Согласование цифровых и аналоговых схем – Радиолюбительская азбука

May 14, 2015 by admin Комментировать »

Современные цифровые и аналоговые микросхемы весьма универсальны, поэтому при определенных условиях цифровые микросхемы могут успешно работать в составе аналоговых устройств, а аналоговые — в составе цифровых. Кроме того, само деление микросхем на «цифровые» и «аналоговые» весьма условно — некоторые аналоговые микросхемы (компараторы) работают только в цифровом режиме, а некоторые цифровые микросхемы (триггеры Шмитта) работают и с аналоговым сигналом.

Одна из серьезных проблем, возникающих при согласовании цифровых и аналоговых микросхем — отличие в напряжении питания. Для ОУ оно должно быть двухполярным и желательно побольше (норма — ±15 В или «однополярные» 30 В). А вот для цифровых микросхем оно должно быть однополярным и поменьше (тогда быстродействие уменьшается чуть-чуть, а потребляемый ток — даже очень сильно), для ТТЛ-схем не должно быть более 6 В, а для КМОП — 20 В.

Поэтому обычно приходится идти на компромисс и питать ОУ пониженным (для него) напряжением. Большинство современных ОУ работоспособно при напряжении питания более 3 В (±1,5 В), и только серия К574 — при напряжении питания более 5 В. Также, специально для применения в низковольтной (5 В) цифровой технике, выпускаются ОУ и компараторы серий LM2901…LM2904: их параметры идеальны при напряжении питания 5 В, а работоспособность сохраняется в «стандартном» диапазоне 3…30 В. Необходимую для работы ОУ и компаратора «половину напряжения питания» можно «сделать» с помощью делителя напряжения на резисторах.

Еще одна проблема — согласование по уровням. Подавать на вход аналоговых микросхем цифровой сигнал нельзя, особенно сигнал с выхода КМОП-микросхем (у них амплитуда выходного напряжения равна напряжению питания). Подробнее об этом говорилось выше, а уменьшить амплитуду сигнала с выхода цифровой микросхемы можно с помощью делителя напряжения.

Сигнал на выходе аналоговой микросхемы, работающей в цифровом режиме, практически всегда имеет достаточную амплитуду для нормальной работы цифровой микросхемы, но попадаются в этом плане и «уроды». У некоторых аналоговых микросхем уровню лог. «0» соответствует напряжение на выходе, равное +2,1…2,5 В относительно общего провода (с которым соединен отрицательный вход питания микросхемы), а у ТТЛ-схем и некоторых КМОП напряжение переключения равно 1,4…3,0 В. То есть с помощью такой аналоговой микросхемы установить уровень лог. «0» на входе упомянутой выше цифровой микросхемы невозможно. А вот с установкой уровня лог. «1» на входе цифровой микросхемы проблем не возникает практически никогда. Поэтому выходов два: или подать на вход «—U» только аналоговой схемы небольшое отрицательное напряжение (-2…-3 В) относительно общего провода (рис. 2.8, о), которое можно сформировать с помощью любого генератора, к выходу которого подключен выпрямительинвертор (рис. 2.8, б); резистор R нужен для того, чтобы при напряжении на выходе ОУ, меньшем напряжения на общем проводе, не вывести из строя цифровую микросхему (ТТЛ) или не перегрузить защитный диод (КМОП), его сопротивление может быть от 1 кОм до 100 кОм. Второй выход — поставить между аналоговой и цифровой микросхемой делитель напряжения (рис. 2.8, в): при этом на входе цифровой микросхемы уменьшится и напряжение уровня лог. «1», что несущественно, и напряжение уровня лог. «0», что нам и надо.

Выходы компараторов обычно выполняются по схеме с открытым коллектором (рис. 2.8, г), поэтому при использовании компараторов для управления цифровыми схемами «подтягивающий» резистор обязателен (он включается между выходом компаратора и шиной «+U»). В ТТЛ-схемах эти резисторы установлены внутри микросхемы на каждом входе, в КМОП-схемах их нужно устанавливать «снаружи». «Внутри» компараторов «подтягивающих» резисторов никогда не бывает.

Падение напряжения на переходах выходного транзистора компаратора (рис. 2.8, г) не превышает 0,8…1,0 В, поэтому проблем с управлением цифровыми схемами никогда не возникает. Так как выход компаратора выполнен по схеме с открытым коллектором, то напряжение питания компаратора («+U») может быть больше или меньше напряжения питания цифровой схемы — при этом никаких изменений в схему вносить не нужно. «Подтягивающий» резистор в таком случае нужно включать между выходом компаратора и шиной «+U» цифровой части схемы.

