ГЕНЕРАТОР ПРЯМОУГОЛЬНЫХ ИМПУЛЬСОВ
В один прекрасный день мне понадобился срочно генератор прямоугольных импульсов со следующими характеристиками:— Питание: 5-12в
—
Частота: 5Гц-1кГц.
—
Амплитуда выходных импульсов не менее 10в
— Ток: около 100мА.
За основу был взят мультивибратор, он реализован на трех логических элементах микросхемы 2И-НЕ. Принцип которого при желании можно прочитать в Википедии. Но генератор сам по себе дает инверсный сигнал, что подтолкнуло меня применить инвертор (это 4-й элемент). Теперь мультивибратор дает нам импульсы положительного тока.
Естественно, предел указанный в моих требованиях не критичен. Все зависит от параметров С4 и R3 – где резистором можно плавно изменять длительность импульса. Принцип работы так же можно прочитать в википедии. Далее: для высокой нагрузочной способности был установлен эммитерный повторитель на транзисторе VT-1. транзистор применен самый распостранненый типа КТ315. резисторов R6 служит для ограничения выходного тока и зашита от перегорания транзистора в случае КЗ .
Микросхемы можно применять как ТТЛ , так и КМОП. В случае применения ТТЛ сопротивление R3 не более 2к. потому что: входное сопротивление этой серии приблизительно равно 2к. лично я использовал КМОП К561ЛА7 (она же CD4011) – два корпуса питание до 15в.
Отличный вариант для использования как ЗГ для какого ни будь преобразователя. Для использования генератора среди ТТЛ – подходят К155ЛА3, К155ЛА8 у последней коллекторы открыты и на выхода нужно вешать резисторы номиналом 1к.
При правильной сборке схемы, генератор заводится незамедлительно. Схема настолько проста, что ее может повторить даже малограмотный школьник, не вникая в принцип работы схемы. Удачи… Автор схемы: товарищ bvz.
Форум по микросхемам
Форум по обсуждению материала ГЕНЕРАТОР ПРЯМОУГОЛЬНЫХ ИМПУЛЬСОВ
Генераторы импульсов на цифровых КМОП микросхемах
На сегодняшнем мероприятии, посвящённом Дню пивовара России, поговорим о радиоаппаратах с самовозбуждением, а конкретно — об устройствах, охваченных цепью положительной обратной связи и позволяющих выдавать на выходе периодические сигналы определённой колебательной природы.
А начнём с самого простого — генераторов прямоугольных импульсов с использованием цифровых КМОП микросхем.
О состоянии дел на участке генераторостроительного цеха и изыскании внутренних резервов «доложит нам начальник транспортного цеха».
Опишем несколько схемных решений генераторов прямоугольных импульсов, построенных на различных микросхемах серии К561,
или каких-либо им подобным.
Все представленные схемы могут быть реализованы на элементах 2И—НЕ (ЛА7), 2ИЛИ—НЕ (ЛЕ5), триггерах Шмитта (ТЛ1), или
инверторах (ЛН2).
В качестве докладчика выступил и поделился своими знаниями в журнале Радио №1 (2000г) господин С.Елимов — достойный сын столицы славной, города-героя Шупашкар (по-нашему — Чебоксары).
|
Рис.1 |
|
|
Рис.2 |
Обе схемы обладают весомыми величинами потребления тока, увеличивающимся с повышениями
напряжения питания и частоты генерации. Значения эти находятся в диапазоне — от единиц до десятков мА. |
|
Рис.3 |
|
|
Рис.4 |
Скважность импульсов приведённых генераторов близка к двум, однако из-за несимметричности входных защитных цепей некоторых типов микросхем
возможно некоторое отклонение формы выходных сигналов от меандра. Как не прискорбно, но это факт — стабильность колебаний RC генераторов невысока. |
|
Рис.5 |
На Рис.5 показана схема простейшего LC-генератора. LC-цепь сдвигает фазу выходного сигнала элемента на 180°, в результате
чего происходит самовозбуждение генератора. |
Формулы для расчёта частоты рассматриваемых генераторов соответствуют напряжению питания 5В и температуре окружающей среды 25°С.
Нагрузочная способность генераторов такая же, как у элементов применяемых серий микросхем.
Нижний предел сопротивления резистора R1 соответствует приблизительной величине — не менее 1кОм, верхний — десятки МОм.
«Спасибо начальнику транспортного цеха! У нас есть вопросы к докладчику?»
Вопросов к докладчику не имеем, можно переходить к таблице для расчёта номиналов элементов генератора, исходя из заданной частоты генерации.
Схему, приведённую на Рис.5, из калькулятора вычёркиваем по причине существования ранее разработанной таблицы ссылка на страницу, позволяющей рассчитать элементы резонансного LC-контура для высоких и низких частот. Там же высчитывается и величина волнового (оно же — характеристическое) сопротивления получившегося LC-контура.
Для остальных схем, для получения на выходе предсказуемой формы сигнала со скважностью близкой к двум, рекомендую выбирать значение сопротивления резистора R1 от 10к и выше.
ТАБЛИЦА РАСЧЁТА НОМИНАЛОВ ЭЛЕМЕНТОВ ГЕНЕРАТОРОВ НА КМОП МИКРОСХЕМАХ.
Все представленные характеристики генераторов получены в результате экспериментов вышеуказанного уважаемого автора с конкретными образцами микросхем. С другими экземплярами микросхем характеристики могут быть несколько отличными.
Скважность импульсов описанных генераторов близка к двум, ну а генераторы импульсов с раздельной установкой длительности импульсов и паузы между ними рассмотрим на следующей странице.
Формирователи и генераторы импульсов Справочник по микросхемам ТТЛ и КМОП Любительская Радиоэлектроника
Формирователи и генераторы импульсов
В цифровых устройствах на микросхемах большую роль играют различные формирователи импульсов — от кнопок и переключателей, из сигналов с пологими фронтами, дифференцирующие цепи, а также мультивибраторы. В данном разделе книги рассмотрены некоторые вопросы построения таких формирователей и генераторов на микросхемах серий КМОП.
Как известно, непосредственная подача сигналов от механических контактов на входы интегральных микросхем допустима не всегда изза так называемого <дребезга> — многократного неконтролируемого замыкания и размыкания контактов в момент их переключения. Если входы, на которые подается сигнал, нечувствительны к дребезгу, например входы установки триггеров и счетчиков, непосредственная подача сигналов допустима (рис. 282). Подача сигналов на счетные входы требует специальных мер по подавлению дребезга, без них возможно многократное срабатывание триггеров и счетчиков.
В устройствах на микросхемах КМОП вполне применимы меры по борьбе с дребезгом, известные из опыта работы с микросхемами ТТЛ, например, включение статического триггера на двух элементах И-НЕ (рис. 283, а, б) или ИЛИ-НЕ. Однако чрезвычайно высокое входное сопротивление микросхем КМОП (порядка сотен и тысяч мегаом) и относительно высокое выходное сопротивление (сотни ом — один килоом) позволяет упростить цепи подавления дребезга, исключив резисторы (рис. 283, в, г). Вариантом схемы рис. 283 (г) является устройство по схеме рис. 283 (д), собранное всего лишь на одном неинвертирующем логическом элементе.
Здесь следует сказать несколько слов о неинвертирующих логических элементах серий КМОП. Большинство логических элементов этих серий являются инвертирующими. Неинвертирующими являются микросхемы К176ПУЗ, К561ПУ4, КР1561ПУ4, К176ПУ5,564ПУ6, К561ПУ8, К561ЛНЗ, К176ЛП2, К561ЛП2, К561ЛП13, К561ЛП14, К176ЛС1, К176ЛС2, К176ЛИ1, КР1561ЛИ2, К561ИК1. Как указывалось выше, микросхемы, содержащие в своем обозначении буквы <ПУ>, служат для согласования микросхем КМОП с микросхемами ТТЛ. По этой причине их выходные токи при подаче на их выходы напряжения питания или соединении выходов с общим проводом в устройстве по схемам рис. 283 (в, г, д) могут достигать многих десятков миллиампер,
что отрицательно сказывается на надежности устройств и может служить мощным источником помех. В мультивибраторах и триггерах Шмитта, описываемых ниже, также невыгодно применять такие микросхемы из-за больших токов, потребляемых ими в процессе плавного изменения входного сигнала. По тем же причинам не рекомендуется в описываемых здесь устройствах использовать инвертирующие микросхемы К176ПУ1, К176ПУ2, К561ЛН1, К561ЛН2.
Поэтому в дальнейшем под неинвертирующим логическим элементом подразумевается или два последовательно включенных любых инвертирующих элемента (кроме отмеченных выше), или микросхема КР1561ЛИ1, или микросхемы К176ЛП2, К561ЛП2, К561ЛП13, К561ЛП14, К176ЛС1, К561ЛС2, К561ИК1. включенные как неинвертирующие элементы. О возможности их использования в качестве неинвертирующих указано в предыдущей главе книги. Иногда удобно в качестве .неинвертирующего элемента использовать свободный триггер микросхемы К176ТМ2 или К561ТМ2 (рис. 284).
Микросхему К176ЛИ1 также можно использовать как неинвертирующий элемент рассматриваемых далее устройств, однако
это не очень удобно, так как в одной микросхеме содержится всего один девятивходовый неинвертирующий элемент И и один инвертор.
Большое входное сопротивление микросхем КМОП позволяет в некоторых случаях обойтись вообще без активных элементов для подавления дребезга. На рис. 285 (а) приведена схема подачи импульсов от кнопки на счетный вход триггера или счетчика. Конденсатор С1 в исходном состоянии заряжен до напряжения питания. При нажатии на кнопку размыкание нормально замкнутого контакта не приведет к изменению напряжения на конденсаторе С1. Первое касание подвижного и нормально разомкнутого контакта приведет к быстрому разря-ду конденсатора С1 и напряжение на нем станет равным нулю. Дальнейший дребезг контактов не приведет к изменению напряжения на конденсаторе. Недостатком схемы является опасность наводок помех на проводник, соединяющий кнопку и вход микросхемы. Если наводки действительно возникают, этот проводник следует заэкранировать.
Все рассмотренные выше схемы подавления дребезга требовали применения переключающих контактов кнопок. Если выполнение этого требования затруднено, возможно использование устройств по схемам рис. 285 (б, в). Цепь на схеме рис. 285 (б) формирует короткий импульс отрицательной полярности (порядка 0,7 мкс на уровне 0,5) в момент первого касания контактов кнопки, в результате чего конденсатор С1 быстро заряжается через резистор R2. Дальнейший дребезг контактов кнопки не влияет на выходное напряжение, так как разряд конденсатора С1 происходит через резистор R1 значительно большей величины.
Если необходимо получить длительность выходного импульса, равную длительности нажатия на кнопку с одной парой контактов, можно использовать подавление дребезга с помощью интегрирующей цепи и триггера Шмитта (рис. 285, в). Дребезг импульса на резисторе R1 сглаживается цепью R2C1. Триггер Шмитта DD1 формирует крутые фронты выходного сигнала.
Для подавления дребезга контактов кнопки с одной парой контактов можно использовать цепь, три варианта схемы которой приведены на рис. 286. Цепь по схеме рис. 286 (а) По функционированию близка интегрирующей цепи и триггеру Шмитта рис. 285 (в). В исходном состоянии на входе и выходе цепи лог. 1. При замыкании кнопки S1 на левой обкладке конденсатора С1 напряжение начинает снижаться и, если постоянная времени R2C1 выбрана достаточно большой, достигает порога переключения элемента DD1.1 после прекращения дребезга Элементы DD1.1 и DD1.2 переключаются, на выходе появляется лог. 0 Положительная обратная связь обеспечивает крутые фронты сигнала на выходе элемента DD1.2. При размыкании контактов переключение происходит аналогично. В результате на выходе цепи формируется импульс, длительность которого соответствует времени замыкания контактов, а фронт и спад импульса несколько задержаны относительно моментов замыкания и размыкания контактов (рис. 286, б).
Если необходимо получить фронты выходного сигнала точно в моменты размыкания или замыкания кнопки, можно использовать варианты цепи по схемам рис. 286 (в, д). Первая из них (рис. 286, в) при замыкании кнопки формирует на выходе лог. О аналогично цепи рис. 286 (а). При размыкании кнопки лог. 1 поступает на нижний по схеме вход элемента DD1.1, оба элемента DD1.1 и DD1.2 переключаются, лог. 1 с выхода элемента DD1.2 через конденсатор С1 поступает на вход элемента DD1.1 и удерживает его во включенном состоянии на время дребезга контактов кнопки S1 (рис. 286, г).
Аналогично работает цепь по схеме рис. 286 (д), однако ее включение происходит при первом замыкании контактов кнопки S1, выключение — после окончания дребезга разомкнувшейся кнопки (рис. 286, е).
Переключатели с взаимовыключением можно построить на основе многостабильного триггера. Вариант схемы переключателя на три положения приведен на рис. 287. При включении питания лог. 0 с разряженного конденсатора С1 через диод VD1 поступает на входы элементов DD1.1 и DD1.2 и выключает их. На их выходах появляются лог. 1, которые, поступая через резисторы R1 и R2 на входы элемента DD1.3, включают его, и лог. 0 с его выхода удерживает элементы DD1.1 и DD1.2 в выключенном состоянии и после заряда конденсатора С1 через резистор R4. Таким образом, в исходном состоянии на выходах 1 и 2 лог. 1, на выходе 3 — лог. 0.
При нажатии на кнопку SB1 на выходах 2 и 3 появляется лог. 1, на выходе 1 — лог. 0. Аналогично при нажатии на кнопку SB2 лог. 0 появляется на выходе 2, на кнопку SB3 — на выходе 3. Переключение выходных сигналов происходит без дребезга.
При одновременном нажатии двух или трех кнопок на всех трех входах появляется лог. 1, что соответствует отсутствию активных выходных сигналов. При отпускании кнопок лог. 0 появится на выходе, соответствующем последней нажатой кнопке. Однако снятие и появление выходных сигналов при нажатии нескольких кнопок происходит без подавления дребезга.
Недостаток такого переключателя — необходимость применения логических элементов с большим числом входов для построения переключателей на большое число положений. Для переключателя на
четыре положения необходимо четыре трехвходовых элемента И-НЕ (ИЛИ-НЕ), для переключателя на пять положений — пять
четырехвходовых элементов. При большем числе положений переключатели целесообразно строить на других принципах.
На рис. 288 приведена схема переключателя на четыре положения. При включении питания цепь C1R6 устанавливает все триггеры микросхемы DD1 в нулевое состояние. При нажатии любой из кнопок, например SB1, в момент размыкания верхнего по схеме контакта кнопки на вход D1 микросхемы приходит лог. 1, в момент замыкания нижнего контакта на вход С — лог. 0. При размыкании кнопки изменение сигнала на входе С с лог. 0 на лог. 1 установит триггер со входом D1 в единичное состояние, на выходе 1 появится лог. 1. Так работал бы переключатель, если бы не было дребезга контактов. Из-за дребезга единица записывается в триггер при нажатии кнопки.
При нажатии любой другой кнопки после отпускания первой в единичное состояние установится соответствующий ей триггер, а первый триггер сбросится. Если нажать вторую кнопку, не отпуская первой, лог. 1 останется на выходе, соответствующем первой кнопке. Однако если вначале будет отпущена первая кнопка, затем вторая, в момент отпускания второй кнопки лог. 1 появится на выходе, соответствующем второй кнопке.
Переключатель по схеме рис. 288 может быть изготовлен и на большее число положений, его недостатком является необходимость использования переключающих контактов кнопок. Если необходимо изготовить переключатель на большое количество положений при использовании кнопок с одной парой замыкающих контактов, можно воспользоваться схемой рис. 289.
Цепь C1R5 служит для начальной установки в нулевое состояние триггеров микросхем DD3 и DD4. При нажатии любой из кнопок, например SB1, лог. 1 поступает на соответствующий вход одной из микросхем DD3 или DD4, в данном случае на вход D1 микросхемы DD3. Кроме того, лог. 1 через элемент ИЛИ (DD1, DD2.1) поступает на цепь подавления дребезга R6, С2, DD2.2, DD2.3 и с небольшой задержкой
появляется на входах С микросхем DD3 и DD4. В результате соответствующий триггер устанавливается в единичное состояние и на выходе переключателя появляется лог. 1. В данном случае лог. 1 появится на выходе 1 переключателя.
Если при нажатой кнопке нажать еще одну или несколько кнопок переключателя, изменений в состоянии переключателя не произойдет как при нажатии, так и при отпускании кнопок. Запись в триггеры переключателя возможна только при нажатии кнопки из состояния, в котором все кнопки отпущены.
Принципиально в переключателях по схемам рис. 288 и 289 возможно появление одновременно двух выходных сигналов при одновременном нажатии двух кнопок. Для переключателя по схеме рис. 288 это возможно в том случае, когда при нажатии двух кнопок их подвижные контакты будут одновременно находиться в незамкнутом ни с одним неподвижным контактом состоянии. Для переключателя по схеме рис. 289 одновременное появление двух выходных сигналов произойдет в случае, когда интервал времени между нажатием кнопок будет меньше задержки цепи подавления дребезга.
Для преобразования напряжения из синусоидального или другой формы с плавными фронтами в прямоугольные импульсы с хорошей формой используются триггеры Шмитта (рис. 290). Для этой схемы эффективное значение входного напряжения синусоидальной формы должно составлять от 0,25 до 0,5 напряжения питания.
Описанные в первом разделе триггеры микросхем К561ТЛ1 и КР1561ТЛ1, а также триггер на основе микросхемы К176ЛП1 имеют неизменяемые пороги переключения. При необходимости использования триггеров Шмитта с другими порогами можно строить их, охватывая обратной связью неинвертирующий логический элемент и подавая входной сигнал через резистор (рис. 291). Пороги включения Uвкл и выключения Uвыкл такого триггера можно найти по формулам:
Uвкл= (1 + R1/R2)Uпор
Uвыкл=Uпор-(Uпит-Uпор)R1/R2 где Uпор — пороговое напряжение логическо
го элемента. Обычно пороговое напряжение логических элементов близко к половине напряжения питания, поэтому пороги включения и выключения можно вычислить по формулам:
Uвкл = (1 + R1/R2)Uпит/2;
Uвыкл=(1-R1/R2)Uпит/2.
Ширина петли гистерезиса Uг (разность порогов включения и выключения) не зависит от Uпор и равна:
Uг=UпитR1/R2.
Для формирования коротких импульсов из перепадов на выходах микросхем применяют дифференцирующие цепи. На рис. 292 (а) показана дифференцирующая цепь для получения импульса по фронту входного импульса положительной полярности, на рис. 292 (б) — по спаду. Диоды VD1 и VD2 являются защитными и входят в состав микросхем серий К561, КР1561,564 и серии К176 выпуска последних лет. Как указывалось в первом разделе, в микросхемах серии К176 старых выпусков установлен только один диод — стабилитрон VD2 с напряжением включения порядка 30 В.
Резистор R2 служит для ограничения входного тока через конденсатор СГи входные диоды VD1 и VD2. Нагружая микросхему — источник сигнала, этот ток увеличивает длительность фронта на выходе микросхемы — источника, а ток более 20 мА, текущий через защитные
диоды, может привести к порче микросхем, подключенных ко входу и выходу дифференцирующей цепочки, особенно при питании устройства от источника питания с напряжением более 9 В. Сопротивление резистора R2 выбирают порядка 3…10 кОм, если напряжение питания менее 9 В и увеличение нагрузки на микросхему — источник сигнала не является принципиальным, этот резистор не ставят.
Эффективная длительность импульсов на выходе дифференцирующей цепочки 0,7R1C1, длительность спада — 2R1C1.
В радиолюбительских конструкциях для формирования коротких импульсов из перепадов можно встретить так называемую RCD-цепь, схема одного из вариантов которой приведена на рис. 293, иногда она используется без диода. Такая цепь по результату своей работы эквивалентна простейшей дифференцирующей цепочке, но сложнее ее, не имеет никаких преимуществ и поэтому не может быть рекомендована к применению.
В этом отношении интересна цепь по схеме рис. 294, формирующая короткие выходные импульсы по фронту и спаду входного. Длительность импульсов на выходе формирователей по схемам рис. 293 и 294 такая же, как и для дифференцирующей цепочки, — 0.7R1C1.
Импульсы с фронтами или спадами длительностью более 10 мкс, поступая на входы микросхем КМОП, могут вызывать их генерацию, неустойчивую работу триггеров и счетчиков, поэтому при необходи-мости получения импульсов с длительностью более 10 мкс после диф(ференицуюшей цепочки целесообразно установить триггер Шмитта.
Другим решением для формирования длительных импульсов является применение ждущих мультивибраторов.
Описанные выше ждущие мультивибраторы КР1561АГ1 не всегда доступны, а если в устройстве нужен всего один ждущий мультивибратор, его тем более удобно собрать на логических элементах. На рис. 295 при-
ведена основная схема ждущего мультивибратора на элементах И-НЕ, запускаемого спадом положительного импульса. В исходном состоянии конденсатор С2 разряжен, на обоих входах элемента DD1.1 и на выходе элемента DD1.2 лог. 1. При поступлении с выхода дифференцирующей цепочки короткого импульса отрицательной полярности элемент DD1.1 выключается (рис. 296), DD1.2 включается и на его выходе появляется лог. 0. Спад напряжения с выхода элемента DD1.2 через конденсатор С2 передается на вход элемента DD1.1 и поддерживает его в выключенном состоянии. Конденсатор С2 начинает заряжаться током через резистор R2 от нуля до напряжения питания. Когда напряжение на левой по схеме обкладке конденсатора С2 достигнет порога включения элемента DD1.1, он включится, на выходе элемента DD1.2 напряжение начнет повышаться, это повышение, передаваясь через С2 на вход DD1.1, вызовет лавинообразный
процесс переключения обоих элементов. Диод VD1 необходим, если требуется быстрое восстановление исходного состояния ждущего мультивибратора. Он не нужен, если используются элементы микросхем серий К561, КР1561, 564 или К176 с двумя защитными диодами, так как диоды входят в их состав.
В радиолюбительских конструкциях распространен ждущий мультивибратор по схеме рис. 297. При запуске мультивибратора коротким импульсом отрицательной полярности оба инвертора переключаются и напряжение на входе инвертора DD2 начинает снижаться по экспоненте, стремясь в пределе к нулю (рис. 298). Когда оно приближается к порогу переключения инвертора DD2, напряжение на его выходе начинает плавно повышаться, и когда оно достигнет порога переключения элемента DD1, напряжение на его выходе начинает снижаться, замыкается положительная обратная связь, возникает лавинообразный процесс переключения элементов мультивибратора.
