Лекция 5

Тема 5. Аналоговый таймер

 

     Таймерами называются устройства для точного задания временных интервалов. Таймеры могут быть аналоговыми и цифровыми. В относительно простых устройствах применяются аналоговые таймеры.

    Первый интегральный таймер NE555 был разработан в 1972 г. фирмой Signetix (США). В настоящее время эта схема считается класси­ческой. Функциональная схема таймера NE555 (российский аналог - 1006ВИ1) приведена на (рис.5.1).

Рисунок 5.1 - Функциональная схема таймера NE555 в ждущем режиме

     Схема таймера представлена в типовом включении для ждущего режима (микросхема таймера – затененная часть рисунка). Основой таймера является двухпороговый компаратор, включающий два компаратора (КН₁ и КН₂) и RS-триггер, фиксирующий состояние выхода. Один из входов каждого компаратора под­ключен к делителю напряжения, образованному резисторами R, согласованны­ми по величине с точностью не менее 2%. Напряжения на плечах делителя со­ставляют 2V_s/3 и V_s/3 соответственно. Триггер управляет двухтактным, симмет­ричным выходным каскадом на транзисторах VT₁, VT₂, обеспечивающим выходной ток до 250 мА. Кроме того, инверсный выход триггера управляет раз­рядным ключом на транзисторе VT₃. Триггер имеет вход разрешения Е, при подаче на который сигнала низкого уровня на выходе таймера также устанавлива­ется низкий уровень независимо от уровня сигнала на входе V_IN.

     На неинвертирующий вход компаратора KH₁ (вывод 5), соединенный с верхней ступенью делителя, при необходимости может быть подано опорное напряжение от внешнего источника. Обычно между этим выводом и общей шиной включается конденсатор, сглаживающий помехи, приходящие по цепи источника питания V_s.

5.1 Ждущий режим

 

     В режиме ожидания входной сигнал U_IN на выводе 2 «Пуск» имеет высокий уровень (больше, чем Vs/3). При этом выходное напряжение компаратора КН₂ соответствует лог. 1. Дл инверсного входа  триггера этот уровень является не­активным. Напряжение U_c на времязадающем конден­саторе С_t, близко к нулю, и выходное напряжение ком­паратора КН₁, приложенное к инверсному входу

триггера, также имеет уровень лог. 1. Триггер находится в режиме хранения в состоянии Q = 0,  = 1.   Транзи­стор VT₁ закрыт, a VT₂ - открыт. На выходе таймера - низкий уровень.  Ключ   VТ₃ замкнут и поддерживает конденсатор С_t, в разряженном состоянии.

     При отрицательном кратковременном перепаде входного сигнала U_IN < Vs/3 (рис.5.2) на выходе компаратора КН₂ на время перепада установится логиче­ский нуль (активный уровень для -входа триггера) и триггер переключится в состояние Q = 1,  = 0.

Рисунок 5.2 – Временные диаграммы работы

ждущего мультивибратора на таймере

     Ключ VT₃ при этом размыкается, и конденсатор С_t, начинает заряжаться че­рез резистор R_t от источника питания V_s. Уравнение заряда конденсатора C_t имеет вид

                                                                                    (5.1)

     Решение этого уравнения при нулевых начальных условиях

     Импульс на выходе заканчивается по достижении напряжения U_c величины опорного напряжения V_REF. При этом компаратор КН₁ переключится и переведет триггер в первоначальное состояние. Ключ VT₃ замкнется и разрядит конденсатор C_t. Длительность импульса Т_и на выходе определится из уравнения:

                                                                    (5.2)

из которого следует, что

                                                                               (5.3)

     Если в течение этого времени на вход придет еще один запускающий импульс, то триггер останется в единичном состоянии, т. е. повторный запуск во время заряда t₃ конденсатора С_t игнорируется. Разряд времязадающего конденсатора C_t происходит очень быстро, хотя и не мгновенно. Если следующий запускающий  импульс придет во время разряда конденсатора t_p, то длительность импульса таймера сократится. Время разряда t_p времязадающего конденсатора C_t, называемое временем релаксации, во всяком случае, значительно меньше аналогичного времени ждущего мультивибратора на ОУ и соизмеримо со временем релаксации одновибратора на компараторе.

 

5.2 Автоколебательный режим

 

     Схема   простейшего   автоколебательного   мультивибратора   на   таймере 1006ВИ1 приведена на (рис.5.3).