У компаратора LM311 и его отечественного аналога К554САЗ выход выполнен по более сложной схеме (рис. 2.8, д). Эмиттер транзистора можно соединить дорожкой на плате с проводом «-U» — тогда эта микросхема будет работать, как и обычный компаратор (рис. 2.8, г)\ но можно соединить коллектор с проводом «+U», а нагрузку включить между эмиттером и проводом «-U». Вообще, эта микросхема устроена таким образом, что напряжения на коллекторе и эмиттере могут быть любыми, но в пределах -U…+U, и коллекторное напряжение всегда должно быть больше эмиттерного. Для достижения этого на выходе микросхемы разработчикам пришлось поставить почти десяток транзисторов, а не один, как на рисунке. Но так рисунок более прост для понимания.

В цифровой технике аналоговые микросхемы обычно используются для обработки аналогового сигнала, поступающего на вход схемы, а также выполняют функцию сравнения двух аналоговых сигналов, тем более что у них, в отличие от цифровых микросхем, «напряжение переключения» не фиксированное, а может быть практически любым, какое вам нужно. В аналоговой технике цифровые

Рис. 2.8. Согласование цифровых и аналоговых микросхем: а, б — подпитка ОУ отрицательным относительно общего провода напряжением; в — установка на выходе ОУ делителя напряжения: г, д — компараторы микросхемы обычно выполняют функцию генераторов (генератор на логических элементах проще и «высокочастотней» генератора на ОУ) и переключателей сигналов (аналоговые коммутаторы, селекторы-мультиплексоры, управляемые от триггеров или счетчиков). Преимущество цифровой схемы — не нужен делитель напряжения, преимущество аналоговой — даже при очень плавном изменении напряжения на входе потребляемый микросхемой ток не изменяется и остается минимальным (у цифровой в таком режиме возникают сквозные токи).

В I томе книги была рассмотрена схема звукового маяка (рис. 2.9, а\ он 20 секунд молчит, потом 1 секунду издает звук и снова 20 секунд молчит). Но, несмотря на «прерывистый» режим работы, он даже во время молчания потребляет значительный ток (1,5…2 мА), что связано с тем, что в это время конденсатор С1 плавно разряжается и напряжение на входе элемента DD1.1 плавно

Рас. 2.9. Звуковой маяк:

а — исходная схема; б — схема с пониженным потреблением уменьшается. На выходе этого элемента возникают сквозные токи — отсюда и повышенный потребляемый схемой ток. Уменьшить потребляемый ток можно, только если заменить инвертор DD1.1, а еще лучше — весь генератор на элементах DD1.1, DD1.2 «идеальным» генератором.

Сегодня радиолюбителям доступен довольно широкий ассортимент недорогих микромощных ОУ, к ним относятся и популярные программируемые ОУ типа К140УД12 и серии К1407УД… «Программируемыми» они называются потому, что их потребляемый ток можно с помощью одного внешнего резистора изменять (программировать) от долей микроампер до нескольких миллиампер. При этом максимальный выходной ток (ток короткого замыкания выхода) также изменяется от десятков микроампер до «стандартных» для ОУ 20 мА, а также увеличивается коэффициент усиления и скорость нарастания выходного напряжения ОУ. Поэтому, если вам нужен микромощный ОУ со «средненькими» параметрами, нагрузка которого потребляет ничтожный ток, сопротивление этого резистора выбирают побольше (оно обычно в пределах 100 кОм…Ю МОм) — тогда потребляемый ОУ ток меньше.

Генераторы на ОУ обычно собираются по схеме триггера Шмитта, поэтому схема маяка на подобном генераторе будет такой, какая изображена на рис. 2.9, б. «Микромощным» генератором желательно заменить только самый первый генератор — он работает постоянно, в отличие от остальных генераторов, работающих только 1/20 всего времени и «жрущих» благодаря этому в 20 раз меньше.

Сопротивление резисторов R3—R5 должно быть как можно больше, но одинаковым — тогда через них будет протекать меньший ток, т. е. схема будет более экономичной. Сопротивление резистора R6 можно увеличить до 10…20 МОм — тогда потребляемый генератором ток уменьшится (при R6 = 3,6 МОм он не превышает 30 мкА), уменьшится и выходной ток, но это можно не учитывать — резисторы Rl. R2, R5 и вход элемента DD1.1 потребляют все равно в сотни раз меньший ток.

