Генератор прямоугольных импульсов

Задание 1.

Этап 1 «Задание и данные к работе».

Требуется разработать устройство для измерения ускорения двух объектов движущихся со скоростями V₁(t) и V₂(t), а также получение значений разности их ускорений в виде электрического напряжения ?U_a. Предусмотреть возможность измерения ?U_a по стрелочному прибору на основе миллиамперметра со шкалой 0ч0,5 мА, а также возможность световой индикации ?U_a на основе светодиодов следующим образом: если ускорение первого объекта больше второго, то загорается красный светодиод, в противном случае — зелёный светодиод. Предполагается, что на этих объектах установлены датчики скорости, имеющие выходной электрический сигнал (ток), пропорциональный скорости:

I₁(t) = K_v • V₁(t), I₂(t) = K_v • V₂(t)

где K_v — коэффициент преобразования датчика.

Известно, что скорости объектов меняются по законам:

V₁(t) = V_m(1+cos2рѓ₁t), V₂(t) = V_m(1+cos2рѓ₂t).

где V_m — 5м/с, ѓ₁ — 0,2 Гц, ѓ₂ — 0,2 Гц.

Коэффициент преобразования датчика K_v = 0,1 мА (м/с) одинаков для обоих датчиков. Максимальное значение ?U_a = ±10 В должно соответствовать максимальной разности ускорений.

Этап 3 «Расчёт отдельных узлов схемы».

Для всех микросхем с оу я использую операционный усилитель К1401УД1³

Электрические параметры операционного усилителя К1401УД1³

Преобразователь ток — напряжение:

Схема:

(так как в стандартном ряде нет сопротивления с номиналом в то я вместо резистора поставил последовательно два сопротивления номиналы которых и).

Дифференциатор:

Схема:

Выберем номинальное значение конденсатора из стандартного ряда: допустим.

(так как в стандартном ряде нет сопротивления с номиналом в то я вместо резистора поставил последовательно четыре сопротивления номиналы которых, , и).

Проверим условие обратной связи.

Таким образом: условие выполняется.

Дифференциальный усилитель:

Схема:

Выбираю значения резисторов, ,, из стандартного ряда сопротивлений:

Допустим.

.

Из того, что, а следует, что.

Проверим условие обратной связи.

Таким образом: условие выполняется.

Преобразователь напряжение — ток:

Схема:

Проверим условие обратной связи.

Таким образом: условие выполняется.

Компаратор нулевого уровня:

Схема:

Данный компаратор переключается при равенстве сигналов и. Если, то компаратор переходит в состояние. Эта положительная полярность открывает транзистор n-p-n типа VT1. Это транзистор КТ315 В. Через него начинает протекать ток от источника питания через прямо включённый светодиод VD1. По условию задачи ставим в этой цепи красный светодиод АЛ102А. Если, то компаратор переходит в состояние. Это отрицательная полярность открывает транзистор p-n-p типа VT2. Это транзистор КТ315Е. Через него начинает протекать ток от источника питания через светодиод VD2, в качестве которого ставим зелёный светодиод КИПДОЗА — 1Л.

Транзисторный ключ 1(с красным светодиодом).

Схема:

Электрические параметры транзистора КТ315 В.

Электрические параметры красного светодиода АЛ102А.

(так как в стандартном ряде нет сопротивления с номиналом в то я вместо резистора поставил последовательно три сопротивления номиналы которых, и).

Допустим 2.

(так как в стандартном ряде нет сопротивления с номиналом в то я вместо резистора поставил последовательно три сопротивления номиналы которых, и соответственно) Транзисторный ключ 2(с зелёным светодиодом):

Схема:

Электрические параметры транзистора КТ3129 — А.

Электрические параметры зелёного светодиода КИПДОЗА — 1Л.

Допустим 2.

(так как в стандартном ряде нет сопротивления с номиналом в то я вместо резистора поставил последовательно два сопротивления номиналы которых и соответственно) Расчёт сопротивлений по мощности рассеивания:

Резисторы R₁ и R₃

Выбираем из стандартного ряда мощностей Р = 0,125Вт Резисторы R₂ и R₄

Выбираем из стандартного ряда мощностей Р = 0,125Вт Резисторы R₅ и R₆

Выбираем из стандартного ряда мощностей Р = 0,125Вт Резисторы R₇ и R₈

Выбираем из стандартного ряда мощностей Р = 0,125Вт Резисторы R₉

Выбираем из стандартного ряда мощностей Р = 0,125Вт Резисторы R₁₀

Выбираем из стандартного ряда мощностей Р = 0,125Вт Резисторы R₁₁

Выбираем из стандартного ряда мощностей Р = 0,025Вт Резисторы R₁₂

Выбираем из стандартного ряда мощностей Р = 0,125Вт Резисторы R₁₃

Выбираем из стандартного ряда мощностей Р = 0,025Вт Задание 1.

