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.

Теперь начнет разряжаться конденсатор , но через открытый транзистор  и резистор , что в конечном итоге приводит к открыванию первого и закрыванию второго транзисторов и т.д. Транзисторы все время взаимодействуют, в результате чего мультивибратор генерирует электрические колебания. Частота колебаний мультивибратора зависит как от емкости конденсаторов связи, что уже проверено, так и от сопротивления базовых резисторов.

Если, например, базовые резисторы  и  заменить резисторами больших сопротивлений, частота колебаний мультивибратора уменьшится. И наоборот, если их сопротивления будут меньше, частота колебаний увеличится. Еще один опыт: отключим верхние (по схеме) выводы резисторов  и  от минусового проводника источника питания, соедините их вместе, а между ними и минусовым проводником включим реостатом переменный резистор сопротивлением 30 - 50 кОм. Поворачивая ось переменного резистора, в довольно широких пределах сможем изменять частоту колебаний мультивибраторов.

Примерную частоту колебаний симметричного мультивибратора можно подсчитать по такой упрощенной формуле: F = 700/(RC), где f - частота в герцах, R - сопротивления базовых резисторов в килоомах, С - емкости конденсаторов связи в микрофарадах. Вернемся к исходным данным резисторов и конденсаторов опытного мультивибратора (по схеме на рис. 2, а). Конденсатор  заменим конденсатором емкостью 2 - 3 мкФ, в коллекторную цепь транзистора  включим миллиамперметр, следя за его стрелкой, изобразим графически колебания тока, генерируемые мультивибратором. Теперь ток в коллекторной цепи транзистора  будет появляться более короткими, чем раньше, импульсами (рис. 2, в). Длительность импульсов  будет примерно во столько же раз меньше пауз между импульсами , во сколько уменьшилась емкость конденсатора  по сравнению с его прежней емкостью.

А теперь тот же (или такой) миллиамперметр включим в коллекторную цепь транзистора . Уменьшив емкость конденсатора , мы нарушили симметрию плеч мультивибратора - он стал несимметричным. Поэтому и колебания, генерируемые им, стали несимметричными: в коллекторной цепи транзистора  ток появляется относительно длинными импульсами, в коллекторной цепи транзистора  - короткими. С Выхода 1 такого мультивибратора можно снимать короткие, а с Выхода 2 - длинные импульсы напряжения. Временно поменяем местами конденсаторы  и . Теперь короткие импульсы напряжения будут на Выходе 1, а длинные - на Выходе 2. Сосчитаем (по часам с секундной стрелкой), сколько электрических импульсов в минуту генерирует такой вариант мультивибратора. Около 80. Увеличим емкость конденсатора , подключив параллельно ему второй электролитический конденсатор емкостью 20 - 30 мкФ. Частота следования импульсов уменьшится.

Есть, однако, иной способ регулирования частоты следования импульсов - изменением сопротивления резистора : с уменьшением сопротивления этого резистора (но не менее чем до 3 - 5 кОм, иначе транзистор  будет все время открыт и автоколебательный процесс нарушится) частота следования импульса должна возрастать, а с увеличением его сопротивления, наоборот, уменьшаться.

Ждущий мультивибратор:

Такой мультивибратор генерирует импульсы тока (или напряжения) при подаче на его вход запускающих сигналов от другого источника, например от автоколебательного мультивибратора. Чтобы автоколебательный мультивибратор, опыты с которым вы уже проводили в этом уроке (по схеме на рис. 2,а), превратить в мультивибратор ждущий, надо сделать следующее: конденсатор  удалить, а вместо него между коллектором транзистора  и базой транзистора  включить резистор (на рис. 3 - R3) сопротивлением 10 - 15 кОм; между базой транзистора  и заземленным проводником включить последовательно соединенные элемент 332 ( или другой источник постоянного напряжения) и резистор сопротивлением 4,7 - 5,1 кОм (), но так, чтобы с базой соединялся (через ),) положительный полюс элемента; к базовой цепи транзистора  подключить конденсатор (на рис. 3 - ) емкостью 1 - 5 тыс. пФ, второй вывод которого будет выполнять роль контакта входного управляющего сигнала. Исходное состояние транзистора  такого мультивибратора - закрытое, транзистора  - открытое. Напряжение на коллекторе закрытого транзистора должно быть близким к напряжению источника питания, а на коллекторе открытого транзистора - не превышать 0,2 - 0,3 В. Затем в коллекторную цепь транзистора  включим миллиамперметр на ток 10 - 15 мА и, наблюдая за его стрелкой, включите между контактом Uвх и заземленным проводником, буквально на мгновение, один - два элемента 332, соединенные последовательно (на схеме GB1) или батарею 3336Л. Стрелка миллиамперметра должна тут же отклониться до значения наибольшего тока коллекторной цепи транзистора, застыть на некоторое время, а затем вернуться в исходное положение, чтобы ожидать следующего сигнала. Миллиамперметр при каждом сигнале будет показывать мгновенно возрастающий до 8 - 10 мА и спустя некоторое время, так же мгновенно убывающий почти до нуля коллекторный ток транзистора . Это одиночные импульсы тока, генерируемые мультивибратором. А если батарею GB1 подольше держать подключенной к зажиму Uвх. Произойдет то же, что и в предыдущих опытах, - на выходе мультивибратора появится только один импульс.