Но все это только теоретически — на практике такой генератор может вообще не заработать. Например, из-за того, что ОУ решит «покапризничать», или вдруг окажется, чго такой генератор потребляет 30 мА, а не 30 мкА, как написано абзацем выше. Поэтому давайте не будем нарушать покой «умных» книжек и тратить время на философские размышления о работе элементов (к сожалению, именно этот — ошибочный — путь и выбирает большинство современных радиолюбителей), а соберем на макете (как это делается, описано в следующей части книги) весь генератор на DA1 и подадим на него через микроамперметр напряжение питания. Для большего удобства при этом емкость конденсатора С1 можно уменьшить до 1…5 мкФ, а цепочку R2-VD1 не устанавливать. Выход генератора можно подключить к вольтметру или к высокоомному входу логического пробника. При этом можно заметить, что, во-первых, при уровне лог. «0» на выходе потребляемый генератором ток равен 5 мкА, а при уровне лог. «1» — 20 мкА, во-вторых, уровню лог. «0» соответствует напряжение 0,6 В (относительно обшего провода), а уровню лог. «1» — (+U) — 0,8 В, а в-третьих, генератор работает и без посторонней «помощи».

Проанализируем полученную информацию. Как видно из предпоследнего утверждения, выход генератора можно непосредственно соединить со входом цифровой микросхемы — амплитуда выходного напряжения достаточна для ее нормальной работы. А так как при уровне лог. «0» на выходе генератора потребляемый им ток гораздо меньше (я не знаю, с чем это связано — меня интересует сам факт, а не его причина), то нужно сделать так, чтобы при уровне лог. «0» на выходе DA1 схема «молчала», а при уровне лог. «1» — «пищала». Схема на рис. 2.9, б работает «неправильно» — генераторы запускаются при уровне лог. «0» на выходе DA1; для «исправления» схемы, чтобы она в статическом режиме «жрала» в 20 (мкА) : 5 (мкА) = 4 (раза) меньше, нужно «повернуть» диод VD1, заменить микросхему 4ИЛИ-НЕ на 4И-НЕ (К561ЛА7) и поставить на выходе DD1.4 эмиттерный повторитель на транзисторе структуры п-р-п. «Правильный» вариант схемы я здесь рисовать не буду, вы с этим можете справиться и самостоятельно.

Такой генератор можно встраивать во все цифровые устройства, которые «должны» экономить электроэнергию. Генератор на микросхеме К1407УДЗ работать начинает при однополярном напряжении питания, выше 1,2 В (сопротивление программирующего резистора 620 кОм) и до 30 В. Не все цифровые микросхемы работоспособны при столь малом напряжении питания — генераторы на логических элементах серии К561 начинают работать при напряжении от 2,5 В. При сопротивлении программирующего резистора 6,8 МОм генератор на этой микросхеме начинает работать при напряжении питания от 2,7 В, при этом потребляемый ток составляет 5 мкА, а ток короткого замыкания выходов — 500 мкА (0,5 мА). Максимальная частота генерации генератора на основе

К1407УДЗ зависит, в основном, только от сопротивления программирующего резистора и достигает 100 кГц. В режиме микротоков генератор работает на частотах до 10 кГц, и при уменьшении напряжения питания верхняя граница частотного диапазона сужается, и если она станет ниже частоты генерации, установленной внешними резисторами и конденсатором, то генератор «остановится». Для того чтобы «запустить» генератор при столь малом напряжении питания, нужно уменьшить сопротивление программирующего резистора, его минимальное сопротивление — 10 кОм.

Другой отечественный программируемый ОУ, К140УД12 (КР140УД1208, LM1776) работает точно так же, и этими микросхемами можно заменять друг друга; нужно только учитывать, что у УД12 программирующий резистор подключается к шине «-U», а не «+U». УД12 начинает работать при напряжении питания выше 1,5 В. Ее недостаток — при частоте генерации выше 100 Гц начинает увеличиваться потребляемый ток (независимо от сопротивления программирующего резистора), и на частоте 1 кГц он равен 500 мкА (напряжение питания 9 В). Но все равно цифровые микросхемы в составе генератора «жрут» еще больше (1,5…2,5 мА).

Недостаток программируемых ОУ — они дороговаты и, как правило, в одном корпусе бывает только один ОУ. Вместо программируемых можно использовать обычные ОУ — при напряжении питания, равном 9 В (±4,5 В), они потребляют 0,3…1,5 мА, стоят столько же, сколько и цифровые микросхемы, и в одном корпусе бывает до четырех ОУ. Компараторы по потребляемому току экономичней ОУ.

Во входных каскадах устройств, работающих с плавно изменяющимся входным напряжением, в принципе, можно использовать и цифровые, и аналоговые микросхемы. Цифровая схема в несколько раз проще аналого-цифровой и содержит минимальное количество деталей. Но аналого-цифровая хоть и сложней, потребляет от источника питания гораздо меньший ток. Поэтсму в тех случаях, когда 5 мА — «ничтожно малый ток», усложнять схему не нужно, и сравнивайте напряжения цифровыми микросхемами; а вот когда уменьшение потребляемого тока даже на 20% — уже достижение, с аналоговым сигналом должны работать аналоговые микросхемы.

