Задачи

12.1. 12.2.

12.3.

12.4.

12.5.

12.6.

12.7. 12.8.

Г2.9.

12.10.

12.11.

12.12.

12.13. 12.14.

12.15.

12.16.

12.17.

12.18.

12.19. 12.20. 12.21. 12.22. 12.23.

12.24.

Перечислите четыре типа фильтров.

Какого типа фильтр дает на выходе напряжение, имеющее неизменное значение от постоянного тока до частоты среза?

Какой фильтр пропускает сигналы в определенной полосе частот, ослаб- ляя все частоты за пределами указанной полосы?

Чему равна частота среза в схеме по рис. 12.2, с, если i=100 кОм и С= -=0,02 мкФ?

Фильтр нижних частот иа рис. 12.2, а рассчитан на частоту среза 4,5 кГц. Вычислите R, если С=0,005 мкФ.

Определите величину С на рис. 12.2, а, если частота среза Шср = = 50 000 рад/с и R=20 кОм.

Каковы две отличительные особенности фильтра Баттерворта? Рассчитайте фильтр нижних частот с крутизной -40 дБ/декада и частотой среза 10 000 рад/с. Пусть i?i=/?2=50 кОм.

Вычислите частоту среза fcp схемы на рис. 12.4, а, если Ri=i2=10 кОм, Ci = 0,001 мкФ, а С2=0.002 мкФ.

Вычислите значения а) Сз, б) Ci и в) Сг для схемы по рис. 12.5, а, имеющей частоту среза 10 000 рад/с. /? = /?2=Кз= Ю кОм.

Определите частоту среза шср на рнс. 12.5, а, если /?i=/?2=?5==20 кОм, С,=0,002 мкФ, С2=0,008 мкФ и Сз=0,004 мкФ.

На рис. 12.5, а C = 0,01 мкФ, С2=0,04 мкФ и Сз=0,002 мкФ. Вычислите R для частоты среза 1 кГц.

Вычислите значение R на рис. 12.7, п, если С=0,04 мкФ и /ср = 500 Гц. Вычислите для схемы по рис. 12.7, о мср и /ср, если R=10 кОм и С= = 0,001 мкФ.

Рассчитайте фильтр верхних частот с крутизной 40 дБ/декада, имеющий (Оср=5000 рад/с, Ci=C2=0,02 мкФ.

Вычислите а) Т?, и б) R для схемы по рис. 12.8, а с частотой среза 40 000 рад/с. С, = С2=250 пФ.

Пусть на рис. 12.9,0 С = С2=Сз=0,05 мкФ. Определите а) R-., б) i?i и в) R2 для получения частоты среза 500 Гц.

Схема по рнс. 12.9, fi имеет следующие расчетные значет!я элементов: С, = С2 = С=400 иФ. /?,= 100 кОм, /?2=25 кОм и Кз=50 кОм. Вычислите частоту среза /ср.

Если п полосовом фил1.тре Шо = 22 500 рад/с п и = 22 100 рад/с, то чему равна голоса пропускания, выраженная а) в рад/с и б) в герцах? Для значений, приведенных в предыдущей задаче, определите коэффициент добротности q.

Рассчитайте полосовой фильтр по схеме рис. 12.10,6, имеющий ыр = = 10 000 рад/с, /Ср=5, Q=10 и Ci=C2=0,001 мкФ.

Если усиление на резонансной частоте в предыдущей задаче увеличить до 10, то чему будут равны Ru R2 и R3?

В полосовом фильтре по рис. 12.10,6 Ci = C2=0,01 мкФ, Ri=40 кОм, /?2=400 кОм и /?з=252 Ом; определите а) полосу пропускания (в рад/с), б) усиление на частоте резонанса, в) Q и г) частоту резонанса (в Гц). Рассчитайте режекторный фильтр по схеме рис. 12.12, й, имеющий о)р = =2000 рад/с, Q = 10 н Ci = C2=0,l мкФ. Примем Ra=l кОм.

ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ТАЙМЕРЫ

13.0. Введение

Генераторы синусоидальных колебаний и импульсов пилообразного или прямоугольного напряжения, одновибраторы, схемы охранной сигнализации и индикаторы напряжения - все это схемы, в которых необходи.мо обеспечить получение точных интервалов времени. Наиболее популярная (на сегодняшний день) интегральная микросхема таймера ИМС 555 была создана и выпущена впервые фирмой Signetics Corporation (приложение 4). ИМС 555, как и операционные усилители общего применения, обладает такими качествами, как надежность, простота использования в целом ряде применений и низкая стоимость. Кроме того, таймер 555 может работать от напряжений питания от 5 до 18 В, что делает его совместимым как с ТТЛ-схемами (схемами транзисторно-транзисторной логики), так и со схемами иа операционных усилителях. Данную ИМС можно рассматривать как функциональный блок, содержащий два компаратора, два транзистора, три резистора с одинаковым сопротивлением, триггер и выходной каскад; функциональная схема ИМС 555 показана на рис. 13.1.

Наряду с таймером 555 имеются также счетные таймеры. Примером такого таймера служит ИМС XR-2240, выпускаемая фирмой Ехаг (приложение 5). XR-2240 объединяет в одном корпусе с 16 выводами таймер 555 и программируемый двоичный счетчик. Взятый отдельно таймер 555 обеспечивает максимальное время выдержки 15 мин. Счетные таймеры имеют время выдержки, которое может составлять несколько дней. Как в первом, так и во втором случае это время можно увеличить до месяцев, включая таймеры последовательно. Начнем рассмотрение таймеров с ИМС 555 н ее применений, а затем перейдем к счетным таймерам.

13.1. Режимы работы таймера 555

ИМС таймера 555 имеет два режима работы: он может работать либо как мультивибратор, либо как одновибратор (жду-шиу мультивибратор). На рис. 13.2,а показана микросхема 555 в режиме генерации свободных колебаний, при котором выходное напряжение переключается с высокого на низкий уровень и об-

гтх-----------------------

Порог

R SкОм

SxOm

Разряд

Триггер

.Управляющее .напряжение.

Запуск

Ёахидной каскад

I Выход

а,йрос

------------1-----------------ЧвмпироВка]

Земля bl

Рис. 13.1. Блок-схема интегрального таймера 555.

Форма

Импульс запуска

О А

Рис. 13.2. Режимы таймера 555: автоколебательный (с) и ждущий (б).

1>.1тно. Длительность поддержания на выходе ИМС высокого или низкого уровня напряжения определяется параметрами ЛС-цепи, подключаемой к таймеру 555 (разд. 13.2). Значение высокого уровня напряжения чуть меньше Е. Выходное напряжение в состоянии низкого уровня составляет 0,1 В.

Когда таймер работает в режиме одновибратора, выходное напряжение остается низким до тех пор, пока на таймер не поступит отрицательный перепад запускающего импульса, после чего выход переключается на высокий уровень. Время, в течение которого на выходе сохраняется этот высокий уровень напряжения, определяется номиналами резистора и конденсатора, подключенных к ИМС таймера. По окончании интервала выдержки выход возвращается в состояние с низким уровнем. Более подробно работа таймера в режиме с одним устойчивым состоянием исследуется в разд. 13.5 и 13.6.

Для того чтобы понять, как работает таймер 555, приведем краткое описание функции каждого вывода микросхемы.

13.2. Выводы ИМС 555

13.2.1. Корпусы и выводы питания. ИМС таймера 555 выпускается в корпусах двух типов: ТО 99 и Д1Р (рис. 13.3 и приложение 4). Вывод 1 - общий или земляной, а на контакт 5 подается положительное напряжение питания Е, которое может быть любым в диапазоне от +5 до -Ь18 В. Таким образом, ИМС 555 можно питать от источников питания цифровой логики (-Ь5 В), линейных ИМС ( + 15 В), автомобильных аккумуляторов или батарей сухих элементов. Схема ИМС 555 требует для обеспечения токов смещения своих внутренних цепей приблизительно 0,7 мА на каждый вольт питания (т. е. 10 мА для £ =-Ы5 В). Максимальная мощность, рассеиваемая одним корпусом, составляет 600 мВт.