Рисунок 5.3 - Автоколебательный мультивибратор на таймере:

а - схема, б — временные диаграммы

     Когда потенциал на конденсаторе С, достигнет нижнего порога срабатывания таймера, на входе S триггера установится низкий (активный) уровень. Триг­гер переключится в состояние лог.1 и ключ VT₃ разомкнётся. При этом начнется заряд конденсатора через два последовательно включенных резистора R_t  и R₁. Напряжение на конденсаторе достигнет верхнего порога срабатывания за
время

                                                (5.4)

     При этом компаратор KH₁ переключится, на входе R триггера установится низкий (активный) уровень, триггер переключится в состояние Q = 0,  и ключ VТ₃ откроется. Конденсатор будет разряжаться через резистор R_t, до тех пор, пока напряжение на нем не достигнет нижнего порога срабатывания тай­мера. Это произойдет за время

                                               t₂ = R_tC_tln2.                                      (5.5)

     Затем все процессы будут повторяться. Частота выходного напряжения мульти­вибратора составит

                                                                 (5.6)

Временные диаграммы работы автоколебательного мультивибратора пред­оставлены на (рис.5.3,б). При подаче сигнала низкого уровня на вход «Вкл.» (вывод 4) генерацию можно остановить.

     Некоторым недостатком данной схемы является разность длительно­стей импульса и паузы, которая в данной схеме не может быть устранена. Дейст­вительно, коэффициент заполнения в этой схеме определяется соотношением

     Эта величина составит 0.5 только в случае если R₁ = 0. Это недопустимо, т.к. приведет  к короткому замыканию источника при открытом ключе VT₃.

     На (рис.5.4) приведена схема, которая способна обеспечить генерацию импульсов с .

Рисунок 5.4 – Схема автоколебательного мультивибратора

с независимой установкой длительности и частоты импульсов

     Для этого параллельно резистору R_t включен диод VD₁.  Конденсатор C_t в такой схеме заряжается через резистор R₁ и  открытый диод VD₁, а разряжается, как и в базовой схеме, через R_t. Чтобы уменьшить влияние диода VD₁ на точность формирования временных интервалов, последовательно с резистором R_t включен диод VD₂. При этом за счет падения напряжения на диодах временные интервалы t₁ и t₂ будут несколько больше, чем у базовой схемы.

     Относительная длительность импульсов этой схемы определится состоянием

     Мультивибратор, генерирующий импульсы с γ = 0.5, можно построить и другим путем: используя выходные транзисторы таймера для заряда и разряда времязадающего конденсатора.

 

5.3 Типы интегральных таймеров

 

     Массовое применение таймеров в аппаратуре, разнообразие решаемых ими
задач и, следовательно, многообразие требований, предъявляемых к их параметрам в зависимости от типа аппаратуры и выполняемых функций, обусловило создание обширного семейства интегральных таймеров.      

     Интегральные таймеры классифицируются по следующим признакам:

- внутренняя схемотехника и технология - биполярные и КМОП;

- число тактов мультивибратора на формируемом интервале времени - одно-
тактные и многотактные.

     Рассмотренный выше таймер NE555 выполнен по биполярной технологии. Он потребляет от источника сравнительно большой ток (10 мА). Входные токи его также сравнительно велики (0.5 мкА). Последнее обстоятельство сущест­венно затрудняет построение таймеров, способных формировать большие за­держки времени. Ток заряда времязадающего конденсатора I_с (рис.5.1) зави­сит от номинала резистора R_t и напряжения питания V_s. Минимальная величи­на этого тока достигается в конце формируемого интервала времени и составляет

                                                                                                   (5.7)

     Для обеспечения высокой точности отсчета интервала времени следует обеспечивать I_Сmin > 50 I_вх, где I_вх - входной ток таймера, Для таймера NE555 максимальная величина сопротивления резистора R_t при V_s = 15В составит 200 кОм. При емкости времязадающего конденсатора C_t = 1 мкФ максимальная длительность импульса согласно (5.3) не превысит 0.22 с.

     В конце 70-х годов фирма Intersil разработала ИМС ICM7555, представляю­щую собой КМОП-вариант таймера NE555. Этот таймер, сохранив почти пол­ностью функциональную схему и даже назначение выводов своего биполярного прототипа, потребляет от источника питания всего 0.12 мА (при V_s = 15B). Входные токи этой микросхемы не превышают 50 пА. Это дает возможность в условиях, рассмотренных выше для таймера NE555, получить максимальную длительность импульса 2200 с {= 37 мин) при сопротивлении время задающего резистора R_t = 2ГОм. Недостатком КМОП-варианта является меньшая нагру­зочная способность.

     Многотактные таймеры применяются, если требуется обеспечить длительность им­пульса, измеряемую часами (рис.5.5). В принципе большую длительность можно получить, ис­пользуя с однотактным таймером времяза-дающий конденсатор большой емкости (де­сятки или сотни мкФ).

Рисунок 5.5 – Блок-схема многотактного таймера

     Многотактный таймер умножает посто­янную времени R_tC_t-цепи на коэффициент пересчета счетчика. Семейство многотактных таймеров делится на две группы. К первой группе относятся программируемые таймеры, в которых формируе­мый интервал времени задается программно, установкой соответствующих пе­ремычек на выводах счетчика, либо цифровым кодом от ПК. Ко второй груп­пе относятся специализированные таймеры со встроенными счетчиками, у ко­торых однозначно задан коэффициент пересчета.