Рис.19.
При замкнутом ключе К конденсатор С2 быстро заряжается через малое сопротивление R3, а при разомкнутом ключе К медленно разряжается через большое сопротивление R.
Такая схема не позволяет получить падающее напряжение высокой линейности, поскольку уменьшающееся напряжение на емкости уменьшает разрядный ток. Для получения линейного напряжения конденсатор С2 необходимо разряжать постоянным током, а не через постоянное сопротивление.
Одна из возможных схем ГЛИН представлена на рис 20, а диаграммы напряжений в ряде точек даны на рис.21.
Рис.20
Рис.2. 
Рис.21.
Пилообразное напряжение формируется на конденсаторе С2, (который принято называть хронирующим), путём его быстрого заряда через резистор R3 и транзистор VT2, (он играет роль ключа К на рис.19), и медленного линейного разряда через токостабилизирующий двухполюсник на транзисторе VT3, (аналогом которого выступает сопротивление R на рис.19).
Транзистор VT1 управляет переключением режима «заряд-разряд» конденсатора С2. Транзисторы VT1 и VT2, резисторы R1, R2, R3, конденсаторы С1, С2 образуют несимметричный мультивибратор, работающий в автоколебательном режиме.
При протекании начального зарядного тока конденсатора С2 на сопротивлении R3 возникает импульс отрицательного напряжения. Этот импульс через ёмкость С1 подаётся на базу VT1 и запирает его. В результате возрастает положительное напряжение на коллекторе VT1 и, соответственно, на базе VT2, что полностью открывает его. Таким образом, С2 быстро заряжается через низкоомный резистор R3 и полностью открытый (насыщенный) транзистор VT2, почти до напряжения 
. Так на конденсаторе С2 формируется обратный ход импульса.
После окончания зарядки С2 зарядный ток по цепи «R3–VT2–С2» прекращается и запирающий импульс на базе VT1 спадает до 0, и далее VT1 отпирается током через R2. Из-за этого напряжение на коллекторе VT1 и, соответственно, на базе VT2 спадают до 0. При этом VT2 запирается большим напряжением на С2 т.е. на эмиттере VT2, и с этого момента начинается медленный разряд ёмкости С2 через VT3 почти до нулевого уровня напряжения. Напряжение на конденсаторе С2 в это время представляет собой прямой ход пилообразного импульса.
В начале проектирования при выборе типа транзистора следует обратить внимание на появление достаточно большого напряжения между эмиттером и базой VT1 и VT2, достигающее . Большинство транзисторов допускают 
не более 5 В, и только 5-10 типов транзисторов позволяют держать это напряжение на уровне (20-50) В.
Проектирование начинаем с выбора R3 по допустимому коллекторному току транзистора VT2 — 
.
.
Для того, чтобы транзистор VT2 был полностью включён и насыщен требуется:
,
где 
— коэффициент усиления по току транзистора VT2.
Рассматривая схему рис.20 видим, что базовая цепь VT2 и коллекторная цепь VT1 связаны гальванически, следовательно, для цепи базы VT2 можно записать:
.
Если использовать связь 
с 
и 
, то можно записать, что 
, тогда
.
Резистор R2 выбираем из условия насыщения VT1 при окончания запирающего импульса, который снимается с резистора R3 и через конденсатор С1 подаётся на базу этого транзистора. Для этого требуется, чтобы
.
Сделаем некоторые пояснения. Очевидно, что 
, следовательно, 
. С другой стороны, 
и 
, и тогда можно записать 
. Следовательно, для быстрого и надёжного запирания транзистора VT1 надо, чтобы 
.
Кроме того, для надёжного запирания VT1 следует выбирать постоянную времени 
на порядок большей, чем 
, то есть 
.
В результате заряда конденсатора С2 во время обратного хода 
он приобретает заряд 
, где 
— размах пилообразного напряжения. Можно принять, что 
. С другой стороны, можно записать, что 
. Тогда
.
Стабилизированный разрядный ток через VT3 обычно выбирают равным от нескольких десятых долей миллиампера до нескольких миллиампер.
Длительность обратного хода 
, как правило, удовлетворяет соотношению:
.