Разработать формирователь прямоугольных импульсов для заданного входного сигнала. Требуемые формы выходного сигнала и параметры импульсов приведены на временных диаграммах.

Функциональная схема устройства Описание функциональной схемы генератора импульсов Рассмотрим поэтапно переход сигнала от одного устройства цепи к следующему. Входной сигнал поступает на транзисторный ключ, который его инвертирует и параллельно ему, на дифференциальную цепочку мультивибратора № 2. Далее сигнал с транзисторного ключа поступает на дифференциальную цепочку мультивибратора № 1. Дифференциальная цепочка позволяет получить единичный сигнал экспоненциального вида. При этом один сигнал будет отрицательный, а другой положительный. Далее сигналы, преобразованные дифференциальными цепочками, поступают на диоды VD11 и VD12. Из этих сигналов на мультивибраторы № 1 и № 2 поступят только отрицательные сигналы. С выхода мультивибратора № 1 сигнал попадает на дифференциальную цепочку мультивибратора № 3 (при помощи этой цепочки получаем сдвиг сигнала), проходя через диод, остается положительная часть. С выхода мультивибратора № 3 и мультивибратора № 2 сигналы поступают на диоды. В итоге получаем сигнал нужной длительности и в нужный момент времени.

Этап 3 «Расчёт отдельных узлов схемы:».

Для всех микросхем с оу я использую операционный усилитель 574УД1 В. Отметим, что мультивибраторы № 1 и № 2 одинаковы.

Электрические параметры ОУ 574УД1 В.

На вход идет сигнал:

Далее сигнал делится и поступает на транзисторный ключ и на дифференциальную цепочку мультивибратора № 2. Транзисторный ключ инвертирует поступивший сигнал.

Точка 1:

Используем транзистор КТ315Е со следующими характеристиками:

Пусть.

Для повышения помехоустойчивости выбираем степень насыщения, тогда.

(так как в стандартном ряде нет сопротивления с номиналом в то я вместо резистора поставил последовательно два сопротивления номиналы которых и соответственно) Дифференциальная цепочка мультивибратора № 1 преобразует сигнал следующим образом:

Точка 2:

Для этого должно выполняться условие.

тогда.

Выбираем Этот преобразованный сигнал идёт на диод VD11, который пропускает на вход ждущего мультивибратора только отрицательный сигнал, срезая положительный:

В качестве всех диодов в схеме используется импульсный диод Д9 В со следующими характеристиками:

Uобр.и.max	Iпр, ср. max	Iпр. и.м		tвос, обр	Uпр	Iпр	Iобр	Тс max
30 В.	20мА.			0,8.	1 В.			700С.

Полученный сигнал поступает в момент времени время 10 мкс на вход ждущего мультивибратора № 1.

Рассмотрим ждущий мультивибратор на основе DA1 (ОУ 574УД1В). Для обеспечения устойчивого состояния ждущего мультивибратора в цепь отрицательной обратной связи включают диод VD21 параллельно ёмкости С₂₁, так что напряжения на диоде и на ёмкости С₂₁ всегда равны. Это напряжение поступает на инвертирующий вход ОУ.

В исходном состоянии:

.

где U_VD21 — падение напряжения на открытом диоде VD21. В этом случае пороговое напряжение на не инвертирующем входе операционного усилителя определяется как,.

Зададимся, тогда:

и т. к. разность напряжений на входах DA1 равна.

.

то напряжение на выходе неизменно и соответствует устойчивому состоянию мультивибратора.

В момент времени t₁=10 мкс на не инвертирующий вход ОУ через дифференциатор и диод VD11 приходит импульс положительной полярности при этом выполняется условие U_{зап max}?2 U_ПВ, тогда разностное напряжение на входах ОУ определяется как:

и мультивибратор переходит в режим выдержки, т. е. напряжение на его выходе становиться равным:

.

а напряжение на не инвертирующем входе равно нижнему порогу срабатывания компаратора:

Тогда по отрицательной обратной связи диод VD21 запирается и ток начинает заряжать ёмкость C₂₁ до верхнего порогового напряжения U_ПВ. Как только выполняется условие:

мультивибратор переходит в устойчивое исходное состояние (ждущий режим) и напряжение на его выходе становиться равным _. Этот момент времени t₂ = 18 мкс является окончанием цикла работы мультивибратора.

