/
Текст
> .АУ 4i-;O 1 ЕХ.-.И -,ЕСХ ИИ Ж УРнАЛ
iyWiliiWTTliP?Tl
ЪМШ1
Содержание
Схемотехника
№ 6 (32) июнь 2003
Главный редактор:
Сергей Бирюков
Редакционная коллегия:
Павел Асташкевич
Александр Фрунзе
Виктор Йовчик
Юлия Герасимова
Дизайн и верстка:
Роман Покровский
Ирина Чикина
Отдел распространения:
(095) 285-1775
e-mail: sales@dian.ru
Марина Трофимова
Юрий Царев
Сергей Лукин
Отдел рекламы:
Юлия Суханова
Адрес редакции:
Москва, ул. Бутырская, д. 41/47
«ИД Скимен»
тел./факс: (095) 285-1775
Адрес для писем:
121351, Москва,
ул. Ивана Франко, д. 40, стр. 2
www.dian.ru
e-mail: editor@dian.ru
Издатель и учредитель
ООО “ИД Скимен”
Отпечатано в ГУП «Чеховский
полиграфический комбинат»
Тираж 5 250 экз.
Заказ Ns 1459
Журнал зарегистрирован в
Министерстве РФ по делам печати,
телерадиовещания и средств
массовых коммуникаций
Per. № ПИ77-5262
Редакция не несет ответственности
за информацию, приведенную
в рекламных материалах
За содержание статьи
и ее оригинальность несет
ответственность автор
Полное или частичное
воспроизведение материалов
допускается только с разрешения
ООО “ИД Скимен”
Информацию о подписке см. на
последней странице журнала
Цена свободная
Аудиотехника
С. Лунде. Выходной фильтр для усилителя класса D 2
С. Лозицкий. Активный разделительный фильтр для АС 3
Источники питания
А. Ремнев, В. Смердов. Активная коррекция коэффициента
мощности в импульсных источниках питания 6
В. Носов. Импульсные блоки питания бытовых радиоустройств 13
Измерительная техника
С. Бирюков. Светодиодные индикаторы уровня на микросхемах
семейства LM3914 14
Основы схемотехники
В. Днищенко. Рулевые машинки для аппаратуры
пропорционального управления 17
Ф. Букашев, А. Байбузов, А. Смирнов. Применение БСИТ с
«пропорционально-насыщенным» управлением в низковольтных
высокоэффективных выпрямителях 19
С. Шишкин, О. Шуков. Индикатор на матричном ВЛИ 21
Д. Романенко. Датчики тока на основе эффекта Холла 25
В. Днищенко. Малошумящий широкополосный усилитель 26
Электроника в быту
Ю. Виноградов. Контроль излучения СВЧ печи 28
А. Брякин. Часы с «говорящим» будильником 29
Н. Заец. Устройства с индикацией точечными светодиодами 32
А. Бутов. Таймер КР1006ВИ1 в управлении освещением 34
Цифровая техника
О. Вальпа. Устройства USB 36
О. Николайчук. Еще три шага по пути к совершенству 38
В. Зотов. CoolRunner-ll — новое поколение
высокопроизводительных ПЛИС CPLD фирмы Xilinx
с микромощным потреблением 42
Мастер КИТ
Г. Ганичев. Универсальная цифровая шкала-частотомер 46
Справочный листок
О. Николайчук. Приборы (Button 50
Просто и доступно
Г. Кардашев. Компьютерное схемотехническое
моделирование электронных устройств 53
Новые книги (с. 45). Семинары «Макро Тим» в 2003 г. (с. 45). Вниманию
читателей (с. 54). Адреса магазинов, в которых можно приобрести продукцию
Мастер КИТ (с. 55). Наш анонс (с. 55). Подписка-2003 (с. 56).
На нашей обложке: прямоходовый преобразователь напряжения мощностью
145 Вт на микросхеме ТОР247. Его описание будет опубликовано в одном
из ближайших номеров журнала.
Редакция приносит свои извинения нашим читателям за задержку в
выходе предыдущего номера и изменение формата. Это произошло
в связи с тем, что в день сдачи готовых пленок в типографию, в
которой до этого момента печатался журнал, типография в несколько
приемов повысила цену почти на 30 %, что привело бы к неизбежному
повышению розничной стоимости журнала.
Выходной фильтр для усилителя
класса D
Статья посвящена расчету выходного фильтра для усилителя
класса D — важнейшего узла такого устройства.
Усилитель класса D — это усили-
тель, в котором входной сигнал
преобразуется в широтно-импуль-
сно модулированный (ШИМ), усиливает-
ся по мощности и затем восстанавлива-
ется его исходная форма.
Для демодуляции выходного сигнала
на выходе усилителя достаточно поста-
вить фильтр нижних частот, при этом он
должен обладать высоким коэффициен-
том передачи, т. е. не должен вносить
существенных потерь.
Расчет фильтра начинается с задания
следующих параметров: напряжения
пульсации на нагрузке, добротности
фильтра и линейности его АЧХ.
Типовым решением является одно-
звенный фильтр второго порядка, схема
которого приведена на рис. 1.
Рис. 1
Частота среза рассматриваемого
фильтра определяется по известной
формуле:
с 2пл/ЬС '
Частоту среза лучше всего выбирать
за пределами рабочей полосы частот,
чтобы избежать избыточного демпфиро-
вания и дополнительных пиков АЧХ в
рабочем диапазоне.
Для получения максимально плоской
характеристики следует учесть сопро-
тивление нагрузки, для чего необходи-
мо соблюдать условие [1]:
2nFcRC
это же условие можно записать в дру-
гом виде:
R _ ч/2
Р” 2 ’
гдер'Л‘йЬ-
Из последнего выражения видно, что
для конкретной частоты среза и задан-
ной нагрузки существует только одно
значение емкости, удовлетворяющее
критерию равномерности АЧХ.
На рис. 2 представлены зависимости
коэффициента передачи фильтра от со-
противления нагрузки R.
Зная частоту среза и сопротивление
нагрузки можно найти величину емкости:
27tj2FcR .
Из выражения для частоты среза не-
сложно найти необходимую индуктив-
ность фильтра.
Например, для нагрузки R = 8 Ом и час-
тоты среза фильтра Fc = 20 кГц получаем
значения: С = 0,703 мкФ; L = 90,032 мкГн.
Возможно применение фильтра Бат-
терворта третьего порядка, схема кото-
рого представлена на рис. 3.
Рис. 3
Для расчетов можно использовать сле-
дующие формулы:
_0,5R
“ 2nFc ’
_ 1,5R
2nFc
1,33
2nRFc ’
Для частоты среза Fc = 20 кГц при
R = 4 Ом, получаем: С = 2,65 мкФ,
L1 = 15,92 мкГн и L2 = 47,75 мкГн, а при
R = 16 Ом получаем следующие значения:
С = 0,66 мкФ, L1 = 63,7 мкГн и L2 = 191 мкГн.
Интересно проанализировать зависи-
мость формы выходного усиленного
сигнала от частоты среза фильтра. На
рис. 4 выходной сигнал фильтра приве-
ден для входного синусоидального сиг-
нала с частотой 1 кГц, на рис. 5 — для
частоты ШИМ 90 кГц при Fc = 50 кГц, а
на рис. 6 — при Fc = 20 кГц.
Оптимальная частота среза фильтра
равна 20 кГц. Дальнейшее ее уменьше-
Рис. 2
схемотехники о июнь zuuo
Рис. 4
Рис. 7
Рис. 8
ние приведет к значительным частотным
искажениям в области слышимых частот.
На рис. 7 представлены АЧХ усилителя
класса D, выходной фильтр которого име-
ет различные частоты среза.
На частотах выше частоты среза ско-
рость спада частотной характеристики
составляет 40 дБ/дек. Применение
фильтра Баттерворта третьего порядка
дает лучшие результаты и позволяет
добиться меньших искажений, особен-
но на высоких частотах. Пульсации вы-
ходного напряжения составляют доли
процента, что проиллюстрировано на
рис. 8 для Fc = 20 кГц.
АЧХ усилителя, на выходе которого ис-
пользуется фильтр Баттерворта третье-
го порядка, отличается от АЧХ простого
LC-фильтра более крутым спадом в об-
ласти высоких частот.
Фильтр — это важнейшая часть уси-
лителя класса D и приведенные расчет-
ные соотношения позволяют определить
основные его параметры.
Сергей Лунде,
Lunde@tpu.ru
Литература:
1. В. А. Герасимов. Интегральные уси-
лители низкой частоты. — С.-Пб.: Наука
и техника, 2002.
2. А. А. Бокуняев, Р. Г. Варламов и др.
Справочная книга радиолюбителя-конст-
руктора. Под ред. Н. И. Чистякова. — М.:
Радио и связь, 1990.
(Окончание. Начало — Ne 5/2003)
Активный разделительный фильтр для АС
АЧХ коэффициента мощности (зависимость Кр от частоты),
полученная в результате моделирования АРФ (рис. 3), изоб-
ражена на рис. 6 (кривая с меткой Variantl).
График Кр навевает грустные мысли: в окрестностях частот
280 Гц и 3 кГц суммарная выходная мощность трехканального
УМЗЧ МПАК приблизительно в два раза превышает выходную
мощность эталонного одноканального УМЗЧ. Положение усу-
губляется тем, что первый «горб» АЧХ Кр располагается в об-
ласти частот, в которой сосредоточены наибольшие среднеста-
тистические уровни реальных сигналов. Итак, мы получили
далеко не очевидный на первый взгляд результат — использо-
вание АРФ с нулевой неравномерностью АЧХ результирующе-
го сигнала существенно ухудшает энергетические показатели
МПАК, следствием чего является ухудшение массогабаритных
показателей и увеличение стоимости МПАК. Возникает есте-
ственный вопрос: можно ли уменьшить величину коэффициен-
та мощности Кр на этапе проектирования АРФ? Для того, что-
бы получить ответ на этот вопрос средствами пакета OrCAD
9.2, была произведена параметрическая оптимизация функци-
ональной схемы, изображенной на рис. 7.
В этой схеме используются следующие функциональные
блоки (ФБ):
• А1, А2 — модели соответственно ФНЧ и ФВЧ второго поряд-
ка, параметры которых задаются атрибутами: FP, Q — часто-
та и добротность пары полюсов; Н — коэффициент передачи
на нулевой (для ФНЧ) или бесконечной (для ФВЧ) частоте;
• АЗ, А4 — модели трехвходовых сумматоров напряжения, веса
суммирования которых задаются атрибутами: К1, К2, КЗ.
ФБ А1—АЗ и А4 моделируют соответственно АРФ и АС.
