Активный фильтр высоких частот I порядка

Передаточная функция фильтра:

, (23)

Примем коэффициент усиления на данном фильтре , равным 10.

, (24)

По номинальному ряду сопротивлений Е192 подбираем сопротивления резисторов R19 и R20:

R19 = 10 Ом

R20 = 100 Ом

 

Рис.9. Схема активного фильтра высоких частот I порядка

Найдем частоту среза фильтра:

,

где – верхняя граничная частота, =15000 Гц.

Зная частоту среза, найдем емкость конденсатора С2:

(25)

Ф=1,061 мкФ

По номинальному ряду емкостей Е24 возьмем С2 = 1 мкФ.

 

Для балансировки микросхемы используется потенциометр номиналом R21 = 10 кОм ± 20%. Температурный коэффициент напряжения смещения не изменяется.

6. Электронный аналоговый ключ

Электронные ключи используются для коммутации электрических сигналов. В информационных маломощных устройствах их выполняют на полупроводниковых диодах, а также на биполярных и полевых транзисторах.

В зависимости от характера коммутируемого сигнала электронные ключи подразделяют на цифровые и аналоговые.

Аналоговые ключи обеспечивают подключение или отключение источников аналоговых информационных сигналов, имеющих произвольную форму напряжений. Причем характеристики измерительных устройств, в которых они используются, во многом зависят от качества передачи сигнала аналоговым ключом и помех в цепи, появляющихся при его коммутации.

При анализе работы ключей и их практическом использовании необходимо знать следующие параметры:

· Быстродействие, характеризуемое временем переключения ключа t_вкл

· Пороговое напряжение U_пор , в окрестностях которого сопротивление ключа резко меняется

· Чувствительность S_U, под которой обычно понимают минимальный

перепад сигнала, в результате действия которого происходит бесперебойное переключение ключа

· Помехоустойчивость, характеризуемую чувствительностью электронного ключа к воздействиям импульсов помехи S_Uпом.

· Падение напряжения на ключе в открытом состоянии и токи утечек – в закрытом

· Сопротивление ключа в открытом и закрытом состояниях.

Исходя из параметров разрабатываемого прибора, применим микросхему аналогового ключа КР590КН9. КР590КН9 – это двухканальный аналоговый ключ со схемой управления (двухполосное включение). Характеристики ключа КР590КН9 приведены в Приложении В.

Схема ключа представлена на рис.10.

Рис.10. Схема электронного аналогового ключа

На входы 4 и 5 подаются входные аналоговые сигналы, которые снимаются с входов 3 и 6 соответственно. На входы 9 и 16 подаются сигналы управления ключами (вход 9 – управление первым ключом, вход 16 – вторым). К выводам 15 и 13 подводится напряжение питания +15 и -15 В соответственно. Вывод 14 подключается к общему выводу схемы прибора.

 

7. Проектирование частотомера

Частотомер – это измерительный прибор для определения частоты периодического процесса или частот гармонических составляющих спектра сигнала. Частотомер для проектируемого прибора должен измерять частоту сигнал на выходе измерительного преобразователя в диапазоне частот 330 –15000 Гц и отображать ее на пятиразрядном индикаторе. В данной работе используется электронно-счетный частотомер.

Электронно-счетные частотомеры предназначены для обслуживания, регулировки и диагностики радиоэлектронного оборудования различного назначения, контроля работы радиосистем и технологических процессов.

Принцип действия электронно-счетных частотомеров (ЭСЧ) основан на подсчете количества импульсов, сформированных входными цепями из периодического сигнала произвольной формы, за определенный интервал времени. Интервал времени измерения также задается методом подсчета импульсов, взятых с внутреннего кварцевого генератора ЭСЧ или из внешнего источника. Таким образом, ЭСЧ является прибором сравнения, точность измерения которого зависит от точности эталонной частоты.

Структурная схема частотомера представлена на рис.11.