Величина называется длительностью импульса генерируемого ждущим мультивибратором. Она вычисляется по формуле:

Пусть, тогда:

(так как в стандартном ряде нет сопротивления с номиналом в то я вместо резистора поставил последовательно три сопротивления номиналы которых, и соответственно) Проверим условие обратной связи.

Таким образом: условие выполняется.

С выхода ждущего мультивибратора получаем:

Точка 4:

После чего сигнал поступает на дифференциальную цепочку мультивибратора № 3. Получаем сигнал:

Точка 5:

Далее сигнал поступает на VD12, который пропускает положительный импульс.

тогда.

Выбираем Точка 6:

Далее сигнал поступает на вход ждущего мультивибратора № 3.

Рассмотрим ждущий мультивибратор на основе DA3 (ОУ 574УД1В). Для обеспечения устойчивого состояния ждущего мультивибратора в цепь отрицательной обратной связи включают диод VD23 параллельно ёмкости С₂₃, так что напряжения на диоде и на ёмкости С₂₃ всегда равны. Это напряжение поступает на инвертирующий вход ОУ.

В исходном состоянии:

.

где U_VD21 — падение напряжения на открытом диоде VD21. В этом случае пороговое напряжение на не инвертирующем входе операционного усилителя определяется как,.

Зададимся, тогда:

и т. к. разность напряжений на входах DA3 равна.

.

то напряжение на выходе неизменно и соответствует устойчивому состоянию мультивибратора.

В момент времени t₁=18 мкс на не инвертирующий вход ОУ через дифференциатор и диод VD12 приходит импульс положительной полярности при этом выполняется условие U_{зап max}?2 U_ПН, тогда разностное напряжение на входах ОУ определяется как:

и мультивибратор переходит в режим выдержки, т. е. напряжение на его выходе становиться равным:

.

а напряжение на не инвертирующем входе равно верхнему порогу срабатывания компаратора:

Тогда по отрицательной обратной связи диод VD23 запирается и ток начинает заряжать ёмкость C₂₂ до верхнего порогового напряжения U_ПВ. Как только выполняется условие:

мультивибратор переходит в устойчивое исходное состояние (ждущий режим) и напряжение на его выходе становиться равным _. Этот момент времени t₂ = 23 мкс является окончанием цикла работы мультивибратора.

Величина называется длительностью импульса генерируемого ждущим мультивибратором. Она вычисляется по формуле:

Пусть, тогда:

(так как в стандартном ряде нет сопротивления с номиналом в то я вместо резистора поставил последовательно три сопротивления номиналы которых, и соответственно) Проверим условие обратной связи.

Таким образом: условие выполняется.

С выхода ждущего мультивибратора получаем:

Точка 7:

Далее сигнал поступает на диод VD4, который пропускает положительный импульс:

Точка 8:

Мультивибраторы № 1 и № 2 и их дифференциальные цепочки одинаковы, отличие в их работе состоит в том, что мультивибратор № 1 преобразует сигнал, который инвертирован транзисторным ключом, а мультивибратор № 3 преобразует сигнал, который идет с входа.

Тогда после дифференциальной цепочки сигнал будет иметь вид:

Полученные импульсы (18−23 мкс и 50−58 мкс) проходят на сопротивления и диоды VD6 и VD7, которые являются стабилитронами 2С147-Т1 с характеристиками:

Стабилитроны и сопротивления задают выходное напряжение, равное 5 вольтам.

Т. е. на выходе мы получаем два импульса нужной длительности и формы:

Расчёт сопротивлений по мощности рассеивания:

Резисторы R_Б

Выбираем из стандартного ряда мощностей Р = 0,125Вт Резисторы R_К

транзистор импульс сигнал генератор Выбираем из стандартного ряда мощностей Р = 0,125Вт Резисторы R₁₁

Выбираем из стандартного ряда мощностей Р = 0,125Вт Резисторы R₄₁ и R₄₂

Выбираем из стандартного ряда мощностей Р = 0,125Вт Резисторы R₁₂

Выбираем из стандартного ряда мощностей Р = 0,125Вт Резисторы R₁₃

Выбираем из стандартного ряда мощностей Р = 0,125Вт Резисторы R₄₃

Выбираем из стандартного ряда мощностей Р = 0,125Вт Резисторы R₅₂ и R₅₃

Выбираем из стандартного ряда мощностей Р = 0,125Вт Резисторы R₃₁ и R₃₂

Выбираем из стандартного ряда мощностей Р = 0,125Вт Резисторы R₂₁ и R₂₂

Выбираем из стандартного ряда мощностей Р = 0,125Вт Резисторы R₂₃

Выбираем из стандартного ряда мощностей Р = 0,125Вт Резисторы R₃₃

Выбираем из стандартного ряда мощностей Р = 0,125Вт.