Врелязадающие и времяизлеряющие схемы

⇐ ПредыдущаяСтр 6 из 43Следующая ⇒

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 U_вых по переднему или U₁_вых заднему фронту входного импульса U_BX (рис. 2.45, а); формирователи временных интервалов (таймеры), формирующие импульсы заданной продолжительности Т_имп (рис. 2.45, б) по переднему или заднему фронту входного импульса U_вх> формирователи временных интервалов (таймеры), запускаемых короткими импульсами (одновибраторы, кипп-реле) (рис. 2.45, в); реле времени, с помощью которых осуществляется задержка срабатывания на время Т_ср 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 ( и_с = 0). В момент t₃_a_м замыкания ключа SB конденсатор С начинает заряжаться (рис. 2.46, а), напряжение и_с изменяется во времени по экспоненциальному закону (рис. 2.46, б) в соответствии с выражением:

u_c(t) = E_п( l - ), (2-4)

где τ = RC — постоянная времени цепи заряда.

Когда напряжение u_c(1) достигнет напряжения срабатывания U_cp, 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 t_ср. Чем больше постоянная времени цепи т, тем более пологая кривая u_c(t) и тем больше t_с_p. Время срабатывания зависит также от напряжения срабатывания U_c _р, которое должно быть не более (0, 5...0, 7) Е_П, иначе возрастает погрешность t_ср.

Если в выражение (2.4) подставить U_cp и t_ср и прологарифмировать его, то получим

(2-5)

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

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 Е_П. В момент t_n 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 и_с снижается по экспоненциальному закону в соответствии с выражением:

u_c(t) = Е_п , (2.6)

где т = RC — постоянная времени цепи разряда.

Когда напряжение u_c(t) снизится до напряжения срабатывания порогового устройства U_cp, последнее переключится и напряжение на его выходе U_вых снизится до нуля. Подставив U_ср и t_ср в выражение (2.6) и прологарифмировав его, получим:

(2.7)

Из выражения 2.7 видно, что время срабатывания t_ср зависит от напряжения источника питания Е_п.

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

(2, 8)

Таким образом t_ср не зависит от напряжения источника питания Е_п.

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: +Е_К, переход эмиттер- база, R2, — Е_к. На выходе транзистора VT2 появляется высокий (нулевой) потенциал. Конденсатор С заряжается до значения Е_к током цепи: +E_к, эмитtер-база, С, R1, -Е_К.

В момент времени t₁ (рис. 2.49, б) транзистор VT1 открывается, через него потенциал +Е_К поступает на обкладку 1 конденсатора С, потенциал обкладки 2 выше на Е_к, 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 Е_к до нуля транзистор VT2 закрыт, на его выходе потенциал снижается до —Е_к и формируется отрицательный импульс длительностью /_вых— 0, 7R₂C.

После окончания входного импульса длительностью t_вх транзистор VT1 закрывается, начинается заряд конденсатора по цепи: +Е_К, эмиттер-база транзистора VT2, конденсатор С, резистор R1, -Е_К. 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 R_c, 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 - Е_К, 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 t₃_ap = (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 (и_с = U_n), 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 U_n 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

Т_и = RC In (10/5) = 0, 7RС, т.е.

Т_и 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 Т_и 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 U_n 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 T_w Длительность входного импульса для работы схемы должна быть больше длительности формируемого импульса Т_И.

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 U_n, 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 T_ср = 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 U_n (см. рис. 2.52, б), образованного делителем на сопротивлениях R₁ + R₂ и R₃. С целью уменьшения общего числа транзисторов в схеме напряжение Щ_э транзистора VT1 не компенсировано и входит в контур сравнения, т.е. практически напряжение порога U'_n = U_u +U₆_э, 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 T_ср = 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 T_ср = 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 T_ср = 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.

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 567 8 9 10 Следующая ⇒