 

 

Рис.11. Структурная схема частотомера

 

 

7.1. Преобразователь импульсного напряжения

Преобразователь импульсного напряжения (преобразователь формы сигналов) предназначен для преобразования синусоидального выходного напряжения, поступающего с измерительного усилителя, и поэтому на входе необходимо поставить триггер Шмитта, выходной сигнал которого будет иметь крутые фронты, т.е. это устройство делает из синусоидального сигнала прямоугольный.

Схема преобразователя импульсного напряжения представлена на рис.12.

Рис.12. Схема преобразователя импульсного напряжения

В качестве преобразователя импульсного напряжения, возьмем микросхему К155ТЛ1. В этой микросхеме содержится 2 логических четырехвходовых элемента И-НЕ с порогом Шмитта. Схема и характеристики микросхемы К155ТЛ1 указаны в приложении Г.

Поскольку цифровые микросхемы работают с сигналами положительной полярности, следовательно, перед триггером Шмитта необходимо поставить ограничитель уровня сигнала, который будет отсекать отрицательный полупериод напряжения. Схемы ограничителя могут быть использованы как на пассивных элементах, так и на микросхемах. В ограничителе используется диод КД522А. Возьмем из номинального ряда сопротивлений Е192 R26 = 520 Ом.

Так как триггер Шмитта состоит из инверторов, то для получения на выходе преобразователя сигнала положительной полярности, установим инвертор DD3.1 (микросхема К155ЛН1).

 

 

7.2. Генератор образцовой частоты

Генератор образцовой частоты выполнен на элементах микросхемы К155ЛН1. Характеристики микросхемы указаны в приложении Д. В генераторе используется кварцевый резонатор ZQ1 с частотой генерации F = 10 МГц. Кварцевый резонатор предназначен для стабилизации частоты выходного сигнала.

Данный генератор может применяться в качестве задающего генератора импульсов для микроконтроллеров и других устройств, когда требуется высокая стабильность частоты.

Схема генератора представлена на рис.13.

Рис.13. Схема генератора образцовой частоты

R27 = 470 Ом, R28 = 470 Ом, C3 = 1 нФ.

Величину емкости можно оценить по формуле:

(26)

 

Блок деления частоты

Задача данного блока – обеспечить деление входной частоты до частоты 1 Гц, которая в дальнейшем будет предназначена для формирования фазы счета и индикации. Для получения 1 Гц на выходе, соединим последовательно счетчики, делящие на 10. Так как на вход блока деления частоты подается 10 МГц (частота генерации кварцевого резонатора), то для получения на выходе 1 Гц, нам понадобится 7 счетчиков-делителей. В блоке деления частоты используется счетчик К155ИЕ4 (рис.14). Характеристики и функциональная схема счетчика указаны в Приложении Е.

Рис.14. Схема счетчика-делителя К155ИЕ4

К155ИЕ4 – четырехразрядный счетчик-делитель на 2, на 6 и на 12. Он содержит по четыре счетных триггера. Один из триггеров имеет отдельный вход С1 и прямой выход, три оставшихся триггера соединены между собой так, что образуют делитель на 6.

При соединении выхода первого триггера с входом С2 цепочки из трех триггеров образуется делитель на 12. Делитель на 12 работает в коде 1-2-4-6. Чтобы получить делитель на 2, нужно соединить выводы 14 и 12.

Построим счетчик с модулем деления на 10. Наличие входов установки, объединенных по схеме &, позволяет строить делители частоты с различными коэффициентами деления в пределах 2-6 без использования дополнительных логических элементов.

На рис.15 приведены схема декады на микросхеме К155ИЕ4 и ее временная диаграмма.

Рис.15. Делитель частоты на 10 на микросхеме К155ИЕ4

и диаграмма его работы.

До прихода десятого импульса декада работает как делитель частоты на 12. Десятый импульс переводит триггеры микросхемы в состояние 10, при котором на выходах 4 и 6 микросхемы формируются уровни лог. 1. Эти уровни, поступая на входы R микросхемы, переводят ее в 0, в результате чего коэффициент пересчета К становится равным 10.