Опрокидывание мультивибратора происходит при окончании разряда С2, когда импульс напряжения от R3 перестаёт запирать VT1. В противоположном направлении мультивибратор опрокидывается при окончании зарядки С2, когда напряжение на эмиттере VT2 становится меньше, чем на коллектореVT1 и, соответственно, на базе VT2. Из-за падения напряжения на транзисторе VT3 и R6 потенциал эмиттера VT2 не может снизиться до 0. Поэтому полезно включить кремниевый диод VD, как показано на рис.2, или небольшой резистор.
Использование VT3 в качестве токоограничивающего двухполюсника основывается на том факте, что ток коллектора (ток через транзистор) очень слабо зависит от напряжения, приложенного к транзистору 
, при постоянном токе базы 
. Что это так, достаточно вспомнить коллекторные характеристики транзистора:
.
Постоянство тока базы транзистора VT3 обеспечивается в нашем случае подачей постоянного напряжения на базу VT3 с резистора R5. Кроме того, сопротивление R6 отрицательной обратной связи для транзистора VT3. Это также способствует стабилизации разрядного тока конденсатора С2 через цепь «транзистор VT3–R6».
Помимо этой схемы постоянный разрядный ток, не зависящий от величины напряжения на конденсаторе С2, может обеспечить «токовое зеркало», схема которого помещена на рис.22. Разрядный ток 
через VT3 повторяет ток управления 
, протекающий через VT4, который регулируется резистором R8. Должно соблюдаться соотношение:
.
Если разработчик решит использовать схему «токового зеркала», то следует иметь в виду, что она требует два дополнительных элемента — транзистор VT4 и резистор R7.
Рис.22.
Генераторы импульсов напряжения на логических элементах.
Логические элементы вместе с запоминающими элементами составляют основу устройств цифровой обработки информации в устройствах автоматики, цифровых измерительных приборах и, главное, — в вычислительных машинах. Цифровую информацию обычно представляют в двоичной форме, в которой сигналы принимают только два значения: «0» (логический нуль) и «1» (логическая единица). Логическими преобразованиями двоичных сигналов занимается специальный раздел математики — Булева алгебра (по имени английского математика Джорджа Буля). Логические преобразования двоичных сигналов включают три элементарные операции, выполняемые элементами: ИЛИ (дизъюнкция), И (конъюнкция), НЕ (инверсия). Условные обозначения этих элементов показаны на рис. 23. Там же приведены простейшие электрические цепи, выполняющие эти операции, но более привычные для электриков-сильноточников.
Рис.23.
Буквами 
обозначены сигналы входных цепей, а буквой 
— выходные сигналы.
На рис. 23,а и 23,г показан элемент логического сложения — элемент ИЛИ, дающий на выходе «1», если хотя бы на один из нескольких входов подана «1». На рис. 23,г показана схема элемента, где при включении одного или нескольких из параллельных выключателей SA загорается лампочка EL, сигнализирующая «1».
На рис. 23,б и 23,д показан элемент логического умножения, дающий на выходе «1», если на все входы подана «1». На рис. 23,д — лампочка EL загорится только при включении всех последовательных выключателей SA.
На рис. 23,в и 23,е показан элемент логического отрицания НЕ, дающий на выходе «0», если на его входе «1», и, наоборот, дающий на выходе «1», если на его входе «0». На рис. 23,е — лампочка EL подключена к источнику «1» (
) через нормально замкнутые контакт-реле К1.1 и горит. При подаче на вход, то есть на катушку реле — через выключатель SA напряжения «1», реле К1 отключает нормально-замкнутый контакт К1.1, и лампа погаснет.
В настоящее время логические элементы широко используются для построения схем генераторов импульсных напряжений. Ниже кратко рассмотрены в виде примеров схемы мультивибраторов, реализованных с использованием различных логических элементов.
Для мультивибраторов, в частности, можно использовать элементы НЕ, принципиальная схема которых показана на рис. 24,а. На рис. 25 приведён пример исполнения мультивибратора на интегральной микросхеме.
Рис.24.
Рис.25.
Можно применять и более сложные, например, И-НЕ или ИЛИ-НЕ схемы. Следует иметь в виду, что в одном корпусе микросхемы помещается несколько логических элементов, например, шесть элементов НЕ.