Нетрудно видеть, что спад импульса, сформированного таким ждущим мультивибратором на выходе DD2, имеет затянутый участок, сигнал с этого выхода использовать нежелательно, следует использовать импульсы с выхода элемента DD1.
Иногда в радиолюбительских конструкциях можно встретить случаи запуска ждущего мультивибратора, собранного по схеме рис. 297, импульсом, длительность которого превышает длительность выходного импульса, без дифференцирующей цепи на входе. В этом случае устройство формирует выходной импульс соответствующей длительности с пологим спадом (рис. 299, г). Однако положительная обратная связь не замыкается, соединение выхода инвертора DD2 со входом DD1 никакой роли не играет. При таком запуске устройство эквивалентно двум инверторам, между которыми включена дифференцирующая цепь. Более целесообразно применить описанный выше ждущий мультивибратор, собранный по схеме рис. 295. В нем импульс на выходе DD1.2 не имеет затянутых фронтов (рис. 296), входной импульс для DD1.1, как для ждущего мультивибратора по схеме рис. 297, должен быть короче выходного.
Использование микросхем, которые могут работать в качестве логических неинвертирующих элементов И или ИЛИ, позволяет упростить схемы ждущих мультивибраторов. На рис. 300 (а) приведена схема ждущего мультивибратора на одном логическом элементе ИЛИ из микросхемы К561ЛС2, на оба управляющих входа которой подано напряжение питания. На рис. 300 (б) проиллюстрирована
возможность стробирования запуска четырех ждущих мультивибраторов на микросхеме К561ЛС2. Мультивибратор может запуститься лишь при подаче на вход Строб лог. 1 и фронта положительного импульса на вход запуска. Генерируемый импульс может быть оборван подачей лог. 0 на вход Срыв.
Большой гибкостью в отношении своего запуска обладают ждущие мультивибраторы нa JK- и D-триггерах. Устройства по схеме рис. 301 могут быть запущены или коротким импульсом, подаваемым на вход S триггера, или фронтом положительного импульса, подаваемого на вход С. Лог. 1, появляющаяся на прямом выходе триггера при запуске, через резистор R1 начинает заряжать конденсатор С1. Когда напряжение на конденсаторе достигнет порога переключения триггера по входу R, триггер переключится в исходное состояние. Диод VD1 служит для ускорения разряда конденсатора и восстановления исходного состояния, во многих случаях он может быть исключен. Длительность импульсов для ждущего мультивибратора определяется по той же формуле> что и для дифференцирующей цепочки.
Длительность импульсов, подаваемых на вход S триггеров для запуска мультивибраторов, должна быть меньше длительности формируемых импульсов. По входам С мультивибраторы запускаются по фронтам импульсов независимо от их длительности. Недостаток ждущих мультивибраторов, собранных по схемам рис. 301, — большая длительность спадов формируемых на обоих выходах импульсов, приводящая к неодновременному переключению элементов, подключенных к ним. Во всех описанных выше мультивибраторах возможно применение полярных конденсаторов.
Если в ждущих мультивибраторах на JK- и D-триггерах левый по схеме вывод конденсатора отключить от общего провода и подключить к инверсному выходу триггера (рис. 302), можно существенно уменьшить длительность спада формируемого импульса на инверсном выходе триггера. В этих ждущих мультивибраторах нельзя, однако. применять полярные кондесаторы.
Малая длительность спада на инверсном выходе триггера объясняется тем, что положительная обратная связь замыкается через времязадающий конденсатор при незначительном возрастании напряжения на этом выходе, а не когда оно достигнет порога переключения элемента.
Все же, если не требуется возможность запуска ждущего мультивибратора по двум входам, из которых один чувствителен именно к фронту импульса, применять ждущие мультивибраторы на JK-и D-триггерах нецелесообразно. Более того, если можно обойтись дифференцирующей цепочкой, никакой ждущий мультивибратор лучше не использовать вообще.
Широко используемая схема простого генератора импульсов (мультивибратора) приведена на рис. 303. Работа такого мультивибратора несколько различается для случаев применения в них микросхем серии К176 с одним защитным диодом или серии К176 и остальных серий с двумя диодами.
Форма колебаний в генераторе на микросхемах с одним диодом приведена на рис. 304. Верхняя диаграмма показывает зависимость от времени напряжения на левой обкладке конденсатора, нижняя -на выходе генератора. Спад напряжения
с выхода элемента DD2, поступая на вход элемента DD1 через конденсатор С1 и резистор R2, ограничивается входным диодом на уровне, близком к лог. О, после чего начинается заряд конденсатора через резистор R1, повышающий напряжение на левой обкладке конденсатора. Время его заряда до порогового напряжения примерно равно 0.7R1C1. Лавинообразный процесс переключения элементов приведет к передаче с выхода элемента DD2 на вход элемента DD1 положительного перепада напряжения с амплитудой, равной напряжению питания. Перезаряд конденсатора С1 в сторону уменьшения напряжения на левой обкладке начнется от напряжения Uпит + Uпор , в результате чего на этот процесс уйдет большее время — около 1,1R1C1. Полный период колебаний составит 1.8R1C1, частота — 0,55/R1CI.
Если в генератор установлены микросхемы с двумя защитными диодами, длительность обоих процессов перезаряда конденсатора будет одинаковой — 0.7R1C1, полный период — 1.4R1C1, частота — 0,7/R1C1.
Резистор R2 нужен, как и в дифференцирующих цепочках, для ограничения тока через входные диоды и уменьшения нагрузки на элемент DD2. Если его величина значительно меньше, чем у резистора R 1, он на частоту генерации не влияет. При соизмеримых величинах R1 и R2 частота генерации несколько снижается по сравнению с рассчитанной по приведенным выше формулам. Часто резистор R2 не ставят или устанавливают последовательно с конденсатором С1.
Хорошо известна также схема мультивибратора на двух инверторах (рис. 305), но частота генерации в нем менее стабильна.
Приведенное выше описание работы мультивибратора опиралось на идеализированную модель инвертора, в котором выходной сигнал равен напряжению питания, пока входное напряжение меньше порога переключения, и равно нулю, если входное напряжение выше порога. Однако в реальных микросхемах есть более или менее протяженный участок зависимости выходного напряжения от входного, на котором плавное изменение входного сигнала приводит к плавному изменению выходного (рис. 161). Он хорошо заметен в инверторах микросхемы К561ЛН2, элементах ИЛИ-НЕ серии К561, инверторах генераторов микросхем К176ИЕ5, К176ИЕ12, К176ИЕ18. В большинстве микросхем серии К176 и всех микросхемах серии КР1561 имеется два дополнительных инвертора, которые делают передаточную характеристику очень резкой, иногда даже гистерезисной. Наличие плавного участка и приводит к различию в работе генераторов по схемам рис. 303 и 305.
Рассмотрим подробно работу генератора по схеме рис. 303 на элементах с двумя защитными диодами с момента, когда на входе инвертора DD1 напряжение равно нулю. В этом случае на выходе инвертора DD2 напряжение также равно нулю, а на выходе DD3 — напряжению питания. Конденсатор С1 заряжается через резистор R1 по экспоненте, напряжение на его левой обкладке при этом стремится в пределе к напряжению питания (рис. 306, а). Когда напряжение на входе DD1 подойдет к порогу переключения, напряжение на выходе DD1 начнет плавно снижаться (рис. 306, б) и когда оно приблизится к порогу переключения инвертора DD2, напряжение на выходе DD2 начнет повышаться (рис. 306, в). Небольшое повышение напряжения на выходе инвертора DD2 передастся через конденсатор С1 на вход DD1, что вызовет лавинообразный процесс переключения всех инверторов генератора. Напряжение на выходе инвертора DD3 станет равным
нулю, на входе DD1 несколько превысит напряжение питания (оно будет ограничено входным защитным диодом инвертора), начнется аналогичный рассмотренному выше процесс перезаряда конденсатора с плавным уменьшением напряжения на входе DD1.
Если рассмотреть процессы в генераторе по схеме рис. 305 с того же момента, можно заметить, что вначале заряд конденсатора С1 происходит аналогично (рис. 307, а). Отличие начинается тогда, когда напряжение на выходе инвертора DD1 начинает уменьшаться (рис. 307, б). Уменьшение напряжения на выходе DD1 приведет к уменьшению напряжения на резисторе R1, что уменьшает скорость перезаряда конденсатора. Отрицательная обратная
связь через резистор R1 стремится установить напряжения на входе и выходе инвертора DD1 равными, в результате чего скорость изменения напряжения на выходе инвертора DD1 уменьшается и на спаде импульса появляется характерная ступенька. Если порог переключения инвертора DD2 равен порогу переключения инвертора DD1, при приближении напряжения на выходе DD1 к этому порогу начнется повышение напряжения на выходе DD2 (рис. 307, в), что вызовет лавинообразный процесс переключения обоих инверторов генератора.
Нетрудно видеть, что при тех же параметрах времязадающей RC-цепи период колебаний в генераторе по схеме рис. 305 будет несколько больше, чем у генератора по схеме рис. 303, а стабильность периода — хуже, так как напряжение на входе DD1 перед началом лавинообразного процесса меняется более плавно, и небольшие изменения порогового напряжения одного инвертора относительно другого приведут к значительному изменению периода работы генератора. Более того, при значительном отличии порогов переключения инверторов (а в микросхемах КМОП диапазон положения порога переключения составляет от 1/3 до 2/3 напряжения питания) генератор может вообще не заработать — напряжение на выходе первого инвертора за счет отрицательной обратной связи через резистор R1 застабилизируется на уровне его порога переключения, при этом оно будет находиться вне зоны переключения второго инвертора, положительная обратная связь через конденсатор С1 не замкнется, и инвертор DD2 не переключится. Поэтому в генераторе
по схеме рис. 305 следует всегда использовать инверторы одной микросхемы. Для генератора по схеме рис. 303 разброс порогов переключения инверторов не играет никакой роли, и инверторы могут быть из разных микросхем.
Поскольку процесс переключения инверторов в генераторе по схеме рис. 305 длится большее время, потребляемый этим генератором от источника питания ток больше.
Из рассмотрения работы генераторов следует важный практический вывод — выходной сигнал нежелательно снимать с выхода инвертора, к входу которого подключены времязадающие конденсатор и резистор (DD1). Фронты импульсов на этом выходе затянуты, кроме того, в генераторе по схеме рис. 305 на фронтах на этом выходе имеется ступенька, и их использование может привести к неодновременному срабатыванию элементов, подключенных к этому выходу, изза разброса порогов переключения микросхем. Кроме того, для триг-геров и счетчиков техническими условиями длительность фронтов импульсов, подаваемых на счетный вход, ограничена сверху, и подача затянутых фронтов на них недопустима. Эта рекомендация относится и к другим схемам генераторов и ждущих мультивибраторов.
Следует отметить, что из-за емкостной нагрузки несколько затягиваются фронты импульсов также на тех выходах элементов генераторов и ждущих мультивибраторов, к которым подключены времязадающие конденсаторы (DD2 на рис. 303 и 305). Поэтому выходные импульсы генератора по схеме рис. 303 лучше брать с выхода DD3, в любим генераторе или ждущем мультивибраторе устранить такое затягивание фронта можно включением последовательно с конденсатором или с входом DD1 резистора с сопротивлением 5…10 кОм.
В генераторе на трех инверторах (рис. 303) два из них (DD1.1 и DD1.2) можно заменить на повторитель сигнала. Удобно использовать микросхему К561ЛП2, поскольку каждый ее элемент может работать или как повторитель сигнала при соединении второго входа с общим проводом, или как инвертор при подаче на второй вход напряжения источника питания (рис. 308).
Отметим также, что если в качестве первого инвертора в генераторах по схемам рис. 303 и 305 ис-
пользовать триггер Шмитта, их работа и параметры различаться не будут — при достижении напряжения на входе инвертора DD1 соответствующего порога переключения он скачкообразно переключается, что приводит к четкому переключению последующих инверторов (рис. 309).
Для построения генераторов очень удобны элементы микросхем, имеющие прямые и инверсные выходы и непосредственное прохождение сигнала со входа на эти выходы. На рис. 310 (а) приведена схема генератора на элементе микросхемы К176ПУ5, на рис. 310 (б) — на части микросхемы К561ТМЗ. По этим схемам можно строить до четырех генераторов на одной микросхеме. В схеме рис. 310 (а) оба вывода питания микросхемы К176ПУ5 (15 и 16) должны быть объединены, на них подано напряжение 5…10 В. В устройстве по рис. 310 (б) входы С1 и С2 могут использоваться для блокировки работы генераторов при подаче на один из них низкого уровня, на другой — высокого.
На рис. 311 приведена схема генератора, удобного в тех случаях, когда необходимо получить сетку частот, переключаемых при помощи набора резисторов, и подстройку частот этой сетки пои сохранении отношений частот (частотного строя). Переключателем SA1 можно выбрать любой из резисторов R4 — Rп, задающих частоту, а подстроить частоту можно переменным резистором R2, при этом любая подстройка резистором R2 будет приводить к одинаковому относительному изменению любой из частот, выбранной переключателем. При смещении движка резистора R2 вверх по схеме уменьшаются перепады напряжения, передаваемые через конденсатор С1 на вход элемента DD 1, скорость перезарядки конденсатора при этом не меняется, поэтому частота импульсов увеличивается. Резистор R1 необходим для установки диапазона регулирования частоты резистором R2, этот диапазон может быть установлен от единиц процентов до нескольких десятков и даже ста раз.
Для того чтобы регулировка частоты при помощи резистора R2 была эффективной, необходимо исключить ограничение перепадов напряжения, передаваемых через конденсатор С1, которое существует в традиционных схемах генераторов, на входных диодах элемента DD1. Для этого установлен резистор R3, его сопротивление должно быть равно сумме сопротивлений резисторов R1 и R2 или несколько больше, чтобы по крайней мере в 2 раза уменьшить величину перепада. При меньшей величине или отсутствии R3 частота практически не изменяется, если сопротивление нижней по схеме части резистора R2 в сумме с R3 меньше сопротивления верхней части R2 в сумме с R1.
Чтобы сохранить строй при регулировке частоты, сопротивление резистора R3 должно быть в несколько десятков раз меньше, чем резисторов R4 — Rп. Для облегчения выполнения этого условия между выходом элемента DD2 и резистором R3 можно установить эмиттерный повторитель на транзисторе р-n-р. Верхний вывод резистора R1 можно подключить И к общему проводу, но нагрузочная способность микросхем КМОП, так же как ТТЛ, в единичном состоянии ниже, чем в нулевом, поэтому выполнение указанного выше условия в этом случае затруднено. Ориентировочные значения сопротивлений резисторов: R1 в сумме с R2 и R3 не менее 5 кОм, R1 — более 0,01R2, R4 -Rп — в 30 и более раз больше суммы R1 и R2. При наличии эмиттерного повторителя номиналы всех резисторов можно уменьшить в 10 раз.
Данный генератор удобно использовать для модуляции частоты импульсов, если на верхний по схеме вывод резистора R1 подать управляющее переменное напряжение.
На рис. 312 (а) приведена схема генератора, в котором можно отдельно регулировать длительность импульса и паузу между импульсами. В генераторе по схеме рис. 312 (б) можно в широких пределах регулировать скважность импульсов, практически не изменяя их частоту.
Запуск любого генератора и его останов можно производить установкой в качестве любого из DD1 — DD3 какого-либо двухвходового логического элемента (И-НЕ, ИЛИ-НЕ, Исключающее ИЛИ) и подачей на его второй вход управляющего сигнала.
На рис. 313 приведена схема генератора, формирующего пачки импульсов с частотой заполнения 1000 Гц, частота повторения пачек — около 1 Гц, длительность — 0,5 с. Генерация пачек происходит лишь при подаче лог. 1 на вход Запуск генератора. Первый импульс первой пачки появляется сразу после подачи разрешающего сигнала.
На рис. 314 приведена схема генератора, генерирующего на своем выходе импульсы, задержанные относительно момента подачи разрешающего сигнала. Все генерируемые на Вых. 1 генератора импульсы имеют одинаковую длительность. Если сигнал разрешения снимается до окончания очередного импульса, импульс генерируется полностью. На Вых. 2 импульсы появляются сразу после подачи разрешающего сигнала, но последний импульс может быть неполной длительности.
Если необходимо совместить выдачу импульсов сразу после сигнала разрешения с обеспечением полной длительности последнего импульса независимо от момента снятия импульса разрешения, можно использовать генератор по схеме рис. 315 (а).
Особенность этого генератора — его универсальность. Если входной запускающий импульс отрицательной полярности имеет длительность, меньшую периода колебаний генератора, на его выходах
сформируется один импульс, то есть генератор действует как ждущий мультивибратор. При подаче входного импульса с длительностью, превышающей период, будет сформировано несколько импульсов полной длительности (рис. 315, б).
Простой управляемый генератор можно собрать на основе триггера Шмитта микросхемы К561ТЛ1 или КР1561ТЛ1 по схеме рис. 316 (неуправляемый — на триггере рис. 275). При лог. 0 на входе Запуск на выходе — лог. 1. При подаче на
вход Запуск лог. 1 на выходе появляется лог. 0, начинается разряд конденсатора С1. Когда напряжение на нем доходит до нижнего порога переключения, на выходе появляется лог. 1 и начинается заряд конденсатора до верхнего порога переключения. Особенностью генератора является отсутствие резких бросков тока на начальных участках перезаряда конденсатора, характерных для описанных выше генераторов.
Триггеры Шмитта целесообразно также использовать в цепях установки начального состояния цифровых устройств в тех случаях, когда постоянная времени установления выходного напряжения источника питания велика и необходимо обеспечить большую длитель-
ность импульса сброса и его крутой спад (рис. 317).
При необходимости можно собрать генератор из двух ждущих мультивибраторов одной микросхемы КР1561АГ1, схема такого автогенератора приведена на рис. 318 (без времязадающих цепей). Времязадаюшая RC-цепь ждущего мультивибратора DD1.1 определяет
длительность положительных импульсов на выходе 1, RC-цепь, подключенная к DD1.2, — длительность паузы между ними.
При необходимости получения колебаний с частотой 100 Гц и менее для уменьшения габаритов применяемых конденсаторов удобно использовать задающий генератор на относительно высокую частоту с последующим делением частоты многоразрядным делителем К176ИЕ5, К176ИЕ12, К176ИЕ18, К561ИЕ16, КР1561ИЕ20. Особенно удобны для такого варианта первые три микросхемы, так как они содержат необходимые для построения задающего генератора элементы. На рис. 319 приведена схема генератора на микросхеме К176ИЕ5. Задающий генератор собран на логических элементах DD1.1 и DD1.2, его схема эквивалентна схеме рис. 303. Выход задающего генератора внутри микросхемы подключен к делителю частоты на 512 DD1.3. Микросхема имеет еще один делитель частоты на 32 и 64 DD1.4. Вход этого делителя может быть подключен или к выходу задающего генератора F, или к выходу первого делителя, в последнем случае частота на выходе 15 будет в 32768 раз меньше частоты задающего генератора.
Схема RC-генератора на микросхеме К176ИЕ12 приведена на рис. 320. Задающий генератор по схеме рис. 305 на инверторах DD1.1 и DD1.2 подключен ко входу делителя DD1.3, коэффициент деления которого составляет 32768. Делитель также имеет выходы, частота импульсов на которых меньше частоты задающего генератора в 32,256, 16384 раз. Импульсы с частотой F/256 выведены на четыре выхода, их
фазовые соотношения для частоты задающего генератора 32768 Гц приведены на рис. 204. При их использовании следует помнить о коротких <просечках> на выходах Т1 и ТЗ, также показанных на рис. 204.
Микросхема имеет еще один счетчик с коэффициентом деления, равным 60. Его вход может быть подключен как к задающему генератору, так и к любому выходу первого счетчика. При подключении его к выходу S1 частота импульсов на выходе второго делителя будет в 196608 раз меньше частоты задающего генератора.
Хотя стабильность частоты RC-генераторов на микросхемах КМОП довольно высока (особенно в сравнении с генераторами на микросхемах ТТЛ), в ряде случаев более удобно применить кварцевый генератор с последующим делением частоты до необходимого уровня. Такой вариант получения необходимой частоты обеспечит не только высокую стабильность, но и исключит необходимость в подстроечных элементах, а габариты и стоимость кварцевого резонатора на 32768 Гц для наручных часов меньше, чем хорошего металлопленочного конденсатора.
Если частоты на выходах микросхем К176ИЕ5 или К176ИЕ12 соответствуют необходимым, целесообразно использовать именно их с их встроенными инверторами для кварцевого генератора. Если же в качестве делителя нельзя использовать указанные микросхемы, в кварцевом генераторе необходимо применить инвертор из микросхемы малой степени интеграции. Опыт показывает, что далеко не каждый инвертор работает в кварцевом генераторе по стандартной схеме рис. 321. Хорошо зарекомендовали себя элементы микросхем К561ЛА7 и К561ЛЕ5, совсем не работают микросхемы К176ЛА7 и К176ЛЕ5. Микросхема К561ЛП2 очень удобна для построения различных генераторов и формирователей, однако внутренняя структура элементов микросхемы несимметрична относительно двух ее входов и в кварцевом генераторе ее элементы могут работать лишь при соединении с источником питания выводов 2,5,9 или 12. Кроме того, для улучшения формы выходного сигнала в генераторе по схеме рис. 321 с использованием микросхемы К561ЛП2 сопротивление резистора R2 целесообразно уменьшить до 180 кОм.
Микросхемы, содержащие счетчики с большим коэффициентом деления, могут с успехом использоваться и для построения ждущих мультивибраторов с большой длительностью импульсов при малой емкости используемых конденсаторов.11 — два импульса и так далее (рис. 323).
Поскольку формирование выходного импульса всегда начинается из одного и того же состояния задающего генератора, исключается
случайная погрешность длительности импульса, связанная с неопределенностью фазы генератора.
Ждущий мультивибратор можно собрать всего на одной микросхеме К176ИЕ5 (рис. 324). Работает этот ждущий мультивибратор так же, как и описанный выше, но генератор собран на инверторах, предназначенных для кварцевого генератора микросхемы. Для запрета его работы лог. 1 с выхода 15 микросхемы подается на вход цепочки инверторов генератора через диод VD1. При подаче импульса на вход запуска лог. 0 с выхода 15 микросхемы закрывает диод VD1, и он не мешает нормальной работе генератора.
