Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология
Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии


Врелязадающие и времяизлеряющие схемы



Формирователи дискретных временных функций широко используются в устройствах автоматики и телемеханики, где процессы, протекающие обычно в реальном масштабе времени, требуют образования и измерения временных интервалов, сдвига импульсов во времени на заданный интервал. Для формирования дискретных временных функций ис­пользуют следующие устройства: формирователи импульсов, формирующие короткие им­пульсы Uвых по переднему или U1вых заднему фронту входного импульса UBX (рис. 2.45, а); формирователи временных интервалов (таймеры), формирующие импульсы заданной про­должительности Тимп (рис. 2.45, б) по переднему или заднему фронту входного импульса Uвх> формирователи временных интервалов (таймеры), запускаемых короткими импульсами (одновибраторы, кипп-реле) (рис. 2.45, в); реле времени, с помощью которых осуществля­ется задержка срабатывания на время Тср или возврата в исходное состояние (рис. 2.45, г)

Принципы образования временных интервалов в диапазонах от долей миллисекунд до нескольких секунд основаны на использовании переходных процессов заряда, раз­ряда и перезаряда конденсаторов.

Использование заряда конденсатора для образования временного интервала (рис. 2.46). В исходном состоянии ключ SB находится в разомкнутом состоянии, при этом напря­жение на конденсаторе С равно нулю ( ис = 0). В момент t3aм замыкания ключа SB кон­денсатор С начинает заряжаться (рис. 2.46, а), напряжение ис изменяется во времени по экспоненциальному закону (рис. 2.46, б) в соответствии с выражением:

 

uc(t) = Eп( l - ), (2-4)

где τ = RC — постоянная времени цепи заряда.

Когда напряжение uc(1) достигнет напряжения срабатывания Ucp, то сработает пороговое устройство, включенное параллельно конденсатору С, на выходе появится напряжение U вых. Интервал времени от момента замыкания ключа /зам до переключе­ния порогового устройства называется временем срабатывания tср. Чем больше посто­янная времени цепи т, тем более пологая кривая uc(t) и тем больше tсp. Время срабаты­вания зависит также от напряжения срабатывания Uc р, которое должно быть не более (0, 5...0, 7) ЕП, иначе возрастает погрешность tср.

Если в выражение (2.4) подставить Ucp и tср и прологарифмировать его, то получим

(2-5)

Из выражения (2.5) видно, что tср зависит от напряжения источника питания Еп, т.е. при отклонении напряжения источника питания будет меняться tср, возникнет по­грешность, зависящая от напряжения источника питания Еп.

Использование разряда конденсатора для образования временного интервала (рис. 2.47). В исходном состоянии контакты ключа SB2 замкнуты (рис. 2.47, а) и конденсатор С заряжен до напряжения ЕП. В момент tn переключения ключа SB2 (рис. 2.47, б) его контакты размыкают цепь заряда конденсатора С, а контакты SB1 замыкают цепь раз­ряда конденсатора на резистор R. Напряжение ис снижается по экспоненциальному закону в соответствии с выражением:

uc(t) = Еп , (2.6)

где т = RC — постоянная времени цепи разряда.

Когда напряжение uc(t) снизится до напряжения срабатывания порогового уст­ройства Ucp, последнее переключится и напряжение на его выходе Uвых снизится до нуля. Подставив Uср и tср в выражение (2.6) и прологарифмировав его, получим:

(2.7)

Из выражения 2.7 видно, что время срабатывания tср зависит от напряжения источника питания Еп.

Использование перезаряда конденсатора для образования временного интервала (рис. 2.48). Предварительно заряженный конденсатор С через контакт ключа SB2 (рис. 2.48, а) до напря­жения ЕП в момент времени tn (рис. 2.48, б), соответствующий переключению ключа (кон­такты ключа SB2 размыкаются, SB1 замыкаются), начинает разряжаться до нуля, а затем заряжается до напряжения источника питания Еп. Таким образом, напряжение на конденса­торе изменяется на величину 2 Еп. Процесс перезаряда можно представить как разряд кон­денсатора от 2 Еп до нуля. Нуль-индикатор срабатывает, когда напряжение ис = 0, т.е. экспо­нента пересекает ось времени, Ucp = Еп. Используя выражение (2.7), можно записать:

(2, 8)

Таким образом tср не зависит от напряжения источника питания Еп.

