Здравствуйте, Виталий Владимирович!
Генератор пачек импульсов - это
Генератор импульсов, модулированных по амплитуде, как показано на рис.1
доп-задания к текущему Вопросу.
Для получения указанной формы импульсов нужны в простейшем случае 2 генератора: Генератор огибающей пачек (пакета) с периодом T и Генератор треугольных импульсов заполнения с периодом tи. Спроектированная и опробованная модель заказанного
Генератора пачек (250 кб) открывается в программе-симуляторе
Multisim10.1ru (298 МБ), в которой очень удобно создавать и настраивать импульсные схемы.
При отсутствии Multisim-программы в ОперСистеме можно обозреть схему на
Рис.7.2 в общедоступном gif-формате. (после ПолучитьФайл в браузере IE6 отображ-ся неполноценная картинка с урезанным кол-вом пикселов. Для хорошего обзора надо это изображение "Сохранить как" на свой жёсткий диск, либо нажать в правом нижнем углу исчезающую полупрозрачную кнопку "Расширить до обычного размера").
Генератор огибающей пачек собран на цифровых логических элементах поз. U11B, U3B, U3C - это усовершенствованная популярная разновидность
Мультивибратора. Конденсатором C2 можно изменять диапазон генерации (Герцы, килоГерцы…) в широких пределах, резистор R10 ограничивает минимальный (при R11=0), а R11 - максимальный период следования пачек (можно регулировать).
Положительная Обратная Связь (ПОС), необходимая для любого Генератора, ч-з конденсатор C2 подаётся на вход элемента 2И-Не поз U11B в форме экспонент. Для корректной оцифровки медленно-изменяющегося аналогового сигнала в указанном элементе предусмотрены Триггеры Шмидта (далее: ТШ) с небольшим гистерезисом (~0,8V, без гистерезиса возможен эффект "дребезга" от пульсаций на шине питания и прочих помех).
Программа Multisim не может быстро моделировать все процессы этой довольно сложной схемы. Период 10сек, указанный в задаче, исполняется в несколько раз дольше (хотя метки времени соответствуют модели). Для облегчения работы c моделью желательно синхронизировать запуск генератора с самой актуальной для наблюдателя фазой: Началом пачки. В момент подачи эл-питания на схему, 2й вход элемента 2И-Не U11B получает от ещё незаряженного конденсатора C4 напряжение логического нуля. Генератор кратковременно блокируется в фазу начала пачки. Затем конденсатор C4 заряжается до порога срабатывания ТШ, блокировка снимается, и генератор продолжает обычную работу. Ёмкость C4 почти в 1000 раз меньше ёмкости C2, поэтому принуди-фазировка не сказывается на периоде пачек.
Не следует замерять период следования пачек сразу после запуска. Надо выждать момент первого авто-переключения, после которого генератор перейдёт в стабильный "Установившийся режим". Можно кратковременно закорачивать конденсатор C4 доп-кнопкой или другим пусковым устройством, и, таким образом, принудительно начинать новую пачку управлением извне.
В условии задачи длительность пачки задана не временем, а кол-вом импульсов заполнения пачки "от 1 до 100". Асинхронный RS-
триггер на логических элементах 2И-Не поз U10A и U10B получает короткие импульсы "Сброс" (=сигнал к началу новой пачки) и КонецСчёта (отсчитано заданное кол-во импульсов заполнения пачки). Триггер помнит последнюю команду, и логическим нулём с выхода U10B разрешает генерацию треугольных импульсов заполнения пачки.
Попытка заменить 2 логич-элемента одним готовым триггером была неудачной изза т.н. "запрещённых состояний" на входе триггера в случаях, когда Пользователь запустил моделирование, забыв предварительно задать кол-во импульсов в пачке, отличное от нуля. Не удаётся сохранить модель в файл с нужным состоянием переключателя J1. При открытии программы или ранее-сохранённой схемы J1 всегда "обнуляется".
Дифференцирующая цепь C5R19 по спаду импульса с выхода генератора пачек U3B формирует короткий отрицательный всплеск. ТШ 2И-Не U11A формирует из него короткий "Сброс". 2й верхний по схеме вход U11A пассивно подключен к плюсовой шине питания (логич "1"), что фактически превращает элемент в обычный инвертор "НЕ". На вопрос: "Почему не применить в этой позиции простой ТШ-инвертор?" - ответ: чтобы уменьшить кол-во микросхем в готовом изделии. В 1 корпусе чипа 4093BP встроено 4 элемента 2И-Не. В данном применении у нас использовано 2 элемента из 4х, - всего 1 чип. Если в поз U11A употребить ТШ другого типа, то кол-во чипов удвоится по ассортименту.