На рис. 26 показана схема мультивибратора на двух элементах НЕ и временные диаграммы входных и выходных напряжений. На этом рисунке логические элементы НЕ изображены в виде квадратиков DD1 и DD2, которые выполняют операции инвертирования.
Рис.26а.
Рис.26,б.
На них показаны: «1» — , «0» — 
, 
— это зона на характеристике вход-выход,(ХВВ), где элемент имеет наибольший коэффициент усиления (рис. 26,б). Напряжение 
получают как падение напряжения на резисторах R1, R2 от тока, вытекающего из эмиттеров VT1 (рис.24,а), приводимого в справочниках.
На подходе к точке А1 (рис.25,б) 
, и поэтому 
. В момент 
(точка А1) экспонента 
пересекает уровень 
, мультивибратор опрокидывается, и 
. Аналогичный процесс происходит в точке А2, когда мультивибратор снова опрокидывается, и напряжение 
поднимается от до 
, а на выходе 1 напряжение уменьшается до .
Таким образом, напряжение на входах логических элементов управляет работой генератора. Это напряжение создают конденсаторы С1 и С2, которые быстро заряжаются по цепи: ВЫХОД1-С2-ВХОД DD2, либо: ВЫХОД2-С1-ВХОД DD1, а затем С2 разряжается через резистор R2, а С1 — через R1 по экспоненте
.
Опрокидывание происходит при 
. Отсюда находим длительность одного и другого импульсов 
и 
, а затем и период колебаний 
.
.
Глава 5. Компьютерное моделирование электронных схем.
После того, как выбрана схема генератора, определены значения компонентов, проектировщик должен был убедиться, что предложенная им схема работоспособна. До недавнего времени нужно было собрать и отладить макет. При этом под руками должны быть все необходимые детали и измерительные приборы. Да и ошибок в монтаже допускать не желательно.
Ситуация резко изменилась, когда стадию макетирования заменили компьютерным моделированием. Рабочим столом с электронными компонентами и измерительными приборами стал экран монитора, а паяльником — «мышка». Чтобы промоделировать устройство, нужно выполнить следующие действия:
На первом этапе используют графический редактор, позволяющий составить принципиальную схему. Составные части схемы, как правило, подразделяются на компоненты общего назначения и библиотечные компоненты. Первые обычно «встроены» в графический редактор, и их изображение нельзя изменить по вашему усмотрению. Это относится к соединительным проводам, жгутам, условным обозначениям соединений с общим проводом и питанием, портам ввода-вывода и т.п. Что же касается библиотечных компонентов – транзисторов, операционных усилителей и пр., их графические изображения хранятся в библиотечных файлах и могут быть изменены с помощью специального графического редактора.
В чём главная особенность библиотечных компонентов? Прежде всего в том, что их графических изображений для моделирования недостаточно. Необходимо как-то описать их работу.
В любой системе моделирования работа электронного компонента описывается моделью и списком параметров. Модель, иногда её называют схемой замещения, можно представить состоящей из элементарных компонентов, которыми замещают сложный компонент. Так, например, простейшая модель транзистора, включённого с общим эмиттером, в режиме малого сигнала состоит из управляемых генераторов тока, резисторов и конденсаторов. Именно они определяют параметры модели: значения ёмкости между электродами, тока, напряжения и т.д. Совершенно очевидно, что ни одна модель не в состоянии описать поведение компонента с абсолютной точностью. Тем не менее, существуют модели, позволяющие очень точно представить работу того или иного компонента при определённых условиях, скажем на частотах до нескольких сотен мегагерц. Современные модели электронных компонентов выражены в аналитической форме в виде системы уравнений. Модели активных электронных компонентов довольно сложны и насчитывают не один десяток параметров. Этим достигается высокая точность расчётов. При всём многообразии моделей для компьютерного моделирования используются, как правило, SPICE-модели, разработанные фирмой MicroSim, и ставшие фактически стандартом. Стандартом стал и формат файла, в котором записаны значения SPICE-параметров компонентов.
Если с графическим изображением компонентов проблем, как правило, не возникает, с файлами, содержащими значения SPICE-параметров, всё обстоит сложнее. Определённый минимум таких файлов распространяется вместе с системой моделирования. В случае, если необходимого файла в библиотеке не оказывается, можно либо попытаться его поискать, либо попробовать создать такой файл самостоятельно. Первый вариант предпочтительнее в том случае, если есть где искать. А искать, конечно же, нужно в сети Интернет. Многие зарубежные фирмы свободно распространяют файлы со SPICE-параметрами своих электронных компонентов. Их нужно только «перекачать» по сети и правильно подключить к имеющимся библиотекам. Что же касается отечественных компонентов, здесь лучше всего пользоваться их зарубежными аналогами, благо такие есть почти всегда. Во втором случае придётся найти графики, отображающие набор характеристик электронных компонентов и изрядно повозиться с их вводом по точкам.
Когда найдены все компоненты и составлена принципиальная схема, можно приступать к моделированию. Для этого, как обычно, на вход устройства подают сигнал, а к выходу подключают нагрузку. В разных системах моделирования символы, обозначающие источник входного сигнала, различны, но они везде существуют. Далее на схеме помечают точку, в которой хотят наблюдать, скажем, осциллограмму, и включают режим моделирования. На экране компьютера появляется осциллограмма. Если устройство не работает, следует вернуться назад, сделать исправления и снова запустить моделирование.
Cистема компьютерного моделирования MICRO-САР.
Сразу после запуска программы Micro-Cap открывается окно схемного редактора с панелью инструментов (рис. 27). Прежде всего необходимо обратить внимание на стрелку-курсор мыши: к
Рис. 27
ней как бы прикреплён определённый символ. Сейчас он имеет вид 
. В верхней левой части панели инструментов находится группа кнопок, в которой встречается подобный символ. Этими кнопками выбирается группа операций, выполняемых при работе с мышью. Прикреплённый к стрелке символ – удобный индикатор, всегда находящийся в поле зрения оператора.
Перечислим теперь основные группы операций:
- выделение и перемещение;
- установка компонента;
- установка метки и текста;
- соединение выводов компонентов с допустимым изгибом только под углом 90 градусов;
-соединение выводов компонентов под произвольным углом;
- установка графического объекта;
- переход к точке на чертеже, помеченной флагом;
- получение информации о компоненте;
- получение справки.
Теперь рассмотрим следующую группу кнопок 
.Это некая «коробка» с электронными компонентами, откуда с помощью мыши можно извлекать электронные компоненты: резисторы, конденсаторы, транзисторы и прочее. Выберем режим установки компонентов: щёлкнем левой кнопкой мыши по изображению, например, резистора, а затем – по произвольной точке где-нибудь в центре чертежа (рабочего стола). Появится таблица (рис 28), в которой необходимо определить параметры этого резистора. Перечислим их: 
Рис. 28
PART – позиционное обозначение резистора. Присвоим ему значение – R1;
VALUE – сопротивление резистора. Присвоим ему значение 1k, что означает 1 кОм.
Для присвоения значений надо сначала щёлкнуть левой кнопкой мыши по названию параметра в таблице, а затем набрать присваиваемое значение. Определившись с позиционным обозначением и номиналом резистора, следует щёлкнуть по кнопке ОК. На рабочем столе появится резистор R1 с номиналом в 1кОм. Резистор будет обозначен красным цветом. Это означает, что он выделен для операций удаления, копирования и т.п. Снимем выделение, выбрав режим выделения и перемещения, и щёлкнем левой кнопкой мыши по любому свободному месту на рабочем столе. Цвет резистора изменится на синий.
Как можно поворачивать и передвигать резистор? Совместим стрелку – курсор мыши с изображением резистора, а затем, нажав на левую кнопку мыши и не отпуская её, щёлкнем несколько раз правой кнопкой. С каждым нажатием правой кнопки мыши резистор будет поворачиваться. Для перемещения надо нажать на левую кнопку мыши и, не отпуская её, переместить резистор на новое место.
Установим на рабочем столе, например, транзистор структуры n-p-n. В таблице свойств компонента, кроме позиционного обозначения (по умолчанию будет предложено Q1), нужно выбрать MODEL – модель транзистора. В окне справа из списка доступных моделей надо выбрать название нужного транзистора.