Допустим, что нам нужно создать устройство, которое будет контролировать величину собственного напряжения питания и, как только оно станет больше или меньше нормы, включит звуковой генератор.

Для начала попробуем создать такое устройство на основе цифровых микросхем. Как известно, напряжение переключения цифровой микросхемы весьма слабо зависит от ее напряжения питания, поэтому для контроля напряжения питания вход логического элемента через переменный резистор можно непосредственно соединить с шинами питания (рис. 2.10, а). В этой схеме нижний инвертор реагирует на понижение напряжения питания (тогда на его выходе устанавливается «единица»), а верхний — на повышение — ив таком случае на выходе элемента DD1.2 устанавливается уровень лог. «1». Сигналы с выходов обоих каналов суммируются диодной схемой «2ИЛИ», и при «единице» на одном из выходов на выходе DD1.4 устанавливается уровень лог. «0», разрешающий работу генератора.

Эту схему можно упростить, если использовать многовходовые логические элементы (рис. 2.10, б). В этих схемах в качестве инвертора DD1.2 (рис. 2.10, а)

Рис. 2.10. Устройства контроля напряжения: а — схема на инверторах; б — усовершенствованные схемы на логических элементах; в — схемы на аналоговых микросхемах используется одни из «входных» элементов — благодаря этому отпала надобность в сумматоре. Надеюсь, вы сами разберетесь, как работают эти схемы.

Собрав одну из этих схем, вы заметите, что, пока напряжение питания находится в пределах нормы, потребляемый схемой ток не превышает нескольких микроампер, но при приближении к границе нормы он резко увеличивается в тысячи раз. Возникли сквозные токи. При дальнейшем изменении напряжения питания включится звуковой генератор (если напряжение питания пульсирующее, то он вначале будет «тарахтеть» в такт с пульсациями) и через некоторое время, при еще большем изменении напряжения питания, потребляемый схемой ток начнет уменьшаться.

Если вам такие «фокусы» не нужны, поставьте в схему компараторы или ОУ. Если задающий генератор схемы запускается уровнем лог. «О» — удобнее компараторы: их выходы можно соединить вместе (с ОУ так поступать нельзя!) и «обойтись» общим «подтягивающим» резистором. А вот если генератор запускается «единицей» — удобнее ОУ: сэкономите 2 резистора, через которые в «ждущем» режиме (пока напряжение в пределах нормы) протекает ток.

В отличие от рассмотренных выше, в такой схеме понадобится источник образцового напряжения. Проще всего собрать его на резисторе и стабилитроне или на генераторе тока и резисторе (или, что лучше, стабилитроне). Вариант на резисторе со стабилитроном самый дешевый, но большинство стабилитронов начинают нормально работать только при протекающем через них токе в несколько миллиампер, а это сказывается на энергопотреблении всей схемы. Впрочем, современные малогабаритные отечественные стабилитроны начинают стабилизировать напряжение при токе от 10 мкА. У стабилизаторов на основе генераторов тока (полевой транзистор) минимальный ток стабилизации может быть любой.

Для того чтобы меньше нагружать стабилизатор, его выход непосредственно соединим со входами компараторов (входной ток современных ОУ и компараторов ничтожно мал и не превышает 0,1 мкА), а подстроечные «регулирующие» резисторы включим так же, как и у рассмотренных выше схем. Получилось то, что изображено на рис. 2.10, в; генератор к выходам этих схем можно подключить любой. Если использовать в схеме счетверенные ОУ (компараторы), генератор можно собрать на «свободных» элементах.

А теперь, чтобы решить, какая из схем (цифровая или аналого-цифровая) лучше, сравним их характеристики:

Как видно, преимущества и недостатки есть у обеих схем, причем преимущества одной покрывают недостатки другой и наоборот. Поэтому не нужно изо всех сил стремиться собрать свое устройство по «правильной» схеме, в которой с цифровым сигналом работает цифровая микросхема, а с аналоговым — аналоговая; иногда нестандартное включение элементов, как на рис. 2.10, а и 2.10,6, позволяет сэкономить и на деталях, и на электричестве. Но с нестандартным включением нужно быть крайне осторожным: большинство элементов в таком режиме неустойчиво, и под влиянием малейших воздействий они могут «забастовать», а то и вообще выйти из строя. Предсказать развитие событий при нестандартном включении элементов очень сложно даже для опытных радиолюбителей-практиков, поэтому определить работоспособность (или неработоспособность) той либо иной «нестандартной» схемы можно только на макете. При этом вы заодно узнаете потребляемый схемой ток и некоторые другие, интересующие вас, характеристики, а также сможете подкорректировать номиналы отдельных элементов.