Длительность формируемого импульса ждущего мультивибратора по схеме рис. 324 составляет 2^14 периода задающего генератора.
Так же, как и в описанном выше ждущем мультивибраторе, на предпоследнем выходе счетчика 14 формируется импульс положительной полярности вдвое меньшей длительности, на выходе 9 — пачка из 32 импульсов.
При необходимости кварцевой стабилизации длительности формируемых импульсов следует воспользоваться схемой рис. 325, поскольку включать и выключать кварцевый генератор так, как RC-генератор, нельзя. К сожалению, ждущему мультивибратору по схеме рис. 325 присуща случайная погрешность длительности импульса порядка
периода кварцевого генератора. При использовании в этой схеме в качестве DD1 микросхемы К176ИЕ5, К176ИЕ12, К176ИЕ18 сигнал с выхода элемента DD1.2 следует подавать на входы Z этих микросхем. Описанным выше ждущим мультивибраторам с делением частоты свойственен недостаток, связанный с тем, что при подаче питания они вырабатывают на своем выходе импульс неопределенной длительности, не превышающий, однако, длительности импульса, на который он рассчитан.
Если длительность запускающего импульса не превышает половины периода задающего генератора, дифференцирующая цепочка в пусковой цепи описанных выше ждущих мультивибраторов не нужна.
Ждущим мультивибраторам с делением частоты также присуще свойство перезапуска, аналогично микросхеме КР1561АГ1, — если во время формирования выходного импульса придет очередной запускающий, отсчет длительности импульса начнется заново от последнего запускающего импульса.
Сопротивление резисторов, входящих в дифференцирующие цепи, во времязадающие цепи всех описанных в разделе мультивибраторов и генераторов следует выбирать так, чтобы токи через них не слишком нагружали микросхемы-источники сигнала, — не менее нескольких десятков килоом. Сверху сопротивления этих резисторов ограничены величиной порядка десятков мегаом из-за возможных утечек монтажных плат. Емкость конденсаторов указанных цепей должна существенно превышать емкость монтажа и входную емкость микросхем, то есть, как правило, быть не менее 100 пФ.
При подаче на вход микросхемы сигнала через конденсатор последовательно со входом микросхемы ограничительный резистор можно не ставить, если ток через ограничительные диоды при переходных процессах не превысит 20 мА, например при подаче сигналов от стандартных микросхем КМОП при напряжении питания менее 9 В. Если напряжение питания больше 9 В или сигналы на дифференцирующие цепи подаются с выходов микросхем КМОП с повышенной нагрузочной способностью или от других низкоомных источников сигнала, последовательно со входом следует установить ограничительный резистор сопротивлением 3…10 кОм.
При разработке генераторов и ждущих мультивибраторов следует в непосредственной близости от используемых микросхем установить керамический блокировочный конденсатор емкостью не менее 0,022 мкФ, это исключит возможность появления паразитной высокочастотной генерации, иногда возникающей при плавном переключении микросхем и отсутствии блокировочных конденсаторов.
Схема электронных приборов на микросхеме К561ЛА7 (К176ЛА7) » Вот схема!
Рассмотрим схемы четырех электронных приборов построенных на микросхеме К561ЛА7 (К176ЛА7). Принципиальная схема первого прибора показана на рисунке 1. Это мигающий фонарь. Микросхема вырабатывает импульсы, которые поступают на базу транзистора VT1 и в те моменты, когда на его базу поступает напряжение единичного логического уровня (через резистор R2) он открывается и включает лампу накаливания, а в те моменты, когда напряжение на выводе 11 микросхемы равно нулевому уровню лампа гаснет.
График, иллюстрирующий напряжение на выводе 11 микросхемы показан на рисунке 1А.
Рис.1А
Микросхема содержит четыре логических элемента «2И-НЕ», входы которые соединены вместе. В результате получается четыре инвертора («НЕ». На первых двух D1.1 и D1.2 собран мультивибратор, вырабатывающий импульсы (на выводе 4), форма которых показана на рисунке 1А. Частота этих импульсов зависит от параметров цепи, состоящей из конденсатора С1 и резистора R1. Приблизительно (без учета параметров микросхемы) эту частоту можно рассчитать по формуле F = 1/(CxR).
Работу такого мультивибратора можно пояснить так: когда на выходе D1.1 единица, на выходе D1.2 — нуль, это приводит к тому, что конденсатор С1 начинает заряжаться через R1, а вход элемента D1.1 следит за напряжением на С1. И как только это напряжение достигнет уровня логической единицы, схема как-бы переворачивается, теперь на выходе D1.1 будет ноль, а на выходе D1.2 единица.
Теперь уже конденсатор станет разряжаться через резистор, а вход D1.1 будет следить за этим процессом, и как только напряжение на нем станет равно логическому нуля схема опять перевернется. В результате уровень на выходе D1.2 будут импульсы, а на выходе D1.1 тоже будут импульсы, но противофазные импульсам на выходе D1.2 (рисунок 1А).
На элементах D1.3 и D1.4 выполнен усилитель мощности, без которого, в принципе, можно обойтись.
В данной схеме можно использовать детали самых разных номиналов, пределы, в которые должны укладывать параметры деталей отмечены на схеме. Например, R1 может иметь сопротивление от 470 кОм до 910 кОм, конденсатор С1 иметь емкость от 0,22 мкФ до 1,5 мкФ, резистор R2 — от 2 кОм до 3 кОм, таким же образом подписаны номиналы деталей и на других схемах.
Рис.1Б
Лампа накаливания — от карманного фонаря, а батарея питания — либо плоская на 4,5В, либо «Крона» на 9В, но лучше если взять две «плоские», включенные последовательно. Цоколевка (расположение выводов) транзистора КТ815 показана на рисунке 1Б.
Второе устройство — реле времени, таймер со звуковой сигнализацией окончания установленного временного промежутка (рисунок 2). В основе лежит мультивибратор, частота которого сильно увеличена, по сравнению с пред-идущей конструкцией, за счет уменьшения емкости конденсатора. Мультивибратор выполнен на элементах D1.2 и D1.3. Резистор R2 взять такой же как R1 в схеме на рисунке 1, а конденсатор (в данном случае С2) имеет значительно меньшую емкость, в пределах 1500-3300 пФ.
В результате импульсы на выходе такого мультивибратора (вывод 4) имеют звуковую частоту. Эти импульсы поступают на усилитель, собранный на элементе D1.4 и на пьезокрамический звукоизлучатель, который при работе мультивибратора издает звук высокого или среднего тона. Звукоизлучатель — пьезокерамический зуммер, например от звонка телефона-трубки. Если он имеет три вывода нужно подпаять любые два из них, а потом опытным путем выбрать из трех два таких, при подключении которых громкость звука максимальная.
Рис.2
Мультивибратор работает только тогда, когда на выводе 2 D1.2 будет единица, если ноль — мультивибратор не генерирует. Происходит это потому, что элемент D1.2 это элемент «2И-НЕ», который, как известно , отличается тем, что если на его один вход подать нуль, то на его выходе будет единица независимо от того, что происходит на его втором входе.
Автогенераторы повышенной стабильности | Приведены практические схемы | «Радио» | 1965 | 10 | Василькевич И. | |
Простые генераторы на микросхемах | (Дополнение в №1 1980г. Стр 63). Три схемы генераторов на TTL логике и транзисторах | «Радио» | 1979 | 7 | Овечкин М. | |
Генератор напряжения трапецидальной формы | На ОУ | «В помощь радиолюбителю» | 1980 | 69 | Ординарцев В. | |
Кварцевые генераторы | Теория, расчеты, практические схемы. | «В помощь радиолюбителю» | 1981 | 75 | Дьяков А. | |
Термостатированный кварцевый генератор | На 6 транзисторах, датчик — ММТ-6 | «Радио» | 1981 | 9 | Тюлиев Н. | |
Генераторы импульсов на цифровых микросхемах | Описание различных генераторов на ТТЛ логике. | «В помощь радиолюбителю» | 1982 | 76 | Минделевич С. | |
Генераторы на микросхеме К122УН1 | Приведено описание МС, ее принципиальная схема, цоколевка, схемы использования в качестве генератора. | «В помощь радиолюбителю» | 1983 | 84 | Аристов А. | |
Простейший генератор звуковой частоты | (Дополнение в №7 1984г стр.39). На двух транзисторах. Работает на частоте механического резонанса капсюля. | «Радио» | 1983 | 11 | Приймак Д. | |
RC-генератор на К176ИЕ5 | Способы включения с RC-цепочкой и с перестройкой переменным конденсатором | «Радио» | 1987 | 10 | Поляков В. (RA3AAE) | |
Инфранизкочастотный мультивибратор-автомат | (Дополнения в №10 1987г стр.58). На КП303Вх2, КТ315Вх2, нагрузка — реле. | «Радио» | 1987 | 4 | Попов А. | |
Релаксационный RL-генератор | Описание работы, несколько схем. | «В помощь радиолюбителю» | 1990 | 106 | Приймак Д. | |
Числоимпульсный генератор | Формирует заданное число импульсов. К176ЛА9, К176ИЕ2 | «Радио» | 1990 | 2 | Вздорнов А. | |
Генератор прямоугольных импульсов инфранизкой частоты на КР512ПС10 | (Дополнения в №5 1992г стр.59). Структурная схема МС, цоклевка, использование | «Радио» | 1991 | 12 | Иванов А. | |
RC-генератор на К157ДА1 | «Радио» | 1992 | 7 | Алексеев Д. | ||
Формирователь пачек импульсов | «Радиолюбитель» | 1992 | 9 | Шелестов И. | ||
«Оптический» генератор | Включается в темноте, на КТ312х2 | «Радио» | 1993 | 7 | Копцев К. | |
Разностный генератор колебаний частоты 465 кГц | Получение частоты 465 кГц | «Радиолюбитель» | 1993 | 7 | Солодовник С. | |
Генератор пачек импульсов | К555ИЕ7х4, К555ЛН1, К555ЛА3 | «Радиолюбитель» | 1994 | 2 | Дмитриев С. | |
Звуковой LR-генератор | «Радиолюбитель» | 1994 | 2 | Шустов М. | ||
Перестраиваемый синусоидальный генератор на К525ПС2 | Перестройка резистором в зависимости от конденсаторов в 3-х диапазонах: 35…130, 122…360, 313…550. | «Радио» | 1994 | 2 | Сырых Д. | |
Цифровой генератор аналоговых сигналов | К561ИЕ10, К573РФ2, КР580ИР82, КР572ПА1А, К561ТМ2, К561ЛА7 | «Радио» | 1994 | 10 | Межлумян А. | |
Генератор на К118УД1А | До 800 кГц | «Радиолюбитель» | 1995 | 4 | Зирюкин Ю. (EU3AS) | |
Генератор, управляемый напряжением | На К155АГ3. Приведены две схемы использования: электронная рулетка — иммитация движения шарика светодиодами и звуковое сопровождение; звуковой сигнализатор со звуком в виде сирены. | «Радио» | 1995 | 3 | Чуднов В. | |
Блокинг генератор и его применение в ИВЭП | (Продолжение в РЛ №11,12 1996г., №1-5 1997г., №5 1998г.). | «Радиолюбитель» | 1996 | 10 | Петров А. | |
Генератор ВЧ | Общий стоок- общая база на КП307, КТ363. Работает от 10 кГц до 200 МГц и более | «Радиолюбитель» | 1996 | 1 | Климович В. | Посмотреть |
Генераторы импульсов — элементы звуковой индикации | Приведено несколько простых схем | «Радиолюбитель» | 1996 | 10 | Шустов М. | |
Низкочастотный кварцевый генератор | Способ запуска низкодобротных кварцев | «Радиолюбитель» | 1996 | 1 | Ефремов В. (UA6HGW) | |
Применение гиратора в резонансных усилителях и генераторах | Теория и практические схемы | «Радио» | 1996 | 11 | Петин Г. | |
Простой звуковой генератор | МП42, МП38, R,C, динамик, 9 В | «Радиолюбитель» | 1996 | 12 | Жамойдик С. | |
Высокостабильный двухточечный генератор | «Радиолюбитель» | 1997 | 7 | Петин Г. | Посмотреть | |
Генераторы импульсов на аналогах инжекционно-полевых транзисторов | «Радиолюбитель» | 1997 | 4 | Шустов М. | ||
Генераторы на таймере КР1006ВИ1 | Предлагается несколько схем генераторов. | «Радио» | 1999 | 8 | Шитов А. | |
Генераторы прямоугольных импульсов на микросхемах КМОП | Описаны несколько схемных решений генератора, даны перечень параметров, графические зависимости, формулы. | «Радио» | 2000 | 1 | Елимов С. | |
Генераторы световых импульсов | Приведено несколько схем для ламп и светодиодов. | «Радио» | 2000 | 4 | Нечаев И. (UA3WIA) | |
Простой генератор РЧ | 20…50 МГц, 200 мВт. На К531ГГ1, КТ368А, КТ646А. | «Радио» | 2000 | 10 | Татарко Б. | |
Барьерные генераторы ВЧ | «Радиолюбитель» | 2001 | 6 | Артеменко В. (UT5UDJ) | ||
Бипер на аналоге инжекционно-полевого транзистора | КП303И, КТ361. Генерация коротких звуковых и световых сигналов. | «Радиолюбитель» | 2001 | 2 | Шустов М. | |
Генераторы гармонических сигналов НЧ | Приведены практические схемы на ОУ с мостом Вина и гираторах, расчеты. | «Радио» | 2001 | 12 | Петин Г. | |
Двухточечный кварцевый генератор | КТ3126Б, КП307Г | «Радиомир» | 2001 | 7 | Белоусов О. | |
Высоковольтный генератор | 12 В > 20 кВ. На КТ117Г, REP3N50, катушка Б117 | «Радиоконструктор» | 2002 | 2 | Лыжин Р. | |
Генератор ВЧ с низковольтным питанием | 0,5…1,5 В, на КТ904А. | «Радиоконструктор» | 2002 | 11 | Нет автора | |
Генератор высоковольтных импульсов | Uпит=12 В, формирование импульсов 200 В | «Радиомир» | 2002 | 11 | Щербатюк В. | |
Генераторы на ОУ | (Дополнение в №1 2003г.). Приведено несколько схем генераторов на ОУ серии КР1446 | «Радио» | 2002 | 9 | Бирюков С. | |
Генераторы-сигнализаторы | Используя современную элементную базу, можно упростить конструкции генераторов, выполняющих роль сигнализаторов в различных устройствах. Приведено несколько схем на светодиодах и телефонах. | «Радио» | 2002 | 7 | Бутов А. | |
Низковольтные LC-генераторы | Приведено 5 схем. | «Радиомир» | 2002 | 10 | Шустов М. | |
Простой генератор прямоугольных импульсов | На КТ315 и КТ361 | «Радио» | 2002 | 5 | Поляков В. (RA3AAE) | |
Релаксационные генераторы на лампе ИН-3 | «Радиомир» | 2002 | 7 | Бутов А. | ||
Устойчивый кварцевый генератор | Работает с резонаторами от 30 кГц до 30 МГц. На КП303. | «Радиоконструктор» | 2002 | 3 | Нет автора | |
«Мультикомби» | Приведено 4 схемы мультивибраторов на транзисторах | «Радиомир» | 2003 | 10 | Мамонов В. | |
Барьерный LC-генератор с ОБ | «Радиомир» | 2003 | 9 | Артеменко В. (UT5UDJ) | ||
Бифазный генератоор с регулируемой паузой | К561ЛЕ5, К561ТМ2 | «Радиомир» | 2003 | 8 | Романчук А. | |
Гармониковые кварцевые генераторы | «Радиомир» | 2003 | 7 | Белоусов О. | ||
Генераторы звукового диапазона | Приведено 3 схемы с питанием 1,2 В. | «Радиомир» | 2003 | 12 | Бородай В. | |
Кварцевый «хаотический» автогенератор | «Радиомир» | 2003 | 12 | Артеменко В. (UT5UDJ) | ||
Мультивибраторы на КР504НТ | «Радиомир» | 2003 | 7 | Бутов А. | ||
Светозвуковой генератор | КП501х2, КТ117. Прерывистые сигналы при подаче на вход 2 В | «Радиомир» | 2003 | 7 | Бутов А. | |
ВЧ генератор на цифровой микросхеме | Мультивибратор на К555ЛА4, К555ЛА3 с перестройкой КПЕ. | «Радиоконструктор» | 2004 | 5 | Нет автора | |
Генератор с ФАПЧ для диапазонов ОВЧ-УВЧ | Используется MC12022LVAD | «Радио» | 2004 | 12 | Нечаев И. (UA3WIA) | |
Двухчастотный генератор на мигающем светодиоде | Приведены схемы использования ВЧ составляющей светодиода. | «Радио» | 2004 | 2 | Бутов А. | |
Генератор из компьютерной «мыши» | 2 кГц…2 МГц | «Радио» | 2005 | 4 | Бутов А. | |
Кварцевый генератор с плавной перестройкой частоты | 2 генератора на биениях | «Радио» | 2005 | 7 | Ременко С. | |
КР1006ВИ1 в режиме прерывистой генерации | Описано несколько вариантов изменения генерируемых колебаний. | «Радио» | 2005 | 2 | Кашкаров А. | |
Фоточувствительный генератор на полевых транзисторах | «Радио» | 2005 | 3 | Бутов А. | ||
Генератор управляемый напряжением на К174ХА11 | 600 Гц…200 кГц | «Радиоконструктор» | 2006 | 5 | Абрамов С. | |
Задающий генератор преобразователя напряжения | На К561ТМ2, К561ЛЕ5 | «Радио» | 2006 | 10 | Васильев В. (UA4HAN) | |
Функциональный аналог микросхемы NE566 | Генератор импульсов треугольной и прямоугольной формы на К157УД2 | «Радио» | 2006 | 10 | Нелюбин Р. | |
Цифровой мультивибратор | Для достижения периода до минут и часов используются двоичные счетчики | «Радиоконструктор» | 2007 | 2 | Иванов А. | |
Генератор высоковольтных импульсов | 10000 В, К561ЛА7, КТ604, КТ898А, катушка зажигания. | «Радиоконструктор» | 2007 | 2 | Колышев А |
Схема металлоискателя на биениях с триггером Шмидта (К561ЛА7, К561ЛН2)
Схема металлоискателя показана на рис. 3.12. Опорный генератор 32768 Гц собран на логическом элементе DD1.1 и кварцевом резонаторе ZQ1.
Поисковый генератор выполнен на элементе DD2.1 и катушке L1, представляющей собой датчик металла. Кроме этого, в генератор входят цепи установки частоты — подстроечный конденсатор СЗ и узел электронной перестройки частоты на стабилитроне VD1, играющем роль варикапа.
Элементы DD1.2 и DD2.2 — буферные. Элемент DD1.3 выполняет функции сумматора, его нагрузкой служит фильтр L2C8, который подавляет высокочастотные колебания, но пропускает низкую частоту биений.
На транзисторах VT1, VT2 собран триггер Шмидта, который из сигнала, близкого по форме к синусоидальному, формирует прямоугольные импульсы. Усилитель на транзисторе ѴТЗ увеличивает размах импульсов до уровня, равного напряжению питания. Элемент DD3.1 завершает формирование прямоугольных импульсов и инвертирует их.
Рис. 3.12. Принципиальная схема.
Эти импульсы поступают на один вход элемента совпадения DD2.3, а к другому входу подведены прямоугольные импульсы частотой 2 кГц с выхода генератора на инверторах DD3.2, DD3.3. Элементы DD3.4—DD3.6 играют роль выходного усилителя для пьезокерамического звукоизлучателя НА1.
Питается металлоискатель от батареи GB1. Перед тем как приступить к поиску скрытых металлических предметов, необходимо добиться нулевых биений на выходе сумматора DD1.3 или, говоря иначе, установить точное равенство значений частоты генераторов.
Для этого датчик прибора — катушку L1 — нужно:
- разместить в месте, удаленном от земли и металлических предметов на расстояние не менее 1 м;
- включить прибор;
- переменный резистор R7 перевести в среднее положение;
- подстроечным конденсатором СЗ устапавливить такую частоту поискового генератора, при котором звукоизлу-чатепь НА1 воспроизводит редкие короткие тональные сигналы или вовсе умолкает;
- добиться поворотом в очень малых пределах ручки переменного резистора R7 полного прекращения звучания.
Теперь датчик нужно опустить к земле и медленно начать водить над ее поверхностью, слушая звучание прибора. С приближением датчика к металлическому предмету появляются редкие короткие тональные сигналы, которые постепенно становятся более частыми и, наконец, сливаются в почти непрерывный гул.
При нулевых биениях разностная частота генераторов равна нулю, на входе триггера Шмидта колебаний напряжения нет, поэтому он не переключается. Транзистор ѴТЗ закрыт, на выходе инвертора DD3.1 низкий уровень, поэтому элемент DD2.3 не пропускает к выходному усилителю колебаний генератора DD3.2, DD3.3.
Как только катушка L1 приблизится к металлическому предмету, изменится ее индуктивность, а значит, и частота поискового генератора. На выходе фильтра L2C8 появится переменное напряжение.
Чем крупнее предмет и чем ближе к нему датчик, тем выше частота биений.
Это приводит к более частому открыванию элемента DD2.3 и увеличению частоты повторения звуковых тональных сигналов. Частота генератора на элементах DD3.2. и DD3.3 (2 кГц) выбрана близкой к собственной частоте пьезоизлучателя ЗП-5 с целью обеспечения максимальной громкости сигиала.
В металлоискателе используется кварцевый резонатор часового типа, но подойдут и другие резонаторы на частоту до 80—100 кГц. Однако при этом придется корректировать число витков L1 и номиналы конденсаторов в генераторах.
Конденсаторы С1, С2, С4, С5 следует выбрать с минимальным ТКЕ. Переменный резистор R7 должен быть группы А.
Транзисторы КТ361Б можно заменить на КТ3107К. КТ3107Л, а КТ315Б — на КТ3102ГМ, КТ3102ЕМ. Вместо ЗП-5 можно использовать и другие пьезоизлучатели.
Источник питания — батарея «Корунд» или аккумулятор.
Плату с деталями желательно поместить в небольшую прочную пластмассовую коробку, к которой будет прикреплена катушка-датчик L1. Катушка должна содержать 450 витков ПЭВ-2 0,18. Ее нужно наматывать на круглой бобышке диаметром 210 мм, затем снять и обмотать липкой ПВХ лентой. Сопротивление катушки — около 200 Ом.
