Автоматический генератор импульса с функцией определения нагрузки на щупах

Журнал РАДИОЛОЦМАН, март 2013

Raju Baddi

EDN

Автоматический генератор импульса (Рисунки 1 и 2) представляет собой испытательный пробник, распознающий момент соприкосновения щупов с исследуемой схемой, а после установления надежного контакта формирующий мощный одиночный импульс. Генератор прямо на плате можно подключать к входам логических элементов, выводам светодиодов, трансформаторов или катушек реле. Необходимость в таком приборе часто возникает в повседневной работе инженера при разработке и тестировании электронных схем.

Рисунок 1.	Вариант генератора импульса на микросхеме NE555 более предсказуем в работе, но сложнее.

  

Рисунок 2.	Для варианта без таймера NE555 требуется меньше компонентов, но разброс входных порогов переключения G4 может влиять на длительность импульса.

Устройство питается от NiCd аккумулятора напряжением 3.6 В, но можно использовать и 5-вольтовый источник, что было подтверждено испытаниями. Схему несложно собрать на макетной плате и вместе с внешними компонентами разместить в подходящем корпусе, например, в пластиковой тубе от клеящего карандаша (Рисунок 3).

Рисунок 3.	Автоматический генератор импульса можно разместить в тубе из под клеящего карандаша.

Из двух представленных вариантов схемы первая, в которой использован интегральный таймер NE555 (Рисунок 1), работает надежнее, а вторая, показанная на Рисунке 2, проще по конструкции за счет исключения микросхемы NE555. Однако следует иметь ввиду, что генератор на инверторах микросхемы CD4069, которыми заменен таймер, может иметь плохую повторяемость длительности импульса, обусловленную разбросом пороговых напряжений, как внутри одной партии, так и у микросхем разных производителей.

Второй вариант схемы может быть собран на небольшом кусочке макетной платы размером 15 × 30 мм (Рисунок 4).

Рисунок 4.	Вариант размещения компонентов на макетной печатной плате для схемы на Рисунке 2.

Транзисторы Q₁ и Q₂ по сигналу от таймера NE555 или микросхемы СD4069 подключают «плюсовой» и «общий» щупы генератора к соответствующим полюсам батареи 3.6 В. Резисторы R₃ и R₄ смещают напряжение на входе элемента G₁ чуть ниже порога переключения, удерживая на его выходе высокий уровень напряжения, а на выходе G₂, соответственно, низкий. Конденсатор C₁, с одной стороны, обеспечивает определенную помехоустойчивость схемы, а с другой, определяет минимальное время, на которое цепь испытуемого устройства должна быть подключена к щупам генератора. Резистор 100 кОм на входе G₁ ограничивает входной ток, защищая схему от случайного подключения щупов к активной цепи.

Резистор R₁ подключен к точке соединения резисторов R₃ и R₄ через обратносмещенный светодиод D₁. Пока щупы генератора не подключены к нагрузке, эта ветвь не оказывает на работу схемы никакого влияния, поскольку сопротивление цепи R₁, D₁, R₂, D₂ намного больше, чем резистора R₃. Если щупы генератора коснутся пассивной нагрузки, такой, как резистор, катушка или светодиод, она окажется подключенной параллельно D₁ и R₂. Теперь ветвь, шунтирующая R₃, имеет более низкое сопротивление, вследствие чего входное напряжение элемента G₁ поднимается выше уровня логического порога, и на его выходе появляется «лог. 0».

Резистор R₅ и конденсатор C₂ образуют цепь задержки и подавления дребезга, необходимую для того, чтобы генерация импульса не начиналась раньше, чем установится надежный контакт щупов с исследуемой схемой. Как только выход G₁ переключится в «лог. 0», через резистор R₅ начнет заряжаться конденсатор С₂, и через время, равное примерно R₅×C₂, изменится логический уровень на входе G₂.

Нарастающий фронт выходного импульса G₂ через дифференцирующую цепь С₃, R₆ и инвертор G₃ запустит таймер NE555 (Рисунок 1). По окончании заряда C₃ через резистор R₆ напряжение на входе G₃ вернется к уровню «лог. 0», и «лог. 1» на его выходе позволит таймеру завершить цикл формирования выходного импульса с длительностью, определяемой значениями R и C. Выход таймера откроет транзистор Q₃ и зажжет светодиод «ИМПУЛЬС», а через элементы G₄, G₅ и G₆ включит транзисторы Q₁ и Q₂, через которые усиленный по мощности импульс поступит в проверяемую цепь.

При каждом прикосновении щупа к исследуемой схеме генерируется лишь один импульс. Следующий может появиться только после того, как контакт щупа со схемой будет прерван и вновь восстановлен. В случае, когда исследуемая схема имеет индуктивный характер, и величина индуктивности в точке касания щупа превышает 20 мГн, противо-ЭДС зажжет светодиод D₁, свечение которого можно будет увидеть, если не слишком быстро отрывать щуп от схемы.

На Рисунке 2 интегральный таймер NE555 заменен ждущим мультивибратором на элементах G₃, G₄, D₄ и R_F. Сопротивление резистора R₆ было увеличено до 1 МОм, а на вход G₃ добавлен диод D₃. Резистор R задает высокий уровень напряжения на входе элемента G₄, поэтому в состоянии покоя на выходе G₄ и входе G₃ будет удерживается «лог. 0». Нарастающий фронт с выхода элемента G₂ через инвертор и исходно разряженный конденсатор C достигает входа G₄, нарастающее напряжение на выходе которого через резистор R_F замыкает цепь положительной обратной связи и удерживает уровень «лог. 1» на входе G₃, даже после прекращения контакта щупов с исследуемой схемой. После этого диод D₃ оказывается запертым и не позволяет спадающему фронту на выходе G₂ влиять на работу мультивибратора.

Затем конденсатор C медленно заряжается через резистор R до тех пор, пока напряжение на входе G₄ не достигнет порога переключения, и полярность сигнала обратной связи изменится на противоположную. Длительность импульса зависит от постоянной времени R×C и составляет от 0.7 до 1.1 RC, в зависимости от уровня порога переключения элемента G₄, который может иметь разброс в диапазоне 33% … 0.67% от напряжения питания. Автор предлагает выбрать сопротивление 1 МОм для резистора R и емкость 40 нФ для конденсатора C. При желании в качестве R можно использовать переменный резистор. Диод D₄ обеспечивает быстрый разряд конденсатора C после восстановления высокого уровня на выходе G₃.

В любом из рассматриваемых вариантов схемы кратковременный импульс мультивибратора через транзистор Q₃ зажигает светодиод индикации наличия импульса, а также открывает оба транзистора Q₁ и Q₂, подключающих импульс напряжения к нагрузке. Диод D₂ изолирует отрицательный щуп генератора от основного входа схемы на элементе G₁, не позволяя импульсу подавить самого себя сразу после возникновения.