Рассчитать схему триггера Шмитта

Министерство  образования и науки Российской Федерации

Поволжский  государственный технологический  университет

                                                                Кафедра ИВС

 

 

Рассчитать  схему триггера Шмитта

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к расчетно-графической работе по дисциплине

«Электротехника, электроника и схемотехника» 

 

                            

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                           Выполнил:___________________  

                                

                                                                                                                                         ___________   _______

            (подпись)         (дата)

 

                                   Проверил:____________________                       ___________   _______ 

            (подпись)         (дата) 

 

 

                                                                                    Оценка: ______________

 

Йошкар – Ола

2013

Аннотация

 

     В данной пояснительной  записке представлены описание  схемы и временных диаграмм, расчетные  методики триггера Шмитта. В соответствии с заданием рассчитаны необходимые параметры схемы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

Рассчитать  схему триггера Шмитта. Исходные данные: амплитуда выходных импульсов U_{вых u}, длительность t_u, запуск осуществляется синусоидальным сигналом Е_r=U_msin(wt). Остальные параметры выбрать самостоятельно. U_{вых u} =+8В , t_u  =75мкс.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

Титульный лист……………………………………………..………………….1

Аннотация……………………………………………… ..…………………….2

Техническое задание…………………………………………………...............3

Содержание……………………………………………………………………..4

Введение……………………………………………………………...…………5

  1.Описание схемы устройства  Триггера Шмитта..…………….…………………………………..………...7

  2.Расчет схемы Триггера Шмитта …..…..10

  2.1.Электрические  расчеты…………………………..….…….…..………..10

  2.2.Выбор  обоснования элементной базы………..…….………………….12

Заключение…………………………..……………………………….……….13

Библиографический список…………..…………………………….………..14

Спецификация…………………………………………………..…………….15

Временные диаграммы………..…………………………………….………..16

Схема………………………………………...…….….…….……..….……….17

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Электронная вычислительная техника  – сравнительно молодое научно-техническое  направление, но она оказывает самое  революционизирующее воздействие  на все области науки и техники, на все стороны жизни общества. Характерно постоянное развитие элементной базы ЭВМ. Элементная база развивается  очень быстро; появляются новые типы логических схем, модифицируются существующие. Имеется множество различных  электронных устройств: логические элементы, регистры, сумматоры,  дешифраторы, мультиплексоры, счетчики, делители частоты, триггеры, генераторы и др.

Строение триггера Шмитта

Триггер Шмитта состоит из двух транзисторов, эмиттеры которых гальванически  соединены и через общий резистор присоединены к шине питания. Потенциал коллектора транзистора через резистивный делитель передается на базу транзистора . В двух устойчивых состояниях равновесия один из транзисторов открыт, второй закрыт. Исходное состояние схемы устанавливается напряжением на базе транзистора с помощью источника и делителя . Обычно в исходном состоянии транзистор закрыт, а транзистор открыт. Транзистор может работать в активной области или в области насыщения. Для формирования выходных импульсов стандартной амплитуды целесообразно использовать насыщенный режим работы транзистора , а для повышения чувствительности схемы к изменению входного сигнала следует использовать ненасыщенный режим.

1.2. Качественная работа триггера  Шмитта

После подачи входного сигнала в  базовую цепь транзистора  он открывается. Изменение тока транзистора передается через токораспределительную цепь в базу транзистора , тем самым запирая его. Цепь положительной обратной связи в схеме замыкается через резистор , падение напряжения на котором во время переброса зависит от суммарного эмиттерного тока транзисторов и .

В зависимости от напряжения смещения на базе триггер может срабатывать как от однополярных, так и от двуполярных сигналов. При однополярном входном сигнале длительность выходного сигнала зависит от длительности входного сигнала и в основном определяется временем его изменения между порогом срабатывания и порогом отпускания триггера.

Разность между напряжениями, при  которых происходит срабатывание и отпускание схемы, называется шириной петли гистерезиса . Чем сильнее положительная обратная связь в схеме, тем больше . При работе несимметричного триггера в качестве дискриминатора амплитуды необходимо уметь регулировать величину порога срабатывания и ширину петли гистерезиса, независимо друг от друга. Обычно порог срабатывания зависит от сопротивлений резисторов , а ширина петли гистерезиса—от сопротивления резистора . Однако все эти резисторы образуют цепь передачи сигнала с коллектора на базу , поэтому независимую регулировку осуществить не удается.

1.3. Триггеры с эммитерным повторителем  и компенсирующим диодом

Для разделения , , и R2 сигнал с коллектора на базу передается через эмиттерный повторитель. Эмиттерный повторитель уменьшает влияние сопротивления резистора R на порог срабатывания схемы и повышает ее чувствительность, так как усиливает изменения тока транзистора .

Важной характеристикой триггера является стабильность его порога срабатывания. Нестабильность обусловлена изменением тепловых токов обратно смещенных р-п переходов, напряжений на переходах, коэффициентов передачи . До некоторой степени температурную нестабильность удается компенсировать, включая диод в базовую цепь транзистора . С увеличением температуры падение напряжения на диоде уменьшается, следовательно, уменьшается по абсолютной величине напряжение на базе , что способствует поддержанию его в закрытом состоянии.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Описание схемы Тригера Шмитта

 

1.Описание  работы схемы.

Триггер Шмидта представляет собой устройство, в котором переход из одного устойчивого состояния в другое осуществляется только при определенных уровнях входного напряжения E_r1 и E_r2, называемых пороговыми уровнями.