Катушку нужно поместить в жесткий экран, представляющий собой незамкнутое кольцо, согнутое из мягкой дюра люминиевой трубки. Вдоль трубки необходимо пропилить паз с шириной, достаточной для укладки внутрь катушки, которая изолирована лентой. Экран с уложенной катушкой плотно обмотать липкой ПВХ лентой и двумя винтами прикрепить к коробке с платой.
Неиспользуемые выводы микросхем DD1, DD2 следует соединить с плюсовым проводом питания.
Иногда не удается сразу установить нулевые биения. Причинами этого могут быть такие:
- разряженная батарея питания;
- неисправность переменного резистора R7;
- нестабильность частоты генераторов.
Питание на каждую из микросхем целесообразно подавать через RC-фильтр. Конденсатор фильтра емкостью 0,01 мкФ следует припаивать непосредственно к выводам микросхемы, а резистор лучше подобрать экс-перитментально.
Источник: Корякин-Черняк С.Л. Семьян А.П. — Металлоискатели своими руками. Как искать, чтобы найти монеты, украшения, клады.
| В микросхеме К561ЛА7 (или её аналогах К1561ЛА7, К176ЛА7, CD4011), содержится четыре логических элемента 2И-НЕ (рис 1). Логика работы элемента 2И-НЕ проста, — если на обоих его входах логические единицы, то на выходе будет ноль, а если это не так (то есть, на одном из входов или на обоих входах есть ноль), то на выходе будет единица. Микросхема К561ЛА7 логики КМОП, это значит, что ее элементы сделаны на полевых транзисторах, поэтому входное сопротивление К561ЛА7 очень высокое, а потребление энергии от источника питания очень малое (это касается и всех других микросхем серий К561, К176, К1561 или CD40). Охранный датчик контактный, работающий на размыкание. На дверной дудке со стороны двери нужно установить два контакта, например, шурупа и вывести от них провода к схеме. Еще нужна металлическая пластина Все нужно сделать, чтобы при закрывании двери в щель можно было заложить эту пластину так, чтобы она замкнула контакты-шурупы. А при открывании двери пластина должна вываливаться. Когда пластина замыкает контакты-шурупы, на выводе 1 элемента D1.1 напряжение равно нулю То есть, логический ноль. Прерывающий мультивибратор на элементах D1.1-D1.2 заблокирован и на его выходе (вход D1.2) так же, — ноль. А этот ноль (с выхода D1.2) блокирует тональный мультивибратор на элементах D1.3-D1 4 и сигнализация молчит. Если открыть дверь пластина выпадет и, следовательно, перестанет замыкать шурупы-контакты. На вывод 1 D1.1 через резистор R6 поступит напряжение логической единицы (от источника питания). Мультивибратор D1.1-D1.2 заработает и зазвучит сирена. Для того чтобы сирена не звучала, пока вы возитесь с пластиной, закрывая дверь, есть цепь C3-R5. В момент включения питания С3 разряжен и медленно заряжается через R5. Пока напряжение на С3 не достигнет порогового значения мультивибратор на элементах D1.3-D1.4 будет заблокирован и у вас есть время (около 10 секунд) чтобы правильно вставить пластину и закрыть дверь. Светодиод НИ показывает, правильно ли вставлена пластина Когда пластина замыкает контакты-шурупы, он гаснет, а когда не замыкает, — он мигает Конденсатор С4 служит для развязки по постоянному напряжению выхода элемента D1.4 и усилителя на VT1 Дело в том, что когда С3 не заряжен на выходе D1.4 будет единица, которая откроет VT1 и через динамик потечет достаточно большой ток. А это приведет к быстрому разряду батарейки. Чтобы этого не произошло и существует С4 — Он быстро зарядится через R7, R6 и базу транзистора и выключит транзистор. А когда от мультивибратора будут поступать импульсы С4 их беспрепятственно пропустит на базу VT1 На микросхеме K561ЛA7 можно сделать простейший электромузыкальный инструмент (рис. 8). Это уже знакомый мультивибратор на двух элементах, здесь его частоту можно изменять, нажимая кнопки S1-S5. Нажимая кнопки мы изменяем сопротивление между входом и выходом элемента D1.1, а от него зависит частота импульсов на выходе мультибратора а значит, и тон звука. Громкость звучания можно регулировать переменным резистором R7. Желаемый тон звука для каждой кнопки можно подобрать, подобрав сопротивления соответствующих резисторов (R1-R5) Все схемы питаются от «плоской» батарейки напряжением 4,5V Но, источник питания может быть и другим, например, «Крона» напряжением 9V или сетевой источник постоянного напряжения от 4 до 15V. Совсем неплох источник от игровых приставок (9-11V). В этом случае, нужно приобрести гнездо, соответствующее штекеру источника питания. Подпаять к выводам этого гнезда провода и подключать к ним схему соблюдая полярность. В любом случае, подключая питание нужно строго соблюдать полярность, потому что перепутав «плюс» и «минус» можно окончательно испортить микросхему. Запомните, — «плюс» подается на её 14-й вывод, а минус на 7-й. И только так, а не иначе. В схемах можно использовать самые разнообразные детали. Электролитические конденсаторы (полярные) могут быть типа К50-35 или импортные аналоги К56-35. Емкость на них проставляется в микрофарадах «мкф» (на схеме — «т»). Все конденсаторы должны быть на напряжение не ниже напряжения источника питания (в данном случае, не ниже 4,5V). Неэлектролитические (неполярные) могут быть любыми, какие найдете в магазине или в своих запасах. Емкость на таких конденсаторах может быть проставлена как в мкф, так в Нф (нанофарады) или Пф (пикофарады). На схеме пикофарады обозначены «р» Нужно знать такое соотношение: 1 мкф =1000 Нф = 1000000 Пф. Например, если на конденсаторе написано «10п» (10 Нф) то это будет 0,01m или 10000р. |
на к561ла7 с регулируемой продолжительностью включения. Генераторы на цифровых микросхемах
Микросхемы цифровые и их применение
В. ПОЛЯКОВ, Москва
Радиожурнал 1998, выпуск 2
В экспериментах с широко распространенной микросхемой CMOS K176LA7 автору удалось реализовать два простых генератора, которые мы предлагаем читателям.
В радиолюбительской практике часто требуется высокостабильный генератор, но кварцевый резонатор с необходимой рабочей частотой не может быть найден.Если есть резонатор с большей частотой, то можно, например, сделать генератор с кварцевой стабилизацией частоты, а потом с помощью делителя понизить его до нужного значения. Для такого устройства обычно требуется как минимум две микросхемы. Между тем, когда радиолюбитель имеет резонатор с рабочей частотой в три раза выше требуемой, проблема решается намного проще. В генераторе, схема которого представлена на рис.1, автор использовал кварцевый резонатор на частоте 500 кГц, а прямоугольные колебания на выходе генератора имели частоту 166, (6) кГц.Можно взять резонаторы и на другие частоты (от десятков кГц до нескольких МГц), но придется экспериментально подобрать конденсатор С1 и резистор R1. (Чем выше частота, тем ниже должны быть рейтинги, и наоборот).
Но как работает такой генератор, если у кварца нет резонансов на частотах ниже основного? И дело в том, что в показанном на рис. 1 RC-генераторе есть все условия для самовозбуждения. Действительно, параллельная емкость кварца и кристаллодержателя образует цепь положительной обратной связи, а резистор R1 замыкает цепь ООС по постоянному току, что обеспечивает линейный режим работы первых двух элементов микросхемы DDI.Подбирая резистор R1 и конденсатор С1, устанавливают частоту генератора немного ниже, чем рабочая частота кварцевого резонатора, деленная на три. Крутые фронты прямоугольных импульсов возбуждают резонатор на основной частоте. Напряжение на его выводах с частотой 500 кГц синхронизирует RC-генератор, причем очень жестко, с точностью по фазе.
Все это можно наблюдать с помощью осциллографа, подключив щуп с небольшой входной емкостью (чтобы не нарушать работу генератора) к правому выходу кварцевого резонатора.На экране показано, как прямоугольные колебания с частотой 166, (6) кГц накладываются на синусоидальные колебания меньшей амплитуды с частотой 500 кГц. Полоса синхронизации описываемого генератора достаточно велика, поэтому такие дестабилизирующие факторы, как изменение в определенных пределах напряжения питания, температуры и номиналов элементов практически не влияют на его работу. Стабильность его частоты полностью определяется используемым кварцевым резонатором.
Другой генератор, в отличие от только что описанного, имеет очень широкий диапазон перестройки, и здесь уже не приходится говорить о стабильности частоты — она полностью (температурная зависимость не исследована) определяется стабильностью управляющее напряжение.Схема генератора представлена на рис. 2. В нем всего один блокирующий конденсатор, который предотвращает проникновение колебаний генератора в цепь управления частотой и защищает его от внешних наводок. В работе самого генератора он не участвует. Все элементы микросхемы включены последовательно, на первых трех из них собран генератор, а на четвертом — выходной буферный каскад.
Цепь обратной связи образована резистором R1, она отрицательна для постоянного тока и поэтому обеспечивает линейный режим работы элементов генератора.В каждом из них сигнал задерживается на определенное время, и длительность этой задержки сильно зависит от напряжения питания — чем оно выше, тем меньше задержка. Фазовый сдвиг колебаний пропорционален произведению времени задержки и частоты. На достаточно высокой частоте фазовый сдвиг в каждом элементе микросхемы достигает 60, а на всех трех — 180 °. В результате обратная связь становится положительной, и генератор возбуждается на этой частоте. При увеличении напряжения питания с 3 до 12 В частота генератора изменяется примерно с 300 кГц до 6 МГц, т.е.э., 20 раз. Потребление тока при этом увеличивается с долей миллиампера до 2 мА. Чтобы генератор охватывал, например, средневолновый диапазон (500 … 1600 кГц), напряжение питания должно изменяться только от 3,5 до 5 В. Частотный диапазон можно изменить, подбирая резистор R1.
Достоинством описанного генератора является его исключительная простота, а основным недостатком — сильная зависимость выходного напряжения от частоты.
В радиолюбительской практике часто возникает необходимость настройки различных узлов преобразования схем, особенно если речь идет об изобретательской деятельности, когда схема рождается в голове.В такие моменты очень пригодится источник управляющего сигнала.
Представляю вашему вниманию генератор прямоугольных сигналов .
Технические характеристики
Электропитание: 10 ÷ 15 В постоянного тока.
Три режима генерации:
1 — симметричный (меандр), дискретное переключение диапазонов генерируемых частот, плавное регулирование частоты в пределах диапазона;
2 — независимое, дискретное переключение диапазонов генерируемых частот, плавная раздельная регулировка длительности импульса и паузы между импульсами внутри диапазона;
3 — широтно-импульсная модуляция (ШИМ), дискретный выбор частоты с помощью переключателя диапазонов, плавная регулировка скважности импульса.
Два отдельных канала — прямой и обратный.
Раздельная регулировка уровня выходного сигнала каналов от 0 В до значения напряжения источника питания при подключении высокоомной нагрузки и до половины напряжения источника питания при подключении нагрузки с входным сопротивлением 50 Ом. .
Выходное сопротивление канала составляет примерно 50 Ом.
Принципиальные схемы
Для построения генератора за основу взята схема генератора на двух логических инверторах (рисунок 1).Принцип его работы основан на периодической подзарядке конденсатора. Момент переключения состояния цепи определяется состоянием заряда конденсатора С1. Процесс подзарядки происходит через резистор R1. Чем больше емкость С1 и сопротивление R1, тем дольше длится процесс зарядки конденсатора и тем больше длительность периодов переключения состояния цепи. Наоборот.
Для построения схемы генератора были взяты логические элементы микросхемы с четырьмя элементами 2И-НЕ — HEF4011BP … Базовая схема, показанная выше, выдает прямоугольный сигнал на выходе Q с фиксированной частотой и коэффициентом заполнения 50% (прямоугольный сигнал). Для расширения возможностей устройства было решено объединить три разные схемы, реализованные на одних и тех же двух логических инверторах.
Схема генератора прямоугольных импульсов
Схема генератора меандров показана на рисунке 2-а. Емкость цепи для задания времени может изменяться от значения C1 до суммарного значения C1 и емкости, соединенной перемычкой P.Это дает возможность изменять частотный диапазон генерируемого сигнала.
Резистор R1 позволяет плавно изменять ток заряда (перезарядки) емкости. Резистор R2 является токоограничивающим, чтобы избежать перегрузки выходного канала логического элемента DD1.1 в случае, когда ползунок резистора R2 находится в крайнем верхнем положении и его сопротивление близко к нулю. Поскольку заряд и перезарядка конденсатора осуществляется по одной цепочке с неизменными параметрами, длительность импульса и пауза между ними равны.Такой сигнал имеет симметричную прямоугольную форму и называется прямоугольной волной. Регулируя R1, только частота генерируемого сигнала изменяется в определенном диапазоне, установленном конденсатором установки времени.
Схема генератора прямоугольных импульсов с раздельной регулировкой длительности импульса и паузы
На рисунке 2-b цепь заряда и цепь избыточного заряда разделены диодами VD1 и VD2. Если при зарядке синхронизирующего конденсатора формируется импульс, его длительность характеризуется сопротивлением цепи VD1-R2-R1.Длительность паузы между импульсами при обратном перезарядке конденсатора характеризуется сопротивлением цепи R1-R3-VD2. Итак, изменяя положение ползунков резисторов R2 и R3, можно плавно отдельно установить длительность импульса и паузу между ними.
Частотный диапазон формируемого сигнала, как и в первом случае, переключается перемычкой П.
Схема генератора ШИМ
Схема на рисунке 2-c имеет аналогичное разделение цепей прямого и обратного заряда синхронизирующего конденсатора с той разницей, что переменные сопротивления представляют собой плечи переменного резистора R2, которые имеют обратную зависимость параметров в отношение друг к другу.То есть при увеличении одного плеча резистора второе уменьшается прямо пропорционально, а общая сумма их сопротивлений остается постоянной. Таким образом, регулируя соотношение плеч резистора R2, можно плавно изменять отношение длительности импульса к длительности паузы между ними, при этом время следования импульсов останется неизменным. Этот метод настройки позволяет реализовать функцию широтной импульсной модуляции (ШИМ)
.Частота генерируемого сигнала в этой цепи выбирается дискретно переключением перемычки P.При необходимости можно использовать несколько перемычек P для суммирования больших и малых значений емкости, добиваясь более точной требуемой частоты генерации сигнала во всем диапазоне.
Конечная цепь генератора
На рисунке 3 показана схема генератора , в которой реализованы все три схемы, рассмотренные на рисунке 2. Генератор построен на базе двух логических инверторов на элементах DD1.1 и DD1.2. Выбор частотного диапазона (частота в режиме ШИМ) осуществляется переключением перемычки P.
Для сборки искомого варианта схемы генератора введены штыревые соединители, переключаемые параллельными сборками перемычек, изображенных цветными линиями. Каждый цвет перемычки соответствует разной схеме подключения. Перемычки реализованы путем соединения пар контактов с проводами ленточного кабеля разъема FC-10P A. Сами штыревые разъемы расположены тремя группами по пять пар для удобства переключения. Разъем перемычки позволяет переключать режим генерации.
Элементы DD1.3 и DD1.4 действуют как инвертирующие повторители и служат для развязки временных и выходных цепей генератора, чтобы исключить их взаимное влияние. Инвертированный сигнал снимается с выхода DD1.3, основной — с выхода DD1.4.
Резисторы R5 и R6 служат для регулировки уровня напряжения импульсов соответствующих каналов. Транзисторы VT1 и VT2 включены по схеме эмиттерного повторителя для усиления сигналов, снимаемых с ползунков резисторов R5 и R6 соответственно.Транзисторы VT3 и VT4 шунтируют выходные цепи своих каналов, подтягивая их к минусу питания. Их роль важна, когда сигнал генератора подается на нагрузку с емкостью, когда разряд этой емкости требуется во время паузы без тока, например, при управлении полевыми транзисторами. Диоды VD5 и VD6 отделяют базовые цепи шунтирующих транзисторов от выхода генератора, устраняя влияние емкостной нагрузки на работу этих транзисторов.Резисторы R9 и R10 необходимы для согласования выходов генератора с сопротивлением нагрузки 50 Ом, а также для ограничения максимального тока транзисторов выходных каскадов каналов.
Диод VD3 защищает схему от подачи питающего напряжения обратной полярности. Светодиод VD4 действует как индикатор питания. Конденсатор С21 частично сглаживает пульсации при питании от нерегулируемого источника.
Особенности схемы
Для уменьшения габаритов устройства в качестве конденсатора синхронизации используются SMD-конденсаторы C1-C20.При наименьшей емкости C1 = 68 пФ генератор выдает сигнал частотой до 17 ÷ 500 кГц. При промежуточных значениях емкости 3,3 нФ и 100 нФ генератор формирует сигналы в диапазонах частот 360 ÷ 20 000 Гц и 6,25 ÷ 500 Гц соответственно. При наименьшей емкости C2 = 5,1 мкФ получается частота в диапазоне 0,2-10 Гц. Таким образом, при использовании всего четырех конденсаторов можно покрыть частотный диапазон от 0,2 Гц до 500 кГц. Но при этом в режиме ШИМ будет доступна генерация сигнала для всех четырех значений частоты при использовании одной перемычки P.Поэтому для улучшения характеристик генератора было решено ввести в схему 20 конденсаторов разной емкости с равномерным распределением значений по интервалам. Дополнительную точность установки частоты в режиме ШИМ можно получить при использовании нескольких перемычек, идентичных P, что позволит регулировать частоту путем подключения конденсаторов меньшего номинала по сравнению с основным дополнительным.
Блок питания схемы имеет некоторые ограничения.Несмотря на достаточно широкий диапазон напряжений питания микросхемы 3 ÷ 15 В, как показала практика, при напряжении питания схемы ниже 9 В генератор не запускается. Запуск от 9 В нестабилен. Поэтому рекомендуется использовать источник питания 12 ÷ 15 В.
При напряжении питания 15 В, нагрузке 50 Ом, подключенной к одному каналу генератора, и максимальном уровне выходного сигнала устройство потребляет не более 2,5 Вт мощности. В этом случае основная часть мощности рассеивается на нагрузке и согласующем выходном резисторе R9 (R10).
Не рекомендуется включать генератор на короткозамкнутую нагрузку, так как выходной транзистор в этом случае работает в предельном режиме. Это также относится к тестированию цепей с биполярными переключателями, которые не имеют базы ограничивающего резистора в цепи. В таких случаях рекомендуется уменьшить уровень выходного сигнала как минимум на пол-оборота ручки резистора, а затем добавить его по мере необходимости.
В моем случае, чтобы варьировать частотные диапазоны генерации, я использовал следующие номиналы конденсаторов ряда:
C1 — 68 пФ;
C2 — 100 пФ;
C3 — 220 пФ;
C4 — 330 пФ;
C5 — 680 пФ;
C6 — 1 нФ;
C7 — 2.2 нФ;
C8 — 3,3 нФ;
C9 — 9,1 нФ;
C10 — 22 нФ;
C11 — 33 нФ;
C12 — 47 нФ;
C13 — 82 нФ;
C14 — 100 нФ;
C15 — 220 нФ;
C16 — 330 нФ;
C17 — 510 нФ;
C18 — 1 мкФ;
C19 — 2,4 мкФ;
C20 — 5,1 мкФ.
По любой причине вы можете подать заявку на номиналы, отличные от указанных. Единственное ограничение — минимальная емкость не должна быть меньше 68 пФ, иначе генератор на этой емкости может просто не запуститься, или запустить автогенерацию в ненасыщенном режиме, в котором форма сигнала не прямоугольная, а искаженный прямоугольник, стремящийся к синусоида.
Рейтинги выделены красным, при этом охватывается весь диапазон генерируемых частот.
Фотогалерея
Здесь показана прокладка перемычек в разъеме, собранный разъем и готовый разъем-перемычка с обрезанными проводниками.
На этих фото генератор с разных ракурсов
А это со стороны пломбы. Качество дорожек оказалось просто омерзительным, пришлось столько жесть налить.
А это, собственно, перемычка переключения диапазонов и перемычка переключения режимов. Чуть правее находятся разъемы и контакты, которыми перемычки коммутируют.
Изготовить печатную плату из имеющихся на складе деталей может любой желающий. Кому интересна печать моей версии генератора, можете скачать архив по ссылке ниже. Имеется печать в формате страницы PDF, а также в формате PCB для версии P-CAD не ниже 2010. Схема также находится в архиве, вы можете не пытаться сохранить ее со страницы, просто скачайте архив.
Я говорил о логических элементах — «строительных блоках», составляющих основу цифровых технологий, и их назначении. В этом посте я более подробно расскажу об использовании цифровых микросхем, содержащих логические вентили.
Самые простые схемы
Первая схема — простейший щуп на целостность электрических цепей. С помощью этого щупа можно определить надежность электрического контакта, найти обрыв цепи, проверить исправность резисторов и полупроводниковых диодов и транзисторов.
Цепь щупа на обрыв электрической цепи.
Опишем, как это работает. Когда щупы XT разомкнуты, на входах логического элемента DD1 по отношению к общему проводу устанавливается высокий уровень логического напряжения. Соответственно на выходе элемента DD1 будет низкий логический уровень, а светодиод VD1 не загорится. Если датчики замкнуты накоротко, то на входе DD1 будет низкий логический уровень, а на выходе — высокий логический уровень. Светящийся диод укажет, что выходы замкнуты друг на друга.Таким образом, при подключении щупов к исправной цепи светодиод загорается, а если светодиод не горит, значит в цепи обрыв.
На следующей диаграмме ниже находится логический зонд … Он предназначен для определения логического уровня напряжения в электрических цепях цифровых устройств.
Схема логического датчика.
В исходном состоянии установлен высокий логический уровень на входах логического элемента DD1 и на выходе DD2 соответственно, светодиод VD1 горит.При включении светодиодов в цепи с высоким логическим уровнем светодиод VD1 продолжает гореть, а при появлении низкого логического уровня на входе DD1 светодиод VD1 соответственно гаснет.
Дальнейшее повествование об использовании цифровых микросхем невозможно без знания внутреннего устройства цифровых микросхем TTL и CMOS и их передаточных характеристик .
Внутреннее устройство цифровых микросхем TTL
Все семейства цифровых микросхем основаны на базовых логических элементах … Для всех микросхем семейства TTL таким элементом является элемент 2NOT , который имеет следующую внутреннюю организацию … Ниже представлена схема элемента 2I-NOT и его переходная характеристика.