Учитывая сравнительно невысокие избирательные свойства
рассматриваемой структуры АРФ, оптимизацию его парамет-
ров желательно осуществлять с учетом параметров конкрет-
ных типов ГД, используемых в АС. Для определенности выби-
раем следующие типы ГД [10]:
• НЧ канал: 50ГДН-19Д с диапазоном воспроизводимых час-
тот 30...3150 Гц;
• СЧ канал: 25ГДШ-12Д с диапазоном воспроизводимых час-
тот 63...20000 Гц;
• ВЧ канал: 5ГДШ-25Д с диапазоном воспроизводимых час-
тот 280...20000 Гц.
Постановка задачи оптимизации:
• на АЧХ каналов АРФ накладываются следующие ограни-
чения:
Анч(3150 Гц) < АГР. Асч(63 Гц) < Агр.
Асч(20000 Гц) < Агр. Авч(280 Гц) < АГР;
где АГР — максимально допустимая величина модуля АЧХ
НЧ, СЧ и ВЧ каналов АРФ на границах частотных диапазо-
нов ГД, используемых в этих каналах.
• цель оптимизации — минимизация максимума АЧХ коэф-
фициента мощности АРФ.
А1
FP={(63*20000)/FPLp}
Q={Q}
Н=1
Рис. 7
• ФНЧ и ФВЧ имеют одинаковые добротности, а частоты их
полюсов связаны соотношением:
РРфнчхРРфвч= >/63x20000 ,
т. е. расположены геометрически симметрично относительно
центральной частоты диапазона воспроизводимых частот ГД
СЧ канала АРФ.
• варьируемые параметры — частоты и добротности полю-
сов ФНЧ и ФВЧ АРФ.
При оптимизации программа Optimizer пакета OrCAD 9.2 в
первую очередь пытается выполнить ограничения, а затем (по
остаточному принципу) минимизировать величину коэффици-
ента мощности АРФ. Результаты оптимизации для ряда зна-
чений Агр приведены в табл. 1.
Из данных табл. 1 следует, что при увеличении частотной
избирательности каналов (при уменьшении Агр), к сожалению,
увеличивается и величина коэффициента мощности АРФ. Ра-
зумным компромиссом можно считать выбор величины Агр из
диапазона значений минус 17,0... 17,7 дБ. Для того, чтобы АРФ
по схеме на рис. 3 соответствовал полученным результатам
оптимизации для Агр = -17,4 дБ, необходимо в ФНЧ и ФВЧ
использовать номиналы резисторов и конденсаторов, указан-
ные на рис. 3 в скобках. АЧХ каналов этого (второго) вариан-
та АРФ изображены на рис. 8, а АЧХ коэффициента мощнос-
ти — на рис. 6 (кривая с меткой Variant2).
Из данных, указанных на рис. 8 сносками, следует, что на
границах частотных диапазонов ГД сигналы ослабляются со-
ответствующими каналами АРФ не менее чем на 17,1 дБ. Это
гарантирует малую неравномерность АЧХ МПАК по звуковому
давлению. Сравнение кривых КР на рис. 6 позволяет сделать
следующий вывод: мощность потребления МПАК, в котором
используется первый вариант АРФ, в 1,4... 1,9 раза превышает
мощность потребления того же МПАК при использовании в нем
второго варианта АРФ. Важно отметить также, что при исполь-
зовании второго варианта АРФ к УМЗЧ СЧ канала МПАК
предъявляются существенно менее жесткие требования в час-
ти верхней границы динамического диапазона (максимальные
величины коэффициентов передачи СЧ каналов первого и вто-
рого вариантов АРФ отличаются приблизительно на 4 дБ).
Возникает вопрос: можно пи улучшить частотную избира-
тельность НЧ и ВЧ каналов АРФ при некоторой фиксирован-
ной величине максимума коэффициента мощности из диапа-
Таблица 1 зона приемлемых зна- чений (1,1 ...1,5) за счет
Агр, ДБ БРфнч, Гц Q Максимум КР использования в схеме на рис. 7 ФНЧ и ФВЧ более высоких поряд- ков? К сожалению, ре- зультаты тестирования дают отрицательный ответ на этот вопрос. PSpice анализ показал, что не улучшает ситу- ацию и использование фильтра, предложение- го в [2]. Создается впе-
-16,0 4980,78 0,100359 0,998
-17,0 3041,84 0,135925 0,999
-17,3 1717,39 0,264427 1,010
-17,4 1601,75 0,287682 1,025
-17,5 1523,22 0,306585 1,052
-17,7 1415,21 0,338461 1,109
-18,0 1309,53 0,379439 1,192
-18,5 1196,77 0,440801 1,337
-19,0 1119,95 0,499776 1,502
-20,0 1013,57 0,621197 1,919
чатление, что получе-
Схемотехника Ne 6 июнь 2003
ние высокой частотной избирательности АРФ с нулевой нерав-
номерностью АЧХ и ФЧХ результирующего сигнала при коэф-
фициенте мощности, незначительно превышающем единицу,
невозможно в принципе. Если это так (в чем автор почти уве-
рен), то возникает другой вопрос: нельзя ли упростить схему
АРФ за счет использования в ней ФНЧ и ФВЧ первого поряд-
ка? Оптимизированная схема АРФ с фильтрами первого по-
рядка изображена на рис. 9, а на рис. 10 приведены ее АЧХ.
Зависимость коэффициента мощности от частоты этой схемы
изображена на рис. 6 (кривая с меткой Ris9).
Номинал резисторов R4—R7 может варьироваться в диа-
пазоне значений от 4,7 до 20 кОм. Важно только, чтобы пары
резисторов R4, R7 и R5, R6 имели разброс сопротивлений не
превышающий 1...2 %. Остальные резисторы и конденсато-
ры С5, С6 должны иметь допуск, не превышающий ±5 %. Пи-
тание АРФ осуществляется разнополярными стабилизирован-
ными напряжениями, уровни которых могут находиться в
диапазоне значений ±(5...15) В.
Метке Sum (см. рис. 10) соответствует график АЧХ резуль-
тирующего сигнала (выходного сигнала модели АС), получен-
ного суммированием выходных сигналов НЧ и ВЧ каналов и
вычитанием выходного сигнала СЧ канала АРФ (ГД СЧ кана-
ла должна быть включена противофазно по отношению к го-
ловкам НЧ и ВЧ каналов!).
Сравнение АЧХ (см. рис. 8 и 10) второго варианта АРФ по
схеме на рис. 3 и АРФ с фильтрами первого порядка по схеме
на рис. 9 показывает, что их избирательные свойства практи-
чески одинаковы. Однако совершенно очевидно, что предпоч-
тение следует отдать АРФ с фильтрами первого порядка по-
скольку, во-первых, он имеет меньшую величину коэффициента
мощности во всем рабочем диапазоне частот и, во-вторых, в
нем используется меньшее число компонентов.
Используемая выше модель АС (сумматор-вычитатель сиг-
налов с единичными весами) предполагает, что в АС применя-
ются идеальные ГД, которые имеют нулевые неравномерности
АЧХ и бесконечные диапазоны воспроизводимых частот. За
счет того, что реальные ГД имеют ограниченные диапазоны
воспроизводимых частот и конечные неравномерности АЧХ в
пределах этих диапазонов, а также за счет того, что на грани-
цах частотных диапазонов ГД затухания сигналов в соответ-
ствующих каналах АРФ имеют конечные величины (на рис. 10
Таблица 2
Параметр фильтра Значение параметра
Канал АС НЧ СЧ ВЧ
Нижняя граничная частота ПП, Гц 30 63 280
Верхняя граничная частота ПП, Гц 3150 20000 20000
Неравномерность АЧХ в ПП, дБ 3
Коэффициент передачи на центральной частоте 1
Крутизна спада АЧХ вне ПП, дБ/октава 12
Тип моделируемой ГД 50ГДН-19Д| 25ГДШ-12Д | 5ГДШ-25Д
А1
А4
К1 = 1
К2= -1
К3= 1
0=0.709359
Н=1
0=0.709359
Н=1
АЗ Аб
FP=19726.127 FP=283.88745
0=0.717506 0=0 717506
Н=1 Н=0.9994
величины этих затуханий указаны сносками и приблизительно
равны 17,7 дБ), неизбежно возникают частотные искажения
результирующего сигнала. Попытаемся оценить величину этих
искажений. На рис. 10 кривая с меткой Sound — это результи-
рующая АЧХ последовательно включенных АРФ (рис. 9) и ус-
ложненной модели АС (рис. 11), в которой частотные свойства
(передаточные функции) ГД моделируются полосовыми филь-
трами Баттерворта четвертого порядка (ПФ4). Параметры этих
фильтров указаны в табл. 2 (ПП — полоса пропускания).
Каждый ПФ4 образован каскадированием ФБ LP2 (ФНЧ
второго порядка) и НР2 (ФВЧ второго порядка), расчетные
параметры которых задаются атрибутами FP, Q, Н.
Важно понимать, что параметры реальной АС зависят от мно-
гих факторов: объема и конфигурации корпуса акустического
оформления, степени электрического и механического демпфи-
рования подвижной системы ГД, электрических параметров ГД,
акустических свойств помещения и т. д. Модель АС (рис. 11)
является крайне упрощенной, но позволяет показать характер и
грубо оценить величину частотных и фазовых искажений МПАК
по звуковому давлению, а также показать характер искажений
результирующего сигнала во временной области. Неравномер-
ность АЧХ выходного сигнала модели АС по рис. 11 в диапазоне
частот 32... 19000 Гц равна 2,4 дБ (см. на рис. 10 кривую с мет-
кой Sound). Анализ показал, что неравномерность ФЧХ выход-
ного сигнала модели АС в диапазонах частот 300...3000 Гц,
200...3500 Гц и 100...6300 Гц равны соответственно 1°, 8° и
Рис. 11
38°. На рис. 12 изображены временные диаграммы выходных
сигналов модели АС в виде сумматора-вычитателя (кривая с
меткой Sum) и модели АС по схеме на рис. 11 (кривая с меткой
Sound), полученные при подаче на вход АРФ (рис. 9) последова-
тельности прямоугольных импульсов с параметрами:
• размах напряжения — 2 В;
• период следования импульсов — 1 мс;
• длительность нарастания и спада импульсов — 5 мкс;
• скважность импульсов — 2.
В заключение следует сказать, что задача разработки АРФ
с нулевой неравномерностью АЧХ, линейной ФЧХ, высокой
частотной избирательностью каналов и величиной коэффи-
циента мощности, незначительно превышающей единицу, в
настоящее время полностью не решена. Однако, несмотря на
это, известные технические решения АРФ с нулевой нерав-
номерностью АЧХ и линейной ФЧХ, являющиеся разумным
(оптимальным) компромиссом между требованиями получения
необходимой частотной избирательности каналов и малой
величины коэффициента мощности, обеспечивают качествен-
ные показатели МПАК, недостижимые при использовании од-
ноканального УМЗЧ и пассивных разделительных фильтров.
