Размещено на http://www.allbest.ru/

Задание. Разработать формирователь последовательности прямоугольных импульсов для заданных входных сигналов:

1. cоставить структурную схему устройства;

2. cоставить функциональную схему устройства и описать ее работу;

3. cоставить принципиальную электрическую схему устройства и рассчитать ее основные параметры;

4. построить совмещенные временные диаграммы сигналов в характерных точках устройства. Описать процессы, приведенные на диаграммах.

Требуемые формы выходных сигналов и параметры импульсов приведены на временных диаграммах. В разработках применять компаратор из идеального ОУ. Длительностями переходных процессов ОУ пренебречь, считая входные и выходные импульсы значительно длительными по сравнению с ним.

Амплитуда сформированного короткого импульса во всех вариантах, кроме указанных во временных вариантах, равна +10В, а его приблизительная длительность - 20 мкс.

В набор применяемых устройств входят:

1) интегрирующая RC-цепь;

2) дифференцирующая RC-цепь;

3) компаратор.

Примечание. Номера, расположенные слева от диаграмм, соответствуют вариантам заданий.

Решение.

1. Структурная схема.

Структурная схема формирователя представлена на рис.1.

Рисунок 1 - Структурная схема формирователя импульсов

Входной сигнал Uвх поступает на формирователь импульсов ИФ1, формирующий импульс по переднему фронту входного сигнала, а также на формирователь импульсов ИФ2, формирующий импульс по заднему фронту. На сумматоре они складываются в один выходной сигнал Uвых.

2. Функциональная схема.

Функциональная схема приведена на рис.2. Поясним ее работу с помощью временных диаграмм, представленных на рис.3.

Рисунок 2 - Функциональная схема формирователя импульсов

Из задания следует, что импульс, соответствующий фронту входного сигнала, будет иметь длительность ф₁= 10мкс. А также импульс, соответствующий спаду входного сигнала, будет иметь длительность ф₂=20мкс.

входной сигнал формирователь последовательность

Рисунок 3 - Временные диаграммы формирователя импульсов

Входной сигнал Uвх поступает на дифференцирующую цепочку d/dt U1, с выхода которой при помощи компаратора К1 формируется прямоугольный импульс U2 по положительному фронту входного сигнала длительности ф₁=10мкс. По отрицательному фронту при помощи дифференцирующей цепи d/dt U1 и компаратора К2 формируется прямоугольный импульс U3 длительности ф₂=20мкс.

Длительность импульса определяется постоянной времени дифференцирующей цепи и опорными напряжениями Uоп1, Uоп2 на одном из входов компараторов К1, К2 соответственно. Импульсы требуемой длительности объединяются в один выходной сигнал Uвых на схеме суммирования.

3. Принципиальная схема

В данном задании расчета требуют в основном формирователи импульсов. Используем данные методических указаний.

1. Формирователь импульса положительной полярности заданной длительности по положительному перепаду. Принципиальная схема приведена на рис.4. ОУ включен по схеме неинвертирующего компаратора.

Рисунок 4 - Схема формирователя К1

Поскольку для данной схемы: ф =RC, то величина времени задержки, определяется соотношением

t_и= RC ln (E/U_пор), при (|E|>|U_пор|). (1)

В формуле (1) Е - напряжение на выходе компаратора, включенного от однополярного источника питания. Для данного проекта требуется на выходе напряжение сигналов +5В, поэтому для идеального ОУ в схеме питания компаратора принимаем, что Е⁺ =+10В и Е^Ї=0В.

По данной схеме реализован формирователь импульса К1 длительностью ф₁. Найдем требуемое опорное напряжение Uоп1. Так как входной сигнал имеет амплитуду 5В, то в формуле (1) следует принять Е=5В.

Для удобства реализации схемы выберем постоянную времени схемы 10мкс, тогда при R=10кОм, значение емкости будет С= ф /R = 50*10^-6/10*10³ = 1нФ. За это время переходный процесс для импульса длительностью 40мкс закончится и максимумы выбросов от дифференцирующей цепочки будут одинаковы и составят ±5В.

Для импульса длительностью ф₁=10мкс из уравнения (1) находим значение порогового напряжения:

U_оп1= E/ (? ^ф1/ф) = 5/ (?^10/10) = 1,84В.

2. Формирователь импульса отрицательной полярности заданной длительности по отрицательному перепаду. Принципиальная схема приведена на рис. 5. ОУ включен по схеме неинвертирующего компаратора. В схеме питания компаратора принято, что Е⁺ =0 В, а Е^Ї= - 10 В. Поскольку для данной схемы: ф =RC; y (?) =Е; y (0) =0; y (t¹) =0; y (t¹¹) =U_пор, то величина времени задержки определяется аналогично по формуле (1).

Рисунок 5 - Схема формирователя К2

По схеме рис.5 построен формирователь на К2.

Формирователь на К2 вырабатывает импульс по спаду входного сигнала длительностью ф₂=20мкс. Для импульса длительностью ф₂=20мкс из уравнения (1) находим значение порогового напряжения:

U_оп2= E/ (? ^фз/ф) = 5/ (?^20/10) = 0,68В.