Схема базового элемента ТТЛ 2И-НЕ и его переходная характеристика.
На входе элемента многоэмиттерный транзистор VT1, затем усилительный каскад на транзисторе VT2 и двухтактный выходной каскад на транзисторах VT3, VT4.
Опишем работу логического элемента 2И-НЕ. В исходном состоянии входное напряжение не превышает 0,5 В, а эмиттерный переход транзистора VT1 открыт, этого напряжения недостаточно для перевода коллекторного перехода в открытое состояние, то же касается и эмиттерных переходов транзисторов VT2, VT4. Следовательно, эти транзисторы закрыты, а транзистор VT3 открыт под действием напряжения, подаваемого с R2. Диод VD3 оказывается разомкнутым и напряжение на выходе элемента примерно 3… 4 В ( точка A ). Когда напряжение на эмиттерах VT1 начинает расти, то транзистор VT2 начинает открываться, а транзистор VT3 плавно закрывается ( участок A — B). Дальнейшее повышение напряжения на входном транзисторе приводит к тому, что транзистор VT2 открывается еще больше, напряжение на R3 также увеличивается и транзистор VT4 открывается. В результате эмиттерный переход транзистора VT4 шунтирует резистор R3, а транзистор VT2 резко открывается, и напряжение на выходе элемента падает.В этот момент ( раздел B — C ) все транзисторы открыты и находятся в активном режиме … Если вы продолжите увеличивать входное напряжение, то транзисторы VT2 и VT4 перейдут в режим насыщения ( раздел C — D ), а транзистор VT3 закроется и значение выходного напряжения станет равным напряжению насыщения транзистора VT4, а ток будет ограничен резистором R4.
Секция B — C Переходная характеристика может использоваться для обработки аналогового сигнала , в этом режиме переходная характеристика имеет высокую линейность и максимальную потребляемую мощность.
Внутреннее устройство цифровых КМОП микросхем
Как и в семействе TTL, в микросхемах CMOS базовым элементом является 2И-НЕ , внутренняя структура которого показана ниже
.
Схема базового элемента CMOS 2I-NOT и его переходная характеристика.
Этот логический элемент управляет дополнительных полевых транзисторов … Транзисторы с каналом p-типа (VT1, VT2) , подключенным к плюсовому проводу источника питания, с каналом n-типа (VT3, VT4) соединены последовательно.
При входном напряжении 2 В и менее транзисторы VT1 и VT2 открыты, так как напряжение в секциях затвор-исток (при напряжении питания 9 В) не менее 7 В. Напряжение в тех же секциях транзисторов VT3 и VT4 оказывается недостаточно для их открытия, поэтому на выходе элемента будет напряжение, практически равное напряжению питания, то есть около 9 В ( точка A ). По мере увеличения входного напряжения транзисторы начинают открываться, а VT1 и VT2 закрываются.На участке A — B этот процесс относительно плавный, но на участке B — C он ускоряется и является наиболее линейным. В точке B транзисторы VT1 и VT2 почти полностью закрыты, а VT3 и VT4 открыты. Выходное напряжение в этом случае небольшое и при дальнейшем увеличении входного напряжения до уровня блока питания стремится к нулю ( точка G ).
Логический вентиль в линейном режиме
Использование логических элементов цифровых микросхем для работы с аналоговыми сигналами возможно только в том случае, если для них установлен линейный режим или близкий к нему.Так в линейном режиме элемент ТТЛ эквивалентен усилителю с коэффициентом усиления 10 … 15 (примерно 20 дБ), а КМОП элемент — усилителю с коэффициентом усиления 10 … 20 (20 … 26 дБ).
Выход логического элемента в линейный режим: слева направо по току, напряжению, обратной связи.
Для вывода логического элемента на линейный участок используются разные способы … Один из них основан на включении на входе элемента ТТЛ резистора R … Этот резистор заставит ток течь через эмиттерный переход входного транзистора элемента TTL. Изменяя сопротивление внешнего резистора, можно изменить напряжение на выходе элемента, то есть изменить положение его рабочей точки на передаточной характеристике. Для элементов ТТЛ сопротивление такого внешнего резистора составляет от 1 кОм до 3 кОм. Однако этот способ неприменим для КМОП микросхем , так как они работают без выходных токов (токи утечки есть, но они малы и нестабильны).
Второй способ вывести логический элемент в рабочий режим может подавать на вход соответствующего напряжения , например с помощью резистивного делителя … Итак, для элементов ТТЛ середина линейного участка передаточная характеристика соответствует входному напряжению 1,5 … 1,8 В , а для CMOS 3 … 6 В (при напряжении питания 9 В). Для разных логических элементов это напряжение неодинаково, поэтому подбирается опытным путем.Номиналы входных резисторов выбраны таким образом, чтобы входные токи элементов не влияли на напряжение, снимаемое с резистивного делителя.
Третий метод наиболее эффективен, для этого создает отрицательную обратную связь (NF) по постоянному току между входом и выходом элемента, благодаря чему рабочая точка автоматически поддерживается на требуемом участке передаточной характеристики и не выполняется. не требуют тщательного подбора внешних резисторов.Этот метод реализован для логических вентилей с инверсией входного сигнала : НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ.
Сопротивление в цепи ООС выбирается исходя из обеспечения элемента необходимым входным током. Для КМОП элементов это от нескольких кОм до десятков мегаом , а для ТТЛ — от десятков Ом до 1 кОм … Но использование ООС снижает коэффициент усиления элемента.
Логические усилители
Для использования логических элементов в качестве усилителей сигнала необходимо вывести рабочую точку на линейный участок передаточной характеристики.Основные характеристики таких усилителей приведены в таблице ниже.
| Серия | Схема отвод в линейном режиме | K США, дБ | F макс., МГц | P руб мВт | U выход, В | Р дюйм, кОм | R вых, кОм | R1, кОм | R2, кОм |
| K155 | OOC | 18 | 40 | 20 | 1,2 | 0,6 | 0,05 | 0,68 | 0,68 |
| Текущий | 21 | 0,8 | 1,9 | — | |||||
| K176 | ООС | 25 | 5,5 | 5… 20 | 1,5 | 0,4 | 0,05 | 7,5 | 5,1 |
| Текущий | 17 | 3… 4 | 5,0 | 3,5 | 6 | 6,2 | 4 | ||
| 561 | OOC | 25 | 1000 | 7 | 1000 | 1000 |
Схема простейшего усилителя на ТТЛ элементе представлена ниже.Регулировка усилителя сводится к установке рабочей точки элемента подстроечным резистором R1 в середине линейного участка передаточной характеристики.
Самый простой усилитель на элементе ТТЛ
Недостатком простых усилителей является низкий входной импеданс . , что ограничивает их область применения. К тому же выигрыш небольшой. Устранен этот недостаток использованием совместно с транзисторами. Усиление увеличивается за счет последовательного соединения нескольких каскадов.Кроме того, цифровая микросхема содержит несколько идентичных элементов, что позволяет создавать многоканальные усилители. Примером может служить схема, показанная ниже. Основные характеристики усилителя: коэффициент усиления — 50; выходное сопротивление 50 Ом, входное сопротивление 5 кОм, верхняя частота среза 40 МГц.
Схема усилителя с транзистором на входе
CMOS также могут использоваться для усилителей, один из которых показан ниже. Общим недостатком усилителей КМОП является высокое выходное сопротивление … Его можно устранить установкой логического элемента на выходе эмиттерного повторителя на транзисторе и включением его в цепь ООС.
Схемы усилителя на основе КМОП элементов.
Пороговые устройства на логических вентилях
Пороговые устройства , называемые компараторами, предназначены для преобразования аналогового сигнала в цифровую информацию. Самым простым пороговым устройством является триггер Шмитта, о котором здесь говорится. Помимо формирования импульсов и восстановления цифровых сигналов, пороговые устройства используются в аналого-цифровых преобразователях, генераторах импульсов различной формы.
Схема порогового устройства построена на логических элементах.
По большому счету, логический элемент сам по себе является пороговым устройством, но его передаточная характеристика не совсем линейна. Для увеличения линейности передаточной характеристики логического элемента, он должен быть покрыт положительной обратной связью (ПОС) постоянного тока через резистор R2. В этом случае он превращается в своеобразный триггер Шмитта с возможностью регулирования пороговых напряжений. Ширина петли гистерезиса (разница между пороговыми напряжениями) зависит от соотношения резисторов R1 и R2. Чувствительность также зависит от этих резисторов. С увеличением R2 и уменьшением R1 чувствительность увеличивается, а ширина петли гистерезиса уменьшается. Для микросхем TTL сопротивление R1 = 0,1 … 2 кОм, а R2 = 2 … 10 кОм. Пороговые устройства на основе КМОП-элементов очень экономичны, а недостатком является низкая чувствительность. Для КМОП-микросхем R1 составляет несколько десятков килоом, а R2 — несколько сотен килоом.
Генераторы на логических элементах
Цифровые микросхемы нашли широкое применение v схем различных генераторов с частотами от долей герца до десятков мегагерц и в различных формах импульсов. В общем, генераторы представляют собой каскад усилителя или несколько, которые охватываются частотно-зависимой обратной связью … В качестве таких схем используются RC, LC, RLC-схемы, а также пьезокерамические и кварцевые резонаторы.
Показанная ниже схема генератора с частотно-зависимой RC цепью … Работа этого генератора связана с процессами заряда и разряда конденсатора С1 через резистор R1.
Схема генератора RC
В этой схеме генератора ООС осуществляется через резистор R1, который переводит логический элемент в линейный режим, а частотно-зависимый ПОС осуществляется через конденсатор С1. Этот генератор использует как элементы TTL, так и CMOS. Сопротивление резистора R1 подбирается так же, как и для усилительного каскада с ООС, а емкость конденсатора зависит от необходимой частоты колебаний.Частоту генерации можно определить по приблизительной формуле
В процессе работы такой генератор выдает прямоугольных импульсов. с скважностью примерно равной 2. Максимальная частота генерации ограничена величиной задержки переключения логических элементов, поэтому для CMOS чипов максимальная частота 2 … 4 МГц , а для TTL. — несколько десятков МГц .
Используя цифровые микросхемы, можно также получить генератор синусоидальной волны , для этого в качестве частотно-управляющей схемы необходимо использовать схему LC … Схема такого генератора представлена ниже.
Цепь генератора LC
Как последовательная, так и параллельная связь используются как частотно-зависимая связь. колебательный контур , но в любом случае частота колебаний будет соответствовать формуле Томпсона
Сопротивление резистора R1 подбирается так же, как для усилительного каскада .
Недостатком описанных выше генераторов является низкая стабильность генерируемой частоты.Для ее увеличения используются пьезокерамический и кварцевый резонаторы, в том числе их в цепи обратной связи вместо конденсатора или колебательного контура.
Схема осциллятора с кварцевой стабилизацией частоты
Теория хороша, но теория без практики — это всего лишь сотрясение воздуха.
Электрические колебания — это один или несколько каскадов усиления, охватываемых обратной связью с частотно-зависимыми сопротивлениями, которые обеспечивают генерацию на требуемой частоте.В качестве частотных элементов генераторов используются RC, LC, RLC-цепи, а также пьезокерамические и кварцевые резонаторы.
Схема генератора с RC цепью управления частотой и временные диаграммы, поясняющие его работу, показаны на рис. 24. Принцип его работы основан на процессе зарядки и разрядки конденсатора C через резистор R. резистором ООС осуществляется по постоянному току, а через конденсатор ПОС — по переменному току.Предположим, что в начальный момент конденсатор разряжен, на выходе элемента DD1.2 действует напряжение низкого уровня — конденсатор начнет заряжаться (рис. 24, сечение а). По мере заряда напряжение на нем увеличивается, а на выходе элемента DDL1 — уменьшается (рис. 24, сечение б). Когда напряжение на выходе элемента DD1.1 будет соответствовать низкому уровню, выходное напряжение элемента DD1.2 начнет увеличиваться. Это повышение напряжения через конденсатор поступает на вход элемента DD1.1, что приводит к резкому снижению его выходного напряжения, а значит, к резкому увеличению выходного напряжения элемента DD1.2, что, в свою очередь, приводит к резкому снижению напряжения на выходе элемента DD1 . 1 и т. Д. Таким образом, устройство резко переходит в другое состояние — с высоким уровнем напряжения на выходе элемента DD1.2 (рис. 24, сечение в),
С этого момента конденсатор начнет перезаряжаться, в результате «его напряжение на входе элемента DDil.l уменьшается; а на выходе из него увеличивается (рис.24, раздел г). Когда напряжение на выходе элемента DD1.1 достигает высокого уровня, устройство резко переключается в исходное состояние и процесс повторяется.
В таком генераторе могут использоваться элементы TTL, CMOS и ECL, но, в зависимости от конкретных элементов, на него накладываются определенные ограничения. Для КМОП-элементов сопротивление резистора может составлять от нескольких кОм до десятков МОм, а емкость конденсатора — от десятков пикофарад до сотен микрофарад, но для элементов ТТЛ сопротивление резистора ограничено до более узкие пределы, как упоминалось ранее.
Рис. 24. Генератор с RC частотно-управляющей схемой (а) и графиками (б), поясняющими его работу
Частоту генерации можно определить по приблизительной формуле
Учитывая, что КМОП-элементы имеют ограничения по частотному диапазону, их можно рекомендовать для генераторов на частоты до 2 … 4 МГц. Для более высокочастотных генераторов следует использовать элементы TTL или ESL. Подстройка частоты генераторов может осуществляться с помощью переменного резистора или конденсатора.Температурная стабильность таких генераторов невысока и для ее повышения используются конденсаторы с определенным ТКЕ.
Устройство, собранное по схеме на рис. 24, генерирует прямоугольные импульсы с скважностью примерно 2 (скважность — это отношение периода повторения импульсов к их длительности). Если необходимо изменить скважность импульсов, сохраняя при этом частоту их следования, необходимо синхронно изменить схемы зарядки и разрядки конденсатора.Как это реализовать, показано на рис. 26. Здесь потенциометр R1 используется для регулировки рабочего цикла импульсов. В среднем положении его ползунка, когда время зарядки и разряда конденсатора СІ примерно одинаково, рабочий цикл близок к 2. Когда ползунок перемещается в одну или другую сторону, время зарядки будет, например, уменьшится, а время разряда увеличится, это приведет к изменению рабочего цикла, при этом частота повторения будет немного отличаться.В таком генераторе рабочий цикл можно регулировать от примерно 1,01 до примерно 100.
Если необходимо получить синусоидальный сигнал или повысить стабильность частоты, тогда в цепи управления частотой необходимо использовать LC-цепь, которая также будет выполнять функцию фильтрации, подавляя гармонические составляющие более высокого порядка. Схема этого варианта генератора представлена на рис. 26, а, его удобно использовать для частот выше 3 … 5 МГц. Сигнал снимается с катушки L2, имеет синусоидальную форму.Катушка U1 отводится от середины, и соотношение витков этих катушек должно быть 1: 7. Схема генератора на ТТЛ-элементе со схемой задания частоты на последовательной LC-цепи представлена на рис. 26, б.
Простой генератор на основе КМОП-элементов и LC-цепи может быть собран по схеме рис. 27. В нем через резистор R1 и индуктивность L1 осуществляется ООС на постоянный ток, за счет чего при включении изменяется напряжение питания, обеспечивается стабильная работа генератора в широком диапазоне.Поскольку входное сопротивление элемента составляет сотни килоомов — единиц мегаомов, он слабо шунтирует цепь C1L1C2, поэтому добротность схемы будет достаточно большой, чтобы обеспечить хорошую форму сигнала. Чтобы нагрузка не оказывала существенного влияния на частоту генератора, связь с ним осуществляется через небольшой конденсатор С3.
Рис. 25. Принципиальная схема генератора с регулируемой скважностью импульсов
Общим недостатком описанных выше генераторов является относительно низкая стабильность генерируемой частоты (10-3… 10-4 1 / град). Для повышения устойчивости используются пьезокерамический и кварцевый резонаторы, в том числе их, например, вместо конденсатора в цепи POS (см. Рис. 24), что обеспечивает режим мягкого самовозбуждения. Однако при таком способе включения резонаторов генерация может происходить на частотах, отличных от собственной частоты резонатора. Чтобы этого не происходило, используются различные методы выбора фазы или амплитуды нужной частоты.
Рис.26. Принципиальные схемы LC-генераторов на элементах ТТЛ
.Для повышения добротности схемы емкость конденсатора С2 следует выбирать в 2-4 раза больше емкости конденсатора С1. Частоту генерации можно определить по формуле:
Рис. 27. Принципиальная схема генератора на LC-цепи и КМОП-элементе
.Рис. 28. Генератор на элементах ТТЛ с кварцевой стабилизацией частоты
.Рис.29. Генератор на КМОП элементах с кварцевой стабилизацией частоты
.Литература: И.А. Нечаев, Массовая радиобиблиотека (БРБ), выпуск 1172, 1992.
Думаю, теперь все знают разницу между резонатором и генератором. Как вы помните, кварцевый генератор имеет очень хорошую стабильность частоты, поэтому в радиотехнике пытаются использовать кварцевые генераторы.
Чтобы возбудить кварц на параллельной резонансной частоте, нам нужно собрать схему.Самая простая схема для возбуждения кварца — это классический генератор Пирса , который состоит всего из одного полевого транзистора и небольшой обвязки из четырех радиоэлементов:
Несколько слов о том, как работает схема. Схема имеет положительную обратную связь и в ней начинают появляться автоколебания. Но что такое положительный отзыв?
В школе всем вам сделали прививку от реакции Манту, чтобы определить, есть ли у вас зонд или нет. Через некоторое время пришли медсестры и линейкой измерили реакцию вашей кожи на эту вакцинацию.
Когда вводили эту вакцину, было невозможно поцарапать место укола. Но меня, тогда еще из Салабона, это не волновало. Как только я стал тихонько чесать место укола, захотелось еще больше почесать)) А скорость руки, царапавшей вакцину, замерзла на каком-то пике, потому что я мог махать рукой с максимальной частотой 15 Герц. у меня руки распухли до пола)) И даже однажды взяли сдавать кровь по подозрению на пробирку, но пробирку как оказалось не нашли.Это не удивительно ;-).
Так что я тебе анекдоты из жизни рассказываю? Дело в том, что эта вакцинация от чесотки вызывает самые положительные отзывы. То есть пока не трогал, царапать не хотелось. Но как только я аккуратно почесал, стало больше чесаться и стало больше чесаться, а стало еще больше чесаться и так далее. Если бы на руке не было физических ограничений, то точно место прививки уже было бы стерто до мяса. Но я мог только махать рукой с какой-то максимальной частотой.Итак, принцип тот же для кварцевого генератора ;-). Чуть подал импульс, и он начинает разгоняться и останавливается уже только на параллельной резонансной частоте ;-). Скажем так, «физическое ограничение».
Давайте соберем эту схему вместе в реальной жизни. Итак, начнем.
Первое, что нам нужно сделать, это выбрать катушку индуктивности. Я взял тороидальный сердечник и намотал несколько витков из провода МГТФ
Весь процесс контролировали с помощью LC-метра, достигая номинала, как на диаграмме — 2.5 мГн. Если не хватало, добавляла повороты, если перестаралась, то уменьшала. В результате я добился такой индуктивности:
Транзистора не было ни в моем магазине, ни в местном магазине радиоприемников. Поэтому пришлось заказывать на Али. Кому интересно, взял .
Правильное название: полевой транзистор с каналом N.
Распиновка слева направо: Сток — Источник — Затвор
Небольшое лирическое отступление.
Итак, схема собрана, напряжение подано, осталось только снять сигнал с выхода нашего самодельного генератора. Цифровой осциллограф OWON SDS6062 занимает более
единиц.Во-первых, я взял кварц для самой высокой частоты, которая у меня есть: 32 768 мегагерц. Не путайте его с часовым кварцем (о нем речь пойдет ниже).
В нижнем левом углу осциллятор сразу показывает нам частоту:
Генератор показал правильную частоту с небольшим округлением 😉 А главное, чтобы кварц у нас был жив и схема работала!
Возьмем кристалл 27 МГц:
Мои показания подскочили.Я отсеял, что успел:
Ну так же проверяем и все остальные кварцы, которые у меня есть.
Вот осциллограмма кварца 16 Мегагерц:
Генератор показал частоту ровно 16 мегагерц.
Здесь я поставил кварц на 6 мегагерц:
Ровно 6 мегагерц
4 мегагерца:
Ну возьмем еще 1 Мегагерц советский. Вот как это выглядит:
Выше указано 1000 килогерц = 1 мегагерц 😉
Смотрим осциллограмму:
Рабочий!
При большом желании можно даже частоту замерить китайским частотным генератором:
Погрешность 400 Герц для старого советского кварца не очень большая.Но лучше, конечно, обычный профессиональный частотомер 😉
Схема не запускалась с часовым кварцем …
«Что еще за кварц в этих часах?» — ты спрашиваешь. Часовой кварц — это кварц с частотой 32 768 Герц. Почему у него такая странная частота? Дело в том, что 32 768 — это 2 15. Этот кварц работает в паре с 15-битным чипом счетчика. Это наша микросхема К176ИЕ5.
Принцип работы данной микросхемы следующий:
после того, как он подсчитал 32 768 импульсов, он излучает импульс на одной из ножек.Этот импульс на стержне с кварцевым резонатором на 32 768 Гц появляется ровно один раз в секунду … И, как вы помните, колебание один раз в секунду составляет 1 Гц. То есть на этой ноге будет выдаваться импульс с частотой 1 Герц. А раз уж это так, почему бы не использовать его в часах? Отсюда и название — часы кварцевые … В настоящее время в наручных часах и других мобильных гаджетах этот счетчик и кварцевый резонатор встроены в одну микросхему и обеспечивают не только отсчет секунд, но и целый мультикомбинат, такой как будильник, календарь и т. д.Называются такие микросхемы RTC ( R eal T ime C lock) или переводятся с буржуйских часов реального времени.
Итак, вернемся к диаграмме Пирса. Классическая схема Пирса генерирует синусоидальный сигнал
Но есть еще и модифицированная схема Пирса для прямоугольной волны.
