Преобразователь емкости в пачку импульсов на логических элементах

Схема на Рисунке 1 позволяет преобразовывать величину емкости в пачку импульсов, используя источник постоянного тока и ждущий мультивибратор, образованный двумя микросхемами двухвходовых логических элементов «И-НЕ» (74HC132). Схема также формирует два импульса управления функциями Запись и Сброс, которые обычно требуются внешним цифровым счетчикам и защелкам при управлении дисплеем. Подобные устройства могут применяться в измерительных схемах, когда возникает необходимость преобразовать изменяющуюся емкость датчика (например, в измерителе относительной влажности) в последовательность импульсов пропорциональной длины.

LDD-H-DA – понижающие DC/DC LED драйверы с управлением по DALI от MEAN WELL

Преобразователь величины емкости в пачку импульсов на основе логических элементов «И-НЕ» с триггером Шмитта.
Рисунок 1. Преобразователь величины емкости в пачку импульсов на основе логических элементов «И-НЕ»
с триггером Шмитта.

CX на Рисунке 1 представляет измеряемую емкость датчика. Схема запускается нормально разомкнутой кнопкой, дополненной цепью подавления дребезга на элементах RP и C1. Схема, собранная на макетной плате, показана на Рисунке 2. Между шиной питания и землей включен блокировочный конденсатор емкостью 0.1 мкФ.

Схема, собранная на макетной плате с использованием резисторов с допусками 1%.
Рисунок 2. Схема, собранная на макетной плате с использованием
резисторов с допусками 1%.

В начальном состоянии уровень выходного сигнала U1B высокий, и транзистор Q2 находится в насыщении, шунтируя конденсатор на землю (Рисунок 3). Это запрещает работу стробируемого генератора на элементе U2B.

Импульс запуска и выход логического элемента U1A.
Рисунок 3. Импульс запуска и выход логического элемента U1A.

При нажатии кнопки RS-триггер устанавливается в положение, при котором выходной уровень элемента U1A становится высоким, а элемента U1B – низким (Рисунок 4). В результате транзистор Q2 закрывается, позволяя конденсатору CX линейно заряжаться постоянным током.

Импульс запуска и выход логического элемента U1B (синяя линия), закрывающие транзистор Q2.
Рисунок 4. Импульс запуска и выход логического элемента U1B (синяя линия),
закрывающие транзистор Q2.

Источник постоянного тока состоит из p-n-p транзистора Q1 и связанных с ним компонентов. Величина этого постоянного тока IK определяется формулой:

  (1)

где

VCC = 5.1 В – напряжение питания,
VB = 4.1 В – напряжение на базе Q1,
VBE = 0.7 В – напряжение база-эмиттер транзистора Q1.

Чтобы вычислить постоянную времени T = RC, в нижеследующей формуле (2) сопротивление R заменено отношением VCC/IK:

  (2)

Затем выражение (2) нужно будет умножить на отношение VT+/VCC, в котором VT+ – значение порогового уровня логического элемента «И-НЕ» для положительного перепада входного напряжения. От этого отношения зависит максимальное напряжение, до которого может зарядиться конденсатор CX. Подставляя IK в (2), получаем выражение для постоянной времени, определяющей скорость линейного нарастания напряжения на конденсаторе CX (Рисунок 5):

  (3)

Теперь подставляем в (3) значения номиналов используемых компонентов и измеренных напряжений:

  (4)

В случае, например, если CX = 2200 мкФ, получаем интервал времени, равный 3.9 с. Точность этого результата зависит от отклонений номиналов всех компонентов, представленных в (4).

Импульс запуска и линейно нарастающее напряжение на конденсаторе CX.
Рисунок 5. Импульс запуска и линейно нарастающее напряжение на конденсаторе CX.

Конденсатор CX перестает заряжаться постоянным током IK, когда напряжение на нем достигает положительного порога VT+, в данном случае равного 3.28 В. В этот момент на выходе элемента U1C устанавливается низкий логический уровень, генератор останавливается, и на выходах одновибраторов, образованных элементами U1D и U2A, формируются управляющие импульсы.

Импульс запуска и напряжение на конденсаторе C2, формирующие импульс Запись.
Рисунок 6. Импульс запуска и напряжение на конденсаторе C2, формирующие
импульс Запись.

Детектор фронта (U1D) запускается спадом выходного импульса логического элемента U1A (Рисунок 6).

Импульс запуска и выходной сигнал Сброс, сформированные элементом U2A.
Рисунок 7. Импульс запуска и выходной сигнал Сброс, сформированные элементом U2A.

Длительность T2 положительного импульса Запись на выходе U1D (Рисунок 7) равна:

  (5)

Когда этот импульс заканчивается, он запускает второй одновибратор, образованный элементами U2A, R4 и C3, формирующий импульс Сброс (Рисунок 7), длительность T3 которого равна

  (6)

Стробируемый генератор на логическом элементе U2B вырабатывает пачку импульсов (Рисунок 8) с частотой FO, определяемой выражением (7):

  (7)

где VT– – значение порогового уровня логического элемента «И-НЕ» для отрицательного перепада входного напряжения.

Импульс запуска и выходные импульсы стробируемого генератора.
Рисунок 8. Импульс запуска и выходные импульсы стробируемого генератора.

Этот генератор не имеет задержки запуска, так как предполагается, что подстроечным резистором 500 кОм, включенным последовательно с резистором R6, входное напряжение U2B должен быть установлено на несколько милливольт ниже напряжения положительного порога VT+ (см. [1]). Обратите внимание, что после того, как этот генератор остановлен, конденсатору C4 требуется некоторое время, чтобы напряжение на нем снова достигло фиксированного значения, установленного подстроечным резистором. Это время может варьироваться в зависимости от напряжения на конденсаторе в момент отключения генератора. Если при отключении напряжение конденсатора было равно VT–, на восстановление потребуется время TR, равное

  (8)

Это время определяет паузу, которую нужно выдержать, прежде чем подать на кнопку следующий импульс. Частоту генератора устанавливают конденсатором C4 и резистором R5 в соответствии с требуемым разрешением счетчика и необходимой точностью отображения. Для регулировки этой частоты к резистору R5 можно добавить последовательный потенциометр.

Эта схему можно изменить так, чтобы она перезапускалась сама. Для этого надо создать обратную связь от импульса сброса к входу кнопки, но с использованием другого детектора фронта, срабатывающего по спаду импульса. Этот детектор фронта должен подавать на вход запуска импульс низкого уровня с минимальной длительностью, равной 1 мкс. Резистор RP не потребуется. Имейте в виду, что при автоматическом перезапуске содержимое внешнего счетчика будет непрерывно изменяться со скоростью, определяемой формулой (3). Показания дисплея должны обновляться в пределах от одного до четырех раз в секунду; в противном случае он будет мерцать.

Чтобы температурная погрешность не превышала 1%, рекомендуется использовать  металлопленочные резисторы с допуском 1%. Что касается конденсаторов, то они должны быть лавсановыми или полистирольными, чтобы их емкости минимально зависели от температуры. Кроме того, должен быть низким температурный коэффициент сопротивления подстроечного резистора R5.

  1. Datasheet Texas Instruments CD74HC132

ООО «Мегател», ИНН 3666086782, ОГРН 1033600037020

Добавить свое объявление

* заполните обязательные данные

Статистика eFaster:

посетило сегодня 1008
сейчас смотрят 52
представлено поставщиков 1573
загружено
позиций
25 067 862