Дипломная (вкр): Программируемый генератор прямоугольных импульсов

Базовый ток транзистора Т₁ состоит из тока через резистор R_б1 и тока зарядки конденсатора

С₁ : .

Ток зарядки конденсатора С₁ изменяется с постоянной времени _в, ток перезарядки конденсатора С₂ - с постоянной времени _ф. Так как всегда R_б»R_к, то »_в. Ток  успевает уменьшиться до нуля, в то время как ток все еще близок к своему максимальному значению 2Е/R_б. Будем учитывать это при выводе условия насыщения транзистора Т₁.

Рассчитаем длительность выходного импульса и период колебаний в схеме автоколебательного мультивибратора. Длительность выходного импульса на коллекторе Т₂ определяется временем изменения напряжения на его базе от + Е до 0. Длительность выходного импульса:

После того как напряжение на базе Т₂ перейдет нулевой уровень, транзистор отпирается, появляется коллекторный ток, создающий положительное приращение напряжения на R_к2, которое через конденсатор С₁ передается на базу Т₁, выводит этот транзистор из насыщения и вызывает его переход в активный режим. Коллекторный ток транзистора уменьшается, напряжение на коллекторе получает отрицательное приращение, которое с коллектора Т₁ через конденсатор С₁ передается на базу Т₂, вызывая его дальнейшее отпирание. Процесс переключения транзисторов развивается лавинообразно и заканчивается насыщением транзистора Т₂. За это время напряжение на обкладках С₁ практически не изменяется, оставаясь близким к Е (минус на правой, плюс - на левой обкладке конденсатора). Через насыщенный транзистор Т₂ правая обкладка конденсатора оказывается связанной с корпусом, а левая обкладка по-прежнему соединена с базой Т₁ и положительное напряжение на ней запирает транзистор Т₁. Мультивибратор переходит во второе квазиустойчивое состояние равновесия. В этом состоянии транзистор Т₁ заперт, транзистор Т₂ насыщен, конденсатор С₁ разряжается через R_б1 на источник питания - Е, конденсатор С₂ заряжается от источника питания - Е через R_к1 и эмиттерный переход насыщенного транзистора Т₂.

После разрядки конденсатора С₂ до нуля формирование выходного импульса на коллекторе Т₁ заканчивается. Конденсатор С₂ за это время успевает зарядиться до полного напряжения Е через резистор R_к1 и входную цепь насыщенного транзистора Т₂. После лавинного переключения транзисторов схема переходит в то состояние, с которого было начато рассмотрение. Процессы в схеме повторяются. Это чередование состояний происходит с периодом Т.

Длительность импульса на коллекторе Т₁ соответствует времени пребывания транзистора в запертом состоянии и определяется временем разрядки конденсатора С₁:

Амплитуда выходных импульсов соответствует разности установившихся уровней напряжения на коллекторе транзистора в запертом и насыщенном состояниях:

В ходе физических процессов на выходе мультивибратора будет наблюдаться сигнал, представленный на рисунке 8.

Рис. 8 Сигнал на выходе мультивибратора

Т.к. техническое задание не предусматривает определенной амплитуды импульса на выходе мультивибратора, то питающее напряжение будет равным . Известно, что . Следовательно, амплитуда импульсов:

.

Транзисторы VT1 и VT2 следует выбирать исходя из следующих соотношений:

,

.

Т.е. ,

Данным параметрам удовлетворяют транзисторы КТ209А, их параметры приведены в следующей таблице:

Сопротивления резисторов R_к1 и R_к2 примем равными и найдём, опираясь на соотношение:

,

т.е. сопротивление  выбирают с таким расчётом, чтобы ток открытого транзистора не превышал максимально допустимого.

,

Чтобы мощность на коллекторе транзистора не превышала максимальной, R_к выбирается исходя из соотношения:

,

.

Опираясь на данные соотношения, мною выбраны резисторы С2-ЗЗН-0.125 номиналом 250 Ом ().