13.2.2. Выход. Выходом ИМС 555 служит вывод 3, и его режимы можно показать на основе моделей рис. 13.4. Выход микро-

Выход

Земля у:С(1Г\ Разряд Запуск

@ Порог

®/Управляющее Сдрос лряакепие

Земяя Г~]у* Запуск Выа:од Сброс Н4.

8Ек 7 □ Разряд е □ Порог

S □ Управляющее напряакеиие

Рис. 13. Цоколевка ИМС 555 в круглом металлическом (а) и 8-контактном корпусе DIP (б). Вид сверху.

-}0 Ом

т Ом

Нагрузка выключена

Выходной заоким 3

1 = 0

Выходной заоким 3

>8

-ГО Ом Г

Рис. 13.4. Включение нагрузки и работ;

-10 Ом

Вь/ходной зажим

Нагрузка включена

а выходной цепи таймера 555.

1 хсмы имеет два состояния - с низким и высоким уровнем вы-.одного напряжения. В первом состоянии выход ИМС 555 экви-..1лентен цепи, заземленной через низкое (--10 Ом) сопротивление (рис. 13.4, а и в). Коцца уровень напряжения на выходе таймера высокий, его выходная цепь эквивалентна резистору 10 Ом, нклгоченному, как показано на рис. 13.4, б п г. между зажимом источника питания Ек и выводом 3 ИМС.

Нагрузку к выходному зажиму микросхемы можно подключить двумя способами: 1) адежду выводом S и шиной Е и 2) между выводом 5 и землей. На рис. 13.4, а уровень выхода ИМС 555 низкий и по нагрузке течет ток. Этот ток втекает в выходной зажим микросхемы, и при его величине, не превышающей 10 мА, напряжение на выходе составляет приблизительно 0,1 В. При таком типе подключения нагрузки последняя отключается (т. е. по ней не течет ток), когда уровень выходного напряжения становится высоким (рис. 13.4,6.

На рис. 13.4, в показана заземленная нагрузка. Ток в этой нагрузке выключается, когда на выходе ИМС 555 низкий уровень напряжения. При переключении уровня выхода на высокий из выходного зажима ИМС в нагрузку поступает ток (см. рис. 13.4, г). Максимальный ток, который микросхема таймера 555 может коммутировать в нагрузке, составляет 200 мА. Высокий уровень выходного напряжения приблизительно на 0,5 В ниже £к-

13.2.3. Вход запуск . Тлким входом в таймере 555 является вывод 2. Если напряжение на этом выводе держится на уровне, превышающем 3 Ек, на выходе сохраняется низкий уровень напряжения. Отрицательный фронт импульса достаточной амплитуды, поданного на вывод 2, вызывает спусковое переключение выхода на высокий уровень. Длительность импульса запуска должна быть меньше ожидаемой длительности выходного импульса. Если на зажиме запуск поддерживать низкий уровень напряжения, то выход остается в состоянии высокого уровня, однако надолго заземлять эту цепь не следует. Детально эти положения будут рассмотрены в разд. 13.3.

13.2.4. Вход блокировка . Эта цепь (вывод 4) позволяет блокировать командные сигналы, подаваемые на вход запуска. Когда блокировка не нужна, вывод 4 следует подключать к шине £ . Если Ьывод блокировки заземлен или потенциал на нем ниже 0,4 В, обе цепи, выходная (вывод 3) и разряда (вывод 7), находятся приблизительно под потенциалом земли. Другими словами, при этом на выходе поддерживается низкий уровень напряжения. Если уровень выхода был высоким , то заземление зажиму блокировки немедленно переводит его на низкий уровень.