Сергей Лозицкий,
radioavt@online.debryansk.ru
125040, Москва, а/я 36.
Тел./факс: (095) 9636625,
E-mail-1: alex@dart.ru
E-mail-2: sales@dart.ru
Homepage: http://www.dart.ru
Оптовые поставки импортных электронных компонентов от сертифицированных производителей со
склада и под заказ. Комплектация предприятий компонентами для выводного и поверхностного
монтажа. Оптовый отдел: E-mail: alex@dart.ru. Тел/факс: (095) 9636625. Розничная рассылка по
России частным лицам. Розница: 125040, Москва, а/я 36 E-mail: sales@dart.ru
Резисторы
и сборки
Дроссели и индуктивности
Колодки контактов
Лазерные светодиоды
Пленочные
конденсаторы
Светодиоды и матрицы
Варисторы
Индивидуальная
работа
с заказчиками,
низкие цены,
квалифици-
рованные
консультации
Диоды и мосты
Оптические
прерыватели
ww ш!
Разъемы всех типов Фиксаторы межплатные
Прокладки для
компонентов
Стяжки для
жгутов проводов
Активная коррекция коэффициента мощности
в импульсных источниках питания
В последние годы ужесточаются требования по совместимости импульсных источников пита-
ния с электрической сетью и резко ограничивается уровень высших гармоник потребляемого
из сети тока для всех однофазных потребителей. По прогнозам специалистов в ближайшее де-
сятилетие более половины всех нагрузок в однофазных сетях переменного тока будут состав-
лять именно такие источники, поэтому уже сейчас современные европейские стандарты требу-
ют улучшения формы потребляемого тока при мощностях, начиная с 200 Вт. Проблеме умень-
шения уровня гармоник в потребляемом импульсными источниками питания токе и посвящена
эта статья.
Первичная электрическая сеть переменого тока доста-
точно чувствительна к характеру нагрузки, подключа-
емой к ней. Оптимальной нагрузкой для сети является
безреактивное линейное сопротивле-
ние—RH (рис. 1). В этом случае при । I 1/(01)
синусоидальной форме питающего ' гл ’
напряжения u(wt) = Um sin(wt) ток, (Rh
протекающий в такой цепи, будет так- U-
же описываться синусоидальной фун- I----------1
кцией Рис. 1
i(wt) = —11 sin(wt) = lm sin (art).
R
При этом мгновенная мощность, потребляемая из сети:
р (wt) = u(wt) i(wt) = Um lm • sin2 (ой).
Учитывая, что Um = J2 U; lm = -J2 I, где I и U — действую-
щие значения тока и напряжения в сети, а
sin2(wt) = (1-cos2wt)/2, получим
p(cot) = U-l-U-l cos(2wt).
Таким образом мощность, потребляемая из сети и выделя-
емая в нагрузке, пульсирует с удвоенной частотой (рис. 2).
u(at)
Схемотехника No 6 июнь 2003
Рис. 2
Средняя мощность Р, которая определяет энергию необра-
тимо преобразуемую в нагрузке в тепловую (или в какую-либо
иную форму) в единицу времени
Р = —J u(wt)i(wt)dwt = —J [Ul-Ulcos(2wt)]dwt = U I.
2л о 2л0
На практике нагрузка наиболее часто носит активно-индук-
тивный характер (рис. 3).
Тогда
i (t) = — sin (cot - <p) = lm - sin (wt - <p),
где Z = ^/rz + X2; <p = arctg *L .
H
Мгновенная мощность, потребляемая в этом случае из сети:
p(wt) = u(wt) i(wt) = Um sin(wt) lm sin(wt-cp) =
_ . |~cos ф _ cos (2wt - <p)] =
= U lcos<p-U I cos(2wt-<p),
также имеет пульсирующий вид, но она знакопеременна (рис. 4).
Положительные участки кривой
зависимости мощности от времени
характеризуют передачу энергии иэ
сети в нагрузку, а отрицательные —
возврат части энергии, накопленной
в магнитном поле индуктивности, в
сеть. Первая составляющая в преду-
дыщеи формуле порорждает актив-
ную мощность Р, вторая — реактив
ную Q.
Средняя мощность, выделяемая в
нагрузке (активная мощность):
Рис. 3
1 2"
Р = — J [U -1 • cos ср - U I cos (2wt - cp)]d wt
2л о L
= Ulcos(<p)
Реактивная мощность Q бесполезно перекачивается иэ сети
в нагрузку и обратно, вызывая потери в сетевых проводах и
не производя полезной работы.
Произведение U-l = S называется полной мощностью, a cos<p —
коэффициентом мощности нагрузки, который учитывает фазо-
вый сдвиг тока относительно напряжения. Полная мощность S,
с одной стороны, характеризует максимальную мощность, кото-
рую сеть могла бы отдавать нагрузке при cos<p = 1 а с другой —
является паспортной величиной для электрических машин ап-
паратов и т. д. Мощности связаны друг с другом:
S = UI = >/P2+Q2-
Необходимо предупредить о распространенной ошибке, ко-
торую часто допускают даже опытные схемотехники Извест-
но, что типовые электрические розетки рассчитаны на макси-
мальный ток, равный 6 А. При коэффициенте мощности,
равном единице, передаваемая через нее максимальная ак-
тивная мощность при напряжении в сети 220 В будет равна
1320 Вт. Попытка подключить нагрузку с такой же мощнос-
тью, но с коэффициентом мощности, отличным от единицы,
приводит к увеличению потребляемого тока свыше 6 А, что
недопустимо.
В реальной электрической сети всегда имеются потери —
Рпот. При этом мощность потерь в ней определяется не толь-
ко полезной активной мощностью, передаваемой в нагрузку,
но и бесполезной реактивной мощностью:
Р О2
р _ |2р _ О Г_______. R
'ПОТ — 1 п ~ пП J2 п J2 '
Очевидно, что увеличение индуктивной части нагрузки при-
водит к увеличению фазового сдвига тока относительно на-
пряжения и следовательно, к уменьшению cos<p, что, в свою
очередь, ведет к увеличению реактивной мощности и потерь
в электрических сетях.
Ситуация еще более ухудшается, если подключаемая к сети
нагрузка является не только реактивной, но и нелинейной, так
как она вносит серьезные искажения в форму потребляемого
тока. В этом случае его можно представить суммой первой
гармоники и гармоник высшего порядка:
i(wt) = i(1) + £i(n).
Тогда мгновенная мощность, потребляемая из сети
p(cot) = u(wt) i(cot) = u(wt) i(1) + ^u(cot) i(n),
n=2
а средняя мощность в нагрузке
1 г*
Р = — Гр (cot )dwt =
2л о
1 2л и 2к
= уJU(cot) 1 dcot+ У -fu(cot)i dcot.
^71 о П-2 о
Известно, что для гармоник с п>2
1
— f u(cot)i .dcot = 0 ,
2л о ' 7 (п)
и поэтому активная мощность, выделяемая в нагрузке
P = UI(1|cos(<p,),
где ф, — угол сдвига первой гармоники тока относительно
напряжения.
Таким образом, активную мощность в нагрузку передает
только первая гармоника тока, потребляемого из сети. Отно-
шение активной и полной мощностей характеризует коэффи-
циент мощности нагрузки
PjUI„eos(<Pl)_li,
S UI I
Из этого выражения следует, что коэффициент мощности
зависит не только от угла сдвига первой гармоники тока <р,,
но и от отношения 1(1)/1, которое определяет степень искаже-
ния потребляемого тока высшими гармониками, т. е. от фор-
мы тока.
На рис. 5 показаны примеры возможных форм тока, потреб-
ляемого некоторыми нагрузками (в частности, вторичными
импульсными источниками электропитания) из сети и соот-
ветствующие им коэффициенты мощности
Низкий коэффициент мощности порождает еще ряд серь-
езных проблем в сетях электропитания. При большом коли-
честве электронной аппаратуры и нерациональном ее подклю-
чении к трехфазной питающей сети возможен перекос фаз.
При этом часть электронной аппаратуры будет работать при
Рис. 6
Схемотехника № 6 июнь 2003
Синусоидальная,
коэффициент мощности 1.0
коэффициент мощности 0,9
i
,<ot
коэффициент мощности 0,6...0,7
Рис. 5
повышенном напряжении, а другая — при пониженном. И в
том, и другом случае аппаратура будет плохо работать и даже
может выйти из строя Для устранения перекоса фаз в трех-
фазную сеть вводится «нулевой» провод, который выравни-
вает напряжение во всех фазах. При импульсном характере
потребляемого тока и, следовательно, большом числе его гар-
монических составляющих возможна перегрузка «нулево-
го» провода. Это связано с тем, что сечение этого провода
обычно в 2...2,5 раза меньше, чем у фазных проводов. При
этом по технике безопасности запрещается защищать «нуле-
вой» провод плавкими предохранителями или автоматами
защиты сети. Очевидно, что при неблагоприятных условиях
возможно перегорание нулевого провода и возникновение
перекоса фаз.
Импульсные источники электропитания состоят из входно-
го мостового выпрямителя с емкостным фильтром и высоко-
частотного преобразователя напряжения. Обладая высокими
значениями КПД, хорошими массогабаритными показателя-
ми, такие источники, к сожалению, имеют низкий коэффици-
ент мощности — 0,5...0,7 [1].
Для увеличения коэффициента мощности при минимальных
потерях КПД используются пассивная и активная коррекция
формы тока, потребляемого из сети Пассивные цепи коррек-
ции состоят из индуктивности и емкости Однако при конст-
руктивной простоте и надежности они имеют относительно
большие габариты, а также очень чувствительны к изменени-
ям частоты питающего напряжения и величины тока нагруз-
ки. Кроме того, резкое изменение режимов работы источни-
ка импульсного питания может привести к сложным и
нежелательным переходным процессам в нем.
Более перспективным является использование активных
корректоров мощности (КМ), которые формируют на входе
импульсного источника питания синусоидальный потребляе-
мый ток, совпадающий по фазе и частоте с питающим напря-
жением Такие КМ имеют небольшие габариты за счет рабо-
ты с частотами преобразования в несколько десятков килогерц
и обеспечивают коэффициент мощности 0,95...0,98. Сформи-
ровать на входе мостового выпрямителя импульсного источ-
ника питания синусоидальный ток можно с помощью одной
из схем преобразователей постоянного напряжения при ис-
пользовании принципа следящей высокочастотной широтно-
импульсной модуляции При этом чаще всего применяются по-
вышающие преобразователи (рис. 6).
Синусоидальная форма тока, потребляемого из сети, в та-
ком преобразователе может достигаться двумя способами.
При первом в индуктивности формируется пи-
лообразный ток (рис. 7, а), а включение тран-
зистора происходит при нулевом токе (рис. 7, б).