А вот она:
Рейтинги некоторых радиоэлементов можно изменять в достаточно широком диапазоне …Например, конденсаторы C1 и C2 могут иметь диапазон от 10 пФ до 100 пФ. Здесь правило: чем ниже частота кварца, тем меньше должна быть емкость конденсатора. Для часового кварца конденсаторы могут поставляться номиналом 15-18 пФ. Если кварц с частотой от 1 до 10 Мегагерц, то можно поставить 22-56 пФ. Если не хотите заморачиваться, то просто поставьте конденсаторы 22пФ, точно не ошибетесь.
Также следует отметить небольшую хитрость: изменяя емкость конденсатора C1, вы можете регулировать резонансную частоту в очень тонких пределах.
Резистор R1 можно изменить от 1 до 20 МОм, а R2 — от нуля до 100 кОм. Здесь тоже есть правило: чем ниже частота кварца, тем больше номинал у этих резисторов и наоборот.
Максимальная частота кристалла, которую можно вставить в схему, зависит от скорости преобразователя CMOS. Я взял микросхему 74HC04. Это не очень быстро действует. Он состоит из шести инверторов, но я буду использовать только один:
Вот его распиновка:
Подключив к этой цепи часовой кварц, генератор выдал следующую осциллограмму:
Кстати, эта часть схемы вам что-нибудь напоминает?
Эта часть схемы используется для синхронизации АРН?
Она самая лучшая! Просто недостающие элементы схемы есть уже в самом МК 😉
А вообще советую не заморачиваться с этими самодельными кварцевыми генераторами и покупать сразу готовый кварцевый генератор в хорошем железном корпусе, вот так:
Вот его вид сзади:
Распиновку я показал в предыдущей статье.
Подав постоянное напряжение от 3,3 до 5 В с плюсом на # 8 и минусом на # 4, на выходе # 5 я получил чистый, плавный, красивый меандр с частотой, записанной на кварцевом генераторе, то есть 1 Мегагерцы, с очень небольшими выбросами.
Красота!
А китайский генератор-частотомер показал точную частоту:
Отсюда делаем вывод: лучше купить готовый кварцевый генератор, чем тратить много времени и нервов на настройку схемы Пирса.Схема Пирса подойдет для тестирования резонаторов и для различных ваших самоделок.
Простая схема сигнализации для k561la7. Охранная сигнализация на микросхеме CD4023. Кратко о том, как работает сигнализация
Вариант 060. «Простая сигнализация на К561ЛА7» в коробкеНиже представлена схема простой и надежной сигнализации на одной микросхеме К561ЛА7. Два генератора собраны из четырех логических элементов «2И-НЕ». Генератор низкой частоты на DD1.Элементы DD1.2 и DD1.2 управляют генератором звуковой частоты на элементах DD1.3 и DD1.4, генерируя сигнал тревоги. Пьезоэмиттер можно подключить между 11 и 12 выводами микросхемы, тем самым упростив устройство, но в этом случае сигнал, излучаемый пьезоэмиттером QZ1, будет слабым. Поэтому в схему был добавлен усилитель с транзисторами VT1 и VT2, соединенными двухтактной схемой эмиттерного повторителя, образующей комплементарную пару. Но даже в этом случае сигнал тревоги не будет достаточно сильным, потому что пьезоэлектрическому преобразователю требуется относительно высокое напряжение на пластинах для работы в полную силу.Этого результата можно добиться, подключив к выходу эмиттерного повторителя повышающий автотрансформатор Тр1, выполненный на ферритовом кольце. С помощью этого автотрансформатора напряжение на входе пьезоэмиттера увеличивается в 10 раз, и сигнал тревоги становится достаточно громким, чтобы его можно было услышать с большого расстояния. Число витков трансформатора — около 900. Число витков меньшей обмотки (выводы 1 и 2) — 80 витков. После намотки двойной провод отводят и наматывают вторую обмотку (клеммы 2 и 3) до тех пор, пока не израсходуется оставшийся провод.Рассмотрим работу схемы. После подачи питания на схему (напряжение питания может быть в пределах 6-15 вольт) устройство переходит в режим ожидания. Логический ноль отправляется на вывод 2 через нормально замкнутые контакты кнопки SA1, что запрещает работу первого генератора. Соответственно, на выводе 4 также будет логический ноль, что не позволяет работать второму генератору. Устройство в этом режиме потребляет очень небольшой ток в пределах нескольких микроампер. Как только контакты размыкаются, через резисторы R1, R2 на вывод 2 подается логическая единица, что приводит к запуску первого генератора, работающего на частоте около 2 Гц.В момент появления логической единицы на выводе 4, приходящей на вывод 8, включается второй звуковой генератор. Звуковая частота с вывода 11 поступает на вход ретранслятора на VT1, VT2. Далее усиленный сигнал через конденсатор С4 поступает на обмотку (1,2) автотрансформатора Тр1. Ток, проходящий через эту часть обмотки трансформатора, создает переменный магнитный поток в сердечнике (кольце), который, в свою очередь, индуцирует электродвижущую силу во всей обмотке, пропорциональную количеству витков.В результате пьезоэлектрический излучатель принимает сигнал звуковой частоты с повышенным напряжением относительно напряжения источника питания. В зависимости от задач, кнопку можно заменить на нормально разомкнутую, закрыв ее в охранное положение или заменив кнопку тонкой проволокой по принципу обрыва.
Пролог
На элементах DD1.3 и DD1.4 собран еще один мультивибратор, рабочая частота которого около 1 кГц.Цепь привода ГРМ — C3, R3. График взят с 11 ножки микросхемы при постоянной работе мультивибратора.
При появлении импульсов с частотой следования 3 Гц на 4-й ноге на выходе DD1.4 (11-я ветвь) появляется прерывистый сигнал с частотой 1 килогерц соответственно. График был снят с 11-й ноги, когда сработала сигнализация.
Выход DD1.4 подключен к транзисторному ключу VT1, который управляет работой динамика Ва1.В нем используется композитный сильноточный транзистор усиления. Если под рукой такого транзистора нет, то его можно заменить самодельным композитным транзистором.
Потенциометр R4 позволяет установить оптимальный уровень громкости сирены.
Резисторы R5, R6 ограничивают выходной ток микросхемы. Желательно выбирать сопротивление этих резисторов не менее 1 кОм на каждый Вольт источника питания.
Резисторы R7 и R8 ограничивают ток светодиода. И основной ток потребления в режиме ожидания также зависит от сопротивления резистора R8.
Конденсатор C1 защищает входные цепи микросхемы от помех, которые могут быть вызваны в цепи электромагнитным излучением.
Защитные диоды VD1 и VD2 защищают схему от мощных электрических импульсов, которые могут быть вызваны молнией. В этом случае предохранитель FU1 может защитить шлейф от разрыва цепи, хотя и не всегда.
Конденсаторы С4 и С5 — фильтр питания.
Напряжение питания этого охранного устройства можно выбрать в диапазоне 6… 12 вольт. Можно использовать несколько последовательно соединенных элементов AA, AAA или батарею на 9 Вольт типа «Крона».
Энергопотребление при работе сирены зависит от уровня громкости, установленного потенциометром R4, а при максимальной громкости — от импеданса динамика Ba1. Потребление в режиме ожидания в основном определяется сопротивлением резисторов R1 и R8.
Но, если в целях экономии заряда аккумулятора резистор R8 можно вообще исключить со светодиодом VD4, то значительно увеличивать сопротивление резистора R1 нежелательно, особенно если длина провода 100 метров и более.
Схема охранной сигнализации рассчитана на работу с датчиком взлома. В качестве датчика используется тонкий эмалированный медный провод типа ПЭВ, ПЭЛ и т.п. Диаметр проволоки выбирается исходя из следующих соображений. Чем тоньше провод, тем больше вероятность ложной тревоги, но также тем меньше вероятность, что злоумышленник заметит или почувствует ее при прикосновении. Итак, следует выбирать в диапазоне диаметров 0,05 … 0,1 мм. Спокойно идущий человек может не почувствовать обрыва проволоки диаметром 0.05 мм даже при открытой части корпуса. Но не порвать такую проволоку даже при укладке будет сложно. Для прокладки тонкой проволоки можно использовать легкую катушку, вращающуюся в подшипниках.
На данной модели проверена работа системы безопасности.
Чертеж печатной платы на основе одного из самых распространенных типов макетов.
Как это работает? Откройте экран и выберите разрешение 1280×720 пикселей.
Особенность данной сигнализации в том, что ее можно установить практически без изменения схемы на автомобиле, входной двери помещения, сейфе и даже туалете.Единственная разница. какая нагрузка будет на выходе и какой блок питания. Причем модификация производится переключением миниатюрной перемычки в разъеме, установленном на плате сигнализации. Нагрузкой сигнализации может быть автомобильная сирена на 12 В, промежуточное реле, миниатюрная коммерческая или самодельная сирена.
И функции датчика могут выполняться парой герконового магнита, переключателем включения или выключения, автомобильными контактными датчиками, разрывной петлей, контактной лапкой.
Принципиальная схема базовой версии показана на рисунке 1.Такая сигнализация может работать с одной группой датчиков закрытия (SD2) или одной группой датчиков отключения (SD1). Выбор типа датчиков осуществляется перестановкой перемычки N1 (на схеме он показан в положении работы с датчиком закрытия SD2, а пунктирной линией — для работы с открытием SD1).
Если на охраняемом объекте несколько датчиков закрытия, то они должны быть подключены параллельно друг другу, а если датчики отключаются, они должны быть включены последовательно.
Тревога включается переключателем S1, через который подается питание. О факте включения сигнализирует светодиод постоянного свечения HL1. После включения отрабатывается задержка в несколько секунд, в течение которой тревога реагирует на срабатывание датчика коротким звуковым сигналом. Величина этой задержки определяется параметрами RC-цепи R3-C2.
Воздействие необходимо для выхода из охраняемого объекта, закрытия дверей и проверки работоспособности датчиков.По окончании экспозиции сигнализация переходит в охранный режим, о чем свидетельствует мигание светодиода HL2. Диод VD4 и резистор R5 перестают шунтировать R6 и время срабатывания сигнализации. в зависимости от скорости разряда C3 увеличивается.
Теперь при срабатывании датчика на выходе D1.1 появляется положительный импульс, длительность которого зависит от параметров цепи R2-C1. Этот импульс через диод VD3 и токоограничивающее сопротивление R4 заряжает конденсатор C3 до напряжения логической единицы.На выходе D1.2 формируется отрицательный импульс, длительность которого зависит от скорости разряда конденсатора С3.
На фронте этого импульса цепь C6-R8 формирует короткий импульс, что приводит к кратковременному появлению логической единицы на выходе D1 3. Это приводит к кратковременной активации Сирена BF1. Раздается короткий предупреждающий сигнал, после чего у вас есть несколько секунд, чтобы выключить сигнализацию с помощью переключателя S1, который необходимо спрятать внутри защищаемого объекта.
Длительность этой задержки зависит от параметров цепи R7-C4. Если в течение этой задержки сигнал тревоги не отключен, включается режим непрерывной тревоги (сирена звучит около 50 секунд).
Затем схема возвращается в охранный режим. Конденсатор С1 необходим во избежание зацикливания цепи в том случае, когда после вторжения на объект датчик остается в сработавшем положении
При установке на транспортном средстве сигнализатор BF1 использует штатную сирену для сигнализации промышленных транспортных средств.В этом случае он питается от автомобильного аккумулятора, и датчик закрытия удобнее выбирать, ведь именно эти выключатели света дверей, а также автоматические выключатели света под капотом и в багажнике.
Если эти датчики нельзя подключить параллельно, их можно развязать диодами типа КД522. Подключив эти диоды с анодами к аноду VD2, и подключив их катоды к датчикам.
При охране помещения удобнее использовать датчик отключения, потому что это стандартные герконы, устанавливаемые на двери.Если датчик самодельный, то выбор типа зависит от его конструкции. Тип сирены также зависит от многих факторов. Вы можете использовать ту же автомобильную сирену, либо подключить более мощную сирену с питанием от сети, либо кнопку охранного вызова через промежуточное реле.
Однако можно дополнительно подключить к сирене реле для включения кнопки охранного вызова. В этом случае катушка реле подключается параллельно сирене. Чтобы не повредить транзисторы выходного ключа (VT2 и VT3) срабатыванием самоиндукции, необходимо включить любой диод в обратном направлении параллельно обмотке реле.Тип реле зависит от нагрузки, но обмотка должна быть рассчитана на напряжение 8-14В. Напряжение питания сигнализации должно быть в тех же пределах.
Рис. 2
Детали размещаются на односторонней печатной плате. Схема подключения и расположение деталей приведены на рисунке 2.
Способ изготовления платы любой доступный. Установка неплотная, поэтому пломбу можно нарисовать даже заточенной спичкой, при необходимости смочить битумным лаком или нитроэмалью.
Однако установка может производиться на макетной печатной плате или вообще без платы, путем приклеивания микросхем «вверх ногами» к какому-либо основанию и выполнения соединений с проводниками проводов и выводами деталей.
Микросхему К561ТЛ1 можно заменить аналогом серии К1561 или импортным CD4093. Микросхема K561TL1 содержит четыре элемента «2I-NOT», входы которых выполнены по схеме триггера Шмитта. Распиновка и логика работы практически такие же, как у K561LA7, поэтому можно попробовать использовать микросхему K561LA7 вместо K561TL1. , но только в крайнем случае, потому что элементы K561LA7 не являются входами триггеров Шмитта, и схема, скорее всего, будет работать менее стабильно и экспозиция получится не так четко.
Транзисторы КТ315 и КТ815 взаимозаменяемы с любыми другими транзисторами общего назначения анапогической мощности. Также диоды можно заменить любыми аналогами. NI LED — любой индикаторный светодиод с постоянным свечением, а HL2 — мигающий. Схема, показанная на рисунке 1, является базовой. В нем используется только одна микросхема с небольшой степенью интеграции, отсюда и ограниченные функции.
Усложнив его, добавив еще одну такую же микросхему (рис. 3), можно сделать более универсальную сигнализацию. В схеме, показанной на рисунке 3, имеется два входных канала (дополнительный канал выполнен на D2.1). Это позволяет работать одновременно с двумя типами датчиков — на одном канале может быть система датчиков закрытия, а на втором — открытия
.Охранная сигнализация. Схема
Сигнализация выполнена на простой и доступной микросхеме CD4023 (или любой другой … 4023), в которой есть три логических элемента «3И НЕ». Несмотря на простоту, сигнализация имеет неплохой набор функций и может составить конкуренцию аналогичным устройствам, собранным на специализированных микросхемах или микроконтроллерах.Кроме того, использование простой «жесткой» логики делает изготовление сигнализаций очень простым и доступным, поскольку не требуется программирования или поиска дорогих или редких микросхем.
Сигнализация предназначена для работы с пятью контактными датчиками, состоящими из концевых выключателей. Один датчик -SD5 специализированный, он установлен на входной двери. Остальные четыре могут быть установлены на окнах, ставнях, других дверях, люках, люках и т. Д. В закрытом состоянии контакты датчиков разомкнуты, а замыкаются при соответствующей двери, окне, ставне, люке, люке и т. Д.открыты. То есть при замыкании шток концевого выключателя нажат, а значит, его отключающие контакты должны быть подключены.
Алгоритм сигнализации следующий. Включение осуществляется выключателем питания. Факт включения сигнализирует один светодиод. После включения сигнализация не реагирует на датчики около 15 секунд. Однако в течение первых 2-3 секунд после включения питания схема проверяет все датчики, кроме датчика основной двери. Если один из датчиков закрыт (например, окно не закрыто), то в течение 2-3 секунд звучит звуковой сигнал и загорается светодиод, что указывает на конкретный датчик, который находится в закрытом состоянии.Если замкнуть несколько датчиков, соответственно загорятся несколько светодиодов.
После устранения неполадок нужно снова включить питание на будильник. Кроме того, если все датчики в норме, будет гореть только светодиод, указывая на то, что питание включено. Примерно через 15 секунд после включения питания сигнализация переходит в режим охраны. Теперь, если замкнется какой-либо из датчиков (или несколько из них), включится сирена электронного блока, которая будет звучать примерно 15 секунд. Затем система вернется в режим охраны и будет ждать срабатывания следующего датчика.
Отключение тревоги происходит в два этапа. Сначала вводится код с клавиатуры, после чего цепь блокируется на 15 секунд, в течение которых можно войти в комнату и выключить сигнализацию выключателем питания. Если же вы войдете в комнату и не отключите питание сигнализации, то через 15 секунд она перейдет в режим охраны, и сработает, когда вы откроете дверь или окно, или что-то еще, что поставлено на охрану, даже если вы находитесь внутри здания.
Для установки и установки кода используется простая электромеханическая схема последовательно соединенных кнопок.Такие кодовые замки неоднократно описывались в этом журнале, и несмотря на такие неудобства, как необходимость одновременного нажатия кнопок кодовых номеров и невозможность без разбора менять код и пайку, они очень эффективны, дешевы и просты на
, что тоже немаловажно. .
Сигнализатор — это электронная сирена для автосигнализации — на сегодняшний день это самый доступный сигнализатор.
Теперь о схеме. Основа схемы — трехвходовой RS-триггер на двух элементах микросхемы 4023 типа D1.
Есть два типа датчиков. Датчик двери главной двери — SD5, он подключен непосредственно к контакту 2 D1.1. Он не проверяется светодиодом и звуковым сигналом при включении питания, поскольку находится на главной двери, служащей для выхода из помещения, а проверка датчиков начинается сразу после включения питания, то есть пока человек, который включил питание, все еще находится в комнате.
Остальные датчики SD1-SD4 оснащены светодиодами для контроля состояния и RC-цепями, генерирующими импульс длительностью 2-3 секунды при замкнутом датчике.
Они подключены к выводу 1 D1.1 через развязывающие диоды VD1-VD4.
При включении питания переключателем S10 конденсатор C6 начинает заряжаться через резистор R11. При емкости 10 мкФ и сопротивлении 1 МОм я получил около 15 секунд до единицы, хотя точность емкости конденсатора и величина утечки играют здесь роль, поэтому результат может быть другим. Что ж, в это время, пока C6 заряжается через R11, на выводе 4 D1 присутствует низкое логическое напряжение.2. Следовательно, RS-триггер D1.1-D1.2 находится в фиксированном положении, а выход D1.2 является логической единицей независимо от того, что находится на входах элемента D1.1. Следовательно, в это время курок не реагирует на датчики.
При этом, если после включения питания окажется, что один из датчиков SD1-SD4 замкнут, то, например, если это был SD1, схема R2-C1 создаст импульс с длительностью около 2-3 секунд, который пройдет через диод VD1 на вывод 11 D1.3, а на его выходе появится высокий логический уровень на 2-3 секунды. Транзисторный ключ VT1-VT2 откроется на 2-3 секунды и раздастся короткий звуковой сигнал. Загорится светодиод HL1, указывая на то, что это датчик SD1 замкнут.
После зарядки C6 схема переходит в режим безопасности. Теперь при срабатывании любого из датчиков RS-триггер D1.1-D1.2 переключается на ноль на выходе D1.2. При этом на выходе D1.3 выставляется высокий логический уровень, и транзисторы VT1-VT2 открываются, звучит сирена BF1.Но это продолжается только до тех пор, пока конденсатор C5 заряжается через резистор R12, то есть также около 15 секунд. Хотя это время также зависит от реальной емкости конденсатора C5 и величины его тока утечки.
Для первого этапа отключения будильника используется клавиатура кнопок S0-S9 (кнопки пронумерованы в соответствии с надписями рядом с ними на циферблате). Все кнопки переключения, без фиксации, соединены последовательно, но так, что кнопки кодового номера соединяются замыкающими контактами, а все остальные — размыкающими контактами.И эта схема подключена параллельно С6. Цепь замыкается, только если одновременно нажимаются только кнопки с кодовыми номерами. При этом С6 разряжается, и схема переходит в состояние, в котором это происходит после включения питания. То есть около 15 секунд не реагирует датчик двери SD5.
Сборка осуществляется на макете печатной платы промышленного производства.
Время задержки после включения питания можно установить, выбрав R11 или C6.Время срабатывания сирены — выбор R12 или C5.
К этой системе также можно подключить сотовый телефон для дистанционной передачи сигнала (L.1).
Хотя при желании можно легко установить в.
Схема сигнализации предполагает наличие одной охранной цепи (с задержкой на постановку на охрану и срабатывание), но с небольшой доработкой вполне можно добавить столько мгновенных триггеров схемы по своему усмотрению (подключать датчики разбития стекла, датчики движения и т. д.). Достоинством данной схемы является возможность самостоятельно настраивать таймеры задержки:
- Задержка постановки на охрану — регулировка времени с момента включения системы до момента, когда хозяин квартиры должен покинуть комнату и закрыть дверь, тем самым замкнув цепь безопасности.
- Задержка срабатывания сирены — регулировка времени с момента открытия двери до момента срабатывания звуковой сирены системой. То есть время, за которое необходимо успеть войти в квартиру и обесточить сигнализацию.
Еще раз подчеркиваю, таймеров задержки настраиваются независимо и не влияют друг на друга , как это часто встречается в простых системах безопасности на логических микросхемах. Принципиальная схема сигнализации показана на рисунке 1.Схема реализована на 2-х логических микросхемах: К561ЛА7 и К561ЛН2, которые питаются от стабилизатора напряжения на 5 Вольт. Использование стабилизатора, конечно же, нивелирует достоинства микросхем серии К561, а именно сверхнизкое потребление тока, но снимает проблему изменения времени задержки при уменьшении. Время задержки постановки на охрану зависит от емкости конденсатора С1, чем больше его емкость, тем больше период задержки. Задержка включения сирены определяется номиналом конденсатора С3, чем больше его емкость, тем больше времени требуется на отключение охранной системы после размыкания контактов охранного шлейфа.
Кратко о том, как работает сигнализация:
Во-первых, вам нужно рассмотреть участок цепи, который напрямую подключен к охранному шлейфу.
Нас интересует один из логических элементов микросхемы DD1 K561LA7, который отвечает за запуск системы, а именно передачу импульса для мгновенной зарядки конденсатора С2 емкостью 2200 мкФ (что определяет время работы сирена , если дверь сразу закрывается после несанкционированного проникновения, но сигнализация остается включенной).Рассмотрим процессы, происходящие после срабатывания системы (т.е.после мгновенной зарядки конденсатора С2 2200мкФ), в случае чего такой срабатывание срабатывания триггера будет сказано позже, чтобы не запутаться в происходящем. Итак, от энергии C2 2200 мкФ через диод VD2 и резистор R5 620k медленно заряжается конденсатор C3 200 мкФ. Этот этап представляет собой задержку включения сирены, как уже было сказано, чем выше мощность С3, тем больше времени пройдет до включения сирены.Итак, С3 медленно заряжается, и в определенный момент напряжение на конденсаторе достигает значения (около 3 Вольт), при котором срабатывают инверторы, сделанные на микросхеме DD2 K561LN2. После двукратной инверсии сигнала с вывода № 4 микросхемы DD2 напряжение питания поступает на токоограничивающий резистор ключа, выполненный на биполярном транзисторе КТ819Г. Этот ключ «включается на землю», то есть при включении пропускает через себя ток и включает сирену.
