Расчет генератора прямоугольных импульсов

В качестве генератора прямоугольных импульсов (генератора цикла измерения) рекомендуется использовать автоколебательный мультивибратор на биполярных транзисторах (рис.2), генератор на операционном усилителе (рис.3) или на логических элементах (рис.4). Тип генератора выбирается в соответствии с вариантом задания (табл.4).

Исходные данные для расчета генератора: период Т, скважность Q и уровень (ТТЛ или КМОП) выходного сигнала.

Рис.2. Автоколебательный мультивибратор на транзисторах

Расчет автоколебательного мультивибратора на транзисторах.

1. Выбираем напряжение источника питания Е. Если мультивибратор работает совместно с ТТЛ-микросхемами, принимаем Е=+5 В. Если же в разрабатываемом устройстве применяются КМОП-микросхемы, выбираем Е=+9 В.

2. Выбираем сопротивление коллекторных резисторов. Если требуется КМОП-уровень, принимаем R1=R4=(10-20) кОм. Для обеспечения ТТЛ-уровня выбираем R1=R4=(1-2) кОм.

3. Определяем максимальный коллекторный ток транзисторов

.

4. Выбираем тип транзисторов. Необходимо, чтобы параметры выбранного транзистора удовлетворяли следующим требованиям

U_{кэ доп}>Е,

I_{к доп}>I_{к max} ,

f_гр >10/T,

где U_{кэ доп} – допустимое напряжение коллектор-эмиттер, I_{к доп} – допустимый коллекторный ток, f_гр – граничная частота коэффициента передачи по току.

Параметры транзисторов приведены в справочниках по полупроводниковым приборам [4,5]. Рекомендуется выбирать маломощные высокочастотные транзисторы. Параметры некоторых транзисторов представлены в Приложении к данным методическим указаниям.

4. Определяем длительность импульсов (t_и) и пауз между импульсами (t_п)

,

,

.

5. Выбираем емкости конденсаторов С1 и С2

,

где С_к – емкость коллекторного перехода транзистора (для высокочастотных транзисторов С_к=5-10 пФ), С_м – емкость монтажа (С_м=10-20 пФ).

Определяем длительность фронта выходных импульсов

.

Проверяем выполнение условия

.

Если данное условие не выполняется, выбираем меньшую емкость конденсатора С2.

6. Рассчитываем сопротивления базовых резисторов

,

.

После расчета сопротивления резисторов следует выбрать ближайшие значения из стандартного ряда сопротивлений (табл.1).

7. Проверяем выполнение условий насыщения транзисторов

,

,

где h_{21э min} – минимальное значение коэффициента передачи по току для выбранного транзистора.

Если хотя бы одно из условий не выполняется, необходимо или выбрать транзистор с большим коэффициентом передачи по току, или выбрать большую емкость конденсаторов С1, С2 и рассчитать заново сопротивления R3, R2.

Таблица 1

Стандартный ряд сопротивлений

Класс точности	Шкала значений
± 5 %	1,0 1,1 1,2 1,3	1,5 1,6 1,8 2,0	2,2 2,4 2,7 3,0	3,3 3,6 3,9 4,3	4,7 5,1 5,6 6,2	6,8 7,5 8,2 9,1
± 10 %	1,0 1,2	1,5 1,8	2,2 2,7	3,3 3,9	4,7 5,6	6,8 8,2
± 20 %	1,0	1,5	2,2	3,3	4,7	6,8

Расчет генератора на операционном усилителе.

На рис.3 представлена схема генератора прямоугольных импульсов на операционном усилителе. Для получения однополярных импульсов стандартного уровня в состав генератора входит транзисторный ключ. Рассмотрим методику расчета генератора.

1. Определяем длительность импульсов (t_и) и пауз между импульсами (t_п)

,

,

.

2. Выбираем тип операционного усилителя (ОУ). При этом учитываем быстродействие ОУ. Необходимо, чтобы выполнялось условие

,

где V_{u вых} – максимальная скорость изменения выходного напряжения ОУ, U_{вых max} – максимальное выходное напряжение ОУ. Параметры операционных усилителей приведены в справочной литературе [1,4]. Параметры некоторых ОУ представлены в Приложении к данным методическим указаниям.

3. Определяем допустимый выходной ток операционного усилителя

,

где R_{н min} – минимальное сопротивление нагрузки, которое разрешается подключать к данному ОУ (определяется по справочнику).