Формирователь импульсов заданной продолжительности (рис. 2.49). В нем для создания импуль­сов необходимой длительности используется процесс разряда конденсатора С. В исходном состоянии транзистор внешней управляющей схемы VT1 закрыт (рис. 2.49, а). Транзистор формирователя импульсов VT2 открыт под действием тока в цепи: К, переход эмиттер- база, R2, — Ек. На выходе транзистора VT2 появляется высокий (нулевой) потенциал. Кон­денсатор С заряжается до значения Ек током цепи: +Eк, эмитtер-база, С, R1, -ЕК.

В момент времени t1 (рис. 2.49, б) транзистор VT1 открывается, через него потен­циал К поступает на обкладку 1 конденсатора С, потенциал обкладки 2 выше на Ек, чем потенциал обкладки 1. Этот потенциал поступает на базу транзистора VT2, после­дний закрывается. Конденсатор С разряжается через резистор R2 и источник питания (частично через резистор R1). В течение времени разряда конденсатора от Ек до нуля транзистор VT2 закрыт, на его выходе потенциал снижается до —Ек и формируется отрицательный импульс длительностью /вых— 0, 7R2C.

После окончания входного импульса длительностью tвх транзистор VT1 закрыва­ется, начинается заряд конденсатора по цепи: К, эмиттер-база транзистора VT2, конденсатор С, резистор R1, -ЕК. Время заряда конденсатора составляет (3...5) τ зар, где постоянная времени заряда конденсатора τ зар = R1C. После заряда конденсатора формирователь снова готов к действию.

Рассмотренная схема является простейшей из тех, которые позволяют формиро­вать импульсы прямоугольной формы заданной продолжительности. Она используется для выполнения одновибраторов, реле времени и других времязадающих схем.

Простой транзисторный одновибратор (рис. 2.50).

Он занимает промежуточное положение между триггером, имеющим два устойчивых состояния, и мультивибратором, имеющим два временно ус­тойчивых состояния (на время разряда конденса­тора). Одновибратор имеет одно устойчивое и одно временно устойчивое состояние. Это обусловлено тем, что между базой транзистора VT1 и коллек­тором транзистора VT2 имеется резисторная связь с помощью резистора Rc, а между базой транзис­тора VT2 и коллектором транзистора VT1 — емкостная связь с помощью конденсатора С.

В исходном состоянии транзистор VT1 закрыт, а транзистор VT2 открыт и с его коллектора нулевой потенциал поступает на базу транзистора VT1. Конденсатор С заря­жен, так как на его обкладку 1 поступает потенциал - ЕК, а на обкладку 2 — нулевой потенциал через переход эмитгер-база транзистора VT2.

Для запуска одновибратора на вход 1 подается отрицательный потенциал или на вход 2— положительный. Пусть на вход 1 подан отрицательный потенциал, транзистор VT1 открывается и начинается разряд конденсатора С. Транзистор VT2 закрывается, и отрицательный потенциал с его коллектора будет удерживать транзистор VT1 откры­тым даже после окончания пускового импульса. Такое состояние сохраняется временно до окончания разряда конденсатора через резистор Rg, после чего транзистор VT2 вновь откроется, а транзистор VT1 закроется, одновибратор вернется в исходное состояние. Конденсатор С начнет заряжаться t3ap = (3...5) τ зар. После окончания заряда схема гото­ва к действию. В такой схеме длительность выходного импульса может быть существенно больше входного, но так как коэффициент усиления по току одиночного транзистора не может быть очень большим и сопротивление разрядного резистора R6 обычно не превышает 10 кОм, то длительность выходного импульса мала и не превышает несколь­ких десятков миллисекунд. При этом погрешность длительности выходного импульса при изменении температуры окружающей среды составляет 5—10 %.

Одновибратор на операционном усилителе (рис. 2.51). Такой одновибратор имеет погрешность длительности выходного импульса при изменении температуры окружаю­щей среды менее 1 %.