 

7.4. Схема управления

Схема управления обеспечивает режимы сброса, счета и индикации. Она состоит из схемы счета, схемы сброса, схемы управления циклом измерения, RC-фильтра и триггера Шмитта. Для схемы управления циклом измерения можно использовать микросхему К555ИЕ5. Микросхема К555ИЕ5 (рис.16) является четырехразрядным асинхронным двоичным счетчиком. Состоит из счетного триггера (вход С1 и выход Q0), работающего по модулю деления 2, и трех последовательно соединенных триггеров (вход С2), работающих по модулю деления 8, с асинхронной потенциальной установкой нулевого состояния значением сигнала R = R1 ∙ R2 =1. Характеристики и диаграмма работы счетчика представлены в Приложении Ж.

Рис.16. Схема управления циклом измерения

на счетчике К555ИЕ5

Основу этой интегральной микросхемы составляют четыре счетных триггера, каждый из которых изменяет свое состояние на противоположное по срезу импульса (переходу с лог.1 в лог.0) на счетном входе Т. Все триггеры имеют вход R асинхронной установки в нуль, т.е. предусмотрена возможность сброса счетчика в нуль по сигналам R1 и R2, объединенным по функции И. Таким образом, счетчик устанавливается в нуль при R1=R2=1.

Для расширения функциональных возможностей первый триггер изолирован от других и представляет собой счетчик на 2 (mod2) (вход - C1, выход - Q0) - одноразрядный счетчик. Три остальных триггера соединены по схеме последовательного переноса и образуют счетчик на 8 (mod8) (вход - С2, выходы - Q1, Q2, Q3) - трехразрядный счетчик.

При необходимости получить счетчик, считающий до 16 (mod16), необходимо внешним соединением соединить выход Q0 со входом С2, тогда эта микросхема преобразуется в 4-разрядный асинхронный счетчик с коэффициентом счета 16 (рис.17). Тактовые импульсы в этом случае подаются на вход C1.

а б

Рис.17. Включение счетчика К555ИЕ5 по mod16 (а),

временная диаграмма его работы (б)

В режиме счета хотя бы на один из входов R1 или R2 должен быть подан нуль.

Счетчик работает следующим образом: входные импульсы подаются на вход синхронизации C1 первого триггера. Так как триггеры меняют свое состояние в момент перепада с лог.1 на лог.0, то в момент окончания первого входного импульса на выходе Q0 появится лог.1. В момент окончания второго импульса первый триггер вернется в исходное нулевое состояние. При этом перепад сигнала с лог.1, на лог.0 на выходе Q0 перебросит второй триггер в состояние лог.1. Третий импульс перебросит первый триггер в единичное состояние. Четвертый импульс вызывает переброс первого и второго триггеров в нулевое состояние, а третьего – в единичное. Состояния триггеров счетчика при дальнейшем увеличении числа входных импульсов видно из таблицы истинности.

Таблица состояния выходов счетчика (таблица 2) приведена для схемы, приведенной на рис. 17, когда счетный вход счетчика по mod8 соединен с выходом счетчика по mod2 и, таким образом, получается счетчик по mod16 (с коэффициентом пересчета 16).

 

Таблица 2. «Таблица состояния выходов счетчика,

включенного по mod16»

Счёт	Q0	Q1	Q2	Q3

 

Таким образом, в соответствии с таблицей 1 и рис.17 (б) частота сигнала, поданного на вход счетчика, делится с помощью триггеров и частота сигналов на выходах Q0, Q1, Q2, Q3, соответственно, составит 1/2, 1/4, 1/8, 1/16 от частоты входного сигнала, то есть частота входного сигнала будет поделена на 2, 4, 8, 16.

Число импульсов, записанное в счетчик, определяется по следующей формуле:

, (27)

где m – номер триггера

– вес соответствующего разряда

- единица или ноль в зависимости от сигнала на соответствующем выходе.

Из приведенной формулы следует, что вес четвертого триггера – 8, третьего – 4, второго – 2, первого – 1. Такое соединение позволяет реализовать двоично-десятичный взвешенный код 8-4-2-1. Цифры в названии кода характеризуют вес триггеров счетчика, начиная с последнего. Так, при коде 8-4-2-1 единица на выходе четвертого триггера появится после восьми импульсов, у третьего триггера после четырех импульсов, у второго после двух импульсов и у первого – после одного импульса.

