3 Разработка полной принципиальной схемы устройства, расчет элементов и выходных параметров схемы
3.1 Выбор элементов устройства
Основу устройства составляет счетчик. Основным параметром при выборе счетчика был коэффициент деления, а так как мы имеем коэффициент деления 2, следовательно, необходим двоичный счетчик К155ИЕ5 [1].
Счетчик К155ИЕ5 представляет собой четырехразрядный двоичный счетчик и содержит четыре Т-триггера. Условно-графическое изображение двоичного счетчика показано на рисунке 6.
Рисунок 6. Условно-графическое обозначение двоичного счетчика
Таблица 1. Назначение выходов счетчика К155ИЕ5
01 |
С2 |
Вход счетный |
02 |
R0 |
Вход установки в состояние «логический 0» |
03 |
R0& |
Вход установки в состояние «логический 0» |
08 |
Q3 |
Выход третьего разряда |
09 |
Q2 |
Выход второго разряда |
11 |
Q4 |
Выход четвертого разряда |
12 |
Q1 |
Выход первого разряда |
14 |
C1 |
Вход информационный (счетный) |
Функциональная схема данного счетчика показана на рисунке 1. Т-триггер по каждому такту изменяет своё логическое состояние на противоположное при единице на входе Т, и не изменяет выходное состояние при нуле на входе T. Т-триггер часто называют счётным триггером. Т-триггер может строиться как на JK, так и на D-триггерах. Условно-графическое обозначение Т-триггера представлено на рисунке 7. Как можно видеть в таблице истинности JK-триггера, он переходит в инверсное состояние каждый раз при одновременной подаче на входы J и K логической 1. Таблица истинности JK-триггера приведена в таблице 2. Это свойство позволяет создать на базе JK-триггера Т-триггер, объединяя входы J и К. Наличие в D-триггере динамического С входа позволяет получить на его основе T-триггер. При этом вход D соединяется с инверсным выходом, а на вход С подаются счётные импульсы. В результате триггер при каждом счётном импульсе запоминает значение, то есть будет переключаться в противоположное состояние.
Рисунок 7. Условно-графическое обозначение Т-триггера
Таблица 2. Таблица истинности JK-триггера
J |
K |
Q(t) |
Q(t+1) |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
Т-триггеры часто применяют для понижения частоты в 2 раза, при этом на Т вход подают единицу, а на С-сигнал с частотой, которая будет поделена. Таблица истинности Т-триггера приведена в таблице 3.
Таблица 3. Таблица истинности Т-триггера
T |
Q(t) |
Q(t+1) |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
Таблица 4. Электрические параметры счетчика К155ИЕ5
1 |
Номинальное напряжение питания, В |
+5 ± 5% |
2 |
Выходное напряжение низкого уровня при Uп= 4.75 В, В |
Не более 0.4 |
3 |
Выходное напряжение высокого уровня при Uп= 4.75 В, В |
Не менее 2.4 |
4 |
Входной ток низкого тока по входам установки в 0 при Uп= 5 В, мА |
Не более 0.6 |
5 |
Входной ток низкого тока по счетным входам C1 и С2 при Uп= 5 В, мА |
Не более 2.4 |
7 |
Входной ток высокого уровня по счетным входам C1 и С2 при Uп= 5 В, мА |
Не более 0.08 |
8 |
Ток потребления, мА |
Не более 7 |
9 |
Выходной ток, мА |
1.25 |
10 |
Время задержки распространения при включении по счетному входу C1 при Uп= 5 В, нс |
Не более 135 |
11 |
Ток короткого замыкания при Uп= 5.25 В, мА |
-18…57 |
Таблица 5. Предельно допустимые режимы эксплуатации счетчика К155ИЕ5
1 |
Напряжение питания, В |
Не более 6 |
2 |
Минимальное напряжение на входе, В |
- 0.4 |
3 |
Максимальное напряжение на выходе, В |
5.5 |
4 |
Минимальное напряжение на выходе, В |
- 0.3 |
5 |
Рабочая температура К155ИЕ5, 0С |
- 10…+70 |
Транзистор в данном устройстве усиливает выходной ток счетчика. Так как по техническим характеристикам на выходе из счетчика мы получаем значение силы тока равной приблизительно 1.25 мА. Исходя из технических характеристик транзисторной оптопары, нам необходимо увеличить силу тока до минимального значения входного тока оптопары, т.е. до 12 мА. Для этого необходимо установить кремниевый транзистор типа КТ3102, который повысит входной ток до необходимого уровня. Транзистор представлен на полной принципиальной схеме в приложении Б. Технические характеристики КТ3102А указаны в таблице 5.