Достоинством такого режима являются мини-
мальные потери в ключе. К недостаткам мож-
но отнести необходимость применения высоко-
частотного фильтра, высокое соотношение
максимальных и средних значений тока ключа,
индуктивности и диода. В технической литера-
туре такой режим работы индуктивности назы-
вается граничным. Его целесообразно исполь-
зовать при мощностях до 300 Вт.
При втором способе используется режим не-
прерывных токов индуктивности, для которого
характерно формирование гладкой кривой по-
требляемого тока (рис. 7, в), что обеспечивает
низкое содержание в нем высших гармоник.
Если в КМ при граничном режиме тока транзис-
тор вступает в работу при нулевом значении тока
индуктивности, то в непрерывном режиме — при
достижении заданного значения тока через нее.
Близкая к прямоугольной форма токов элемен-
тов (рис. 7, г) обеспечивает меньшие статичес-
кие потери в них, чем при пилообразной форме, если только
мощности в нагрузке при этих режимах равны [2]. Но так как
диод в этом случае представляет собой емкостную нагрузку
для ключа, это приводит к появлению большого значения мгно-
венной мощности, выделяемой на транзисторе при его вклю-
чении, и снижению надежности работы последнего. Более под-
робно работа КМ в таких режимах описана в [3, 4].
В последнее время ведущими фирмами выпущено большое
число интегральных микросхем для СУ КМ. Это связано с на-
личием дополнительных функций, которые они способны вы-
полнять, хотя принцип построения КМ на этих микросхемах
практически одинаков. К ним относятся различные защиты —
от перенапряжения при переходных процессах; повторных за-
пусков; повреждения при запусках на короткозам-
кнутую нагрузку; случайных выбросов входного на-
пряжения, а также улучшение гармонического
состава при переходе через нуль сетевого напря-
жения и блокировка от пониженного напряжения
питания.
Рассмотрим работу КМ на примере устройства
(рис. 8), в котором система управления реализо-
вана на специализированной интегральной микро-
схеме МС34262 [3]. Напряжение, на основе кото-
рого формируется ток синусоидальной формы,
обеспечивается резистивным делителем R7R3. Ре-
комендуемая величина конденсатора фильтра С6
не превышает сотен нФ...единиц мкФ при мощно-
стях в нагрузке 100. .200 Вт. Дополнительная
фильтрация высокочастотных помех на выводе 3
осуществляется конденсатором С2.
При включении КМ в сеть в первый момент пи-
тание микросхемы осуществляется через резис-
тор R8, и напряжение на выходе 7 равно нулю.
Как только напряжение на конденсаторе С5 дос-
тигает уровня 10 В, компаратор низкого напря-
жения U|N разрешает работу микросхемы Если в
процессе работы напряжение на выводе 8 упа-
дет ниже 7,5 В, компаратор запрещает работу
микросхемы, устанавливая нулевое напряжение
на выводе 7. Таким образом осуществляется за-
щита от пониженного напряжения, при отсутствии
которой росло бы среднее значение входного тока
и увеличивались потери в ключе и индуктивнос-
ти. Энергии конденсатора С5 должно хватать на несколько
периодов работы КМ.
Силовой ключ открывается сигналом, поступающим с вы-
вода 7. Через индуктивность обмотки I трансформатора Т1
начинает протекать ток, и в ней накапливается энергия Ре-
зистор R9 выступает в роли датчика тока ключа, напряжение
которого через резистор R4 поступает на вывод 4 микросхе-
мы. Это напряжение сравнивается с напряжением умножите-
ля на компараторе максимального тока, который определяет
момент выключения транзистора VT1.
При выключении этого транзистора энергия, накопленная в
обмотке I, передается в нагрузку. При этом от дополнитель-
ной обмотки II через выпрямляющий диод VD6 часть энергии
Рис. 8
Схемотехника No 6 июнь 2003
идет на подзарядку конденсатора С5, обеспечивая пи-
тание микросхемы. Кроме того, по величине напряже-
ния обмотки II компаратор нулевого тока определяет
момент включения силового транзистора, так как нуле-
вому значению тока соответствует изменение полярно-
сти напряжения на обмотке.
На выходе КМ обязательно присутствует фильтрую-
щий конденсатор С4, так как энергия в нагрузку пере-
дается импульсами. Для нормальной работы повышаю-
щего преобразователя выходное напряжение КМ должно
превышать максимальное значение сетевого напряже-
ния с учетом нестабильности последнего. Для электри-
ческой сети 220 В выходное напряжение КМ должно
быть не менее 360...400 В. Емкость конденсатора С4
рассчитывается, исходя из заданных пульсаций выход-
ного напряжения. Ориентировочно ее величина выбира-
ется из расчета 1,5...2 мкФ на каждый ватт мощности в
нагрузке.
Сигнал обратной связи по выходному напряжению
снимается с резистивного делителя R1R2 и подается на
вывод 1. Для уменьшения влияния импульсных помех,
возникающих в выходной цепи, между выводами 1 и 2
включен интегрирующий конденсатор С1, величина ем-
кости которого составляет сотни нФ (рекомендуется
разработчиками). Для уменьшения вероятности возбуж-
дения устройства между выводом 7 и затвором транзи-
стора часто ставят низкоомный резистор сопротивлени-
ем 30. ..50 Ом.
Рассмотрим ориентировочную методику расчета ин-
дуктивности L обмотки I и максимальных значений то-
ков и напряжений, необходимых для выбора элементов
КМ, работающего в граничном режиме токов индуктив-
ности. Исходными данными являются мощность нагруз-
ки Рн, напряжение однофазной сети U, коэффициент мощно-
сти Л и коэффициент полезного действия ц. Примем:
Рн = 220 Вт, L) = 220 В, Л = 0,95 и ц = 0,95. Кроме этого зада-
димся величиной выходного напряжения КМ UH = 400 В.
1. Эффективное значение входного тока I находится из вы-
ражения, связывающего коэффициент мощности I, коэффи-
циент полезного действия ц, а также параметры электричес-
кой сети U, I и нагрузки Рн:
и х п и Л 0,95 220 0,95
а его максимальное значение I,, = V2I = 1,64 А.
2. Максимальные значения тока индуктивности lML и ключа
1мкл равны друг другу и, следовательно, lML = 1мкл =21м =3,28 А
(рис. 7, а, б).
3. Мощность, передаваемая в нагрузку, зависит не толь-
ко от входного тока, но и от индуктивности и частоты, на
которой работает КМ. Изменение частоты в КМ зависит от
мгновенного значения входного напряжения и от нагрузки.
Зададимся длительностью интервала открытого состояния
ключа tM = 20 мкс из тех соображений, что она должна быть
на один-два порядка больше типового времени переключе-
ния транзистора при максимальном значении входного на-
пряжения. Частота преобразования КМ для заданного зна-
чения убудет изменяться в диапазоне 28...40 кГц за счет
изменения скважности при неизменной длительности им-
пульсов tM.
Тогда значение индуктивности обмотки I составит
L = — L =3.8 мГн
I
'м
4. Максимальное напряжение, прикладываемое к транзис-
тору, определяется напряжением UH. Поэтому с учетом коэф-
фициента запаса транзистор должен быть рассчитан на допу-
стимое напряжение не менее 500 В. Учитывая максимальное
значение тока в КМ, транзистор и диод должны быть выбра-
ны из условия, чтобы их допустимый ток был не менее 4...5 А.
Чаще всего в качестве ключей в КМ используются МДП-тран-
зисторы [1, 2]. Выбираем транзистор типа КП707А с допусти-
мыми напряжением иси = 500 В и током 1с = 4,5 А. Сопротив-
ление этого транзистора в открытом состоянии RCM =1,5 Ом.
В качестве VD5 можно выбрать диод КД209А. Мостовой вход-
ной выпрямитель должен быть рассчитан на максимальное
значение тока не менее 5 А и напряжение не менее 400 В.
При закрывании ключа напряжение на обмотке I опреде-
ляется разностью между входным и выходным напряжения-
ми КМ и составляет примерно 200 В. Поэтому для создания
собственного питания микросхемы (15...20 В) коэффициент
трансформации Т1 должен быть в пределах 10... 13. В каче-
стве выпрямительного диода VD6 можно использовать им-
пульсный диод с допустимым напряжением 60 В, рассчитан-
ным на ток примерно 20...30 мА (ток потребления
микросхемы). Подробные рекомендации по проверке и ре-
монту КМ рассмотрены в [4].
Анатолий Ремнев,
Вячеслав Смердов,
smerdov@keytown.com
Литература:
1. В. П. Дьяконов, А. М. Ремнев, В. Ю. Смердов. Энцикло-
педия устройств на полевых транзисторах. — М.: Солон-Р.
2002.
2. А. М. Ремнев, В. Ю. Смердов. Анализ силовых ключей
импульсных источников питания. — Схемотехника, 2001, Ne 6,
с. 8—11.
3. В. С. Иванов, Д. И. Панфилов. Компоненты силовой элек-
троники фирмы Motorola. — Додэка,1998.
4. В. П. Дьяконов, А. М. Ремнев, В. Ю. Смердов. Корректо-
ры мощности. — Ремонт & Сервис, 2000, Ne 12, с. 53—56.
www ptatan.ru
ППАТЛЫ ЭЛЕКТРОННЫЕ КОМПОНЕНТЫ
11J IM I МП ОТ ВЕДУЩИХ ПРОИЗВОДИТЕЛЕЙ
ARGUSS®FT эк°"~
Департамент Микроэлектроники диСтрибьюторфирм:
ОФИЦИАЛЬНЫЙ ДИСТРИБЬЮТОР КОМПАНИИ
8-БИТ МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ { СЕРИИ С500 С ЯДРОМ 80С52/С32 V Усовершенствованное ядро и полная совместимость с 80С52 Расширенная периферия для сложных систем управления Наличие ОТР-версий, встроенных CAN и USB-интерфейсов Обширная номенклатура средств разработки Оптимизированная стоимость в зависимости от сложности решаемой задачи Infineon technologies jp International nee Rectifier S” * EPCOS
Серия SAB- 0 . +70'С SAF- -40... + 85'С SAH- -40. .+110'С SAK- -4О...+125'С ROM Кбайт RAM + XRAM байт АЦП CAN 2 0В ШИМ ^^srrauBgH
-C501G-L/-1R -C501G-E - / 8К 8КОТР 256 intermit
-C504-IV-2R -С504-2Е -/ 16К 16КОТР 512 10 6
-C513-1R -C513A-L/-R/2R 8К -/12К/16К 256 512 @ MOTOHOLA
-C505C-L/ 2R -/16К 512 8 4-
-С505А-4Е 32К ОТР 1280 8 IBOVIOSB
-С505СА 4Е 32KOTP 1280 8 4- 4
-C515-L/-1R -/8К 256 8 4
-C515A-IV-4R /32К 1280 10 4 Honeywell
-C515C-L/ -8R -С515С-8Е -/64К 64КОТР 2304 10 F 4
-C517A-L/-4R -/32К 2304 10 21 ~
-C509-L 3328 10 29 ntuHnfg
-C540U-E/541U-2E 4К/8К ОТР 256
Области применения: • Индустриальная автоматика • Управление силовыми приводами мРРЯчищК • Автомобильная электроника • Бытовая техника • Телекоммуникации СЯУООМ Эмитаоп
Сертификат ISO 9002:94 № РОСС RU. ИС46.К00014 Klngbrlght
Моема, ул. Ивана Франко, д. 40, стр 2 Почта: 121351, Моема, а я 100
Тел./ф*хс:(095) 73-75-999 Е-тай: ептхм, лан«апЛ1
Микросхемы
FPSLIC — AVR+FPGA
Фирма ATMEL предлагает микросхемы системного
уровня интеграции, семейство АТ94, класса Field
Programmable System Level Integrated Circuit — FPSLIC™.