4. Рассчитываем элементы делителя R3, R4.

Выбираем ток делителя

.

Выбираем коэффициент передачи делителя g. Рекомендуется принять g=0,3¸0,7. Во избежание выхода из строя операционного усилителя необходимо выполнить условие

,

U_{дф вх max} – максимальное дифференциальное входное напряжение ОУ.

Определяем сопротивления резисторов R3, R4

,

.

Рис.3. Генератор прямоугольных импульсов на операционном усилителе

5. Выбираем емкость конденсатора С1

,

где С_м – емкость монтажа (С_м=10-20 пФ).

6. Определяем сопротивления резисторов R1 и R2

,

.

Если хотя бы одно из сопротивлений резисторов R1, R2 превышает
100 кОм, необходимо выбрать большую емкость конденсатора С1 и рассчитать заново сопротивления R1, R2.

7. Выбираем напряжение питания Е₁ и сопротивление коллекторного резистора R6. Для получения импульсов стандартного ТТЛ-уровня принимаем Е₁=+5 В, R6=1¸2 кОм. Если требуется КМОП-уровень выбираем Е₁=+9 В, R6=10¸20 кОм.

8. Выбираем тип транзистора VT1. Необходимо, чтобы параметры выбранного транзистора удовлетворяли следующим требованиям

U_{кэ доп}>Е₁,

I_{к доп}>I_{к max}=E₁/R6,

f_гр >10/T,

где U_{кэ доп} – допустимое напряжение коллектор-эмиттер, I_{к доп} – допустимый коллекторный ток, f_гр – граничная частота коэффициента передачи по току.

9. Определяем сопротивление резистора R5, исходя из условия насыщения биполярного транзистора

,

где h_{21э min} – минимальное значение коэффициента передачи по току для выбранного транзистора, S=1,5¸3 – коэффициент насыщения транзистора.

10. Выбираем тип полупроводниковых диодов VD1-VD3. Проверяем выполнение условия

,

где t_вос – время восстановления обратного сопротивления для выбранного диода (определяется по справочнику).

Расчет генератора прямоугольных импульсов на логических элементах.

Схема генератора представлена на рис.4. Рассмотрим методику расчета генератора при использовании ТТЛ-микросхем (серии К133, К155) или ТТЛ-Ш микросхем (серии К555, К1531, К1533). Типовые значения основных параметров микросхем данных серий приведены в табл.2.

1. Выбираем сопротивления резисторов R1, R2

, ,

где U⁰ – уровень логического нуля; I_вх⁰ – входной ток логического элемента (ЛЭ) в состоянии логического «0»; U_п⁺ – допустимая статическая помеха на нулевом уровне (помехозащищенность снизу).

Рис.4. Генератор прямоугольных импульсов на логических элементах

2. Определяем длительность импульсов (t_и) и пауз между импульсами (t_п)

,

,

.

3. Рассчитываем емкость конденсаторов

,

,

где U¹ – уровень логической единицы; U_п^– – допустимая статическая помеха на единичном уровне (помехозащищенность сверху); r_вых¹ – выходное сопротивление ЛЭ в состоянии логической «1».

Таблица 2

Параметры ТТЛ и ТТЛШ-микросхем

Параметр	Обозначение	Единица измерения	Серия микросхем
К155	К555	К1531
Напряжение питания	Е	В	5±5%	5±5%	5±5%
Уровень логического нуля	U0	В	£ 0,4	£ 0,5	£ 0,5
Уровень логической единицы	U1	В	³ 2,4	³ 2,7	³ 2,7
Входной ток в состоянии лог. «1»	Iвх1	мкА
Входной ток в состоянии лог. «0»	Iвх0	мА	1,6	0,4	0,6
Нагрузочная способность	n	–			–
Помехозащищенность снизу	Uп+	В	0,6	0,6	0,6
Помехозащищенность сверху	Uп–	В	0,6	0,6	0,6
Выходное сопротивление в сост. лог. «1»	rвых1	Ом

4. Выбираем тип полупроводниковых диодов. Проверяем для выбранного диода выполнение условия

,

где t_вос – время восстановления обратного сопротивления диода. Параметры диодов приводятся в справочной литературе [4]. Рекомендуется выбирать импульсные маломощные диоды.