Нам осталось разобраться, как работает задержка постановки на охрану и при каких обстоятельствах включится сирена.Итак, при включении охранной системы медленно заряжается конденсатор С1, который определяет время задержки постановки на охрану. При достижении напряжения на конденсаторе C1 выше порога срабатывания (около 3 вольт) состояние выхода первого логического элемента микросхемы DD1 K561LA7 (ножка 3 микросхемы) изменит свое состояние: сразу при включении это на выходе микросхемы будет напряжение, равное напряжению питания, т.е. 5 Вольт, а при заряженном конденсаторе С1 (в конце времени задержки для установки) на этой ножке микросхемы напряжение станет равным нуль.Идем дальше по схеме, сигнал идет на второй логический элемент микросхемы DD1, на котором он инвертируется. Проще говоря, если на входах элемента №6, №5 будет ноль, то на выходе элемент (стопа №4) появится. И наоборот, если на обоих входах (№6, №5) появится суммарное напряжение питания (5В), то на выходе элемента напряжение станет равным нулю. Для сброса таймеров (в том случае, когда по каким-то причинам вы не успеваете выйти и запереть за собой дверь), нужно на несколько секунд нажать на встроенный выключатель, не фиксируя положение (кнопка) , который разрядит все времязадающие конденсаторы до номинального значения 5 Ом.Сброс таймеров также необходим после каждого отключения охранной сигнализации … Можно объединить кнопку выключения питания и кнопку сброса вместе, если вы найдете подходящий фиксирующий переключатель с возможностью коммутировать 4 пары контактов. Остается последний вопрос без ответа.
Снова вернемся к рассмотрению логического элемента №3 микросхемы DD1 К561ЛА7. Как было сказано выше, инверсия сигнала произойдет при появлении напряжения питания на обоих входах логического элемента.То есть, если на входе №9 и входе №8 +5 Вольт, то напряжение на выходе этого элемента (ножка №10) будет равно нулю. С выхода №10 сигнал «ноль» будет подан точно на такой же элемент, который также инвертирует сигнал и на выходе последнего логического элемента микросхемы DD1 K561LA7, то есть напряжение +5 Вольт будет появятся на ноге №11, которая будет производиться через диод VD1 моментом , заряжающий конденсатор 2200мкФ. Что будет дальше, описано выше.
Итак, самый главный фрагмент описания сигнального действия!
Шлейф безопасности нормально замкнутый, то есть в режиме «охрана» кнопка замкнута, а в режиме открывания двери — цепь разомкнута. Что это дает нам применительно к схеме? Сигнал на включение сирены через определенное количество секунд будет подан только тогда, когда напряжение на обоих входах станет равным 4-5 Вольт. Это может произойти только при разомкнутом контуре безопасности (в этом случае на вход № 8 через резистор R11 100 кОм будет подаваться напряжение 5 В).И когда на входе №9 появится напряжение 5 Вольт, и это произойдет по истечении времени задержки постановки на охрану. Обязательно посмотрите
PS / Я постарался максимально лаконично и доступно изложить принцип работы самодельной охранной сигнализации, для понимания начинающими любителями самоделок. Если вы улучшите эту модель — пришлите фото и схему вашего варианта охранной сигнализации, я буду вам очень признателен и выложу в этом разделе. Заранее спасибо.
Вы также можете прислать любые мои самодельные конструкции, и я с радостью размещу их на этом сайте с указанием вашего авторства! samodelkainfo (собака) yandex.ru
Синтез генетической последовательной логической схемы с генератором тактовых импульсов
Динамическая модель синтетических генетических логических схем
Применяя математические модели для описания биохимических реакций генетических систем, синтетическая генетическая схема с определенной функцией может быть синтезирована с точки зрения системы.
Рассмотрим динамическую модель синтетической генетической логической схемы с L генами, описываемую классом нелинейных дифференциальных уравнений Хилла. [7]
m˙i = αifiu-λimi + αi, 0, p˙i = βimi-γipi, i = 1,…, L
(1)
где m i и p i обозначают, соответственно, концентрации мРНК и белка для гена i , λ i и γ i — это, соответственно, скорости деградации мРНК и белка, α i — скорость транскрипции мРНК, β i — скорость синтеза белка, α i , 0 — базальная скорость продукции, f i (⋅) — это функция активности промотора, которая описывает нелинейное поведение транскрипции и отражает силу взаимодействия между регулируемым белком и РНК-полимеразой (РНКп), а u — это концентрация фактора транскрипции (ТФ), который продуцируется другими ген (ы) или индуктор (ы) для контроля скорости транскрипции генов-мишеней.
Для гена с участком оператора, который может связывать репрессор или активатор TF, функции активности промотора описаны как
и
, где f НЕ и f Буфер является функциями активности промотора для логики. НЕ и буфер [26,30], соответственно, n — коэффициент Хилла, который обозначает кооперативность связывания между TF и соответствующим оператором, а K — константа Хилла, которая пропорциональна длине или аффинности сайтов связывания TF, вставленных в промоторная область генов-мишеней.Для логического элемента НЕ входом является репрессор, а ген продуцирует белок только в отсутствие репрессора; в противном случае присутствие репрессора препятствует связыванию РНКп и промотора. Для генетического буфера вводом является активатор, который увеличивает связывание РНКп и промотора с образованием белка. Структуры двух логических вентилей показаны на рисунках. (а) и (б) соответственно.
Выражения класса генетических логических вентилей. а) ворота НЕ; (б) Буфер; (c) И ворота; (д) OR вентиль; (e) вентиль XOR; (f) вентиль NAND; и (g) NOR gate.
Для генов с двумя операторскими сайтами, которые могут связывать два репрессорных ТФ или активаторных ТФ, функции активности промотора описаны в соответствии с их логическими функциями как
fANDu1, u2 = u1K1n1u2K2n21 + u1K1n1 + u2K2n2 + u1K1n1 40006K2n
fORu1, и2 = u1K1n1 + u2K2n2 + u1K1n1u2K2n21 + u1K1n1 + u2K2n2 + u1K1n1u2K2n2
(5)
fXORu1, и2 = u1K1n1 + u2K2n21 + u1K1n1 + u2K2n2 + u1K1n1u2K2n2
(6)
fNANDu1, и2 = 1 + u1K1n1 + u2K2n21 + u1K1n1 + u2K2n2 + u1K1n1u2K2n2
(7)
and
fNORu1, u2 = 11 + u1K1n1 + u2K2n2 + u1K1n1 + u2K2n2 + u1K1n1u2K2n2, где , f XOR , f NAND и f NOR являются, соответственно, функциями активности промотора логических элементов AND, OR, XOR, NAND и NOR, u 1 и u 2 — концентрации репрессора или TF активатора, K 1 и K 2 — константы Хилла для u 1 и u 2 , соответственно, и n 1 и n 95 — соответствующие коэффициенты Хилла.Для логических вентилей AND, OR и XOR транскрипционное поведение регулируется двумя активаторными TF с разными сайтами связывания. Два репрессорных TF контролируют генетические выражения логических вентилей NAND и NOR. Их строительные каркасы показаны на рисунке.
(в) — (г). В
[38,39], промотор и RBS рассматриваются как часть промотора-RBS для регулирования генетической экспрессии, поскольку период полужизни мРНК короче, чем у соответствующего белка. (1) можно переписать в виде p˙i = ρifiu-γipi + ρ0, i, i = 1,…, L (9) , где ρi = αiβiλi, ρ0, i = α0, iβiλi Здесь ρ i и ρ 0, i — это новые скорости синтеза и базальной продукции белка.Динамическая модель дифференциального уравнения 2 L (1) сводится к динамической системе с дифференциальным уравнением L (9). Для реальной реализации, извлекая соответствующие части промотор-RBS из библиотеки промотор-RBS, синтетическая генетическая цепь может быть реализована в генетических системах. В цифровых логических схемах выход последовательных логических схем зависит не только от текущих входов, но и от прошлых входов.Для синхронных последовательных схем тактовый сигнал используется в качестве метронома для координации действий схем, которые колеблются между состояниями высокого и низкого уровня. Цепи с запущенными тактовыми сигналами становятся активными либо по переднему фронту, либо по спаду, либо по обоим фронтам нарастания и спада. Для последовательной логической схемы, запускаемой по нарастающему фронту тактового сигнала, она становится активной, когда ее тактовый импульс переходит от низкого уровня к высокому (от 0 до 1), и игнорирует переход от высокого уровня к низкому (от 1 до 0). В генетических логических схемах колебательный сигнал, создаваемый репрессилятором, не идеален в качестве тактового генератора для использования в схемах, полагающихся на изменение нарастающего или спадающего фронта тактового сигнала для перехода между состояниями. Предлагаемый нами подход состоит в том, чтобы внедрить идею схемы формирования формы волны в электронике в генетические логические схемы и преобразовать синтезированный сигнал генетических колебаний в четкий тактовый сигнал или сигнал ШИМ с различными рабочими циклами. Регулируя продолжительность рабочего цикла, тактовый импульс может генерироваться с передним или задним фронтом, частота которого согласована с частотой колебаний.Чтобы использовать тактовый импульс, сконструированный генетический счетчик, основанный на топологии электронной последовательной логической схемы, запускается для генерации тактового сигнала, частота которого обратно целочисленно кратна генетическому колебанию. Явление колебаний в биологических системах было обнаружено на различных уровнях биологической организации. Его практическая функция заключается в контроле дозировки лекарств или в качестве синхронного механизма межклеточной коммуникации.Способность к колебаниям зависит не только от топологии сети, но и от параметров системы. В настоящее время простейший синтетический генетический осциллятор может быть синтезирован из одного гена, репрессирующего себя с помощью отложенной петли отрицательной обратной связи. Расширение простейшего осциллятора, называемого репрессилятором, состоит из трех генов ( lacI , tetR , cI ), которые репрессируют друг друга в цепочке цикла. Продукт первого гена-репрессора, lacI из E.coli , ингибирует транскрипцию второго гена-репрессора, tetR , из транспозона устойчивости к тетрациклину Tn10, белковый продукт которого, в свою очередь, ингибирует экспрессию третьего гена-репрессора, cI из фага λ . Наконец, cI ингибирует экспрессию lacI , завершая цикл отрицательной обратной связи.
[10]. Динамическая модель репрессилятора может быть описана как p˙i = ρifNOT, ipj-γipi (10) , где p i и p j — это концентрации белков для ( i , j ) ≡ ( lacI , cI ), ( tetR , lacI ) или ( cI , tetR ).Для другой конструкции колебательное поведение может быть вызвано рядом репрессорных и активаторных генов, в которых количество репрессорных генов должно быть нечетным. Чтобы спроектировать генетический осциллятор с желаемыми колебаниями, можно реализовать регуляторную сеть генов для отслеживания опорного синусоидального сигнала, задаваемого y d = A sin ( ω 0 t + φ ) + y d , 0 (11) где y d — это колебательный сигнал с желаемой амплитудой A , базовая частота ω 0 , фаза φ и y d , 0 — базовый уровень для обеспечения неотрицательной концентрации белка.Для получения более подробной информации о создании синтетических генетических осцилляторов с помощью алгоритмов оптимизации можно обратиться к
[35]. В электронике схема формирования сигнала предназначена для придания входному сигналу желаемой формы в соответствии с характеристической кривой ввода и вывода (I / O). Для колебательного входа и тактового выхода характеристическая кривая ввода-вывода желаемой схемы формирования формы сигнала показана на рисунке.
. Ступенчатая функция (пунктир) с пороговым уровнем y T используется в электронике.Для входного сигнала, значение которого превышает пороговый уровень, он рассматривается как «высокий логический уровень». В противном случае это называется «низкий логический уровень». Однако в биологических системах не существует идеальной ступенчатой функции. Сигмовидная функция (сплошная линия на рис.
) можно было бы использовать вместо этого. На характеристической кривой ввода-вывода сигмовидной функции можно выделить две рабочие области: насыщение и переход. Входной сигнал в области насыщения может быть отключен и удерживаться на высоком уровне или на низком уровне для приближения.В переходной области выигрыш в рабочей точке y T должен быть больше, чем (нормализованный) 1, потому что он гарантирует, что входной сигнал, который больше или меньше порогового уровня, будет усилен или уменьшен. Посредством каскадирования следующей сигмоидной функции входной сигнал колебания будет постепенно достигать области насыщения и оставаться на высоком или низком уровне. Идея схемы формирования генетической формы волны. В соответствии с этой идеей, схема формирования формы волны может использоваться для регулирования периода логических высоких / низких уровней колебательного сигнала в синусоидальном цикле и генерирования сигнала ШИМ с другим рабочим циклом, определяемым , где D — рабочий цикл, T 0 — базовый период колебательного сигнала (11) с 2 π / ω 0 и T на , являющимся периодом «логического максимума» в базальный период.Для сигналов ШИМ с разными рабочими циклами порог получается путем рассмотрения yT = Asinω0t + φ + yd, 0, t = th ± Ton2 (13) с th = 1ω0sin-11-φω0, th∈0T0 (14) Для выбора порогового уровня, приближающегося к y d , 0 + A , тактовый импульс, служащий нарастающим запускаемым фронтом, генерируется и показан на рисунке
(а). Для тактового импульса, рассматриваемого как спадающий срабатывающий фронт, показанный на рисунке
(б) можно выбрать пороговый уровень, который близок к y d , 0 — A .Аналогичным образом синтезируется сигнал ШИМ с коэффициентом заполнения 50%, то есть тактовый сигнал с частотой, согласованной с генетическим генератором, и показан на рисунке.
(c) при выборе базового уровня сигнала y d , 0 . Другими словами, сигналы ШИМ с разными рабочими циклами могут быть синтезированы из колебательного сигнала через схему формирования формы волны на разных пороговых уровнях. Идеальные сигналы ШИМ. (a) — нарастающий срабатывающий фронт; (b) — спадающий срабатывающий фронт; и (c) 50% рабочий цикл. В инженерных схемах генетической логики генетический буфер
[30] предлагается использовать в качестве буфера между двумя каскадными генетическими цепями для улучшения передачи логических сигналов. Он используется здесь, чтобы помочь в разработке схемы формирования генетической формы волны: p˙k = ρkfBuffer, kuk, Kk, nk-γkpk + ρ0, k, k = 1,…, M (15) Его устойчивый- Решение состояния легко получить как pk, ss = ρkγkfBuffer, kuk, Kk, nk + ρ0, kγk, k = 1,…, M (16) , где p k — выходная концентрация буфера k th, p k , ss обозначает его стационарную концентрацию, u k , К К и n k — это, соответственно, входная концентрация, постоянная Хилла и коэффициент Хилла k -го буфера и ρ k , γ к и ρ 0, k — это, соответственно, скорость синтеза, распада и базальная скорость.Второй член правой части (16) — минимальный уровень и ρ k / γ к — разница между минимальным и максимальным уровнями. Выходная концентрация генетического буфера — это половина максимальной выходной концентрации, когда входная концентрация равна K k и, следовательно, K k относится к пороговому уровню y T . На каждом этапе соответствующие входы и пороговые уровни задаются как uk = yd, k = 1pk-1,1 (17) и Kk = yT, k = 1ρk -1 + ρ0, k-12γk-1,1 (18) На первом этапе входным сигналом является сигнал колебаний в (11), а пороговый уровень выбирается в соответствии с желаемой нагрузкой. цикл в (13). Для следующего этапа входной сигнал — это выходная концентрация предыдущего буфера, а пороговый уровень — это половина максимального выходного уровня в предыдущем.Топология предлагаемой нами схемы генетического формирования сигнала показана на рисунке.
. Сигнал осцилляции от производства белка любым геном репрессилятора активирует первый ген в генетической цепи формирования формы волны, продукция которого активирует следующий ген. Постепенно колебания можно преобразовать в четкий тактовый сигнал или сигнал ШИМ. Однако проблема медленной сходимости к максимальному уровню возникает для большего порогового уровня K k .Чтобы решить эту проблему, можно снова каскадировать буфер с проектными параметрами (16) на последнем этапе генетической схемы формирования формы волны для компенсации выходного уровня. Топология разработанной схемы генетического формирования сигнала. Прирост в рабочей точке К К получается с помощью Ak = ∂pk, ss∂ukuk = Kk = ρknk4γkKk (19) , где A k — это усиление k -го буфера.Прирост пропорционален коэффициенту Хилла n k и скорость синтеза ρ k и обратно пропорциональна постоянной Хилла K k и скорость распада γ k в рабочей точке u k = К К . Чтобы обеспечить необходимое условие усиления в рабочей точке, К К должно быть больше 1.Сначала выбирается подходящая константа Хилла для желаемого синтезированного ШИМ-сигнала, а затем выбирается подходящий коэффициент Хилла n k , скорость синтеза ρ k и скорость распада γ k удовлетворяющее (19). Из параметров системы на предыдущем этапе переходят к выбору соответствующих параметров системы на следующем этапе, удовлетворяющих (18) и (19). Из
[38,39], чтобы реализовать предложенную генетическую логическую схему в реальности, можно найти применимые компоненты промотор-RBS из сконструированной библиотеки промотор-RBS, характеристические кривые ввода-вывода которых способны удовлетворять (18) и (19). Делитель частоты в электронике — это устройство, которое генерирует выходной сигнал, частота которого обратно кратна частоте входного сигнала. Для достижения этой функции используется последовательная логическая схема счетчика, которая состоит из серии триггеров и запускается тактовым импульсом для генерации тактовых сигналов с кратным базальным периодом. Фигура
иллюстрирует идеальный тактовый сигнал при запуске по нарастающему фронту тактового сигнала с желаемым базальным периодом. Идеальные тактовые сигналы с (а) базальным периодом; (б) двойной базальный период; и (c) четырехкратный базальный период. Триггеры Genetic JK, основанные на топологии цифровых логических схем в электронике, делятся на триггеры, запускаемые по переднему фронту, и триггеры, запускаемые по заднему фронту, как показано на рисунке
. Для генетического триггера JK, запускаемого нарастающим фронтом, его модель описывается классом A синхронизированных генетических триггеров JK. а) — запускаемый по нарастающему фронту; и (b) — срабатывание по заднему фронту. p˙W = ρWfANDpK, pCLK, KW, nW-γWpW, p˙V = ρVfANDpJ, pCLK, KV, nV-γVpV, p˙R = ρRfANDpW, pQ, KR, nR-γRpR, p˙S = ρSfANDpV, pQ¯, KS, nS-γSpS, p˙Q = ρQfNORpR, pQ¯, KQ, nQ-γQpQ, p˙Q¯ = ρQ¯fNORpS, pQ, KQ¯, nQ¯-γQ¯pQ¯ (20) где p CLK — концентрация тактового импульса от низкого к высокому, p W , стр. V , п. R , п. S , п. Q , и
pQ¯ обозначают, соответственно, концентрации белков генов W , V , R , S , Q и
Q¯.Генетический триггер JK, запускаемый по нарастающему фронту, становится активным только тогда, когда тактовый импульс переходит от низкого уровня к высокому. Имеется четыре логических логических элемента И и два логических элемента ИЛИ-НЕ, а топология показана на рисунке.
. Белки p K и p. CLK активирует транскрипцию гена W . Белки p J и p. CLK активирует транскрипцию гена V .Продукция генов W и Q активирует транскрипцию гена R и продукцию генов V и
Q¯ активирует транскрипцию гена S . Белки p R и
pQ¯ ингибирует транскрипцию гена Q и белков p S и p Q подавляют транскрипцию гена
Q¯. Топология генетического JK-триггера, запускаемого нарастающим фронтом. Для генетического триггера JK, запускаемого по заднему фронту, модель описывается формулой p˙W = ρWfNANDpK, pCLK, KW, nW-γWpW, p˙V = ρVfNANDpJ, pCLK, KV, nV-γVpV, p ˙R = ρRfNANDpW, pQ, KR, nR-γRpR, p˙S = ρSfNANDpV, pQ¯, KS, nS-γSpS, p˙Q = ρQfNANDpS, pQ¯, KQ, nQ-γQpQ, p˙Q¯ = ρQ¯ fNANDpR, pQ, KQ¯, nQ¯-γQ¯pQ¯ (21) где p CLK — это концентрация тактового импульса от высокого к низкому. Эта схема состоит из шести генетических логических элементов NAND с топологической структурой, показанной на рисунке.