Таблица 6. Технические характеристики кремниевого транзистора КТ3102А
1 |
IКmax, мА |
100 |
2 |
UКБ0 max, В |
50 |
3 |
UЭБ0max, В |
5 |
4 |
Pmax, мВт |
50 |
5 |
Tmax, °C |
85 |
Для организации гальванической развязки между участками электрической цепи мы используем оптопару показанную на рисунке 8. Основными критериями при выборе оптопары были: малый входной ток и малое время включения. Исходя из этого, была выбрана транзисторная оптопара с высоким напряжением коммутации.
Оптопара состоит из кристаллов инфракрасного AsGaAl светодиода и кремниевого высоковольтного n-p-n фототранзистора. Кристаллы расположены «лицом к лицу», что обеспечивает высокий коэффициент оптической связи. Благодаря специальной конструкции фототранзистора оптопара имеет высокое быстродействие в ключевом режиме работы при RH=5 кОм.
Рисунок 8. Условно-графическое обозначение транзисторной оптопары
Таблица 7. Особенности оптопары КР249КН5А
Параметр |
Значение |
Предельное значение UК-Э, В |
200 |
Напряжение изоляции UИЗ, В |
5000 |
Коэффициент передачи, % |
не менее 20 |
Таблица 8. Предельно-допустимые режимы эксплуатации оптопары КР249КН5А
Параметр |
Обозн. |
Ед. изм. |
Мин. |
Макс. |
Примечание |
Коммутируемое напряжение |
Uком |
В |
— |
200 |
— |
Входной ток |
Iвх |
мА |
12 |
15 |
— |
Импульсный входной ток |
Iвх.и. |
мА |
— |
20 |
Q=2, tи<10 мс |
Коммутируемый ток |
Iком |
мА |
— |
4 |
— |
Рассеиваемая мощность |
Ррас |
мВт |
— |
50 |
— |
Температура окружающей среды |
То |
оС |
45 |
70 |
— |
Таблица 9. Электрические параметры оптопары КР249КН5А
Параметр |
Обознач. |
Ед. изм. |
Мин. |
Тип |
Макс. |
Режим измерения |
Выходное остаточное напряжение |
Uвых.ост. |
В |
- |
- |
0.8 |
Iвх=10 мА, Iком=2 мА |
Входное напряжение |
Uвх |
В |
- |
- |
1.8 |
Iвх=10 мА |
Ток утечки на выходе |
Iут.вых. |
мкА |
- |
- |
10 |
Uком=200 В |
Коэффициент передачи по току |
Ki |
% |
20 |
- |
- |
Uком=10 В, Iвх=10 мА |
Время зад. распр. при включении |
tзд.р. |
мкс |
- |
- |
5 |
Rн=5 кОм, Uком=10 В, Iвх=10мА |
Время зад. распр. при выключении |
tзд.р. |
мкс |
- |
- |
5 |
Rн=5 кОм, Uком=10 В, Iвх=10 мА |
Сопротивление изоляции |
Rиз |
Ом |
1012 |
- |
- |
Uиз=500 В |
Проходная емкость |
Спр |
пФ |
- |
- |
5 |
- |
Основными критериями при выборе операционных усилителей были малое напряжение смещения, малый входной ток, высокое входное сопротивление, наличие защиты выходов от короткого замыкания и невысокая стоимость. Исходя из этого, был выбран операционный усилитель 140УД8, его характеристики приведены в таблице 9.
Таблица 10. Технические характеристики операционного усилителя 140УД8
Смещение нуля, мВ |
не более 50 |
Дрейф напряжения смещения, мкВ/град |
200 |
Uпит., В |
15±10% |
Rн, кОм |
1 |
Tок потребления, мА |
не более 5 |
Малый входной ток, нА |
не более 0.2 |