Импульс сброса должен быть достаточно длинным, чтобы его хорошо видеть на осциллографе и чтобы надёжно удерживать счётчик U8 в 0-состоянии в начале 1-вого треугольного импульса. Но Сброс не должен превышать длительность половины импульса заполнения пачки, чтобы счётчик U8 по окончании 1-вого треугольника приступил к подсчёту. Произведение C5*R19 задаёт длительность Сброса примерно 0,1 милли-сек. Элемент НЕ U3F инвертирует импульс Сброса, тк триггер U10A-U10B управляется "нулями", а не "единицами".
Как только этот триггер разрешил выдачу треугольников, с генератора импульсов заполнения пачки ч-з инвертор U3E немедленно возвращается 1вый тактовый импульс (прямоугольные такты формируются синхронно с треугольниками). Счётчик игнорирует его, тк на его обнуляющем MR-входе первые 0,1 мсек присутствует Сброс (=запрет счёта). По окончании Сброс-команды счётчик готов считать, но счёт происходит по СПАДУ на его CP-входе, а очередной спад приходит т-ко в начале 2рого импульса.
Счётчик фиксирует кол-во уже сформированных импульсов.
Кол-во сосчитанных импульсов выдаётся на Q-выходах 7-разрядного счётчика в двоичном коде (единицы, двойки, четвёрки, восьмёрки…). Так, после 6 импульсов состояние счётчика будет 0000110 (4+2). Чтобы прекратить генерацию пачки после 6 импульсов, надо на групповом выключателе J1 перевести во включенное состояние 2й и 3й ползуны (как показано на рис.7.1). Остальные неподключенные входы логического дешифратора U9 должны быть пассивно подключены к логической единице ч-з большое сопротивление резисторной сборки R12-R18 (Недопустимо оставлять неиспользуемые входы CMOS-микросхем без "привязки" к к-либо логическому уровню).
Таким образом, после генерации заданного нами количества импульсов, на входе U9 не остаётся "нулей", и этот элемент 8И-Не выдаёт активный "нуль" как КонецСчёта. Триггер U10A-U10B переключается и запрещает генерацию треугольников до прихода следующего строб-импульса "Сброс".
Генератор треугольных импульсов смоделирован на аналоговых Операционных Усилителях (далее в тексте: ОУ) TL083 (отечественный аналог: КР574УД2). В интервалы времени, когда генерация разрешена, полевой транзистор в поз Q5 "заперт" (его канал не проводит ток, можно представить, будто Q5 отсутствует). На инверсный вход 2 ОУ поз U1 подаются прямоугольные импульсы максимальной амплитуды поочерёдно то +12V, то -12V от ОУ U2 ч-з резисторы R1 и R2 c высоким сопротивлением. Но напряжение на входе остаётся близким к нулю изза того, что усиленное инвертированное напряжение с выхода ОУ ч-з конденсатор C3 "забирает на себя" весь ток от резисторов.
Поскольку ток резисторов не изменяется (в пределах одного фронта или спада треугольника), а ток ч-з конденсатор пропорционален изменению напряжения на его обкладках, то на выходе ОУ U1 формируется напряжение с заданной скоростью нарастания/спада, зависящей от произведения (R1+R2)*C3.
Компаратор U2 во время фронта формируемого треугольника выдаёт -12V и "ждёт", пока напряжение на выходе 3 ОУ U1 достигнет "верхнего" порога 10V (это опорное напряжение выдаётся с инвертора U11C). При достижении указанного напряжения компаратор переключается, начинает выдавать +12V. При этом U1 формирует спад треугольника, а инвертор U11C выдаёт другой, "нижний" эталон сравнения: 0V. Это происходит, пока напряжение на выходе U1 не понизится до 0.