Особое место в истории электроники занимает так называемый «таймер 555», или попросту «555» (предприятие, разработавшее эту микросхему, назвало его «ΝΕ555», отсюда и пошло название). Микросхема эта представляет собой простую, как и все гениальное, комбинацию аналоговых и цифровых устройств, и благодаря этому ее универсальность потрясающа. В свое время (начало 90-х годов) во многих радиолюбительских изданиях действовала рубрика типа «придумай новое применение таймера 555» — тогда только стандартных схем включения этой микросхемы было предложено больше, чем страниц в этой книге.

Схема «внутренностей» этой микросхемы изображена на рис. 2.11. Как видно, она не очень сложна — два компаратора со встроенным делителем напряжения, RS-триггер и мощные выходы (до 200 мА), которые можно принудительно перевести в состояние лог. «0». Тем не менее именно такая конфигурация элементов чаще всего и нужна разработчикам схем, а благодаря наличию мощных выходов она незаменима в разнообразных выходных драйверах. Отсюда и такая популярность этой, не очень сложной, микросхемы. В скобках на рисунке указана более удобная, на мой взгляд, маркировка выводов микросхемы. После точки с запятой указана нумерация выводов микросхемы 556 — сдвоенного таймера 555.

Основные параметры таймеров: напряжение питания 3…18 В, потребляемый ток — 3 (6) мА, выходной ток — более 200 мА, максимальная рабочая частота — более 100 кГц, длительность фронта/спада выходных импульсов — не более 0,2 мкс. Также у этих таймеров есть КМОП-аналоги (ICM7555, ICM7556), у которых потребляемый ток уменьшен до 0,1 мА. Все остальные параметры совпадают, ток короткого замыкания выхода «output» на общий провод, при уровне лог. «1» на выходе, не превышает 10 мА (по крайней мере, именно такой выходной ток у нескольких имеющихся у автора микросхем ICM7555ID ф. Philips в корпусе для поверхностного монтажа).

В рабочем режиме на вход RO таймера должен быть подан уровень лог. «1» или этот выход должен быть «оторванным» (внутри микросхемы установлен «подтягивающий» резистор, его сопротивление у ТТЛ-таймера равно 5 кОм, у

Рис. 2.11. Таймеры 555, 556 и их КМОП-аналоги

КМОП — 100 кОм). При подаче на этот вход уровня лог. «0» оба выхода микросхемы принудительно переводятся в состояние лог. «0», а RS-триггер обнуляется, независимо от уровней на всех остальных входах.

Ко входу REF микросхемы обычно подключается фильтрующий конденсатор ‘за общий провод) емкостью более 0,01 мкФ. Этот конденсатор необязателен; изменяя напряжение на этом входе, можно изменять напряжение переключения входных компараторов.

При подаче на вход R напряжения, большего напряжения на выводе REF (2/3 Ucc), на выходах таймера устанавливается уровень лог. «0». Если теперь уменьшить напряжение на входе R, «нуль» на выходах микросхемы будет сохраняться до тех пор, пока напряжение на входе S не станет меньше половины напряжения на выводе REF (т. е. 1/3 Ucc). После этого на выходах таймера установится уровень лог. «1», который заменится «нулем» только после повышения напряжения на входе R.

Если вход S таймера «навсегда» соединить с общим проводом, то он «превратится» в мощный инвертор: пока напряжение на входе R меньше 2/3 Ucc, на выходах таймера — уровень лог. «1»; как только оно станет больше — на выходах установится уровень лог. «0». Напряжение переключения очень мало — не более 10 мВ, сквозных токов и гистерезиса переключения нет. При соединении входа R с шиной Ucc (напряжения на входа R и S могут быть от 0 до Ucc) таймер блокируется (на выходах — лог. «0») и не реагирует на сигнал на входе S. Входной ток по входам R и S у ТТЛ-таймеров не превышает 30 мкА (при уровне лог. «1» на входе R — 300 мкА), у КМОП-таймеров он в тысячи раз меньше.

Внутри микросхем входы R и S высокоомными резисторами соединены с шинами питания: S — с GND, R — с Ucc, поэтому эти входы могут кратковременно отключаться от схемы. У КМОП-таймеров такого нет.

К сожалению, не все авторы знают особенности внутреннего строения этого таймера. Так, во всех известных мне схемах вывод 4 соединен с выводом 8, хотя делать это совершенно необязательно; для перевода таймера в режим генератора обычно используется вывод 7, к которому «снаружи» подключается «подтягивающий» резистор — если вместо вывода 7 задействовать вывод 3 (такое на схемах встречается очень редко), можно сэкономить на резисторе, а заодно уменьшить потребляемый схемой ток, ведь через резистор тоже течет какой-то ток… Если бы авторы этих схем вначале «обкатали» бы таймер на макете, они б не допускали таких ошибок.