Отличительная особенность — на кристалле размещено
аппаратное микропроцессорное ядро AVR с
производительностью 1 MIPS/МГц, работающее на частоте
25 МГц, до 36 кб конфигурируемой памяти программ/данных
с временем доступа 15 нс и FPGA с возможностью
динамического переконфигурирования (архитектура Cache
Logic). Микросхемы FPSLIC отличаются низким током
потребления и несколькими режимами энергосбережения.
Для защиты от несанкционированного копирования
выпущены микросхемы семейства Secure FPSLIC:
AT94S05AL, AT94S10AL, AT94S40AL. Эти микросхемы
содержат ПЗУ конфигурации непосредственно на
кристалле.
Микросхема AT94K05AL AT94K10AL AT94K40AL
Кол-во FPGA-элементов 5000 10000 40000
Free RAM™ SRAM, бит 2048 бит 4096 бит 18432 бит
SRAM, байт 4К-16К 20К-32К 20К-32К
Память данных, байт 4К-16К 4К-16К 4К-16К
Корпус, кол-во аыводов 84-208 84-208 144-208
Для работы с микросхемами АТ94 предлагается
стартовый набор ATSTK594 с 4-х месячной
лицензией ПО Systeni Designer за $120 с НДС.
Более подробную информацию можно получить на сайте, http://atmel.argussoft.ru
Оф*е Р ш ЧР
xwa Просгт—Uupa 96
Тел. 217 2*67 21Т 2519 2 * ?5О5
«оис. (ОН) 21АЛ642 Е-пай -и
Офис в Еь^т****** н’”
. _1А E«r"p*eAyir ,п лересм ., < .. д.10* оф 206/5
Гелтфеи: (3*32178-32-42 78-32-11
E-rr—t lt*. П -и
Офис С»чгт Петербурге
191023 Самп-Г« -рбур.- пав. сам Гр**->*до“ 36
Тег факт-(в‘. 314 ? 310*234
Е-пв4 »pb©argu4«oft.-u
Офис в и оеосгг'^рс”»
6 too тсмб^фсс, уп Оеетавя д.65оф47а
Тел ЗЯ1Г 27-11-эГ фег- 22-Г-31
Е-пе* пэкфафцмоГ -и
Интернет. http7/components,argussoft.ru
(Продолжение. Начало — № 4/2003)
Импульсные блоки питания
бытовых радиоустройств
Разбор схем блоков питания на тран-
зисторах начнем с самых простых: ИБП
телевизора Sanyo СКМ 3022-00 и видео-
плейера Funai VIP-5000LR. Вариант уп-
равления ключом, примененный в этих
устройствах, встречается довольно час-
то и даже в микросхемном исполнении.
Некоторые непринципиальные элементы,
такие как выпрямители сетевого напря-
жения и вторичные выпрямители, не по-
казаны.
Источник питания
телевизора Sanyo
СКМ 3022-00
Схема этого источника приведена на
рис. 6. Напряжение +290 В с сетевого
выпрямителя подается через обмотку
3-7 на коллектор ключевого транзисто-
ра Q513. Его база через резисторы
R520, R521, R522, R524 подключена к
источнику питания +290 В — цепь на-
чального смещения ключа. К цепи
базы ключа непосредственно подклю-
чен транзистор Q512, он управляет на-
пряжением на базе ключа. Режим ра-
боты транзистора Q512 определяет
транзистор Q511, ток базы которого, в
свою очередь, определяется оптопарой
D515. Светодиод оптопары включает-
ся транзистором Q553.
Конденсатор С507 сглаживает пуль-
сации, приходящие с сетевого выпря-
мителя. Причем чем больше емкость
конденсатора, тем меньше амплитуда
пульсаций и чем меньше ток, потреб-
ляемый ИБП, тем меньше пульсации.
Емкость этого конденсатора разработ-
чики выбирают, исходя из уровня до-
пустимых пульсаций, и при ремонте
желательно ставить конденсатор с не
меньшей емкостью. И конечно, рабочее
напряжение конденсатора должно быть
не менее 350...400 В.
Напряжение начального смещения
поступает на базу Q513 через резис-
торы R520, R521, R522, R524. В пер-
вый момент никаких других сигналов
на базу не подается, транзистор Q512
закрыт. Появляется небольшой ток кол-
лектора ключа, и на выводе 1 обмотки
обратной связи возникает небольшое
напряжение положительной полярности,
Рис. 6
которое через диод D517 и резистор
R524 поступает на базу Q513, вызывая
увеличение тока его коллектора.
Этот процесс продолжается до тех пор,
пока Q513 не войдет в режим насыще-
ния, при этом Q512 закрыт и влияния на
работу ключа не оказывает, т. к. сопро-
тивление фототранзистора оптопары
велико и транзистор Q511 закрыт.
Далее происходят процессы, описан-
ные в первой части статьи. При запира-
нии транзистора Q513 вся энергия, накоп-
ленная трансформатором, пойдет на
зарядку конденсаторов фильтров вторич-
ных выпрямителей, причем одного цикла
заряда будет недостаточно. Поэтому па-
уза между импульсами будет минималь-
на, а время открытого состояния ключа,
во время которого энергия накапливает-
ся в трансформаторе, — максимально.
Момент включения ИБП — самый тяже-
лый для ключевого транзистора, поэто-
му почти все неисправности возникают
именно в этот момент.
После нескольких циклов зарядки кон-
денсаторов вторичных выпрямителей на-
пряжение на их выходах станет близким
к номинальному. Начнет работать устрой-
ство сравнения на Q553. Эмиттер Q553
подключен к источнику образцового на-
пряжения на стабилитроне D561. Напря-
жение на стабилитрон подается с выхо-
да +130 В через резистор R554 и растет
с увеличением напряжения на этом вы-
ходе. Когда напряжение на выходе вып-
рямителя станет больше напряжения ста-
билизации стабилитрона, напряжение на
нем изменяться перестанет, т. е. напря-
жение на эмиттере Q553 зафиксируется.
База Q553 подключена к регулируемому
делителю таким образом, что когда на-
пряжение выпрямителя станет близким к
+130 В, напряжение на базе станет боль-
ше, чем напряжение на эмиттере, и тран-
зистор начнет открываться. Так как на-
грузкой коллекторной цепи является све-
тодиод оптопары, то через светодиод по-
течет ток, он начнет излучать световой
поток на фототранзистор, сопротивление
которого начнет уменьшаться. Причем
чем сильнее открыт Q553, тем больше
световой поток и тем меньше сопротив-
ление фототранзистора. Фототранзистор
подключен к цепи базы Q511, и умень-
шение сопротивления фототранзистора
вызывает открывание Q511, который в
свою очередь влияет на работу Q512.
Режим работы Q512 меняется. Теперь,
когда положительный импульс обратной
связи приходит на базу ключа, часть его
напряжения, поступающего через резис-
тор R526, складывается с напряжением,
приходящим с Q511, и транзистор Q512
начинает ограничивать амплитуду им-
пульса обратной связи. Чем сильнее от-
крыт Q553 (а также Q511), тем меньше
амплитуда импульсов обратной связи, тем
раньше выключится ключ и тем меньше
энергии накопится в трансформаторе, что
вызовет прекращение роста напряжения
на выходах вторичных выпрямителей.
Теперь наступает рабочий режим ИБП, во
время которого происходит слежение за
выходным напряжением. При увеличении
напряжения на выходе выпрямителя до
+130 В транзистор Q553 открывается
сильнее, световой поток светодиода оп-
топары увеличивается, сопротивление
фототранзистора уменьшается, Q511 от-
крывается больше, смещение на базе
Q512 увеличивается, и он сильнее шун-
тирует цепь базы ключа Q513. Ключ на-
чинает закрываться раньше, и напряже-
ние на выходах вторичных выпрямителей
уменьшается. Обратный процесс проис-
ходит при уменьшении выходного напря-
жения +130 В.
Что произойдет, если выйдут из строя
элементы устройства сравнения, оптопа-
ра или другие элементы? Пробой Q553
вызовет резкое уменьшение выходного
напряжения или даже срыв генерации,
т. к. в этом случае (а также при обрыве
R551, R553, R556, пробое D561) свето-
диод оптопары станет излучать макси-
мальный световой поток, фототранзис-
тор и Q511 максимально откроются,
смещение на базе Q512 станет макси-
мальным и он максимально ограничит
напряжение обратной связи на базе клю-
ча вплоть до срыва колебаний. К отсут-
ствию запуска приведет обрыв резисто-
ров R520—R521, R524, пробой Q512. В
случае, когда оборвутся R552, R555,
Q553, светодиод или фототранзистор оп-
топары, Q511, Q512, R526, преобразова-
тель будет работать в режиме генерации
максимальной мощности и быстро вый-
дет из строя.
Остальные элементы устройства, та-
кие как С514, R519, R525, С516, С517,
D514, D516 и R517, улучшают условия
возбуждения, препятствуют появлению
выбросов на коллекторе Q513 и т. д.
Защита в этом ИБП минимальна — на
входе сетевого питания стоит предохра-
нитель и между сетевым выпрямителем
и конденсатором фильтра установлен за-
щитный резистор R502 на 3,9 Ом. Так
что защиты практически никакой, рези-
стор сгорит только после того, как про-
бьется ключ.
Импульсный блок питания
видеоплейера
Funai VIP-5000LR
В приведенной на рис. 7 схеме не по-
казано устройство сравнения, т. к. его
работа аналогична работе этого узла в
телевизоре Sanyo. И вообще, вся схема
во многом повторяет рассмотренную
выше.
