Курсовая работа: 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

3.1. Блок- схема таймера. 22

3.2. Электрическая принципиальная схема устройства. 23

Литература. 26

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. Произвестирасчет 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 С_t а ток заряда — сопротивлением внешнего времязадающего резистора R_t . Фор­мируемый таймером временной интервал Т_n пропор­ционален постоянной времени RC-цепи и определяется длительностью изменения напряжения на C_t 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 R_t , конденсатор С_t будет заря­жаться только через R_t , а напряжение на Сt будет экспоненциально нарастать с постоянной времени R_t C_t , стремясь к своему максимальному значению U_n . Как только напряжение на конденсаторе достигнет не­которой величины U_оп1 , компаратор начнет вырабаты­вать сигнал, устанавливающий триггер (а следователь­но, и весь таймер) в исходное состояние Временной интервал Т_n должен быть значительно больше, чем длительность запускающего импульса. Опорное напряжение U_{on 1} 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 U_{on 2} .

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 T_n ==R_t C_t . Подключенный к выходу таймера N-разрядный двоичный счетчик подсчитывает входные импульсы и формирует на N выходах счетчика времен­ные интервалы, длительность которых может устанав­ливаться от Т_n до (2^{n -1} )Т_n . На первом выходе фор­мируется импульс длительностью Т_n , на втором – длительностью 2Т_n , а на N-ном длительностью (2^n-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 T_n , 8Т_n и 128Т_n , тогда длительность формируе­мого временного интервала равна T_n +8Т_n +128Т_n = 137Т_n . Таким образом, объединяя соответствующие выходы, можно получить любую длительность импуль­са или задержку его фронта в диапазоне T_n - (2ⁿ -1)T_n . 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

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--