Стандартные схемы включения таймера 555 (отечественный аналог КР1006ВИ1) приведены на рис. 2.12. Схемы не очень сложны и, на мой взгляд, в пояснениях не нуждаются. Поэтому остановлюсь только на умножителях напряжения и модуляторах.

Умножители собраны по распространенной схеме с «летающим конденсатором» С2, на таймере собран мощный генератор. Пока на выходе таймера уровень лог. «О», конденсатор С2 заряжается через выход и диод VD1 практически до напряжения питания (Ucc — 1,5…2,0 В). Диод VD2 в это время закрыт, и конденсатор СЗ разряжается только через нагрузку (рис. 2.13).

Когда на выходе таймера появляется уровень лог. «1», можно считать, что отрицательный вывод конденсатора соединяется с шиной «Ucc» (рис. 2.13). Напряжение на диоде VD1 становится обратным, и он закрывается. А конденсатор С2 «превращается» в батарейку и через диод VD3 заряжает конденсатор СЗ — ведь, как известно, при последовательном соединении двух источников питания суммарное напряжение увеличивается.

Емкость конденсатора С2 невелика, поэтому он довольно быстро разряжается. Для того чтобы подзарядить его, на выходе управляющей им схемы нужно установить уровень лог. «0», что и делает генератор таймера. Но при этом заряжающий конденсатор СЗ ток прекращается, и он, под влиянием тока нагрузки, начинает разряжаться. Правда, значительно уменьшиться напряжение на нем не успевает — через некоторое время на выходе таймера появляется уровень лог. «1», и СЗ зарядится от С2. Очевидно, что чем выше частота генератора, тем меньше может быть емкость конденсатора С2. Учитывая линейную зависимость стоимости конденсатора от его емкости, это немаловажно. Правда, высокочастотные устройства генерируют гораздо больше помех, чем низкочастотные.

Аналогично работает и инвертор напряжения — надеюсь, вы сами поймете, как именно. Потребляемый обеими схемами ток равен удвоенному току нагрузки — в полном соответствии закону сохранения энергии; выходное напряжение обеих схем чуть меньше удвоенного напряжения питания — на диодах «падает» почти 1,5 В, чуть меньше — на выходе микросхемы. При использовании в схеме КМОП — аналога таймера 555 «снаружи» нужно поставить любой п-р-птранзистор средней мощности (ток коллектора больше 200 мА).

Рис. 2.12 (начало). Схемы включения таймера 555 и его аналогов

Модуляторы… Они применяются не только в радиовещании, как думают многие, но и в большинстве других систем. Ни одна импульсная схема работать без модулятора не будет. Поэтому знать принцип действия модулятора должен каждый уважающий себя радиолюбитель.

Рис. 2.12 (окончание). Схемы включения таймера 555 и его аналогов

Рис. 2.13. Пояснение принципа действия умножителя напряжения

А он (принцип действия) весьма прост: под воздействием внешнего аналогового (не цифрового!) модулирующего сигнала изменяется частота, скважность, или длительность выходного сигнала.

Модуляторы бывают двух видов: линейные и импульсные. Линейные модуляторы (амплитудные, частотные, фазовые и т. д.) используются только в радиовещании, поэтому рассматриваться здесь не будут. Импульсные модуляторы бывают широтно-импульсные (ШИМ) и фазо-импульсные (ФИМ). Друг от друга они практически ничем не отличаются, поэтому их нередко путают Делать этого нельзя — ведь если придумали для них два разных названия, значит, это кому-то было нужно. Отличаются они тем, что у ФИМ частота выходного сигнала неизменна (т. е. если длительность импульса в X раз увеличилась, то длительность паузы в X раз уменьшится), а у ШИМ — изменяется (длительность одного из полупериодов — импульса или паузы — всегда одинакова, а у другого — изменяется в такт модулирующему напряжению).

Рассматривать работу модуляторов будем по диаграммам, расположенным рядом с рисунками. Модулирующий сигнал для таймера 555 очень удобно подавать на его вход REF (этот вход у таймера 555 предназначен именно для этого; полагать «модулирующий» сигнал на вход REF других микросхем нельзя!), что обычно и делают.

Начнем с ФИМ. На таймере 555 этот модулятор практически ничем не отличается от обычного генератора, и частота выходных импульсов ФИМ рассчитывается по формуле для генератора. Но давайте посмотрим, что будет, если на вход REF «генератора» подать внешнее напряжение.

