Санкт-Петербургский государственный политехнический университет Факультет технической кибернетики

Кафедра измерительных информационных технологий

Утверждено

На заседании кафедры ИИТ

протокол № 3

от «10» ноября 2009 г.

Виртуальная лабораторная работа № 23 Компараторы-накопители и выходные устройства охранных извещателей с макетированием в пакете Electronics Workbench

Санкт-Петербуг

2009

УДК 654.924 (0758)

ББК 32.888:67401.213 73

С 347

Сидорин Ю.С. Виртуальная лабораторная работа № 23 Компараторы и выходные устройства охранных извещателей с макетированием в пакете Electronics Workbench. Методические указания. СПб, 2009, с.

Методические указания соответствуют государственному образовательному стандарту дисциплины 090104 «Технические средства охраны» направления - «Информационная безопасность»

Рассмотрена лабораторная работа по ряду выходных устройств извещателей, даны рекомендации по их расчету с дальнейшей проверкой их работы в пакете Workbench.

Предназначено для студентов четвертого курса факультета технической кибернетики в рамках подготовки специалистов по специальности 090104 – Комплексная защита объектов информатизации.

Автор выражает благодарность инженеру Кожевниковой М.Н. за помощь в оформлении методических указаний.

ISBN 5-7422-0653-4

Цель работы

Целью лабораторной работы является изучение принципов работы компараторов-накопителей и выходных устройств охранных извещателей, умение моделировать работу этих устройств в пакете Electronics Workbench.

Программа работы

1. Изучить принцип работы компараторов-накопителей, рассчитать пороги и время срабатывания отдельных элементов устройств.

2. Изучить принцип работы выходных устройств охранных извещателей, расчитать элементы выходных устройств.

3. Составить и исследовать модели компараторов-накопителей и выходных устройств.

Методические указания

1. Компараторы-накопители

1.1. Описание принципиальных схем компараторов-накопителей

Рассмотрим компараторы-накопители (рис.23.1, 23.2, 23.3), применяемые в извещателях, реагирующих на перемещение нарушителей. Наиболее часто в замкнутых объемах применяются оптико-электронные, доплеровские и комбинированные извещатели [21]. В оптико-электронных извещателях (PIR-детекторах) при перемещении нарушителя формируется переменный сигнал с частотой (0,2-5) Гц, в доплеровских извещателях это сигнал с частотой (50-350) Гц, а в комбинированных извещателях это сигналы от оптико-электронного и

доплеровского извещателя [1]. Этот сигнал усиливается полосовыми усилителями [2] и подается на компараторы. Форма сигнала U₁ на входе усилителя представлена на (рис. 23.1б). Сигнал является совокупностью постоянного напряжения U₀ и переменного напряжения с амплитудой U_m. Если нарушения нет, то на выходе усилителя будет логическая единица_. При нарушении на входе дополнительно появится переменный сигнал. При перемещении птиц и животных так же формируется переменный сигнал, но меньший по амплитуде, так как их масса меньше массы человека. Сигнал от животных не должен приводить к срабатыванию извещателя. Для того чтобы извещатель срабатывал при определенной амплитуде сигнала, применяют компараторы. Компаратор – это устройство сравнения, формирующее выходной сигнал при превышении входным сигналом некоторого опорного уровня. Напряжение на выходе компаратора может находиться на одном из двух фиксированных уровней: на верхнем («1»), если напряжение на его неинвертирующем входе больше напряжения на инвертирующем входе, и на нижнем («Ø») – при противоположном соотношении этих напряжений [3].

Для повышения помехозащищенности извещателей применяют накопители. Отдельные кратковременные импульсные помехи не успевают зарядить накопитель. Нарушитель, перемещаясь, формирует или длительный сигнал, или несколько коротких сигналов, которые успевают зарядить накопитель. На объектах с высоким уровнем помех используют накопители (при этом теряется быстродействие извещателя и, соответственно, ограничивается возможность его применения на объектах, где срабатывание должно происходить при первом же импульсе, например при защите дверей в коридорах). На объектах с низким уровнем помех накопитель можно отключить, то есть становится возможным повысить чувствительность извещателя, при этом зарядное сопротивление накопителя перемычкой устанавливают равным нулю, то есть отключают накопитель. Накопитель может быть установлен на входе (рис. 23.1а) или на выходе (рис. 23.2а, 23.3а) компаратора-накопителя.

С выхода компаратора-накопителя сигнал подается на выходные устройства извещателей (исполнительное реле и светодиод).

Рассмотрим более подробно схемы компараторов-накопителей (рис.23.1, 23.2, 23.3).

Накопителем для схемы (рис. 23.1а) является устройство, собранное на элементах VD₁, R₁, R₂, C₁. Для схемы (рис. 23.2а) это устройство, собранное на элементах VD₃, VD₄, R₆, R₇, C₂. Для схемы (рис. 23.3а) это устройство, собранное на элементах R₈, R₉, C₃. Длительность сигнала «ТРЕВОГА» не фиксирована. Она зависит от напряжения на конденсаторе, то есть длительность сигнала «ТРЕВОГА» зависит от продолжительности нарушения, скорости нарушения и т.д.

В более сложных извещателях между компаратором и исполнительным элементом устанавливаются устройства логической обработки сигнала. Эти извещатели в данной лабораторной работе рассматривать не будем.

Р ассмотрим работу схемы (рис.23.1а) в промежутке времени(t₁-t₉). Накопитель (преобразователь VD₁, R₁, R₂, C₁) является преобразователем переменного напряжения, поступающего от полосового усилителя, в постоянное.