Для реализации счетчика с К_сч = 10, работающего в коде 2-4-2-1, в момент перехода его в одиннадцатое устойчивое состояние, счетчик должен быть сброшен в исходное нулевое состояние. Сброс счетчика, как сказано выше, осуществляется одновременной подачей на входы R1 и R2 сигнала высокого уровня (лог.1). Код 2-4-2-1 реализуется подключением выхода Q1 ко входу R1 и выхода Q3 ко входу R2. Схема включения счетчика по mod10 (с коэффициентом пересчета К_сч = 10) и временная диаграмма его работы приведена на рис.18.

а б

Рис.18. Включение счетчика К555ИЕ5 по mod10 (а),

временная диаграмма его работы (б)

Таблица состояния выходов счетчика, работающего по mod10 (таблица 3) приведена для схемы на рис.18 (а).

 

Таблица 3. «Таблица состояния выходов счетчика,

включенного по mod10»

Счёт	Q0	Q1	Q2	Q3

 

 

Схемы счета и сброса собраны на логических элементах и выдают импульс только при определенном коде на выводах счетчика (Q0, Q1, Q2, Q3). Временная диаграмма работы счетчика представлена на рис.19, состояние выходов счетчика в таблице 4.

Рис.19. Временная диаграмма работы счетчика

 

Таблица 4. «Таблица состояния выходов счетчика»

Счёт	Q0	Q1	Q2	Q3
					Измерение
					Индикация
					Сброс

В соответствии с таблицей состояния выходов счетчика, составим схему счета (рис.20) и схему сброса (рис.21).

 

Рис.20. Схема счета

 

Схема счета построена на логических элементах микросхем К155ЛИ1 (DD12.3) и К155ЛА4 (DD14). Характеристики микросхем указаны соответственно в Приложении З и в Приложении И.

Со схемы счета сигнал поступает на электронный ключ (логический элемент И).

Реализуем цикл индикации. Время индикации, согласно заданию, равно 7 с. Семь секунд пройдут на восьмом счетном импульсе. На девятом счетном импульсе (Q0=Q3=1, Q1=Q2=0) необходимо счетчик сбросить в исходное состояние.

Рис.21.Схема сброса

 

DD13 – микросхема К555ЛЕ1. Характеристики микросхемы указаны в Приложении К.

Пассивный RC – фильтр (рис.22) предназначен для подачи на вход R счетчика-дешифратора кратковременных импульсов для обнуления счетчика и сброса индикатора. Время разряда конденсатора t должно быть гораздо меньше по сравнению с величиной 1/f_в = 0,0000667с.

Возьмем t = 0,00001 с. Так как t=R29C4 (из номинального ряда сопротивлений резисторов Е192 возьмем R29 = 10 кОм), то

По номинальному ряду емкостей конденсаторов Е24 возьмем C4 = 6,8 нФ.

Рис.22. Пассивный RC-фильтр

 

Триггер Шмитта (несимметричный триггер) предназначен для преобразования синусоидального сигнала в прямоугольный. Несимметричные триггеры обычно используется для формирования резких перепадов напряжения из сравнительно медленно изменяющихся входных сигналов. Интегральные триггеры Шмитта устанавливают перед логическими элементами в тех случаях, когда им приходится работать с входными сигналами, имеющими значительную длительность фронтов. В этих случаях триггеры Шмитта повышают крутизну нарастания сигналов, тем самым «предохраняя» логический элемент от длительного нахождения в активном режиме, в котором он может самовозбудиться, и быть подверженным повышенному действию помех. Триггер Шмитта (рис.23) построен на микросхеме К155ТЛ1 (DD2.2).

 

Рис.23. Схема триггера Шмитта

 

Для того, чтобы подать на сброс сигнал положительной полярности, установим на выходе триггера инвертор DD3.5 (микросхема К155ЛН1).

 

7.5. Электронный ключ

В качестве электронного ключа (рис.24) используется логический элемент И (микросхема К155ЛИ1).

Рис.24. Схема электронного ключа