Дипломная (вкр): Программируемый генератор прямоугольных импульсов

Программируемый генератор прямоугольных импульсов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Рязанский государственный радиотехнический университет»

(ФГБОУ ВПО «РГРТУ», РГРТУ)

Кафедра

«Информационно-измерительной и биомедицинской техники»

Пояснительная записка к курсовому проекту

по дисциплине:

«Электроника и микропроцессорная техника»

Тема:

«Программируемый генератор прямоугольных импульсов»

Разработал:

студент группы 934

Тришин А.А.

Проверил:

доцент кафедры

Струтинский Ю.А.

Рязань 2011

Содержание

Введение

Обзор известных методов и схем решения поставленной задачи

Выбор структурной схемы разрабатываемого устройства

Разработка принципиальной схемы, расчёт элементов

Разработка программного обеспечения

Заключение

Список литературы

Введение

Для получения импульсов прямоугольной формы с крутыми фронтами широко применяются устройства, известие под названием релаксационных генераторов (релаксаторов). Релаксатор содержит, по крайней мер, один реактивный элемент, например конденсатор, емкость которого совместно с активными сопротивлениями определяет длительность генерируемых импульсов.

Скачкообразные изменения напряжений и токов в релаксаторах можно получить путем применения приборов с отрицательным сопротивлением: туннельных диодов, тиристоров, газоразрядных ламп и др. Однако наиболее широко применяются релаксационные генераторы, принцип работы которых основан на использовании электронных усилителей с положительной обратной связью.

Релаксационные генераторы, в которых для создания петли положительной обратной связи используется импульсный трансформатор, называются блокинг-генераторами. Релаксационные генераторы на туннельных диодах и тиристорах, релаксационные генераторы, в которых петля положительной обратной связи создается при помощи резисторных усилительных каскадов. Такие релаксационные генераторы известны под названием мультивибраторов.

Любой релаксационный генератор может работать в одном из следующих режимов: 1) ждущем, 2) автоколебаний, 3) синхронизации и деления частоты.

В ждущем (заторможенном, однотактном) режиме релаксационный генератор работает как спусковое устройство с одним устойчивым состоянием равновесия. Внешний запускающий импульс вызывает скачкообразный переход ждущего релаксатора в тоже состояние, которое не является устойчивым. В этом состоянии, называемом квазиравновесным, или временно устойчивым, в схеме релаксатора происходят относительно медленные изменения, которые в конечном итоге приводят к обратному скачку, после чего восстанавливается исходное устойчивое состояние. Длительность состояния квазиравновесия, определяющая длительность генерируемого релаксатором прямоугольного импульса, зависит от параметров схемы релаксатора.

Таким образом, ждущий релаксатор генерирует только один импульс определенной длительности при воздействии на него внешнего запускающего импульса.

Основными требованиями к ждущим релаксаторам являются стабильность длительности формируемого импульса и устойчивость его исходного состояния. Ждущие релаксаторы применяются для получения определенного временного интервала, начало и конец которого фиксируются соответственно передним и задним фронтами генерируемого прямоугольного импульса. Релаксаторы в ждущем режиме применяются также для расширения импульсов, для деления частоты повторения импульсов и для других целей.

В автоколебательном режиме релаксационный генератор имеет два состояния квазиравновесия и не имеет ни одного устойчивого состояния. Релаксатор в этом режиме без какого-либо внешнего воздействия последовательно переходит скачком из одного состояния квазиравновесия в другое. При этом релаксатор генерирует импульсы, амплитуда, длительность и частота повторения которых (т. е. частота автоколебаний) определяется в основном только параметрами его элементов.

Релаксаторы в автоколебательном режиме можно использовать в качестве задающих генераторов различных импульсных устройств. Основным требованием к таким генераторам является высокая стабильность частоты автоколебаний. Между тем в результате изменений питающих напряжений, смены и старения ламп и транзисторов, воздействия других факторов (температуры, влажности, наводок и т. п.) стабильность частоты автоколебаний релаксаторов обычно невелика.