Процесс повторяется, пока с триггера U10B не прекратится "разрешение генерации" с активным низким уровнем. Высокий уровень запрета генерации "закорачивает" канал транзистора Q5, и на выходе U1 устанавливается 0V. Резистор R20 избавляет от коротких помех в виде иголочек на экране осциллографа в моменты быстрых ёмкостных переключений от триггера. Конденсатор C3 задаёт частотный диапазон импульсов заполнения пачки, R1 ограничивает минимальную длительность треугольников (при R2=0), а R2 - максимальную (можно регулировать).
В некоторых сериях CMOS-микросхем (К561) их входы соединены внутри корпуса с общим (минусовым) проводом ч-з защитный диод катодом ко входу. Чтобы эта защита не шунтировала и не портила импульсы ±12V с выхода 3 ОУ U2 в схему добавлен (на всякий случай) резистор R5. Элемент U11C 2ТШ-И-Не работает как обычный инвертор (2й его вход пассивно подключен к логич "1").
Таким образом, мы имеем треугольные импульсы амплитудой 10V для заполнения пачки и синхронные с ними прямоугольные импульсы (с выхода U3E) для их подсчёта. Для получения трапецеидальных импульсов нам потребуется амплитудный модулятор, обрезающий вершинки треугольников в нужные моменты до регулируемого уровня.
Уровень обрезки амплитуды задаёт резисторный делитель R3-R4 (если R4 изъять/замкнуть, то макси-положение регулятора R3 не будет соответствовать 100% амплитуды обрезки). Поскольку обрезка требуется не для каждого треугольника, а через один, запитаем "горячий" конец R3 от выхода Q1 счётчика U8 тактовых импульсов. Если изъять/замкнуть инвертор U3D, то будут обрезаться нечётные импульсы (1й, 3й…) вместо чётных.
Эмиттерный повторитель Q1R22 стабилизирует уровень обрезки для получения качественной пологой вершинки трапеции. Оба повторителя Q1 и Q2 работают как модулятор трапецеидальных импульсов на их общей нагрузке R22.
Усилитель мощности (УМ) выполнен на эмиттерном повторителе Q3R8. Это - упрощённый УМ, поскольку он усиливает только по току, обеспечивая нагрузку в 500мА, указанную в условии задачи.
Повторитель модулятора Q2 смещает постоянную составляющую (по вертикальной оси координат) на +0,7V (пороговое напряжение кремниевого pn-перехода). Повторитель УМ - на -0,7V. Применение в схеме транзисторов противоположного типа проводимости (pnp, затем npn) компенсирует смещение.
Двух-канальный осциллограф поз XSC1 из набора приборов программы Multisim10 позволяет наблюдать начало пачки (зелёный строб в канале А) и соответствующую ему смесь треугольников-трапеций в нужном количестве и с регулируемой амплитудой (красный луч в канале B).
В позициях V1, V2, V3 условно указаны точки подключения электропитания описанной схемы. Расчёт Блока Питания (далее БП) хорошо описан в Вашей типовой
Методичке. Для применения его к Вашей задаче требуются небольшие изменения и поправки.
На схеме рис9.1 изображён трансформаторный БП. Ввиду требования "обеспечить защиту от короткого замыкания" заменяем 1чип К142ЕН6А (2полярный стабилизатор напряжения с фиксированным выход-напряжением 15 В) на 2 чипа К142ЕН8В (1полярный стабилизатор на +15 В с защитой от КЗ при макси-токе 1,5А) в поз DD1 и DD2 (придерживаемся обозначений Методички). В этом случае придётся предусмотреть также 2 отдельных выпрямителя поз VD1 и VD2 с отдельными вторичными обмотками трансформатора. Рекомендованные производителем конденсаторы в поз C21-C24 "успокаивают" реакцию стабилизатора на скачкообразные изменения входного напряжения и тока нагрузки.
Напряжение +10V, необходимое для питания цифровых микросхем, получаем из источника +15V с помощью простейшего стабилизатора на элементах R1-VD3. Расчёт его тоже прост: Микросхемы потребляют по шине +10V суммарный ток примерно 5 мА. Стабилитрону для оптимального режима требуется примерно столько же. На резисторе R1 должны загаситься избыточные 5В при токе 10мА. Значит, R1=5/10=0.5 кОм. Ближайший номинал в 10%-ной градации - 510 Ом. Тип стабилитрона VD3 выбираем по нужным напряжению и току из справочников: КД210Б.
Структурная схема генератора пачек изображена на рис8.1.
Успехов!