а)

б)

Рис.23.1

а )

б)

Рис.23.2

а) AD3.1

б)

Рис.23.3

Напряжение на конденсаторе С₁ (рис.23.1) сравниваем с напряжением, создаваемым делителем R₃, R₄.

В исходном состоянии номиналы резистора R₄ (рис. 23.1а) подбирается так, чтобы е₊ было больше е_-. Тогда выходное напряжение компаратора будет равно «1» и светодиод VD₂ не горит.

При подаче на вход компаратора сигнала, отрицательная полуволна разряжает конденсатор полностью или частично. Между отрицательными полуволнами конденсатор незначительно заряжается, так как R₂ R₁ . В момент времени t₉ (определенный соотношением _раз и _зар ) е₊ становится меньше е_- и выходное напряжение компаратора становится равным нулю, т.е компаратор переключается [рис. 22.1б]. Загорается светодиод, сигнализирующий о тревоге. Время тревожного сообщения будет определяться временем заряда конденсатора С₁ через резистор R₂, до напряжения е_- ( то есть временем перемещения нарушителя в охраняемой зоне, скоростью его перемещения и т.д.)

Достоинством компаратора является его простота, обусловленная тем, что прямо на его выход можно подключать светодиод VD₂, сигнализирующий о тревоге.

Недостатком компаратора [рис.23.1а] является то, что он срабатывает только при отрицательной полуволне, т.е. теряется информация о наличии положительной полуволны сигнала. Потеря этой информации приводит к уменьшению помехозащищенности извещателя (уменьшена информация о выходном сигнале) и к невозможности применения извещателя в коридорах, когда сигнал «ТРЕВОГА» должен формироваться при одной, но любой полуволне входного сигнала [ 1].

Компараторы, представленные на [рис. 23.2а] и [рис.23.3а] являются компараторами типа «окно». Компараторы этого типа изменяют свое состояние при увеличении входного сигнала больше U_оп2 и уменьшении входного сигнала меньше U_оп1 [рис. 23.2а]. «Окно» – это напряжение между U_оп1 и U_оп2. Если сигнал находится внутри этого «окна», то выходное напряжение не изменяется. При выходе напряжения из «окна», то есть если U  U_оп2 и U < U_оп1 компараторы переключаются.

Для схемы (рис. 23.2а) напряжение на выходе компаратора переключается из «0» в «1», а для схемы (рис.23.3а) из «1» в «0». В устройстве, приведенном на схеме (рис.23.2а) используются микросхемы с закрытым коллектором, а в устройстве (рис. 23.3а)- микросхемы с открытым коллектором.

Выходное напряжение компаратора U_AD2.1 и U_AD2.2 (рис. 23.2) представлено на (рис.23.2б). В исходном состоянии U_AD2.1 =U_AD2.2 =0, так как е_+AD2.2<U₀<e_-AD2.1. При достаточной амплитуде входного сигнала при положительной полуволне микросхема AD2.1 переключается в «1» на интервале времени (t₂–t₃). В это время микросхема AD2.2 диодом VD4 отключена от входа накопителя. В интервале времени (t₃-t₄) U_оп1<U_вх<U_оп2 входной сигнал находится в окне.

В этом случае e_-AD2.1>U₁ и e_+AD2.2<U₁, то есть выходное напряжение обоих микросхем будет равно «0». При отрицательной полуволне входного сигнала микросхема AD2.2 переключается в «1» на интервале времени (t₄–t₅).

Таким образом, на выходе компараторов формируется сигнал удвоенной частоты, который поступает на фильтр R₆, R₇, C₂. На выходе фильтра при достаточно большой постоянной времени разряда _разC₂R₇ получим нарастающее напряжение U₃. Если выходное напряжение накопителя превысит пороговое напряжение U_оп3 выходного устройства, то последнее переключается, формируя сигнал «ТРЕВОГА». Достоинством данного устройства по отношению к схеме (рис. 23.1а) является возможность обеспечения более высокой помехозащищенности извещателя при наличии устройств обработки сигналов, подключаемых к выходу компараторов, т.к. в этой точке есть информация о наличии положительной и отрицательной полуволны сигнала. Информация о двух полуволнах позволяет использовать извещатели с такими компараторами для обнаружения нарушителя в коридорах.

На рис. 23.3а приведена схема компаратора типа «ОКНО» с открытым коллектором. Эта схема имеет такие же достоинства как и схема рис. 23.2а. Её преимущество по сравнению с рис. 23.2а является меньшее количество элементов в связи с отсутствием диодов. Диоды VD5 и VD6 изображены на схеме только для устранения некорректной работы микросхемы с открытым коллектором в пакете Work Bench. В режиме «НОРМА» на интервале времени (0–t₁) e_+AD3.2<U₁<e_+AD3.1 и, тогда, соответственно, U_AD3.1 = U_AD3.2=«1», U₅=«1». Выходное напряжение компараторов на интервале времени (t₂-t₃) и (t₄-t₅) становится равным «0». Конденсатор С₃ быстро заряжается от источника Е через резистор R₉ и выходное сопротивление компаратора. Напряжение на выходе накопителя по мере заряда конденсатора уменьшается: U₅=E-U_C.

При U_оп1<U₁<U_оп2 выходное напряжение компараторов на интервалах времени (t₃-t₄), (t₅-t₆), (t₇-t₈), и т. д. равно «1». Конденсатор С₃ медленно разряжается через R₉ и большое сопротивление R₈. В зависимости от постоянных времени заряда напряжение на выходе накопителя уменьшается до U_оп5 за несколько или один период входного сигнала. При U_вых накопителя равно U_оп5 срабатывает последующее выходное устройство. Компараторы не шунтируют друг друга, т.к. выполнены по схеме с открытым коллектором, что позволяет их соединить без разделительных диодов.