Моделирование работы схемы в пакете САПР Multisim подтверждает правильность расчетов. Ниже приведена схема моделирования (рис.6) и результаты работы (рис.7) в характерных точках на виртуальном 4-х канальном осциллографе XSC2. Входной сигнал подается с источника прямоугольных импульсов V4 настроенного в соответствии с параметрами задания (длительность импульса 40мкс, амплитуда 5В). Операционные усилители U1, U3 в качестве компараторов имеют в свойствах моделей настройки близкие к идеальному ОУ. На схеме задано однополярное питание ОУ +10В. Сигналы в характерных точках заданы цветом, совпадающим с цветом проводников. Тем не менее отметим, что на на канал А (зеленый) осциллографа выведен входной импульс, на канал В (красный) выходной импульс формирователя К1, на канал С (синий) выходной импульс формирователя К2, на канал D (черный) выходной сигнал формирователя всей схемы.

Рисунок 6 - Схема моделирования формирователей К1, К2

Рисунок 7 - Результаты моделирования

В режиме курсора на экране виртуального осциллографа измеряем длительность выходных импульсов, она равна ф₁= 5,8мкс и ф₂= 19,9мкс, т.е. почти совпадает с расчетными значениями 5мкс и 20мкс. Длительность импульса можно корректировать изменяя порог опорного напряжения компаратора U_оп.

Все опорные (пороговые) напряжения для компараторов получаются от напряжения питания при помощи делителей.

3. Схема суммирования. По заданию выходной сигнал должен быть амплитудой ±5В. Эту задачу можно решить разными способами. Выполним суммирование на резисторах R6, R2, как показано на рисунке 6. Резисторы обеспечивают развязку выходов ОУ. При таком суммировании общее напряжение уменьшается. Тогда на нагрузке будет напряжение ±4,9В, что подтверждают результаты моделирования всей схемы на рис.7.

Сигнал на выходе - канал D осциллографа (черный цвет) - сдвинут вниз для удобства просмотра. И маркеры показывают амплитуду ±4,85В. Это значение практически удовлетворяет заданию. В общем случае решить проблему можно при помощи компаратора при напряжении питания +5В. Такой узел будет также дополнительно буферизировать схему для подключения внешней нагрузки.

4. Принципиальная схема

В результате проведенных расчетов на рис.8 представлена полная принципиальная схема устройства.

Рисунок 8 - Принципиальная схема формирователя импульсов

Дифференцирующая цепочка С1 - R1 совместно с компаратором на DA1 формируют импульс положительной полярности длительностью ф₁=10мкс. Делитель R3-R4 задает пороговое напряжение 1,84В от источника +Uп=10В. Сделаем расчет делителя R3 - R4, эти сопротивления можно взять в пределах нескольких десятков килом, чтобы не потреблять значительный ток от источника питания:

Uоп1= Uп* R4/ (R4+R3);

Выберем R4=8,2кОм,

тогда R3= (Uп - Uоп1) *R4/ Uоп1= (10-1,84) *8,2/ 1,84= 33,3кОм.

Примем из стандартного ряда R3=33кОм.

Дифференцирующая цепочка С1 - R1 совместно с компаратором на DA3 формируют импульсположительной полярности длительностью ф₂=20мкс. Делитель R6-R7 задает пороговое напряжение Uоп2= - 0,68В от источника - Uп=-10В.

Сделаем расчет делителя R6 - R7, эти сопротивления можно взять в пределах нескольких десятков килом, чтобы не потреблять значительный ток от источника питания:

Uоп2= Uп* R7/ (R7+R6);

Выберем R7=11кОм,

тогда R6= (Uп - Uоп2) *R7/ Uоп2= (10-1,84) *11/ 0,68= 150,7кОм.

Примем из стандартного ряда R6=150кОм.

На ОУ DA2 реализован сумматор для получения выходного сигнала. Резисторы R2-R5 суммируют напряжения с отдельных выходов компараторов, а также осуществляют развязку их выходов друг от друга, поэтому выбраны по 10кОм. Из-за сложения сигналов на резисторах на неинвертирующем входе ОУ DA2 сигнал будет ниже требуемого по заданию +5В, поэтому для формирования требуемого выходного сигнала используем компаратор с нулевым порогом. На выходе компаратора формируется выходной сигнал амплитудой равной размаху напряжения питания, как и требуется по заданию +5В.

Литература

1. Игумнов Д.В., Костюнина Г.П. Основы полупроводниковой электроники. Учебное пособие. - М: Горячая линия-Телеком, 2005. - 392 с.

2. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника: Учеб. пособие для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1991. - 622с.

3. Опадчий Ю.Ф. Аналоговая и цифровая электроника / Ю.Ф. Опадчий, О.П. Глудкин, А.И. Гуров. - М.: Горячая линия - Телеком, 2005. - 768 с.

Размещено на Allbest.ru