Резисторы R4 и R7 — цепь начально-
го смещения ключа Q2. Цепь обратной
связи — выводы 4-3 обмотки обратной
связи, диод D3, резистор R7. Управляет
работой ключа транзистор Q1, на кото-
рый приходит сигнал рассогласования с
оптопары. При изменении сопротивле-
ния фототранзистора изменится ток в
цепи: плюс питания, R1, фототранзистор
оптопары, D1, переход база-эмиттер Q1,
минус питания.
Резисторы R12 и R13 являются датчи-
ками тока ключа. При прохождении тока
коллектора на них появляются импуль-
сы напряжения, которые через диод D2
поступают на базу Q1. Сигнал рассогла-
сования — зто медленно изменяющееся
напряжение, а импульсы датчика тока —
импульсы напряжения, повторяющие
форму тока ключа. Эти импульсы скла-
дываются с напряжением ошибки и уп-
равляют транзистором Q1, который, от-
крываясь при достижении суммарным
напряжением определенного порога, ог-
раничивает амплитуду импульсов тока
ключа. Таким образом от напряжения
смещения на базе Q1, приходящего с
оптрона, зависит время открытого состо-
яния ключа, т. е. напряжение на выходах
вторичных выпрямителей.
Далее рассмотрим цепь управления
ключом, выполненную по другому прин-
ципу. Данная цепь с незначительными
изменениями применена во многих те-
левизорах, таких как Akai СТ-1405Е,
Elekta CTR-2066DS и других (рис 8).
На транзисторе Q1 собрано устрой-
ство сравнения, его схема практически
не отличается от других, рассмотренных
раньше. Питается устройство сравнения
от отдельной обмотки и выпрямителя D5
с фильтром С2. Начальное смещение на
ключ Q4 подается через резистор R7,
обычно представляющий собой несколь-
ко последовательно включенных резис-
торов, что объясняется более низкой
ценой двух маломощных резисторов по
Схемотехника № 6 июнь
этом регулируется время
закрытого состояния.
Продолжение следует
Владимир Носов,
nsvi@hotbox.ru
Рис. 7
Рис. 8
сравнению с одним мощным, рассчитан-
ным на напряжение более 300 В.
Цепь обратной связи здесь подключе-
на не так, как мы разбирали раньше.
Один вывод обмотки обратной связи
подключается как обычно к базе ключа,
а другой — на диодный распределитель
D3, D4. Что получается в результате?
Транзисторы 02 и Q3, представляющие
собой составной транзистор, являются
регулируемым сопротивлением. Это со-
противление (между плюсом конденса-
тора СЗ и эмиттером Q3) зависит от при-
ходящего с 01 сигнала рассогласования.
Так как транзистор Q2 имеет структуру
р-п-р, то с увеличением приходящего на
базу напряжения его ток коллектора
уменьшается, сопротивление составно-
го транзистора увеличивается. Это свой-
ство здесь и используется.
Рассмотрим момент запуска. Конден-
сатор СЗ разряжен. Цепь обратной свя-
зи подключена плюсом к базе, минусом
через D4 и R9 к общему проводу. Про-
исходит линейное нарастание тока кол-
лектора, которое заканчивается закрыва-
нием транзистора. При этом полярность
напряжения на обмотке обратной связи
меняется на обратную и этим напряже
нием через диод D3 заряжается конден
сатор СЗ. Конденсатор СЗ окажется под-
ключенным к переходу база-змиттер
ключа через сопротивление составного
транзистора минусом на базу и закроет
ключ.
Время разряда СЗ и закрывающее на-
пряжение зависят от сопротивления со-
ставного транзистора В момент запус-
ка блока питания это сопротивление
велико и разрядка конденсатора СЗ не
задерживает очередной цикл, однако в
установившемся режиме задержка оче-
редного цикла получается достаточной
для регулировки средней мощности, от-
даваемой в нагрузку. Таким образом, мы
видим, что рассматриваемый вариант не
является ШИМ. Если в предыдущих уст-
ройствах регулированию подвергалось
время открытого состояния ключа, то в
Светодиодные
индикаторы
уровня
на микросхемах
семейства
LM3914
Микросхемы LM3914, LM3915 и
LM3916 фирмы National
Semiconductors позволяют
строить светодиодные индика-
I торы с различными характерис-
I тиками — линейной, растянутой
линейной, логарифмической,
специальной для контроля
аудиосигнала.
Структура базовой микросхемы
LM3914 семейства представлена
на рис. 1 Ее основу составляют
десять компараторов, на инверсные вхо-
ды которых через буферный ОУ подает-
ся входной сигнал, а прямые входы под-
ключены к отводам резистивного дели-
теля напряжения. Выходы компараторов
являются генераторами втекающего
тока, что позволяет подключать светоди-
оды без ограничительных резисторов.
Индикация может производиться или
одним светодиодом (режим «точка»),
или линеикои из светящихся светодио-
дов, высота которой пропорциональна
уровню входного сигнала (режим «стол-
бик»).
Входной сигнал UBX подают на вы-
воде, а напряжения, определяющие ди-
апазон индицируемых уровней, — на вы-
воды 4 (нижний уровень UH) и 6 (верхний
уровень UB). Эти напряжения должны
быть в пределах от 0 до уровня, на 1,5 В
меньше напряжения источника питания,
подключаемого к выводу 3.
«Цена деления» индикатора, т. е. уве-
личение входного напряжения, вызыва-
ющее включение очередного светодио-
да, составляет 0 1 от разности UB-UH.
Индикатор на микросхеме LM3914 ра-
ботает следующим образом. Пока напря-
жение на входе UBX меньше, чем на вхо-
де UH плюс «цена деления», ни один
светодиод не светится. Как только эти
напряжения сравняются, включается све-
тодиод HL1, подключенный к выходу 1. В
режиме «точка» при увеличении входно-
го напряжения ток по выходу 1 прекра-
щается и появляется ток выхода 2, при
этом гашение первого светодиода и
включение второго происходит одновре-
менно свечение как бы «перетекает» из
одного светодиода в другой, и не возни-
кает ситуации, когда оба светодиода по-
гашены В режиме «столбик» включение
очередного светодиода, естественно, не
вызывает гашения предыдущего.
Микросхема LM3914 предназначена для
построения индикаторов с линейной шка-
лой. и все резисторы ее делителя имеют
одинаковое сопротивление. У микросхемы
LM3915 делитель рассчитан так, что вклю-
чение каждого последующего светодиода
происходит при увеличении напряжения
Рис. 1
входного сигнала в 7г раз (на 3 дБ), что
удобно для контроля мощности УМЗЧ.
Микросхема LM3916 специально предназ-
начена для контроля уровня аудиосигна-
ла. Шаг индикации у нее составляет 1 дБ
в верхней части шкалы и увеличивается
до 3 и 10 дБ в нижней части. В табл 1
приведены уровни входного сигнала,
включающего соответствующий светоди
од при нормировании на максимальное
напряжение 10 В.
Уровни в последней колонке приве-
дены для случая использования микро-
схемы LM3916 для диапазона индика-
ции -20...+3 дБ.
Микросхемы содержат источник опорно-
го напряжения с номинальным значением
1,25 В. Путем подключения двух внешних
резисторов напряжение может быть уста-
новлено любой большей величины, не пре-
вышающей на 2 В ниже напряжения пи-
тания, но не более 12 В. Подключение
резисторов и расчет опорного напряжения
осуществляется так же, как для микросхе-
мы LM317 (КР142ЕН12):
Uori = (R2/R1+1)x1,25 В + l8R2,
где R1 — сопротивление резистора, под-
ключенного между выводами 7 и 8, R2 —
сопротивление резистора, подключенно-
го между выводом 8 и общим проводом
Таблица 1
Номер светодиода Пороговое напряжение для микросхемы
LM3914 LM3915 LM3916
В В ДБ В ДБ ДБ
1 1 0,447 -27 0,708 -23 -20
2 2 0,631 -24 2,239 -13 -10
3 3 0,891 -21 3,162 -10 -7
4 4 1,259 -18 3,981 -8 -5
5 5 1,778 -15 5,012 -6 -3
6 6 2,512 -12 6,310 —4 -1
7 7 3,548 -9 7,079 -3 0
8 8 5,012 -6 7 943 -2 +1
9 9 7,079 -3 8,913 -1 +2
10 10 10 0 10 0 +3
16 — вытекающим ток вывода 8,
составляющий около 100 мкА.
Переключение между режима-
ми «точка» и «столбик» произво-
дится управлением по выводу 9.
При подключении этого вывода к
плюсу источника питания микро-
схемы (вывод 3) реализуется ре-
жим «столбик», если же вывод
оставить свободным или подклю-
чить к общему проводу — «точ-
ка». Порог переключения между
режимами примерно на 100 мВ
ниже напряжения на выводе пи-
тания 3
Параметры микросхемы LM3914
приведены в табл. 2.
Типовая схема подачи входно-
го сигнала на микросхему пока-
зана на рис. 2. Сопротивление
резистора R1 выбирают в соот-
ветствии с уровнем входного сиг-
нала UMAX, при котором должен
включаться верхний светодиод
шкалы, по формуле:
R1 = R^IW^S- 1).
Входное сопротивление микро-
схемы весьма велико, поэтому в
Таблица 2
Параметр Условия измерения Миним. Тип. Макс.
Напряжение сдвига буферного усилителя и первого компаратора, мВ Ubx*^ 12 В, 1св ~ 1 мА — 3 10
Напряжение сдвига остальных компараторов, мВ Ubx*- 12 В, Icb = 1 мА — 3 15
Крутизна передаточной характеристики компараторов, мА/мВ 1св ~ Ю мА 3 8 —
Входной ток по выв 5, нА 0 < Ubx < Спит -1,5В — 25 100
Максимальный входной сигнал, не приводящий к порче микросхемы или возникновению ложных показаний, В — -35 +35
Суммарное сопротивление резисторов делителя, кОм — 8 12 17
Точность резисторов делителя, % — — 0,5 2
Напряжение опорного источника UREF, В Опит - 5 В, Iref = 0,1...4 мА 1,2 1,28 1,34
Изменение UREF при изменении Спит, %/В Uпит = 3. =. 18 В — 0,01 0,03
Изменение UREF при изменении тока нагрузки lREF, % UnnT — 5 В, Iref = 0,1... 4 мА — 0,4 2
Изменение UREF при изменении температуры, % Т = 0,„70 °C, Опит = 5 В, Iref = 1 мА — 1 —
Ток вывода 8, мкА — — 75 120
Выходной ток (ток светодиода), мА Iref = 1 мА 7 10 13
Разброс токов выходов св — 2 мА — 0,12 0,4
1св — 20 мА — 1,2 3
Изменение тока выхода при изменении напряжении на выходе, мА Ubbix = 2. 17В 1св — 2 мА — 0,1 0,25
1св ~ 20 мА — 1 3
Выходной ток в закрытом состоянии, мкА — — 0,1 10
Только вывода 1 в режиме «Точка» 60 150 450
Потребляемый ток при выключенных светодиодах, мА UnnT ~ 5 В, Iref = 0,2 мА — 24 4,2
□пит = 20 В, Iref = 1 мА — 6,1 92
большинстве случаев при
расчете номинала резне
тора R1 его можно не
учитывать.