В схеме (рис. 2.51, a) использован процесс заряда конденсатора С через резистор R. Для фиксации момента достижения напряжения при заряде конденсатора порого­вого значения U n используется компаратор СА на операционном усилителе и тран­зисторах VT1 и VT2. Схема на транзисторах VT1 и VT2 осуществляет согласование ОУ и выходного триггера Т, так как выход ОУ непосредственно для управления триг­гером использован быть не может.

В исходном состоянии триггер Т находится в положении 0, транзистор VT3 от­крыт, конденсатор С разряжен. При поступлении на вход «Пуск» короткого импульса (рис. 2.51, б) триггер Т переключается в положение 1, с его выхода Qпоступает нуле­вой потенциал на вход транзистора VT3 и запирает его. В этот момент начинается заряд конденсатора С. После достижения напряжения на нем, равного напряжению порога срабатывания с = Un), напряжение на выходе ОУ понижается, транзисторы VT1 и VT2 открываются, триггер Т переходит в состояние 0. При этом транзистор VT3 вновь открывается, через него разряжается конденсатор С.

Напряжение порога срабатывания Un определяется сопротивлением резисторов R1 и R 2 и должно быть меньше допустимой разности напряжений на входах ОУ (для современных ОУ оно составляет 5В). При величине напряжении питания E1 = 10 В, R1 = R2- Длительность выходного импульса может быть определена как

Ти = RC In (10/5) = 0, 7RС, т.е.

Ти не зависит от величины напряжения питания.

Величина зарядно­го сопротивления R в этой схеме в 102...103 раз больше, чем в схеме од­новибратора, приведен­ного на рис. 2.50. Следо­вательно, для получения

импульса заданной продолжительности Ти можно использовать конденсатор значительно меньшей емкости.

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

Помехоустойчивый таймер без обратной связи (рис. 2.52). Такой тамер использу­ется для формирования импульсов заданной продолжительности. В исходном состо­янии на вход схемы (рис. 2.52, а) подается сигнал 0, инвертор L1 закрыт, а транзи­стор VT3 открыт и конденсатор С разряжен. На инвертор L2 с компаратора СА по­ступает сигнал 1 (рис. 2.52, б), а с входа схемы по замкнутой перемычке 1—2 сигнал

О и на выходе инвертора L2 появляется сигнал 1.

При поступлении на вход схемы сигнала 1 инвертор L1 открывается, транзистор VT3 закрывается, конденсатор С начинает заряжаться через резистор R. Одновременно сигнал 1 с входа схемы через перемычку 1—2 поступает на вход инвертора L2 и на его выходе появляется сигнал 0. После заряда конденсатора С до напряжения порога Un компа­ратор СА срабатывает, открываются транзисторы VT1 и VT2 и на вход инвертора L2 поступает сигнал 0. На выходе инвертора L2 появляется сигнал 1 и заканчивается формирование выходного импульса Tw Длительность входного импульса для работы схемы должна быть больше длительности формируемого импульса ТИ.

Реле времени можно получить, разомкнув перемычку 1—2 в схеме (см. рис. 2.52, а). Диаграмма работы реле времени приведена на рис. 2.52, в. Из нее видно, что с выхода компа­ратора СА на вход инвертора L2 поступает сигнал 1, на выходе инвертора L2 будет сигнал 0.

При поступлении на вход инвертора L1 сигнала 1 начинается заряд конденсатора С, напряжение на нем возрастает до порогового значения Un, при котором срабатывает компаратор СА и переключается выходной инвертор L2. Интервал времени от момента подачи входного импульса до переключения инвертора L2 является выдержкой време­ни срабатывания реле Tср = 0.7RC (при R1 = R2).

Универсальный времязадающий элемент. Такой элемент применяется в устройствах релейной защиты в качестве реле времени и устройствах телемеханики как время им- пульсный формирователь (рис. 2.53), выполняется на основе микросхем. В качестве ком­паратора используется гибридная схема на транзисторах VTI, VT2, VT3. Для повыше­ния чувствительности компаратора в качестве коллекторной нагрузки транзистора VT1 применено «токовое зеркало» на транзисторах VT4 и VT5. Транзистор VT5 является ис­точником тока, величина которого выбирается равной сумме максимальных токов транзис­торов VT1 и VT2 и лежит в пределах 3—6 мкА Этот ток задается резистором R1. Напряжение цепи транзистор VT4 — резистор R1 задается падением напряжения на диоде VD. Разность напряжений транзистора VT4 в диодном включении и диода VD составляет примерно 0, 15 В и прикладывает­ся к резистору R1. Чтобы полу­чить на выходе «токового зерка­ла» ток 5 мкА, нужно иметь рези­стор R1 сопротивлением 30 кОм. При другом напряжении, напри­мер 5 или 10 В, потребовалось бы сопротивление в несколько мега- ом, что трудно получить в интег­ральной микросхеме.