Как видно из диаграмм, под воздействием модулирующего напряжения изменяется скважность выходных импульсов, или, если кто забыл суть этого термина, отношение периода импульса (лог. «1» + лог. «О») к длительности импульса (лог. «1»). А происходит это вот почему.

Когда на вход REF не подается внешнее напряжение, напряжение на нем равно 2/3 напряжения питания и скважность выходных импульсов равна 2, т. е. длительность импульса равна длительности паузы. В этом нетрудно убедиться с помощью теоретических расчетов: уровень лог. «О» на выходе генератора установится только после того, как напряжение на его входах R и S станет равным 1/3 Ucc относительно шины «Ucc», а уровень лог. «1» — после того, как напряжение на входах станет равным 2/4 Ucc относительно общего провода. В обоих случаях падение напряжения на частотозадающем резисторе R1 одинаково, поэтому и длительности импульса и паузы одинаковы.

Предположим, что под воздействием внешнего сигнала напряжение на входе REF уменьшилось. Тогда уменьшится и напряжение переключения обоих компараторов таймера — допустим, до 1/4 и 2/4 соответственно. Тогда уровень лог. «1» сменится на лог. «О» на выходе таймера после того, как напряжение на частотозадающем конденсаторе увеличится от 1/4 Ucc до 2/4 Ucc, а уровень лог. «О» сменится уровнем лог. «1» после того, как оно уменьшится от 2/4 Ucc до 1/4 Ucc. Нетрудно заметить, что в первом случае падение напряжения на частотозадающем резисторе больше (при Ucc = 10 В оно изменяется от 7,5 В до 5,0 В), чем во втором (2,5 В —» 5,0 В), и, если вспомнить закон Ома, протекающий через резистор ток в первом случае будет в 2 раза больше, чем во втором, т. е. при уровне лог. «1» на выходе таймера конденсатор будет заряжаться в 2 раза быстрее, чем разряжаться — при уровне лог. «0». То есть длительность импульса в 2 раза меньше длительности паузы и при дальнейшем уменьшении напряжения REF скважность импульсов уменьшится еще сильнее.

Логично заметить, что при увеличении напряжения на входе REF скважность импульсов начнет увеличиваться, и как только оно превысит 2/3 Ucc, длительность импульса станет больше длительности паузы.

На основе такого модулятора очень удобно собирать разнообразные импульсные регулируемые стабилизаторы напряжения. Простейшая схема подобного регулятора приведена на рис. 2.14. Выходное напряжение регулятора регулируется переменным резистором R7 и может быть от 1,5…2 В до максимального входного напряжения.

Рис. 2.14. Импульсный регулируемый стабилизатор напряжения

Пока напряжение на конденсаторе С4 меньше выставленного резистором R7, напряжение на базе транзистора VT3 слишком мало и он закрыт. Длительность импульсов на выходе генератора максимальна (ее можно увеличить, включив между выводами 5 и 8 микросхемы DA1 резистор сопротивлением 1…5 кОм, но при этом увеличится потребляемый таймером ток), поэтому конденсатор С4 быстро заряжается. Как только напряжение на нем станет приближаться к значению, выставленному резистором R7, транзистор VT3 начнет приоткрываться, напряжение на входе REF DA1 начнет уменьшаться и длительность импульсов на выходе генератора будет уменьшаться. С каждым тактом колебаний генератора в конденсатор С4, через транзисторы VT1 и VT2, будет «закачиваться» все меньше энергии, пока, наконец, не наступит динамическое равновесие: конденсатор С4 получает ровно столько же энергии, сколько отдает в нагрузку — при этом напряжение на нем остается неизменным. Если ток нагрузки внезапно увеличится, напряжение на конденсаторе немножко уменьшится («нагрузка «садит» источник питания»), транзистор VT3 немножко закроется и длительность импульсов лог. «1» на выходе генератора будет увеличиваться, пока снова не наступит динамическое равновесие. При уменьшении тока нагрузки длительность импульсов, наоборот, будет уменьшаться.

Динамическое равновесие не нужно путать с истинным равновесием. Последнее наступает тогда, когда, например, на две чашки весов кладут гири одинаковой массы; такое равновесие весьма неустойчиво, и его очень легко нарушить, незначительно изменив массу любой гири. Аналогия истинного равновесия из мира электроники — это когда для уменьшения напряжения, для питания какой-нибудь низковольтной схемы от высоковольтного для нее источника питания используют гасящий резистор. Пока потребляемый схемой ток неизменен, неизменно и напряжение на ней. Но как только потребляемый ток увеличится, напряжение на схеме уменьшится — равновесие нарушилось.