Наличие двух пороговых уровней  входного сигнала в схеме свидетельствует  о гистерезисном характере передаточной характеристики данного устройства. Идеализированная передаточная характеристика триггера Шмидта имеет вид см.(Рис. 1)

 

Рис.1

При E_r<E_r1 триггер Шмитта находится в одном из устойчивых состояний, например когда U_вых=E⁰. Как только входное напряжение достигает порогового уровня срабатывания E_r1 схема скачком переходит в другое устойчивое состояние (рабочий режим), когда U_вых=E¹. Дальнейшее повышение напряжения генератора не приводит к изменению состояния схемы. Однако уменьшение напряжения генератора E_г до порогового уровня отпускания E_r2 вызывает скачкообразное возвращение схемы в исходное состояние (U_вых=E⁰). Пороговые уровни срабатывания и отпускания, а следовательно, ширина петли гистерезиса определяются элементами схемы.

 

Схема триггера Шмитта на дискретных элементах имеет вид см.(Рис 2)

Рис.2

 

Временные диаграммы, характеризующие  данную схему, будут следующими см.(Рис. 3)

 

Рис.3

 

 

В исходном состоянии (при E_r<E_r1) схемы транзистор Т₁ закрыт, а транзистор Т₂ открыт и насыщен. Напряжение на входе схемы U_вых=U_э2=I_э2*R_э= E_k R_э/( R_k2 +R_э). При переключении схемы в рабочий режим (E_r>E_r1) транзистор Т₁ открывается и насыщается, а транзистор Т₂ закрывается. Напряжение на выходе возрастает до значения, близкого к напряжению источника питания. При снижении напряжения E_r до E_r2 схема возвращается в исходное состояние.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 .РАСЧЕТ ТРИГГЕРА ШИТТА

2.1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

       1. За время положительного полупериода синусоидального входного сигнала триггер Шмитта должен сформировать один импульс на выходе, т.е. сработать и вернутся в исходное состояние. Следовательно, Е/2=(1.2¸1.6)t_вых, откуда можно определить частоту входного сигнала:

Принимаем w=2.5/t_вых=27.8 кГц.

2. Зададим значения срабатывания  и отпускания триггера Е_г1=2 В, Е_г2=1 В.

Полагая U>> Е_г1, Е_г2, из решения системы уравнений

где t₁ – момент срабатывания триггера, найдем, что амплитуда входного сигнала, необходимая для получения заданной длительности выходного импульса,

.

Получим U_m= 4.68 В.

3. Определим напряжение источника  питания из соотношения

Е_к=(1.1¸1.2)(U_вых+Е_г1).

Принимаем Е_к= -9.6 В.

4. Выбираем транзистор типа КТ202Б,  удовлетворяющий требованиям надежности (U_кб.доп=15 В > E_k) и полярности выходного сигнала

5. Определим сопротивление резистора  R_k2, учитывая следующее:

а) коллекторный ток насыщения транзистора  Т₂ не должен превышать значений допустимого тока для данного типа транзистора I_кн<I_кдоп. Следовательно,

232 Ом;

б) для исключения влияния обратного  тока транзистора Т₂ при его запирании необходимо, чтобы

1.16*10⁷ Ом;

в) для исключения влияния емкости  коллекторного перехода при переключении транзистора необходимо, чтобы

764 Ом.

Учитывая вышеприведенные неравенства, принимаем R_k2=500 Ом.

6. Так как I_КБОmxR_r<<E_r1, можно принять E_r1»U_э2. Тогда сопротивление резистора R_э в эмиттерной цепи транзисторов определим из соотношения

Получим R_э=Е_г1R_г2/u_вых=100 Ом

7. Поскольку выполняется неравенство   R_г<<b_1minR_э(0.1 кОм<< 5 кОм) принимаем R_k1=2R_k2=1 кОм.

8. Из формулы  определяем

0.19.

9. Из условия насыщения транзистора  Т₂ без учета тока смещения U_э2/R₂ и обратного теплового тока I_КБОmax<< U_э2/R_k1, получим R_г<<b_2minR_к2- R_к1. Принимаем R₁=0.8(b_2minR_к2- R_к1)=2.2 кОм.

10. Тогда R₂= =1.5 кОм.

 

11. Определяем емкость конденсатора  из условия 

t_вых³3t_р=3(R₁||R₂)C

В этом случае влияние динамического  смещения можно не учитывать. Поэтому

0.024 мкФ.

12. Принимаем длительность фронта  равной 0.8t_а, т.е. t_ф=0.8t_а=2.4мкс. Длительность спада определим по формуле t_С»(1.2¸2.8)t_a.: t_С=5.4мкс.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2. Выбор и обоснование  элементной базы

    На основании приведенного  выше расчета выбираем элементы (для схемы электрической принципиальной):

1. В качестве транзисторов VТ1,VТ2 был взят высокочастотный биполярный транзистор  BF244 со следующими характеристиками:

               структура: n-p-n;

               граничная частота коэффициента передачи тока: 170 МГц;

              максимально допустимое напряжение коллектор-база: 30 В;

               максимально допустимый постоянный  ток коллектора: 100 мА;

               максимально допустимая рассеивающая  мощность коллектора: 300   мВт.

 

2. В соответствии с рассчитанной емкостью С₁ подбираем следующий конденсатор: К10 U_ном=16 В; С=1 мкФ ±10% - удовлетворяющий нашим требованиям и расчетам.

            

3. В соответствии с рассчитанными номиналами резисторов в пункте 2.1.  имеем: