.

Широmно-шнnульеная и фазоимnульеная модуляции близки по фи­

зической природе и их в основном осуществляют с помощью одной

96

Рис. 2.38. Широтно- и фазоимпульсные модуляторы:

а - структурная схема модулятора с генератором пилообразных импульсов; б­

временная диаграмма его работы; в - структурная схема модулятора с геиера­

тором тактовых импульсов

и той же типовой схемы (рис. 2.38, а). Модулирующее напряжение Их(t) на входе нуль-индикатора НИ сравнивается с напряжением

Ипи(t) пилообразной формы, которое поступает на НИ с выхода 1 ге­

нератора пилообразных импульсов (ГПИ). На заднем фронте пило­ образного импульса с выхода 2 mи на выходной триггер Т поступа­ ет импульс (рис. 2.38, 6), переключающий его в состояние 1. В этот момент напряжение на выходе 1 ГПИ начинает возрастать по пря­

мой Ип(t) до пересечения с кривой входного напряжения Их(t) при напряжениях И1, И2, ИЗ· При этом срабатывает НИ, с которого на

вход R триггера Т поступает импульс, переключающий его в состоя­ ние о. Длительность импульса на выходе триггера Т пропорциональна

величине напряжения в момент времени, когда Ип(t) = Их(t) и равня­ ется: при И1 - tиl; при И2 - tи2; при ИЗ - tиз.

Фазоимпульсная последовательность импульсов поступает на

ФИМ-выход с нуль-индикатора НИ, если последний имеет импульс­ ный выход. Детектирование ФИМ-последовательности может быть осуществлено после преобразования ее в ШИМ-последовательность.

ШИМ- и ФИМ-последовательность может быть получена с помо­ щыо схемы рис. 2.38, 8. Времяимпульсный преобразователь БИП за­

пускается генератором импульсов ГИ, который определяет и:tIтервал

квантования Т модулирующего напряжения Ux(t). Выход ВИП явля­

ется выходом тим, а выход одновибратора S - выходом ФИМ.

Частотно-wнnульсный модулятор на интегральных схемах широ­ ко лрименяется для преобразования напряжения в частоту импуль­ сов. Существуют различные способы выполнения ЧИМ на микро­ схемах, обеспечивающие высокое качество измерения.

Схема простейшего двухпорогового преобразователя напряжения

в частоту приведена на рис. 2.39, а. Преобразователь содержит ин­ тегратор ИН, два пороговых устройства ПУl и ПУ2, выходной триг­

гер Т и коммутирующий элемент на транзисторе VT. Интегратор

выполнен в соответствии со схемой на рис. 2.26, б. Если на вход ин­

тегратора подать постоянное напряжение их, то на выходе напряже­

ние будет возрастать линейно

Чем больше входное напряжение их, тем круче прямая и тем быст­ рее напряжение на выходе ИН достигнет порогового значения ипl'при котором на выходе порогового устройства ПУl появляется импульс,

а

1

Ux<t) ..J..,..

Rl

tpa:J« Т.

Рис. 2.39. Функциональная схема (а) и временна.я диаграмма работы (6) двухпо­ рогового преобразователя напряжения в частоту

98

устанавливающий трштер Т в состояние 1 (рис. 2.39, 6). Транзистор VТ

при этом закрывается. Так как в ингеграторе ИН использован операци­ онный УСШIитель с инверсным входом, то напряжение на выходе ингег­

ратора линейно снижается. Скорость его изменения определяется Ha~ пряжением ИХ ШIи током [1'В MOMeнr, когда напряжение на выходе JtIH

уменьшается до Ип2, при котором на выходе порогового устройства

ПУ2 появится ИМПУJThС, устанавливающийтриrтeрТ в состояние О. TpaH~

зистор VТ открывается, конденсатор С заряжается в обратном направ­

лении током12' Кругизна изменения напряжения при этомдолжна бьrrь намного больше, чем в рабочем полупериоде, но при условии [2 » [1'

Время снижения напряжения tраз значительно меньше минимального

периода импульсов Т1, Т2и т.д. на выходе трштера Т, при этом частота импульсов npопорциональна входному напряжению ИХ'

При возрастании ИХ (участок А-Б) увеличивается частота им­

пульсов на выходе триггера, снижается их период, поэтому Т2 < T1.

2.10. Преобра.зователи непрерывной величины в код

В устройствах автоматики и телемеханики часто используются пре­ образователи непрерьmной величины в код (кодо-импульсная модуля..

ция - КИМ). Исходная непрерывная величина (ток, напряжение, час­ тота вращения и т.д.) первоначально преобразуются в аналог Их(t) -

напряжение, которое во времени изменяется по тому же закону, что

контролируемая непрерывная величина. Затем электрический ана­ лог преобразуется в код с помощью преобразователя «аналог-код» ИЛИ «аналог-цифра» АЦП.

Шuроmно-имnульсный АЦП представлен на рис. 2.40, а. С помо­ щью широтно-импульсного модулятора ШИМ аналог контролируе­

мой величины Их(1) преобразуется в импульсы, ширина (длительность

[1, t2) которых пропорциональна аналогу Их(t) (рис. 2.40, 6). Зги им­

пульсы с выхода тим поступают на генератор импульсов ГИ, кото­

рый запускается и вырабатывает импульсы со стабильной частотой в течение длительности импульса с выхода тим. Число импульсов ГИ, которое уложится в каждом импульсе с тим, будет пропорциональ­

но его длительности (t l' [2 и т.д.), а следовательно, контролируемой

величине. Счетчик импульсов фиксирует их число в заданной системе счета (двоичной, двоично-десятичной, десятичной и т.п.). На диаграм­ ме (см. рис. 2.40, 6) видно: за время [1 на счетчик прошло два импуль-

99