Аналоговые таймеры
Оглавление
Глава 1. Таймеры, их типы. Принципы работы аналогового таймера 3
1.1. Классификация и принципы построения таймеров 4
1.2. Особенности структур таймеров общего применения 7
1.2. Особенности применения и основные параметры однотактного таймера 9
1.4.Особенности применения и основные параметры программируемого таймера. 12
Глава 2. Проектирование схемы таймера 15
2.1. Расчет возможности перекрытия диапазона 1:60. 15
2.2 Разработка схемы допускающей применение времязадающего конденсатора меньшей емкости. 18
2.3 Схемотехническое повышение точности отработки временных интервалов. 20
Глава 3. Окончательный вариант разрабатываемой схемы 22
3.2. Электрическая принципиальная схема устройства. 23
Формулировка задания.
Разработать электрическую принципиальную схему таймера повышенной точности (погрешность – не более 0,1 секунды) на диапазон временных интервалов 1 – 60 сек. с плавной регулировкой временного интервала без использования прецизионных времязадающих элементов, обладающего возможностью калибровки шкалы с использованием внутреннего кварцованного генератора (калибратора). Предусмотреть возможность использования разрабатываемой конструкции в режиме генератора прямоугольных импульсов.
Предварительно изучить соответственную элементную базу и на основании проведенного анализа предложить оптимальный вариант конструкции устройства с использованием доступной элементной базы, выбрать комплектующие для построения разрабатываемой схемы. Произвести расчет параметров и элементов схемы.
Глава 1. Таймеры, их типы. Принципы работы аналогового таймера
Таймеры – устройства, предназначенные для формирования заданного оператором (управляемые) либо изготовителем интервала времени. По своему исполнению подразделяются на механические, электромеханические и электронные. Среди последних отдельную группу составляют интегральные таймеры – функционально завершенные интегральные микросхемы средней и большой степени интеграции. Интегральные таймеры по способу функционирования разделяются на аналоговые и цифровые. Последние имеют на кристалле только чисто цифровые компоненты: логические вентили, триггеры и базирующиеся на их основе более сложные узлы таймера – счетчики, регистры, ячейки памяти, шифраторы и дешифраторы Первичным эталоном временного интервала тут является пьезокварцевый резонатор, за счет чего достигается высокая точность работы таймера. Примером такой микросхемы может служить КР1016ВИ1 – цифровой многопрограммный таймер [1]. Данная большая интегральная схема предназначена для производства бытовых программируемых часов (запас программ на неделю) но может быть использована и в составе различного технологического оборудования.
Другим примером цифрового интегрального таймера является большая интегральная схема КР580ВИ53. Она входит в состав микропроцессорного комплекта КР580 и предназначена для формирования различных временных задержек электрических импульсов и деления частот (режим работы – программируемый [2]).
Аналоговые интегральные таймеры по сравнению с цифровыми обладают менее сложной структурой (меньшее число дискретных компонентов на кристалле), проще управляются и более дешевы. Времязадающим элементом для них является RC – цепочка. Для обрабатывания стабильных временных интервалов элементы ее должны иметь минимальные значения температурных коэффициентов сопротивления и емкости. Что касается зависимости временных интервалов от величины напряжения питания, то благодаря оригинальному схемному решению (впервые использованному при создании микросхемы NE555 [3]) она значительно меньше, чем у одновибраторов, построенных на основе биполярных (например, микросхема К155АГ1 [4]) или МОП-транзисторов [5].
По функциональному составу внутренних узлов аналоговые таймеры не являются полностью аналоговыми. Они наряду с компараторами напряжения, которые относят к аналоговым ИС, содержат узлы, выполняющие цифровые функции: логические вентили, триггеры, счетчики и др. Компараторы в таймерах обеспечивают повышение чувствительности их цифровых компонентов от единиц вольт до долей милливольта к изменениям входных напряжений. Таким образом, основные функции в аналоговых таймерах выполняют цифровые узлы, точность же формирования интервала времени определяется в первую очередь компараторами напряжения.
1.1. Классификация и принципы построения таймеров
Массовое применение таймеров в аппаратуре, разнообразие решаемых ими задач и, следовательно, многообразие требований, предъявляемых к их параметрам в зависимости от типа аппаратуры и рода выполняемых функций, обусловило создание большого семейства полупроводниковых таймеров.
Все аналоговые таймеры делятся на два класса: однотактные и многотактные со встроенным счетчиком ( см. рис. 1.1, ст. 27) [6].
Однотактные таймеры применяются, если длительность формируемых временных интервалов лежит в пределах от 1 мкс до 1 ч. Семейство таких таймеров можно разделить на две группы (рис. 1.2, ст. 27). К первой группе относятся таймеры общего применения, имеющие по одной, две и четыре ИС на одном кристалле. Вторую группу составляют специализированные таймеры: микромощные и помехоустойчивые ИС. Длительность формируемого таймером (рис. 1.2,а) интервала времени определяется током заряда внешнего времязадающего конденсатора Сt а ток заряда — сопротивлением внешнего времязадающего резистора Rt. Формируемый таймером временной интервал Тn пропорционален постоянной времени RC-цепи и определяется длительностью изменения напряжения на Ct в пределах некоторого диапазона, установленного внутренним резисторным делителем таймера.