Интересна роль резис-
тора R3, его сопротивле-
ние определяет ток через
светодиоды. На рис. 3
представлены начальные
участки выходных харак-
теристик генераторов
тока включающих свето-
диоды, при различных
Рис. 2
значениях тока нагрузки источника опор
ного напряжения lL(REF) (ток вывода 7). Как
видно из рис. 3, ток через каждый свето-
диод примерно в 10 раз больше тока на-
грузки источника опорного напряжения.
Возможна подача опорного напряже-
ния, например, 10 В от внешнего источ-
ника (рис. 4). В этом случае диапазон
входного напряжения составляет 0...10 В,
а при указанном на схеме сопротивлении
резистора R3, так же, как и для вариан
та по схеме на рис. 2, номинальный ток
через светодиоды равен 10 мА.
Установка необходимого напряжения
внутреннего источника проиллюстриро-
вана на рис 5. Как уже указывалось
выше, напряжение питания микросхемы
должно по крайней мере на 2 В превы
шать напряжение опорного источника.
Если напряжение на выводе 4 микро-
схемы (UH) установить отличным от нуля
можно получить растянутую линейную
шкалу — от UH до 1)в. Такая схема вклю-
чения проиллюстрирована на рис. 6.
Напряжение на входе UB составляет око-
ло 1,2 В, а на входе UH подстроечным
резистором R3 это может быть установ-
лено в пределах 0...UB. Если его выбрать
равным 2/3 от UB, т. е. 0,8 В, а коэффи-
OUTPUT VOLTAGE(V)
Рис. 3
Рис. 4
циент передачи делителя R1R2 подстро-
ечным резистором R2 установить 0,08,
то диапазон индицируемых уровней со-
ставит 10,5... 15 В, точнее первому вклю-
чившемуся светодиоду соответствует на-
пряжение 10,5 В, последнему — 15 В.
Вариант получения аналогичной шкалы
в вольтметре для измерения напряжения
бортовой сети автомобиля приведен на
рис. 7. В этом случае напряжения верх-
него UB = 3,6 В и нижнего уровня 11н = 2,4 В
устанавливаются подстроечным резисто-
ром R4, а коэффициент передачи входно-
го сигнала на вход 11вх микросхемы, рав-
ный 0,24, — резистором R2.
Во всех рассмотренных выше вариан-
тах индикаторов вход 9 управления
«столбик/точка» был никуда не подклю-
чен, что обеспечивало индикацию в ре-
жиме «точка». Если желательна индика-
+5..-18В
Схемотехника № 6 июнь 2003
Рис. 5
ция «столбиком», как уже указывалось
выше, вход 9 следует подключить к вхо-
ду для подачи напряжения питания на
микросхему (вывод 3). Однако при вклю-
чении всех десяти светодиодов суще-
ственно увеличивается мощность, рассе-
иваемая на микросхеме, поэтому
следует произвести ее контрольный рас-
чет. Тепловое сопротивление корпуса
составляет 55 °С/Вт, максимальная тем-
пература кристалла — 100 °C, что до-
пускает максимальную мощность
1365 мВт при температуре окружающей
среды 25 °C, 1100 мВт — при 40 °C,
730 мВт — при 60 °C. Если задаться то-
ком 10 мА через каждый светодиод, то
суммарный ток через 10 включенных
светодиодов будет 100 мА и при темпе-
ратуре 40 °C напряжение на выходах
микросхемы не должно превышать 11 В,
а напряжение питания цепей светодио-
дов — 12,5 В.
Если нужен больший ток через свето-
диоды, можно уменьшить напряжение пи-
тания светодиодов вплоть до 3 В, при этом
питание микросхемы можно осуществлять
от источника с большим напряжением. В
случае, когда применение двух источни-
ков по каким-либо причинам неприемле-
мо, можно последовательно с каждым све-
тодиодом включить ограничительный
резистор, как зто показано на рис. 8. Для
формирования «столбика» можно все све-
тодиоды соединить последовательно, а
микросхему перевести в режим «точка»
(рис. 9). Напряжение питания в этом слу-
чае должно определяться исходя из того,
что падение напряжения на каждом све-
тодиоде около 2 В, почти столько же дол-
жно быть на выходе 10 микросхемы, ког-
да включены все светодиоды.
Последовательное включение свето-
диодов в режиме «точка» позволяет по-
лучить интересный вариант построения
индикатора. В качестве примера на
рис. 10 приведена возможная схема ус-
тройства. Если светодиоды HL1—HL4 ус-
тановить желтого цвета свечения (мало),
HL5—HL8 — зеленого (норма), HL9,
HL10— красного (перегрузка), одного
взгляда на индикатор будет достаточно
для оценки измеряемого параметра.
Число светодиодов в каждой цепочке,
число цепочек и цвета светодиодов мо-
гут быть и другими, соответствующими
поставленной задаче. Такой вариант с
использованием микросхемы К1003ПП1
описан автором в статье [1].
Напряжение питания микросхемы дол-
жно находиться в пределах 3...25 В. На-
пряжение питания светодиодов должно
быть не менее 3 В и не более напряже-
ния питания микросхемы. Источник пи-
Рис. 7
тания микросхемы в непосредственной
близости от нее должен быть зашунти-
рован оксидным танталовым конденса-
тором емкостью не менее 2,2 мкФ или
алюминиевым 10 мкФ. Возможно пита-
ние цепи светодиодов выпрямленным
неотфильтрованным напряжением часто-
той 50 Гц, однако необходимо подклю-
чение к этой цепи такого же блокировоч-
ного конденсатора, как и к микросхеме.
Окончание следует
Сергей Бирюков,
editor@dian.ru
1. С. Бирюков. Два вольтметра на
К1003ПП1. — Радио, 2001, № 8, с. 32, 33.
Рулевые машинки
для аппаратуры
пропорционального управления
8 статье, продолжающей тематику предыдущие публикаций, по
священны* принципам пропорционального радиоуправления мо
делами, приведены описания двул вариантов рупевыл машинок
отличающимся испогизуемой алиментной базой. Оба варианта
предусматривают работу сп стандартными канальными импульса-
ми амплитудой 5 В и длительней. ’ью 1.5 t 0.5 мс.
Принципиальная схема первого ва-
рианта, выходной каскад которого
реализован на транзисторах, при-
ведена на рис. 1. Канальный импульс по-
ложительной полярности — информация
о величине команды, которая содержит-
ся в длительности At [1], — подается на
один из входов временного дискримина-
тора, собранного на элементах DD1.3,
DD1.4, и на вход инвертора DD1.2. Отри-
цательный импульс с выхода 4 инверто-
ра также подается на дискриминатор и
дифференцирующую цепь C3R4. Корот-
кий отрицательный импульс, соответству-
ющий фронту канального, через развя-
зывающий диод VD1 запускает ждущий
мультивибратор, в состав которого вхо-
дят транзистор VT1, инвертор DD1.1 и
времязадающий конденсатор С2.
В исходном состоянии транзистор от-
крыт за счет подачи на его базу положи-
тельного смещения, равного примерно
0,6 В, через резистор R3 (рис. 2, в). На кол-
лекторе, а значит и на входах инвертора
DD1.1 присутствует лог. 0, а на выходе —
лог. 1. Конденсатор С2 заряжен до напря-
жения Uc, определяемого положением
движка резистора R1, ось которого меха-
нически связана с рулевым устройством.
Таким образом, это напряжение пропор-
ционально текущему угловому положению
рулевой машинки. Отрицательный им-
пульс с выхода дифференцирующей цепи
(рис. 2, б), соответствующий фронту ка-
нального импульса, закрывает транзистор.
Напряжение коллектора скачком возрас-
тает до уровня питающего (рис. 2, г), ин-
вертор DD1.1 переключается, на его вы-
ходе устанавливается лог. 0, и верхняя
обкладка конденсатора С2 через диод VD1
оказывается подключенной к общему про-
воду. Отрицательное напряжение с ниж-
ней обкладки прикладывается к базе тран-
зистора, удерживая его в закрытом
состоянии (рис. 2, в).
Конденсатор С2 начинает перезаря-
жаться по экспоненциальному закону по
цепи: плюс источника питания — подстро-
ечный резистор R3 — конденсатор С2.
Когда напряжение на нем достигнет напря-
жения отпирания транзистора (примерно
0,6 В), произойдет обратное переключение
и на коллекторе транзистора будет сфор-
мирован положительный импульс, дли-
тельность которого to определяется как ис-
ходным напряжением на конденсаторе С2,
так и постоянной времени заряда цепи
C2R3. Этот импульс и его инвертирован-
ная копия с выхода 3 DD1.1 подаются на
Рис. 2
оставшиеся входы временного дискрими-
натора. Читатель может самостоятельно
убедиться, что импульс разностной дли-
тельности At появится на выводе 10 диск-
риминатора, если длительность пришед-
шего канального импульса tK больше
длительности ждущего мультивибратора
to, и на выводе 11 в противном случае. По-
лярность разностных импульсов в обоих
случаях отрицательна.
Согласно логике работы рулевой ма-
шинки [1] далее разностные импульсы
необходимо подвергнуть удлинению. Эта
процедура одинакова для обоих упомяну-
тых случаев, поэтому рассмотрим, для
примера, вариант tK > t^ Удлинитель реа-
лизован на интегрирующей цепи R7R8C5
и верхнем операционном усилителе мик-
росхемы DA2, работающем в режиме
компаратора. В исходном состоянии кон-
денсатор С6 заряжен до некоторого на-
пряжения Uc (рис. 3, б), которое прикла-
дывается к инверсному входу ОУ.
Опорное напряжение на прямом входе
(вывод 2) компаратора установлено с по-
мощью резистора R15 несколько ниже
(Uon). В результате на-
пряжение на выходе
ОУ (вывод 10) практи-
чески равно нулю,
транзистор VT2 зак-
рыт, закрыты и управ-
ляемые им выходные
транзисторы мостово-
го усилителя VT4 и
VT7. По аналогичной
причине закрыта и
другая пара выходных
транзисторов. Напря-
жение питания на дви-
гатель не поступает.
Разностный им-
пульс отрицательной
полярности с выхода
временного дискри-
минатора (рис. 3, а)
разряжает конденса-
Рис. 1
тор С5 через резистор
R8. Постоянная време-
ни разряда выбрана та-
кой, чтобы даже при
максимальной величи-
не At разряд был бы
* практически линеен. В
этом случае уменьше-
ние напряжения на кон-
денсаторе пропорцио-
нально величине пере-
даваемой команды.