Рис. 3. Опытный ждущий мультивибратор.

Мультивибраторы на универсальных ТТЛ-элементах И-НЕ:

Рис. 4 Схема мультивибратора

Логические элементы  и  поочередно переключаются. Если, например, на выходе элемента  напряжение равно логической «1» (), то на выходе элемента  оно соответствует логическому «О» (Е0).

Рассмотрение процессов формирования импульсов начнем с момента переключения, когда на выходе элемента Э₁ напряжение изменилось от Е₀ до Е₁ (сформировался перепад «О-1»), а на выходе элемента Э₂- от Е₁ до Е₀. Конденсатор С₂ заряжается от выходного напряжения Е₁ элемента Э₁ через его выходное сопротивление r_вых11 и резистор R₂. На резисторе R ₂ зарядный ток создает запирающее напряжение, которое превышает пороговый уровень U_пор. В результате появления этого напряжения диод Д₂ заперт, а на выходе элемента Э₂ поддерживается напряжение Е₀, конденсатор С1, зарядившийся в предшествующий полупериод колебаний (плюс - на левой, согласно рисунку 5, обкладке, минус- на правой), теперь разряжается через выходное сопротивление r_вых02 элемента Э₂ и открытый диод Д₁. На входе элемента Э₁ поддерживается небольшое отрицательное напряжение - е_од, соответствующее напряжению отсечки диода Д₁. По мере зарядки конденсатора С₂ напряжение на входе элемента Э₂ уменьшается; когда оно перейдет уровень U_пор, в схеме развивается регенеративный процесс переключения, завершающийся скачкообразным изменением напряжения на выходе элемента Э₂ до значения Е_и а на выходе элемента Э₁- до значения Е₀. Конденсатор С_и разрядившийся до напряжения Е₀ + е_од, начинает заряжаться от выходного напряжения Е₁ элемента Э₂ через его выходное сопротивление r_вых12 и резистор R₁. Положительное напряжение, появившееся на резисторе R1 при зарядке конденсатора С₁ и превышающее уровень U_пор, поддерживает элемент Э₁ в состоянии, соответствующем логическому «О» на выходе. Конденсатор С₂, зарядившийся до напряжения, близкого к Е₁ - U_пор, разряжается через выходное сопротивление r_вых01 и диод Д₂. Когда напряжение на резисторе R₁ по мере зарядки конденсатора С₁ снизится до значения U_пор, снова развивается лавинный процесс переключения элементов Э₁ и Э₂ и процессы в устройстве повторяются.

Рис. 5 Вид импульсов на выходе мультивибратора на дискретных компонентах.

Для изменения частоты импульса на выходе мультивибратора нужно менять значение резистора R_,1. Для мультивибратора на дискретных компонентах:

.

Меняя номинал , мы будем изменять частоту. Резистор R_б2 остается постоянным и находится:

Таким образом, меняя номиналы резисторов  можно добиться изменения частоты импульсов при постоянной длительности колебаний мультивибратора. Дискретного изменения частоты импульсов можно добиться, включая попеременно резисторы  с разными номиналами с помощью электронного коммутатора, который управляется микроконтроллером.

Выбор и обоснование структурной схемы разрабатываемого устройства.

Рис. 6 Структурная схема разрабатываемого устройства

Рассмотрим подробнее данную структурную схему. От источника питания подаётся постоянное напряжение на электронный коммутатор, микроконтроллер и мультивибратор. С помощью электронного коммутатора происходит переключение между частотозадающим резистором, тем самым меняется частота импульса с определенной дискретностью в заданном диапазоне значений. В свою очередь режим работы электронного коммутатора определяется двоичным кодом, поданным с выходов микроконтроллера на адресные входы коммутатора.

Электронный коммутатор должен иметь один вход и пять выходов (или больше), т.к. к нему подключаются пять частотозадающих резисторов. Если коммутатор имеет меньшее количество выходов, то будут использоваться несколько электронных коммутаторов. В зависимости от количества используемых коммутаторов определяется разрядность микроконтроллера. При использовании одного электронного коммутатора будут использоваться 4-ёх разрядный микроконтроллер, при использовании двух - должно быть минимум 5 разрядов в порте ввода-вывода микроконтроллера.

Сигнал, поступив с электронного коммутатора на мультивибратор, преобразуется и на выходе мультивибратора наблюдаются импульсы напряжения прямоугольной формы различной частоты, в зависимости от выбранного резистора.

Данная структурная схема привлекательна своей простотой исполнения и относительно небольшой стоимостью элементной базы.