Однотактный таймер, представленный на рис. 1.2,а, работает следующим образом. В исходном состоянии, когда переключатель замкнут, напряжение на конденсаторе уменьшается до нуля и на выходе таймера устанавливается низкое напряжение, равное 0,1 В. При подаче импульса на вход триггера в нем формируется сигнал, размыкающий переключатель S1, и на выходе таймера устанавливается высокое напряжение. Если входное сопротивление компаратора А1 значительно больше сопротивления Rt, конденсатор Сt будет заряжаться только через Rt, а напряжение на Сt будет экспоненциально нарастать с постоянной времени RtCt, стремясь к своему максимальному значению Un. Как только напряжение на конденсаторе достигнет некоторой величины Uоп1, компаратор начнет вырабатывать сигнал, устанавливающий триггер (а следовательно, и весь таймер) в исходное состояние Временной интервал Тn должен быть значительно больше, чем длительность запускающего импульса. Опорное напряжение Uon1 формируется в таймере внутренним резисторным делителем.
Описанный цикл работы таймера имеет место при включении его по схеме одновибратора, когда формируется один выходной импульс после подачи внешнего сигнала запуска на вход триггера. Для того чтобы таймер мог работать в режиме асинхронного мультивибратора, управляющий входной сигнал от времязадающей RC-цепи подается на RS-триггер через компаратор А2 с опорным напряжением Uon2.
Чтобы иметь возможность прервать выполнение таймером заданной функции, независимо от завершенности временного цикла, введен переключатель S2. При подаче сброса S2 замыкается, конденсатор полностью разряжается и напряжение на нем остается близким к нулю до тех пор, пока сигнал сброса не будет снят. Обычно при подаче сигнала сброса на выходе таймера устанавливается низкое напряжение.
Многотактные таймеры разработаны для аппаратуры, требующей использования генераторов сигналов сверхнизкой частоты с продолжительностью импульсов до нескольких суток. Семейство этих таймеров делится на две основные группы (рис. 1.1). К первой группе относятся программируемые таймеры, в которых формируемый временной интервал задается программно, установкой соответствующих перемычек на выходах счетчика. В зависимости от вида соединения выходов счетчика многотактный таймер умножает постоянную времени RC-цепи в n раз (n-определяет диапазон программирования или коэффициент деления счетчиков). Программируемые таймеры содержат таймеры общего применения, выполненные по биполярной технологии, и микромощные. Ко второй группе относятся специализированные таймеры со встроенными счетчиками, у которых однозначно задан коэффициент деления п.
Программируемые таймеры работают следующим образом (рис. 1.2, б). При подаче на вход запуска импульса включается внутренний мультивибратор на однотактном таймере, генерирующий импульсы длительностью Tn==RtCt. Подключенный к выходу таймера N-разрядный двоичный счетчик подсчитывает входные импульсы и формирует на N выходах счетчика временные интервалы, длительность которых может устанавливаться от Тn до (2n-1)Тn. На первом выходе формируется импульс длительностью Тn, на втором – длительностью 2Тn, а на N-ном длительностью (2n-1) Гц. Счетчик допускает объединение выходов, причем длительность формируемого в этом случае временного интервала определяется суммой длительностей импульсов на объединенных выходах. Например, объединены выходы, формирующие отдельно импульсы длительностью Tn, 8Тn и 128Тn, тогда длительность формируемого временного интервала равна Tn+8Тn+128Тn= 137Тn. Таким образом, объединяя соответствующие выходы, можно получить любую длительность импульса или задержку его фронта в диапазоне Tn - (2n-1)Tn. Выполнение таким таймером предварительно заданной программы можно прервать, подав на специальный вход импульс сброса. Для синхронной работы внутреннего однотактного таймера и счетчика используется управляющая цифровая ИС.
1.2. Особенности структур таймеров общего применения
В полупроводниковых таймерах наибольшее распространение получили структуры, использованные в однотактных таймерах NE 555, LM 322 и программируемом XR 2240. Структура таймера КР1006ВИ1, аналогичного NE 555, показана на рис. 1.3,а. Эти таймеры состоят из четырех функциональных узлов: двух компараторов напряжения на входе, RS-триггера и инвертирующего усилителя мощности на выходе [6]. Внутренний резисторный делитель задает пороговые напряжения, равные 2Un/3 для компаратора А1 и Un/3 для компаратора А2. Длительность генерируемых выходных импульсов устанавливается внешней времязадающей цепью RtCt. Аналогичен NE 555 по структуре и параметрам таймер XR 320, разработанный фирмой Ехаг. Этот таймер, в отличие от NE 555, может управляться не только спадом, но и фронтом импульса. Кроме того, XR 320 в дополнение к низкоомному выходу имеет инверсный выход с открытым коллектором. Существенным преимуществом XR 320 является то, что времязадающий конденсатор Сt заряжается внутренним генератором постоянного тока, величину которого определяет внешний резистор Rt [6]. Благодаря этому напряжение на Сt увеличивается линейно, что важно для некоторых применений однотактных таймеров. Тем не менее, этот таймер используется сравнительно редко, не имеет такого схемотехнического обеспечения как NE 555 и обладает незначительными преимуществами по сравнению с последним. Наиболее удачной структурой таймера является использованная в LM322. Этот таймер, второй по массовости применения среди однотактных, существенно превосходит NE 555 по сочетанию параметров точности, быстродействия и потребления. LM322 часто относят к прецизионным, подразумевая под этим не столько его высокие точностные характеристики, сколько специфичность применения в аппаратуре. Таймер содержит источник опорного напряжения 3,15 В к которому подключается внешний времязадающий резистор. Применен только один компаратор быстродействие, которого можно увеличить, подключив дополнительный вывод N к источнику питания. Запускается таймер положительным фронтом импульса. Таймер LM322 существенно отличается от NE355 конструкцией выходного каскада. Хотя использованное в схеме включение транзистора VT2 и делает более универсальным выход таймера, для большинства применений предпочтительнее мощный выходной каскад, как в NE355.