Входной усилитель

Входной усилитель предназначен для увеличения входного сигнала до уровня логической единицы цифровых микросхем. Предлагается реализовать входной усилитель на базе операционного усилителя (рис.5). Благодаря неинвертирующей схеме включения операционного усилителя, обеспечивается высокое входное сопротивление разрабатываемого измерительного устройства.

Рис.5. Входной усилитель

Для защиты входной цепи операционного усилителя от высокого синфазного сигнала в схеме применяется двухсторонний амплитудный ограничитель на стабилитронах VD1, VD2 и резисторе R3. В соответствии со структурной схемой измерительного устройства нагрузкой усилителя является триггер Шмитта (цифровая микросхема). Полупроводниковый диод VD4 предназначен для защиты входа триггера Шмитта от отрицательного напряжения, а диод VD4 – от высокого положительного напряжения.

Расчет входного усилителя. Рассмотрим методику расчета входного усилителя.

1. Определяем требуемый коэффициент усиления по напряжению

,

где U_вхm – амплитуда входного напряжения; U¹ –уровень логической единицы для выбранного типа цифровых микросхем (для ТТЛ-микросхем U¹ =(2,4–5)В, для КМОП-микросхем U¹ =(8,4–9)В).

2. Выбираем тип операционного усилителя (ОУ). При этом учитываем быстродействие ОУ. Необходимо, чтобы выполнялось условие

,

где частота единичного усиления ОУ, f_max – максимальная частота диапазона измерения. Параметры операционных усилителей приведены в справочной литературе [1,4]. Параметры некоторых ОУ представлены в Приложении к данным методическим указаниям.

3. Выбираем сопротивление резисторов R2 и R4

,

,

где R_нmin – минимальное сопротивление нагрузки для выбранного операционного усилителя.

4. Определяем сопротивление резистора R1

.

5. Выбираем сопротивление резистора R3

R₃=(1-2)кОм.

6. Выбираем тип полупроводниковых стабилитронов по условию

,

где U_вхm – амплитуда входного напряжения; U_ст – напряжение стабилизации стабилитрона;U_{сф вх max} – максимально допустимое синфазное входное напряжение операционного усилителя. Параметры стабилитронов приведены в справочной литературе [4]. Параметры некоторых стабилитронов представлены в Приложении к данным методическим указаниям.

7. Выбираем напряжение Е1

Е1=+5 В (при использовании цифровых ТТЛ-микросхем);

Е1=+9 В (при использовании цифровых КМОП-микросхем).

8. Выбираем тип полупроводниковых диодов VD3, VD4 по условию

,

где t_вос – время восстановления обратного сопротивления диода, f_max – максимальная частота диапазона измерения. Параметры диодов приводятся в справочной литературе [4]. Параметры некоторых диодов представлены в Приложении к данным методическим указаниям.

Рекомендуемая литература

1. Цифровые и аналоговые ИМС: Справочник / Под ред. С.В.Якубовского. – М.: Радио и связь, 1990. – 496 с.

2. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. – Л.: Энергоатомиздат, 1988. – 304 с.

3. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник. – М.: Радио и связь, 1987. – 352с.

4. Лавриненко В.Ю. Справочник по полупроводниковым приборам. – К.: Техніка, 1984. – 424 с.

5. Транзисторы для аппаратуры широкого применения: Справочник / Под ред. Б.Л. Перельмана. – М.: Радио и связь, 1981.

Таблица 3

Предпоследняя цифра шифра	Диапазон измерения	Амплитуда входного напряжения Uвхm, В
	(5-50)кГц	0,1
	(6-60)кГц	0,2
	(7-70)кГц	0,3
	(8-80)кГц	0,4
	(9-90)кГц	0,5
	(10-100)кГц	0,6
	(20-200)кГц	0,7
	(30-300)кГц	0,8
	(40-400)кГц	0,9
	(50-500)кГц	1,0

Таблица 4

Последняя цифра шифра	Тип генератора	Скважность
	БТ
	ОУ
	ЛЭ
	БТ
	ОУ
	ЛЭ
	БТ
	ОУ
	ЛЭ
	БТ

Примечания. * БТ – генератор на биполярных транзисторах (автоколебательный мультивибратор), ОУ – генератор на операционном усилителе, ЛЭ – генератор на логических элементах.