Выбор элементной базы, разработка принципиальной схемы, её описание и расчёт элементов

Как уже было сказано, за основу данного проекта я взял мультивибратор на биполярных транзисторах (рисунок 7).

Мультивибратор, собранный по основной схеме, представляет собой двухкаскадный резистивный усилитель, построенный на транзисторных ключах-инверторах.

Положительная обратная связь имеется в схеме за счет того, что выход одного ключа соединен с входом другого. Действительно, если относительно эмиттера потенциал базы транзистора VT1 станет, к примеру, более отрицательным, то потенциал коллектора VT1 (и базы VT2) окажется более положительным, а потенциал коллектора VT2 (и базы VT1) - более отрицательным. Так, к первоначальному приращению потенциала добавляется приращение того же знака, поступающее в исходную точку по петле обратной связи. Заметим, что цепь положительной обратной связи замыкается и нормально функционирует, когда оба транзистора отперты и работают в усилительном режиме.

Рассмотрим момент времени, когда транзистор Т₁ насыщен, а транзистор Т₂ заперт, конденсатор С₁ разряжен, а конденсатор С₂ заряжен до напряжения Е (минус на левой, плюс - на правой обкладке конденсатора). При анализе работы мультивибратора будет показано, что в течение каждого периода колебаний такое состояние обязательно имеет место.

В схеме начнутся следующие процессы: а) процесс зарядки конденсатора С₁; б) процесс разрядки конденсатора С₂. Разряженный конденсатор С₁ заряжается от источника питания -Е через резистор R_к2 и эмиттерный переход насыщенного транзистора T₁. Постоянная времени цепи зарядки С₁ имеет значение .

Заряженный конденсатор С₂ перезаряжается. Постоянная времени цепи перезарядки С₂ имеет значение .

Выведем условие насыщения транзистора Т₁. Коллекторный ток этого транзистора состоит из тока через резистор R_к1 и тока перезарядки конденсатора

С₂ :.

Ток разрядки в процессе перезарядки конденсатора меняется; его максимальное значение  соответствует началу процесса перезарядки: . Отсюда максимальное значение коллекторного тока

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.

Разработка программного обеспечения

Запишем алгоритм работы микроконтроллера:

Дадим краткую характеристику всем пунктам алгоритма.

. ПУСК. Это может быть первоначальный запуск микроконтроллера или следствие подачи сигнала RESET на соответствующий вход МК.

. Инициализация порта. В этом пункте в регистры направления записываются единицы, что конфигурирует порты микроконтроллера на вывод информации. Это следует делать, потому что после аппаратного сброса все регистры направления инициализируются нулем, что соответствует режиму ввода информации.

. Выбор резистора. На этом этапе происходит смена рабочего резистора. При первоначальном запуске микроконтроллера или подачи сигнала RESET по умолчанию будет выбрана следующая комбинация:

В этом случае скоммутированным окажется резистор, подключенный к входу I0 коммутатора.

. Изменение параметра. Этот пункт выполняется, если начальная длительность паузы импульсов не удовлетворяет требуемому значению. Тогда текущий резистор отключается и скоммутированным оказывается следующий резистор. Далее идет последовательный перебор резисторов, до тех пор, пока не будет достигнуто необходимое значение длительности паузы.

Ниже представлен фрагмент программы для микроконтроллера. С помощью программы микроконтроллер последовательно подключает резисторы, в результате чего изменяется длительность паузы выходных импульсов.P0, # 00000B; обнуление (инициализация порта): MOV P0, # 100000B; замыкается первый резисторP0, # 01000B; замыкается второй резисторP0, # 00100B; замыкается третий резисторP0, # 00010B; замыкается четвертый резисторP0, # 00001B; замыкается пятый резисторM1;

Заключение

Данный курсовой проект выполнен в соответствии с заданием на проектирование. Разработанная и рассчитанная в данном курсовом проекте схема генератора прямоугольных импульсов (несимметричного мультивибратора) полностью удовлетворяет заданным требованиям. Подключенный к мультивибратору микроконтроллер позволяет изменять длительность паузы между импульсами.

Таким образом, поставленная в курсовом проекте задача по разработке программируемого генератора прямоугольных импульсов была успешно завершена.

Список литературы

1.      Браммер Ю.А., Пащук И.Н. Импульсные и цифровые устройства // М.: Высшая школа, 2006.

.        Гольденберг Л.М. Импульсные устройства. // М.: Радио и связь, 1981.

.        Ерофеев Ю.Н. Импульсные устройства. // М.: Высшая школа, 1989.

.        Евстифеев А.В. Микроконтроллеры AVR семейств Tiny и Mega фирмы “Atmel” // М: ДОДЕКА-ХХI, 2004.

5. В помощь радиолюбителю. Конденсаторы. Справочник. - М: Патриот, 1991. - 80с.

. Томиловский Г.Н. Резисторы. Справочник. - М: Энергоатомиздат, 1981. -352с.

. Гершунский Б.С. Справочник по расчету электронных схем. - К: Вища школа, 1983. - 240с.