Рассмотренная схема работа­ет как реле времени в соответствии с диаграммой (см. рис. 2.52, б). Если установить внешнюю по отношению к микросхеме перемычку 1—2, то схема будет работать как время импульсный формирователь аналогично диаграмме (см. рис. 2.52, в). При этом по­меха, поступающая на вход, передается через перемычку на выход без изменения длительно­сти. Для предотвращения срабатывания выходных инверторов L3 и L4 под действием крат­ковременных помех необходимо предпринимать меры защиты.

Если схема используется как реле времени (при отсутствии перемычки 1—2), то в режиме ожидания она имеет очень высокую помехоустойчивость. Длительность помехи, вызывающей ложное срабатывание схемы, должна превышать время заряда конденсатора до порогового напряжения Un (см. рис. 2.52, б), образованного делителем на сопротивлени­ях R1 + R2 и R3. С целью уменьшения общего числа транзисторов в схеме напряжение Щэ транзистора VT1 не компенсировано и входит в контур сравнения, т.е. практически напря­жение порога U'n = Uu +U6э, что вносит дополнительную погрешность при срабатывании.

Таймеры с использованием счетных схем позволяют получить выдержки времени, превышающие 100 с. Реле времени на основе заряда и перезаряда конденсатора не могут создать таких выдержек, так как это требует применения конденсаторов очень большой емкости. Поэтому, чтобы получить большие выдержки времени (до несколь­ких минут и более), применяют реле времени, в которых генератор тактовых импульсов ГИ работает совместно со счетчиком импульсов (рис. 2.54).

В качестве генератора тактовых импульсов может служить управляемый мульти­вибратор. В исходном состоянии схема пуска и сброса удерживает ГИ в заторможенном состоянии, а двоичный счетчик импульсов находится в нулевой позиции. При поступ­лении входного импульса схема пуска и сброса запускает ГИ. Двоичный счетчик полу­чает импульсы ГИ и переключается из одного положения в другое, каждому из которых соответствует определенный сигнал на одном из выходов дешифратора. После отсчета счетчиком заданного числа импульсов ГИ останавливается импульсом, поступающим с соответствующего выхода дешифратора. Одновременно импульс поступает на выход реле. При постоянном периоде повторения импульсов время срабатывания Т определя­ется длительностью импульса и числом отсчитан­ных импульсов Tср = NT.

С выходов такого реле можно получить несколь­ко выходных импульсов с различными выдержками времени. Такие реле могут использоваться в качестве датчиков времени в устройствах телемеханики.

Микросхема на МОП-транзисторах, содержа­щая 21-разрядный счетчик, позволяет отсчитывать N= 221 = 2 * 106 импульсов. Если выполнить управля­емый мультивибратор ГИ с периодом Т = 1 с, то у такого реле время срабатывания Tср = 2 *106 с — 550 ч.

В качестве ГИ можно использовать кварцевый генератор, размеры которого уменьша­ются с увеличением частоты, поэтому целесообразно применять генераторы с часто­той 105 + 106 Гц. Используя рассмотренную микросхему, содержащую 21-разрядный счетчик, можно получить реле времени с Tср = 2 + 20 с.

Таймеры с использованием счетных схем выпускаются промышленностью в виде однокристальной микросхемы. Для изменения времени срабатывания они снабжаются многоразрядными шинами управления, на которые подаются кодовые комбинации. Каждой комбинации соответствует своя выдержка времени. Такие таймеры использу­ются в микропроцессорных устройствах, которые задают программу работы таймера и изменяют кодовые комбинации.


Поделиться:



Популярное:

Последнее изменение этой страницы: 2016-03-25; Просмотров: 1399; Нарушение авторского права страницы


lektsia.com 2007 - 2024 год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! (0.023 с.)
Главная | Случайная страница | Обратная связь