Для автоколебательного мультивибратора длительность импульса определяется соотношением:

,

время паузы:

,

В качестве конденсаторов C1 и С2 я выбрал конденсаторы К10-17 с одинаковым номиналом 1000 нФ (C1=C2=C).

Чтобы изменять частоту импульса  от 100 Гц до 500 Гц при постоянной длительности, необходимо менять транзистор . Исходя из соотношений для , номиналы резисторов находятся по формулам:

,

,

Рассчитаем номиналы резисторов для каждой из заданной частоты импульсов :

Для переключения сигнала между парами резисторов я выбрал электронный коммутатор КР591КН1 (рисунок 9).

Назначение выводов:- I15 - аналоговые входы (выходы);- аналоговый выход (вход);, B, C, D - адрес (выбор соединения);+ - положительное напряжение питания;- отрицательное напряжение питания;- общий вывод (цифровая земля).

Технические характеристики коммутатора КР591КН1 указаны в таблице:

Данный аналоговый коммутатор будет управляться с помощью микроконтроллера. С выходов последнего будет подаваться определенный сигнал на адресные входы коммутатора A, B,C, D, тем самым определяя режим работы коммутатора.

Для данного проекта я выбрал микроконтроллер ATtiny15L фирмы Atmel (Рисунок 10).

Как и все микроконтроллеры AVR фирмы «Atmel», микроконтроллеры семейства Tiny являются 8-разрядными микроконтроллерами, предназначенными для встраиваемых приложений. Они изготавливаются по малопотребляющей КМОП-технологии, которая в сочетании с усовершенствованной RISC-архитектурой позволяет достичь наилучшего соотношения быстродействие/энергопотребление. Удельное быстродействие этих микроконтроллеров может достигать значения 1 MIPS/МГц (1 миллион операций в секунду на 1 МГц тактовой частоты). Микроконтроллеры данного семейства предназначены в первую очередь для «бюджетных» приложений и соответственно являются самыми дешевыми из всех микроконтроллеров AVR. Важной особенностью этих микроконтроллеров является эффективное использование выводов кристалла, например, в 8-выводном корпусе все выводы (кроме, разумеется, выводов питания) могут использоваться в качестве линий ввода/вывода.

Перечислим вкратце основные особенности микроконтроллеров семейства Tiny:

• возможность вычислений со скоростью до 1 MIPS/МГц;

• FLASH-память программ объемом 1...2 Кбайт (число циклов стирания/записи не менее 1000);

• оперативная память (статическое ОЗУ) объемом 1...2 Кбайт;

• память данных на основе ЭСППЗУ (EEPROM) объемом до 64 байт (число циклов стирания/записи не менее 100000);

• возможность программирования непосредственно в системе через последовательный интерфейс;

• различные способы синхронизации: встроенный генератор с внутренней или внешней времязадающей RC-цепочкой; встроенный генератор с внешним резонатором (пьезокерамическим или кварцевым); внешний сигнал синхронизации;

• некоторые модели микроконтроллеров могут работать при пониженном до 1.8 В напряжении питания.

Основными характеристиками подсистемы ввода/вывода являются:

• программное конфигурирование и выбор портов ввода/вывода;

• выводы могут быть запрограммированы как входные или как выходные независимо друг от друга;

• входные буферы с триггером Шмитта на всех выводах;

• возможность подключения к входам внутренних подтягивающих резисторов (сопротивление резисторов составляет 35... 120 кОм).

Основные параметры микроконтроллера ATtiny15L:

В данной работе микроконтроллер будет подключаться к источнику питания +5 В.

Описание выводов микроконтроллера ATtiny15L:

В проекте будут задействованы только первые четыре разряда порта В, который будет работать в режиме выхода. Определённый сигнал с выводов порта В будет посылаться на адресные входы коммутатора, тем самым, выбирая режим коммутации, а соответственно и длительность выходных импульсов.