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.

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

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

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

В начальном состоянии уровень выходного сигнала U_1B высокий, и транзистор Q₂ находится в насыщении, шунтируя конденсатор на землю (Рисунок 3). Это запрещает работу стробируемого генератора на элементе U_2B.

Рисунок 3.	Импульс запуска и выход логического элемента U1A.

При нажатии кнопки RS-триггер устанавливается в положение, при котором выходной уровень элемента U_1A становится высоким, а элемента U_1B – низким (Рисунок 4). В результате транзистор Q₂ закрывается, позволяя конденсатору C_X линейно заряжаться постоянным током.

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 I_K определяется формулой:

(1)

где

V_CC = 5.1 В – напряжение питания,
V_B = 4.1 В – напряжение на базе Q₁,
V_BE = 0.7 В – напряжение база-эмиттер транзистора Q₁.

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

(2)

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

(3)

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

(4)

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

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

Конденсатор C_X перестает заряжаться постоянным током I_K, когда напряжение на нем достигает положительного порога V_T+, в данном случае равного 3.28 В. В этот момент на выходе элемента U_1C устанавливается низкий логический уровень, генератор останавливается, и на выходах одновибраторов, образованных элементами U_1D и U_2A, формируются управляющие импульсы.

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

Детектор фронта (U_1D) запускается спадом выходного импульса логического элемента U_1A (Рисунок 6).

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

Длительность T₂ положительного импульса Запись на выходе U_1D (Рисунок 7) равна:

(5)

Когда этот импульс заканчивается, он запускает второй одновибратор, образованный элементами U_2A, R₄ и C₃, формирующий импульс Сброс (Рисунок 7), длительность T₃ которого равна

(6)

Стробируемый генератор на логическом элементе U_2B вырабатывает пачку импульсов (Рисунок 8) с частотой F_O, определяемой выражением (7):

(7)

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

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 U_2B должен быть установлено на несколько милливольт ниже напряжения положительного порога V_T+ (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 V_T–, на восстановление потребуется время T_R, 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 R_P 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.

Ссылка

1. Ricardo Jimenez. Стробируемый генератор запускается без задержки

Материалы по теме

1. Datasheet Texas Instruments CD74HC132