В тех случаях, когда требуется высокая стабильность частоты колебаний, используются релаксаторы, работающие в режиме синхронизации или деления частоты.

В режиме синхронизации частота повторения импульсов, генерируемых релаксатором, определяется частотой внешнего синхронизирующего напряжения (синусоидального или импульсного), подаваемого в схему генератора. В частности, в режиме деления частоты релаксатор генерирует импульсы, частота повторения которых кратна частоте синхронизирующего напряжения.

Обзор известных методов и схем решения поставленной задачи.

программируемый генератор импульс микроконтроллер

Автоколебательный мультивибратор:

Мультивибраторами называют электронные устройства, генерирующие электрические колебания, близкие по форме к прямоугольной. Спектр колебаний, генерируемых мультивибратором, содержит множество гармоник - тоже электрических колебаний, но кратных колебаниям основной частоты, что и отражено в его названии: "мульти - много", "вибро - колеблю".

Рассмотрим схему, показанную на (рис. 1,а). Это схема двухкаскадного транзисторного усилителя 3Ч с выходом на головные телефоны. Если выход такого усилителя соединить с его входом, как на схеме показано штриховой линией, то между ними возникает положительная обратная связь и усилитель самовозбудится, станет генератором колебаний звуковой частоты, и в телефонах мы услышим звук низкого тона. С таким явлением в приемниках и усилителях ведут решительную борьбу, а вот для автоматически действующих приборов оно оказывается полезным.

Рис. 1 Двухкаскадный усилитель, охваченный положительной обратной связью, становится мультивибратором.

Теперь посмотрим на (рис. 1,б). На нем мы видим схему того же усилителя, охваченного положительной обратной связью, как на (рис. 1, а), только начертание ее несколько изменено. Именно так обычно чертят схемы автоколебательных, т. е. самовозбуждающихся мультивибраторов. Опыт - самый лучший, пожалуй, метод познания сущности действия того или иного электронного устройства. Вот и сейчас, чтобы лучше разобраться в работе этого универсального прибора - автомата, необходимо провести опыт с ним. Принципиальную схему автоколебательного мультивибратора со всеми данными его резисторов и конденсаторов можно увидеть на (рис. 2, а). Смонтируем его на макетной плате.

Транзисторы должны быть низкочастотными (МП39 - МП42), так как у высокочастотных транзисторов очень маленькое пробивное напряжение эмиттерного перехода. Электролитические конденсаторы  и  - типа К50 - 6, К50 - 3 или их импортные аналоги, номинальное напряжение 10 - 12 В. Сопротивления резисторов могут отличаться от указанных на схеме до 50%. Важно лишь, чтобы возможно одинаковыми были номиналы нагрузочных резисторов ,  и базовых резисторов , . Для питания используем батарею "Крона" или БП. В коллекторную цепь любого из транзисторов включим миллиамперметр (РА) на ток 10 - 15 мА, а к участку эмиттер - коллектор того же транзистора подключим высокоомный вольтметр постоянного тока (PU) на - напряжение до 10 В.