Поэтому во всех современных схемах источников питания (и не только их) реализуется принцип динамического равновесия: часть схемы (она называется «цепь ООС» — этот термин вам уже знаком) следит за сигналом на выходе устройства, сравнивает его с эталонным сигналом (в схеме на рис. 2.14 «эталонное напряжение» — напряжение отпирания транзистора VT3; оно не очень стабильно, но нам большая точность и не нужна; для увеличения точности поддержания выходного напряжения неизменным транзистор можно заменить инвертором (kycU и 20…50) на ОУ) и, если два сигнала не равны друг другу, изменяет напряжение на выходе устройства в соответствующую сторону до тех пор, пока они не совпадут.

Так как в этой схеме в цепь ООС можно поставить только каскад с общим эмиттером (только такой транзистор, да еще дороговатый ОУ, может усилить сигнал по напряжению; a kycU в этой схеме, для увеличения стабильности выходного напряжения, должен быть значительный), то при увеличении напряжения на движке резистора R7 напряжение на входе REF будет уменьшаться, причем независимо от структуры (п-р-п или р-п-р) транзистора (попытайтесь это доказать). А так как уменьшается длительность импульса лог. «1», то силовой транзистор должен быть структуры п-р-п. Причем он должен быть включен по схеме с общим эмиттером, ведь напряжение питания DA1 гораздо меньше максима тьного выходного напряжения, а каскад с общим коллектором управляющий сигнал по напряжению не усиливает. Получается, что силовой транзистор должен быть включен в разрыв общего провода, а не шины «+U»; делать это ни в коем случае нельзя, если, конечно, вы не собираетесь создавать свои устройства по схеме с «общим плюсом», в которых ни одна современная микросхема нормально работать не будет.

Поэтому мне пришлось немножко схитрить: поставить на выходе DA1 промежуточный каскад на транзисторе п-р-п (VT1) и сигнал для управления силовым транзистором структуры p-n-p (VT2) снимать с этого транзистора. Правда, при этом возникла новая проблема: заряжаются емкости база-эмиттер транзисторов «со свистом», а вот разряжаются очень медленно. Из-за этого силовой транзистор открывается резко (что и надо), а закрывается весьма плавно, при этом падение напряжения на его выводах коллектор-эмиттер тоже плавно увеличивается и выделяющаяся на нем в виде тепла мощность резко возрастает. Поэтому для ускорения процесса запирания транзисторов пришлось поставить низкоомные резисторы R4 и R6. Из-за них экономичность усилителя при большом выходном токе больше, чем без них (уменьшаются потери энергии на нагрев радиатора транзистора VT2), а при малом (менее 200 мА) — меньше: только через резистор R6 в рабочем режиме протекает порядка 200…300 мА.

Резистор R2 нужно выбрать такого сопротивления, чтобы чбрез него протекал ток 20…25 мА. Дроссель L1 можно намотать на ферритовом кольце с внешним диаметром 3…4 см проводом диаметром 0,8…1,0 мм — примерно 100 витков, можно и больше. На плате общие выводы элементов С1, С2, VD1, DA1 должны быть соединены с конденсатором СЗ, а он — с С4; к С4 подключаются VD3 (дорожка потолще), R7 + VT3, VT1 + R4, общий питания, общий нагрузки. Подробнее об этом будет говориться в следующей части книги.

Реализовать широтно-импульсный модулятор на таймере 555 несколько сложней: для этого нужен дополнительный генератор запускающих импульсов. В этом и заключается принципиальное отличие ФИМ от ШИМ.

Как работает широтно-импульсный модулятор, хорошо видно из диаграмм. Длительность запускающих импульсов у такой схемы (как на рис. 2.12) модулятора должна быть как можно меньше, по крайней мере, к тому времени, как конденсатор С1 зарядится до напряжения переключения по входу R, на входе S уже должен быть установлен уровень лог. «1», который должен продержаться на нем некоторое время (примерно 1/100 от длительности импульса) для того, чтобы конденсатор С1 успел разрядиться. В противном случае возможно возникновение самовозбуждения на близкой к максимальной рабочей частоте для используемой в схеме микросхемы.

Источник: А. С. Колдунов, Радиолюбительская азбука. Том 2. Аналоговые устройства. — М.: СОЛОН-Пресс, 2004. 288 с. — (Серия «СОЛОН — РАДИОЛЮБИТЕЛЯМ» выпуск 24)

Оставить комментарий

Устройство витков выходе генератора импульсов микросхемы мощности нагрузки напряжение напряжения питания приемника пример провода работы радоэлектроника сигнал сигнала сигналов сопротивление схема теория транзистора транзисторов управления усиления усилитель усилителя устройства частоты