. Топология генетического JK-триггера, запускаемого падающим фронтом. Для синтеза тактового сигнала с частотой, обратно кратной частоте генетического генератора, можно использовать схему синхронного генетического счетчика. Схема счетчика в электронике работает по переднему или заднему фронту тактового сигнала и подсчитывает количество тактовых импульсов. Основываясь на этой функции, сначала генерируется серия тактовых импульсов, используя предложенную нами схему формирования генетической формы волны, а затем используется сигнал тактовых импульсов для запуска генетического счетчика.Согласно карте Карно в теории цифровой логики, можно определить входные сигналы каждого генетического триггера JK и топологию схемы генетического счетчика. Синтезировать тактовые сигналы с 2 δ -кратный базальный период, в котором δ является положительным целым числом, схема синхронного генетического счетчика с δ числом запускаемых нарастающим фронтом генетических триггеров JK конструируется с помощью p˙W1 = ρW1fANDpK1, pCLK1, KW1, nW1-γW1pW1, p˙V1 = ρV1fANDpJ1, pCLK1, KV1, nV1-γV1pV1, p˙R1 = ρR1fANDpW1, pQ1, KR1, nR1-γR1pR1, p˙S1 = ρS1fANDpV1, pQ ¯ n Q1 = ρQ1fNORpR1, pQ¯1, KQ1, nQ1-γQ1pQ1, p˙Q¯1 = ρQ¯1fNORpS1, pQ1, KQ¯1, nQ¯1-γQ¯1pQ¯1, ⋮ p˙Wδ = ρWδfANDpKδ, pδCLK1, KW , nWδ-γWδpWδ, p˙Vδ = ρVδfANDpJδ, pCLK1, KVδ, nVδ-γVδpVδ, p˙Rδ = ρRδfANDpWδ, pQδ, KRδ, nRδ-γRδpRδ, p˙Sδ = ρSδfANDpδSδ, pQδ, nQδ ˙Qδ = ρQδfNORpRδ, pQ¯δ, KQδ, nQδ-γQδpQδ, p˙Q¯δ = ρQ¯δfNORpSδ, pQδ, KQ¯δ, nQ¯δ-γQ¯δpQ¯δ, p˙G1 = ρG1fANDpK2, pQ2, KG1 , nG1-γG1pG1, ⋮ p˙Gδ-2 = ρGδ-2fANDpKδ-1, pQδ-1, KGδ-2, nGδ-2-γGδ-2pGδ-2, (22) с вводом каждого генетического JK триггер, заданный как pJ1 = pK1 = 1, pJ2 = pK2 = pQ1, pJ3 = pK3 = pG1, ⋮ pJδ = pKδ = pGδ-2 (23) где p CL K 1 — это сигнал тактового импульса от низкого к высокому, p Q 1 , p Q 2 , p Q δ — это, соответственно, тактовые сигналы с двойным, учетверенным и 2 δ кратных базальных периодов.Фигура
показана топология синхронного генетического счетчика для тактовых сигналов с 2 δ -кратный базальный период. Топология синхронного генетического счетчика тактовых сигналов с 2 δ -кратный базальный период. Чтобы синтезировать тактовый сигнал с тройным базальным периодом, синхронный генетический счетчик с двумя генетическими триггерами JK, запускаемыми по фронту, и генетическим триггером JK, запускаемым по фронту, конструируется с помощью p˙W1 = ρW1fANDpK1, pCLK1, KW1, nW1-γW1pW1, p˙V1 = ρV1fANDpJ1, pCLK1, KV1, nV1-γV1pV1, p˙R1 = ρR1fANDpW1, pQ1, KR1, nR1-γR1pR1, p˙Sp1 ¯ n, p˙S1 = ρS1, pS1, pS1¯, pS1 ¯ γS1pS1, p˙Q1 = ρQ1fNORpR1, pQ¯1, KQ1, nQ1-γQ1pQ1, p˙Q¯1 = ρQ¯1fNORpS1, pQ1, KQ¯1, nQ¯1-γQ¯1pQ¯1, p˙W2 = ρW2fANDpK2, pCLK1, KW2, nW2-γW2pW2, p˙V2 = ρV2fANDpJ2, pCLK1, KV2, nV2-γV2pV2, p˙R2 = ρR2fANDpW2, pQ2, KR2, nR2-γR2pR2, p˙Sp2 ¯ n2, pSp2, pSp2, pSp2, pSp2, pSp2 = ρS2, γS2pS2, p˙Q2 = ρQ2fNORpR2, pQ¯2, KQ2, nQ2-γQ2pQ2, p˙Q¯2 = ρQ¯2fNORpS2, pQ2, KQ¯2, nQCL2-γQ¯2pQ¯2p˙W3 = ρW3fNANDpK3, pW3fNANDpK3, KW3, nW3-γW3pW3, p˙V3 = ρV3fNANDpJ3, pCLK2, KV3, nV3-γV3pV3, p˙R3 = ρR3fNANDpW3, pQ3, KR3, nR3-γR3pR3, p˙S3 = ρS3fNANDpV¯ p˙Q3 = ρQ3fNANDpS3, pQ¯3, KQ3, nQ3-γQ3pQ3, p˙Q¯3 = ρQ¯3fNANDpR3, pQ3, KQ¯3, nQ¯3-γQ¯3pQ¯3p˙G1 = ρG1fORpQ2, pQ3, KG1, nG1-γG1pG1, (24) с входом eac h генетический триггер JK, заданный как pK1 = pK2 = 1, pJ1 = pQ¯2, pJ2 = pQ1, pJ3 = pQ2, pK3 = pQ¯2 (25) где p CL K 1 — это сигнал тактового импульса от низкого к высокому, p CL K 2 — это сигнал тактового импульса от высокого к низкому и p G 1 — тактовый сигнал с тройным базальным периодом.Топология синхронного генетического счетчика для тактового сигнала с тройным базальным периодом представлена на рисунке.
и соответствующие идеальные сигналы показаны на рис.
. Топология синхронного генетического счетчика тактового сигнала с тройным базальным периодом. (a) Сигнал тактового импульса от низкого до высокого; (b) Сигнал тактового импульса от высокого к низкому; (c) Выходной сигнал p Q 1 первого генетического триггера JK; (d) Выходной сигнал p Q 2 второго генетического триггера JK; (e) Выходной сигнал p Q 3 третьего генетического триггера JK; и (f) Выходной сигнал логического ИЛИ (d) и (e) . Идеальные сигналы для синтеза тактового сигнала с тройным базальным периодом. (a) Сигнал тактового импульса от низкого до высокого; (b) Сигнал тактового импульса от высокого к низкому; (c) Выходной сигнал p Q 1 первого генетического триггера JK; (d) Выходной сигнал p Q 2 второго генетического триггера JK; (e) Выходной сигнал p Q 3 третьего генетического триггера JK; и (f) Выходной сигнал логического ИЛИ (d) и (e) . Вышеупомянутый подход является общим, аналогичным образом можно определить соответствующие входы каждого генетического триггера JK на основе теории инженерной цифровой логики.
[40] и каскадировать эти базовые перевороты, чтобы напоминать другие типы генетических счетчиков с желаемой рабочей частотой. Генератор импульсов, представленный в этой работе, имеет уникальный временной шаблон и небольшое количество компонентов. Выбор компонентов позволяет использовать выходной импульсный дизайн. Наша цель — разработать генератор импульсов, чтобы в будущем его можно было интегрировать в более крупную систему. Влияние формы импульса стимуляции на нейромодуляцию не исследовалось. В этой работе мы представляем новый генератор импульсов и характеризуем его работу. Ширина и амплитуда импульса могут быть спроектированы путем выбора конструктивных элементов генератора, а частота импульсов определяется входным источником. Цель этой работы — помочь в исследовании нейромодуляции путем создания схемы генератора импульсов с выходом с новым временным шаблоном. Схема была сконструирована для проверки правильности работы, и результаты анализа сравнивались с измеренными выходными сигналами. Выходные импульсы (vRL) и напряжения в цепи регистрировались с помощью осциллографа Keysight EDUX1002A (Keysight Technologies, Санта-Роза, Калифорния, США). Импульс был получен путем измерения напряжения каждого конденсатора отдельно, а затем вычитания одного сигнала из другого. Отклонение рассчитывали как процент разницы между измеренным экспериментальным значением и результатом аналитического выражения, деленный на измеренное экспериментальное значение. Входная синхронизация была сгенерирована с помощью генератора произвольных функций (GW Instek AFG 2225, Good Will Instrument Co., Ltd., New Taipei City 236, Тайвань).Вход был получен путем программирования настройки импульса функционального генератора с частотой 50 Гц и амплитудой 6 В. Частота варьировалась от 20 Гц до 2,5 кГц только для характеристики предельной частоты. Стабилитрон имел пробивное напряжение стабилитрона 5,1 В. Результаты характеризации были использованы для проверки точности t пик , v max и V cap путем сравнения с результатами анализа схемы. R p изменяет максимальную амплитуду выходного сигнала без изменения формы сигнала. Таким образом, компоненты конструкции R, R p , C 1 и C 2 позволяют настраивать амплитуду выходного сигнала, длительность и положение пика. Это выражение позволяет нам аппроксимировать f tim , с которым схема может работать с заданными конструктивными компонентами. Компоненты конструкции были R p = 0.5 кОм, R = 1 кОм, C 1 = 27 нФ и C 2 = 250 нФ. Показано, что схема имеет надежную изменчивость f tim , которая зависит от длительности фазы зарядки. Точное выражение для f стим не было получено в этой работе. Схема была протестирована на частотах до 2,5 кГц, и схема работала нормально до 1,6 кГц, где наблюдается падение на 1% в v max . Считалось, что сигнал пропадает, когда амплитуда выходного сигнала v max уменьшалась более чем на 1% при заданном значении f tim . Наблюдение за результатами измерений позволяет предположить, что вариации R L не оказывают значительного влияния на сигнал после момента времени t , пик , и влияние резистивной нагрузки на хвостовой части сигнала минимально. Qstim = ∫trisetdecayIload (t) dt (9) Анализ энергопотребления схемы не является предметом данной работы, однако при проектировании схемы следует учитывать целевое применение. Лабораторные исследования, которые сосредоточены на анализе реакции тканей in vitro на различные формы волны, будут иметь другие требования к мощности, чем исследования in vivo с использованием носимых устройств, таких как транскраниальная электрическая стимуляция (TES) и функциональная электрическая стимуляция (FES).Исследования, связанные с воздействием форм волны in vitro, имеют менее строгие требования к питанию по сравнению с портативными устройствами in vivo. Характеристика для C 2 в нагрузке раствора PBS имела проектные значения компонентов C 1 = 27 нФ, R = 1 кОм и R p = 0,5 кОм. Отклонение между измеренными и расчетными значениями для t пика составляет от 8,9% до 75%, для v max составляет от 3,5% до 11,8%, а для δ tim составляет от 25,7% до 61%. Характеристики для R в загрузке раствора PBS имели значения проектных компонентов: C 1 = 27 нФ, C 2 = 250 нФ и R p = 0.5 кОм. Отклонение между измеренными и расчетными значениями для пика t составляет от 9,67% до 69%, для v max составляет от 1% до 15,3%, а для δ Stim составляет от 15,5% до 48,7%. Выходной сигнал в решении PBS можно оценить с помощью выходных выражений схемы и одного измерения. Измеренные выходные данные были аналогичны выходным данным аналитического выражения, однако имелись расхождения во временной области, которые привели к значительному отклонению значений t пикового значения . Это указывает на то, что модель нагрузки, основанная на упрощенной эквивалентной схеме Рэндлса, является неполной и может быть улучшена с помощью более совершенной модели границы раздела электрод-электролит.Электрические свойства тканевой нагрузки следует должным образом охарактеризовать при разработке устройств электростимуляции. Это позволило бы лучше определять эффекты стимуляции на цель и выходной ответ на различные типы тканевой нагрузки. Результаты измерений и выходные аналитические выражения показывают хорошее согласие в целом, и выходной импульс стимуляции в будущих приложениях можно оценить, если будут найдены ожидаемые C L и R L . Была представлена и охарактеризована новая схема пассивного генератора импульсов. Работа генератора сигналов и аналитические выражения схемы были проверены путем характеристики собранной схемы. Результаты аналитических выражений и результаты экспериментальных измерений показали хорошее согласие как при настольных измерениях, так и при измерениях раствора PBS, что подтверждает точность схемных выражений. С точки зрения дизайна сигнала, v max , t peak и δ tim увеличивались при уменьшении κ; и t пик и δ стим увеличивались, а v max уменьшались по мере увеличения R.Генератор импульсов выдает уникальную форму для каждой комбинации компонентов конструкции, что позволяет моделировать импульс при заданной необходимой амплитуде и длительности. Выражение для предела выходной частоты стимуляции было получено из результатов измерения формы волны генератора сигналов. Генератор импульсов не зависит от тканевого интерфейса и был разработан для подключения к различным источникам питания и механизмам нейронного интерфейса для конкретных приложений. Потребляемую мощность схемы следует учитывать при проектировании схемы для конкретных приложений.Зная тип электрода и целевую ткань (мышцы, нервы, срезы мозга), можно разработать схему для конкретного приложения с использованием выражений аналитической схемы. Также возможны улучшения модели для определения плотности заряда, обеспечиваемой генератором сигналов с заданным нейронным интерфейсом. Синтетические генетические последовательные логические схемы
Синтетический генетический осциллятор
Схема формирования сигнала
Реализация генетической схемы формирования формы волны
Конструкция схемы генетического делителя частоты
Триггеры Genetic JK
Генетический счетчик
Электроника | Бесплатный полнотекстовый | Схема генерации импульсов для изучения влияния формы волны на нейростимуляцию
1. Введение
Электрическая стимуляция продемонстрировала способность изменять составные потенциалы действия и долгосрочное поведение потенцирования сложных нейронных сетей, даже при низкой интенсивности стимуляции [1], через эффект называется нейромодуляцией.Нейромодуляция наблюдалась на всех уровнях, от отдельных нервных клеток до областей мозга, включая синапсы [2]. Нейромодуляция показала себя многообещающей в области нейропротезов, где ее можно использовать для повышения скорости обучения использованию нейропротезных устройств [3,4], а также для улучшения когнитивных функций, когда человек может достичь более высоких показателей обучения [5,6]. Считается, что этот эффект возникает из-за потенциалов действия (ПД), которые модулируются по мере их распространения через отдельные нервные клетки, в зависимости от свойств нервных клеток на уровне сомы [7], аксона [8] и трансмембранных белков [9]. .Эту модуляцию можно усилить или подавить с помощью нейростимуляции [6]. Формы волн стимуляции были изучены на предмет их влияния на нейростимуляцию. К ним относятся квадратные или прямоугольные [10,11], экспоненциальные, пилообразные [12], синусоидальные [13,14,15], треугольные и гауссовские [16,17] сигналы. Насколько нам известно, было проведено несколько исследований in vivo или in vitro, посвященных влиянию формы сигнала на нейростимуляцию. Кроме того, отсутствуют достаточные научные данные о роли, которую формы и модели волн стимуляции играют в нейромодуляции и пластичности [18,19,20], так что существует потребность в новых формах волн стимуляции, чтобы лучше понять эффекты и возможности электрического стимуляция.Исследования, демонстрирующие различные эффекты формы волны стимуляции, показывают, что форма волны влияет на результат электростимуляции. Таким образом, мы представляем в этой работе новую схему генератора импульсов с уникальным временным шаблоном, так что эту схему можно использовать для исследования влияния формы сигнала на нейростимуляцию. Разработка форм сигналов стимуляции затруднена из-за разнообразных вариантов и требований для каждая анатомическая цель стимуляции [21], неопределенные долгосрочные эффекты нейростимуляции, разнообразие реакций на уровне тканей, органов и пациентов, задействованные неизвестные нейронные механизмы [22], а также неизвестные побочные эффекты методологии стимуляции, включая электрод типа [23].Было показано, что параметры формы волны электростимуляции, такие как амплитуда, ширина и частота стимуляции, влияют на сенсорную информацию протеза в вестибулярном нерве [24], скорость возбуждения отдельных нервов [25] и нервных пучков [26]. , и пространственная селективность внутри пучков [11]. Кроме того, было показано, что различия в формах волн стимуляции [18], полярности тока и направления [19], форме и направлении электрического поля [14], а также во временном режиме стимуляции [20] влияют на результат стимуляции.Представленная здесь работа решает эту конструктивную проблему, позволяя точно изменять параметры сигнала стимуляции, необходимые для схемы генератора импульсов. Новые подходы к нейростимуляторам все еще требуются и разрабатываются. Seo et al. исследовали использование мощности ультразвука и коммуникаций в нейрорегистраторах, с нейростимуляторами и полными нейронными интерфейсами, являющимися следующим логическим шагом [27]. Qian et al. исследовали возможность использования новых типов сигналов путем реализации несущих волн с сигналами стимуляции [28].Ван Донген и Сердиджин описали конструкцию нейростимулятора, в которой для доставки заряда к нагрузке используется индуктор, в отличие от типичного конденсатора [29]. Халифа и др. недавно представил работу по распределенным нейростимуляторам как необходимый подход к дизайну нейростимулятора [30]. 5.Процедуры определения характеристик генератора импульсов
5.1. Аналитическое выражение и проверка характеристик
Схема была проверена для работы в соответствии с проектом.Можно наблюдать четыре фазы работы, и состояние каждой секции контура (I – IV на Рисунке 2 и Рисунке 6) было измерено для сравнения с ожидаемым результатом. Показаны результаты определения характеристик при увеличении C 2 . на рисунке 7а. Значения компонентов: C 1 = 27 нФ, R = 1 кОм, R p = 0,5 кОм, емкость нагрузки 100 нФ и сопротивление нагрузки 1 кОм. Отклонение между измеренными и расчетными значениями для t пика составляет от 3,2% до 18,6%, для v max меньше 1.04%, для δ стим составляет от 6,67% до 27%, а для V cap составляет от 0,17% до 0,35%. На рисунке 7b показаны результаты, когда R. Значения компонентов: C 1 = 27 нФ, C 2 = 250 нФ, R p = 0,5 кОм, емкость нагрузки 100 нФ и сопротивление нагрузки 1 кОм. Отклонение между измеренными и рассчитанными значениями для t пика составляет от 0,5% до 48%, для v max составляет от 0,27% до 3,78%, для δ Stim составляет от 3,89% до 20,5%, а для V cap составляет 1.С 89% до 6,86%. Также был записан выпуск при увеличении R p . Значения компонентов: C 1 = 27 нФ, C 2 = 250 нФ, R = 1 кОм, емкость нагрузки 100 нФ и сопротивление нагрузки 1 кОм. Отклонение между измеренными и рассчитанными значениями для t пика составляет от 1,72% до 33,7%, для v max составляет от 5,28% до 11%, для δ Stim составляет от 2,74% до 20,47%, а для V cap составляет От 3,97% до 10,95%. Существенная составляющая ошибки может быть связана с нестабильностью измерения осциллографа, содержащей высокочастотный шум, который можно наблюдать на измеряемом выходе.Показано, что измеренный выходной сигнал соответствует выходному аналитическому выражению на рисунках 6 и 7. Отклонение максимального выходного напряжения v max было рассчитано в диапазоне от 0,27% до 11% по всем тестам определения характеристик. Измеренные и аналитические значения выражения для t пика имели отклонения от 1,72% до 48%, а для δ tim от 2,74% до 20,5%. Пик t и v max и δ tim трудно получить точно, так как образец может быть собран с небольшим увеличением или уменьшением амплитуды от фактических значений для t пика , δ tim . , а v макс .Практический эффект большого измеренного отклонения t от пика минимален, поскольку на Рисунке 7 видно, что форма волны математической модели точно соответствует измеренной экспериментальной форме волны. Расчет V cap также совпал с результатами измерений с отклонением от 0,17% до 10,95%. Аналитическое выражение является точным и надежным при проектировании для удовлетворения заданных требований к выходному импульсу. Значение κ связывает различные постоянные времени каждой ветви RC. В частном случае, когда κ равно 1, можно также концептуально показать, что обе RC-цепи имеют одинаковую постоянную времени, и, таким образом, импульс становится 0 на нагрузке.Константа κ полезна для связи постоянной времени обеих ветвей RC. Выражение (2) также выполняется, когда C 1 заменяется на C 2 , и с помощью оценки можно показать, что постоянные части выражения идентичны, но противоположны по знаку, когда выполняется это изменение. Таким образом, при замене конденсаторов генерируется такой же выходной сигнал, за исключением того, что он имеет противоположную полярность. Аналогичная тенденция, как и ранее упомянутая для κ, может быть замечена при увеличении R (рисунок 7b).Эта тенденция также следует математической зависимости, ранее установленной в (2), тогда как при увеличении R знаменатель уменьшается намного быстрее, чем числитель, что дает больший сигнал. Это похоже на то, как C 2 влияет на выходной сигнал. 5.2. Характеристика выходной частоты
Схема также может работать на разных уровнях выходной частоты стимуляции. Выходной импульс отображается с частотой до 1 кГц (Рисунок 8). Частота выходной стимуляции (f стим ) была аппроксимирована экспериментальными данными. Конденсаторы должны быть полностью заряжены во время фазы зарядки, прежде чем во время фазы разрядки может быть сгенерирован сигнал. Продолжительность заряженной и обесточенной фаз можно уменьшить, управляя входным сигналом, чтобы они не появлялись в выходном сигнале.На основе измерения низкочастотного импульса было получено выражение для аппроксимации предельной частоты выходной стимуляции. Во-первых, время зарядки конденсаторов t charge приблизительно определяется путем измерения длительности фазы зарядки, которая в данном случае составляла приблизительно 500 мкс. Экспериментально полученная f tim становится: 5.3. Характеристики нагрузки
Эффекты модельной нагрузки характеризовались изменением сопротивления нагрузки и емкости (рис. 7). Из (2) видно, что выходной импульс уменьшается с увеличением емкости нагрузки и увеличивается с увеличением сопротивления нагрузки. Характеристики при изменении C L показаны на рисунке 9a. Значения проектных компонентов: C 1 = 27 нФ, C 2 = 250 нФ, R = 1 кОм, R p = 0,5 кОм, а сопротивление нагрузки составляет 1 кОм.Отклонение между измеренными и рассчитанными значениями для t пика составляет от 5,56% до 10,91%, для v max составляет от 0,94% до 3,86%, для δ Stim составляет от 3,92% до 13,98%, а для V cap составляет От 4,48% до 4,95%. Результаты определения характеристик при изменении R L показаны на рисунке 9b. Значения проектных компонентов: C 1 = 27 нФ, C 2 = 250 нФ, R = 1 кОм, R p = 0,5 кОм, а емкость нагрузки составляет 100 нФ. Отклонение между измеренными и расчетными значениями для t , пика составляет от 6% до 32.94%, для v max составляет от 0,20% до 5,01%, для δ стим составляет от 8,86% до 20,2%, а для V cap составляет от 4,95% до 5,81%. Условия нагрузки влияют как на t peak , так и на v max , однако на ширину сигнала δ tim повлияли по-разному. Поскольку δ Stim зависит от v max в нашем определении, ширина вывода зависит в соответствии с нашим аналитическим выражением. 5,4. PBS Solution Measurements
При проектировании схемы необходимо учитывать условия нагрузки целевого приложения. Выход схемы был измерен, когда электроды и раствор PBS использовались в качестве нагрузки вместо нагрузки модели схемы. При использовании (2) электроды считаются частью нагрузки. Самый большой сигнал каждого набора данных (1120 нФ для характеристики C 2 и 2.7 кОм для R-характеристики) была построена аппроксимация кривой с использованием (2) для оценки значений компонентов нагрузки модели цепи, и эти значения затем использовались для расчета выходных данных аналитического выражения схемы для других значений компонентов, используемых для характеристики. Значения компонентов нагрузки были оценены как C L = 410 нФ и R = 600 Ом для характеристики C 2 (рисунок 10a) и C L = 310 нФ и R = 580 Ом для характеристики R ( Рисунок 10б). Характеристики, выполненные в загрузке раствора PBS, показали те же тенденции, что и характеристика нагрузки электрической модели. 6.Выводы и будущая работа