Проверив монтаж и особенно внимательно полярность включения электролитических конденсаторов, подключим к мультивибратору источник питания. Миллиамперметр покажет нам резко увеличивающийся до 8 - 10 мА, а затем также резко уменьшающийся почти до нуля ток коллекторной цепи транзистора. Вольтметр же, наоборот, то уменьшающееся почти до нуля, то увеличивающееся до напряжения источника питания коллекторное напряжение. Эти измерения говорят нам о том, что транзистор этого плеча мультивибратора работает в режиме переключения. Наибольший коллекторный ток и одновременно наименьшее напряжение на коллекторе соответствуют открытому состоянию, а наименьший ток и наибольшее коллекторное напряжение - закрытому состоянию транзистора. Точно так работает и транзистор второго плеча мультивибратора, но, как говорят, со сдвигом фазы на 180°: когда один из транзисторов открыт, второй закрыт. В этом нетрудно убедиться, включив в коллекторную цепь транзистора второго плеча мультивибратора такой же миллиамперметр; стрелки измерительных приборов будут попеременно отклоняться от нулевых отметок шкал. Теперь, воспользовавшись часами с секундной стрелкой, засечем, сколько раз в минуту транзисторы переходят из открытого состояния в закрытое. Примерно 15 - 20 раз. Таково число электрических колебаний, генерируемых мультивибратором в минуту. Следовательно, период одного колебания равен 3 - 4 с. Продолжая следить за стрелкой миллиамперметра, попытаемся изобразить эти колебания графически. По горизонтальной оси ординат откладываем в некотором масштабе отрезки времени нахождения транзистора в открытом и закрытом состояниях, а по вертикальной - соответствующий этим состояниям коллекторный ток. Получится примерно такой же график, как тот, что изображен на рис. 2, б.

Рис. 2. Схема симметричного мультивибратора (а) и генерируемые им импульсы тока (б, в, г).

Значит, можно считать, что мультивибратор генерирует электрические колебания прямоугольной формы. В сигнале мультивибратора, независимо от того, с какого выхода он снимается, можно выделить импульсы тока и паузы между ними. Интервал времени с момента появления одного импульса тока (или напряжения) до момента появления следующего импульса той же полярности принято называть периодом следования импульсов , а время между импульсами длительностью паузы . Мультивибраторы, генерирующие импульсы, длительность  которых равна паузам между ними, называют симметричными.

Следовательно, собранный опытный мультивибратор - симметричный. Замените конденсаторы  и  другими конденсаторами емкостью по 10 - 15 мкФ. Мультивибратор остался симметричным, но частота генерируемых им колебаний увеличилась в 3 - 4 раза - до 60 - 80 в 1 мин или, что то же самое, примерно до частоты 1 Гц. Вернемся к схеме на рис. 2, а.

В момент включения питания транзисторы обоих плеч мультивибратора открываются, так как на их базы через соответствующие им резисторы  и  подаются отрицательные напряжения смещения. Одновременно начинают заряжаться конденсаторы связи:  - через эмиттерный переход транзистора  и резистор ;  - через эмиттерный переход транзистора  и резистор . Эти цепи зарядки конденсаторов, являясь делителями напряжения источника питания, создают на базах транзисторов (относительно эмиттеров) все возрастающие по значению отрицательные напряжения, стремящиеся все больше открыть транзисторы. Открывание транзистора вызывает снижение отрицательного напряжения на его коллекторе, что вызывает снижение отрицательного напряжения на базе другого транзистора, закрывая его.

Такой процесс протекает сразу в обоих транзисторах, однако закрывается только один из них, на базе которого более высокое положительное напряжение, например, из-за разницы коэффициентов передачи токов  номиналов резисторов и конденсаторов. Второй транзистор остается открытым. Но эти состояния транзисторов неустойчивы, ибо электрические процессы в их цепях продолжаются. Допустим, что через некоторое время после включения питания закрытым оказался транзистор , а открытым - транзистор . С этого момента конденсатор  начинает разряжаться через открытый транзистор , сопротивление участка эмиттер - коллектор которого в это время мало, и резистор .

По мере разрядки конденсатора  положительное напряжение на базе закрытого транзистора  уменьшается. Как только конденсатор полностью разрядится и напряжение на базе транзистора  станет близким нулю, в коллекторной цепи этого, теперь уже открывающегося транзистора появляется ток, который воздействует через конденсатор  на базу транзистора  и понижает отрицательное напряжение на ней. В результате ток, текущий через транзистор , начинает уменьшаться, а через транзистор , наоборот, увеличиваться. Это приводит к тому, что транзистор  закрывается, а транзистор  открывается.