В случае, когда необходимо установить компонент, изображения которого нет на панели инструментов, следует воспользоваться системой выпадающих меню. Например, следует установить на рабочем столе трансформатор. В этом случае надо пройти следующий путь: «Component – Analog Primitives – Passive Components – Transformer». Появившееся изображение трансформатора следует переместить в нужное место, а затем щёлкнуть левой кнопкой мыши, Возникнет окно установки параметров трансформатора, аналогичное тому, которое показано на рис. 14. В поле VALUE необходимо ввести значения индуктивности первичной обмотки, вторичной обмотки и коэффициента связи между обмотками. Имеет смысл рядом с полем VALUE справа от него поставить галочку, чтобы введённые параметры трансформатора отобразились бы на схеме. Все три параметра трансформатора следует вводить без пробелов через запятую, для написания десятичных дробей использовать точку. Изображение трансформатора с написанными около него параметрами показано на рис. 29. Точками обозначены начала обмоток.
Обратим внимание, как вводить значения параметров.
Рис.29. Собственно единицу измерения можно не указывать, т.к. в системе Micro–Cap автоматически учитывается, что ёмкость измеряется в Фарадах, сопротивление – в Омах, индуктивность – в Генри, напряжение - в Вольтах, а ток – в Амперах, время – в Секундах и т.д. После численного значения допустимо (там, где это необходимо) указывать лишь приставку. В таблице 2 приведено соответствие приставок и обозначений, принятых в программе Micro – Cap. При этом нужно помнить, что пробел между числом и приставкой недопустим.
Таблица 2.
Приставка | Пико | Нано | Микро | Милли | Кило | Мега | Гига |
Обозначение в программе | p | n | u | m | k | meg | g |
После установки всех компонентов схемы на рабочем столе, а также источника питания и символа соединения с общим проводом 
(такой символ обязательно должен быть на схеме) следует соединить все элементы линиями электрической связи. Лучше всего соединения проводить в режиме, допускающем изгибы только под углом в 90 градусов. Для этого нужно щёлкнуть левой кнопкой мыши по кнопке 
, а затем, совместив стрелку мыши с выводом первого компонента, нажать на кнопку мыши и, не отпуская, довести её до второго компонента. Соединения, как и компоненты можно переносить с места на место, а также выделять и удалять нажатием на клавишу DELETE.
С помощью кнопки 
на панели инструментов можно пронумеровать автоматически все узлы схемы.
Проще всего убедиться в работоспособности созданной схемы – заставить программу Micro-Cap показать осциллограммы токов или напряжений в интересующих разработчика узлах схемы. Для этого следует воспользоваться выпадающим меню и пройти путь «Analysis – Transient Analysis». Появится окно задания исходных параметров моделирования, показанное на рис. 30.
Рис. 30.
В окне задания на моделирование следует заполнить строки таблицы. Число строк определяет число графиков, строящихся при моделировании. Значения столбцов этой таблицы:
Р – номер графика. Задав во всех столбиках одну и туже цифру, например 1, получим наложение графиков на одном поле, а указав разные цифры, получим раздельные графики.
X Expression – параметр, значение которого на графике откладывается по оси Х. Для получения осциллограмм это – время, обозначаемое буквой T.
Y Expression– параметр, значение которого на графике откладывается по осиY. Например: v(1) или v(2) и т. д., в зависимости от номера узла, в котором необходимо получить осциллограмму.
X Range – интервал значений по оси X. Если написать auto, то программа установит его автоматически.
Y Range – интервал значений по оси Y.Можно также написать auto.
Fmt – формат записи чисел при построении таблиц, - число знаков до запятой и число знаков после.
Слева от таблицы есть ряд кнопок. Манипулируя ими, устанавливают линейный или логарифмический масштаб графиков, меняют их цвет и пр. Число строк в таблице может быть различным. Добавлять и удалять их можно кнопками Add и Delete, расположенными в верхней части окна.
Дата добавления: 2015-09-29; просмотров: 29 | Нарушение авторских прав
| <== предыдущая лекция | | | следующая лекция ==> |