В момент пересече-
ния уровня опорного на-
пряжения, практически
совпадающего с передним фронтом раз-
ностного импульса, на выходе компара-
тора устанавливается лог. 1 (рис. 3, в),
что приводит к открыванию транзисто-
ров VT4, VT7. По окончании разностно-
го импульса начинается медленный за-
ряд конденсатора через большое сопро-
тивление резисторов R7 и R8. В момент
обратного пересечения порогового уров-
ня напряжение на выходе компаратора
возвращается к исходному значению,
формируя удлиненный импульс (рис. 3,
в). Коэффициент удлинения выбирается
из соображений, приведенных в [1]. Уд-
линенные импульсы следуют с периодом
повторения 20 мс, обеспечивая враще-
ние исполнительного двигателя со ско-
ростью, пропорциональной постоянной
составляющей этих импульсов. Двига-
тель поворачивает рулевое устройство и
ось резистора обратной связи R1 до об-
ращения в нуль разностного импульса.
При этом рулевое устройство занимает
новое устойчивое положение, пропорци-
ональное углу отклонения ручки управ-
ления в передатчике команд.
Стабилизатор DA1 обеспечивает неза-
висимость временных процессов в одно-
вибраторе и удлинителе импульсов от
напряжения питания. Конденсаторы С9,
СЮ снижают уровень помех от коллек-
торного узла двигателя и предотвраща-
ют перегрузку выходных транзисторов от
ЭДС самоиндукции, возникающей в об-
мотке двигателя вследствие питания его
импульсным напряжением.
Печатная плата устройства показана на
рис. 4. На ней предусмотрены места для
конденсаторов СО и С26, отсутствующих
на принципиальной схеме. Необходимость
в них может возникнуть при использова-
нии двигателей с сильно искрящим кол-
лектором. Оба конденсатора по 0,1 мкФ.
Выходные транзисторы устанавливают
перпендикулярно плате без радиаторов
для охлаждения. Транзисторы серий
КТ814 и КТ815 могут быть заменены на
КТ816 и КТ817 с любым индексом Опе-
рационный усилитель К153УДЗ заменяем
на К140УД2 без ухудшения качества ра-
боты. Резистор обратной связи R1 должен
быть как можно более износоустойчив.
Наилучший тип из отечественных —
РП1-46Д, имеющий гарантированную из-
носостойкость 100000 циклов. Можно
обойтись и СПЗ 4М, либо СП4-1, имеющи-
ми надежность 25000 циклов. Важной ха-
рактеристикой резистора является также
.хемотехника № 6 июнь
Рис. 4
величина усилия, требуемого для поворо-
та оси. Чем оно меньше, тем меньшей
мощности двигатель можно использовать
в рулевой машинке. Выше получается и
точность отработки команд.
Времязадающие конденсаторы С2, С5
и С6 должны быть обязательно пленоч-
ными, например, типа К73-17, осталь-
ные — любого типа. Постоянные резис-
торы — МЛТ или С2 мощностью 0,125 Вт
(R21 и R22 — 0,5 Вт).
Для настройки устройства понадобит-
ся генератор импульсов положительной
полярности амплитудой 2. 3 В, длитель-
ность которых можно было бы менять в
пределах 1...2 мс. Для этой цели можно
воспользоваться формирователем ко-
манд самой аппаратуры управления.
Канальный импульс подают на вход
устройства и контролируют наличие ко-
ротких импульсов с выхода дифферен-
цирующей цепи на катоде диода VD1.
Двигатель рулевого устройства времен-
но отсоединяют от выходных транзисто-
ров и, поворачивая шестерни редуктора,
устанавливают рулевое устройство (на-
пример, передние колеса автомобиля) в
нейтральное положение. Ось резистора
R1, связанную с редуктором, устанавли-
вают в среднее положение Контролируя
с помощью осциллографа импульс жду-
щего мультивибратора отрицательной
полярности на выводе 3 элемента DD1.1,
резистором R3 устанавливают его дли-
тельность равной 1.5 мс. Вручную вра-
щая шестерни редуктора устанавливают
последовательно рулевое устройство в
крайние положения (ось потенциометра
должна быть жестко связана с редукто-
ром) Длительность собственных импуль-
сов мультивибратора должна изменяться
в проеделах ± 0,5 мс. Если изменение
длительности больше указанной величи-
ны, освободив ось резистора R1 в нейт
ральном положении рулевого устройства
поворачивают ее на небольшой угол в на-
правлении соответствующем перемеще-
нию движка в сторону общего провода
(если диапазон меньше ± 0,5 мс, то в об-
ратном направлении). Резистором R3
вновь устанавливают исходную длитель-
ность 1,5 мс. Закрепив ось R3, заново
проверяют изменение длительности в
крайних положениях редуктора. Методом
последовательных приближений необхо-
димо добиться чтобы и среднее значение
длительности импульса и его отклонения
соответствовали стандартным.
Далее настраивают
удлинитель импуль-
сов. Подав на вход
командный импульс,
соответствующий од-
ному из крайних поло-
жений ручки управле-
ния (например, 2 мс),
следует убедиться,
что на выводе 10 эле-
мента DD1.3 присут
ствует отрицательный
импульс длительное
тью 0,5 мс (рулевое
устройство должно на-
ходиться в нейтраль-
ном положении). Под
ключить осциллограф
к выводу 13 ОУ и убе-
диться в наличии на этом выходе удлинен-
ного импульса положительной полярнос-
ти. Если импульс отсутствует, вращением
оси R15 добиться его появления, а затем
установить его длительность равной при-
мерно 20 мс. Подключить исполнительный
двигатель и убедиться, что рулевое уст-
ройство отслеживает изменение положе-
ния ручки управления формирователя ко-
манд. Если двигатель уходит в крайнее по-
ложение, необходимо поменять местами
выводы двигателя. Изменяя в небольших
пределах положение оси R15 (регулируя
коэффициент удлинения) необходимо ус-
тановить максимальную скорость отработ-
ки рулевого устройства, при которой еще
отсутствует колебательный процесс при
подходе к положению равновесия. Если
рулевое устройство срабатывает в сторо-
ну, противоположную отклонению ручки
управления, то необходимо поменять ме-
стами как выводы двигателя, так и край-
ние выводы потенциометра R1 При этом
может потребоваться переустановка ис-
ходного положения оси потенциометра по
описанной выше методике.
Следует отметить, что эффективность
работы рулевого устройства существен-
но зависит от используемого двигателя.
Это ни в коем случае не должен быть
двигатель от детских игрушек. Такие
двигатели имеют большой ток потребле-
ния, значительное трение в подшипни-
ках, большую величину напряжения тро-
гания, сильно искрят и т. п. Приемлемые
результаты получаются с двигателями от
аудиоплейеров на 1,5...6 В. Наилучшие
же двигатели для рулевых машинок —
двигатели с полым ротором серии ДПР,
обладающие малой инерционностью и
небольшим напряжением трогания.
Рулеьая машинка
на интегральных
микросхемах
При возможности приобретения мик-
росхемы TA7291S рулевую машинку
можно сделать значительно компактнее.
Микросхема фирмы Toshiba предназна-
чена для управления двигателями посто-
янного тока с напряжением питания до
18 В и током потребления, не превыша-
ющем 0,8 А, чего вполне достаточно для
применения в рулевых машинках.
Принципиальная схема этого варианта
приведена на рис. 5. Логика работы пол-
ностью повторяет первый вариант. Ка-
нальный импульс инвертируется каска-
дом на транзисторе VT1 и запускает
ждущий мультивибратор, который теперь
собран на элементах DD1.1 и DD1.2. Дли-
тельность собственных импульсов опре-
деляется сопротивлением резистора R3
и емкостью конденсатора С2 Элементы
DD1 3 и DD1.4 по-прежнему образуют
временной дискриминатор Удлинители
импульсов реализованы на интегрирую-
щих цепочках R5C3 и R6C4. Микросхема
имеет входы, совместимые с уровнями
КМОП микросхем. Как известно логичес-
кие микросхемы этого типа переключают-
ся при входных напряжениях, равных при-
мерно половине напряжения питания.
Поэтому специальных компараторов не
требуется, а формирование удлиненных
импульсов происходит при пересечении
входными сигналами этих уровней. Внут-
DD1 - К561ЛА7
100 мк
001.3 КД521А
Рис. 5
DD1 2
VT1
КТ315Г
150 к U
KJ •
VD1
КД521А
C3-L
0,5 мк “К
R1 Юк
С2
0,047 мк
Вы
DA1
КР1170ЕНЗ
R6
150 к
Вход
04
ри микросхемы имеются и ключевые уси-
питали мощности, обеспечивающие под-
ключение двигателя непосредственно к
ее выходу [2].
Печатная плата рулевой машинки при-
ведена на рис. 6 и никаких комментари-
ев не требует. Транзистор VT1 — серии
КТ315 или ему аналогичный. Диоды —
типа КД521А или КД522А Стабилизатор
напряжения на 3 В — типа КР1170ЕНЗ
или его импортный аналог Микросхему
TA7291S можно заменить на ТА7291Р с
Вх. +4.5-..9 В
соответствующим из-
менением рисунка пе-
чатной платы. Требо
вания к конденсата
рам С2, СЗ, С4 и ре-
зистору R3 такие же,
как и в предыдущем
варианте.
двигателю
МГ|е Т4'0'"
Рис. 6
При настройке, во многом аналогичной
описанной выше, одновременная уста
новка исходной длительности собствен
ных импульсов мультивибратора и требу
емого диапазона их изменения достига
ется выбором начального положения оси
потенциометра R3 и, при необходимости,
подбором емкости конденсатора С2. Уд-
линенные импульсы контролируются не-
посредственно на выводах 3 и 7 микро-
схемы при замене двигателя на резистор
сопротивлением 100...150 Ом.
Продолжение следует
Владимир Днищенко,
m408@rbcmail.ru
" ра
1. В. Днищенко. Основные принципы
пропорционального радиоуправления
моделями. — Схемотехника, N° 12,2002
с. 20—23.
2. Микросхемы для управления элект
родвигателями. — Энциклопедия ремон-
та, выпуск 12 Додэка, 1999.
Применение БСИТ
с « пропорционально-насыщенным »
управлением в низковольтных
высокоэффективных
выпрямителях
Ключи на основе биполярных транзисторов со статической ин-
дукцией (БСИТ) с «пропорционально-насыщенным» управлением,
работа которых была рассмотрена в предыдущем номере журна-
ла, могут найти применение не только для статического подклю-
чения и отключения нагрузки, но и для выпрямления низкого пе-
ременного напряжения. Известен целый класс устройств, в кото-
рых биполярные и полевые транзисторы используются в каче-
стве управляемых ключей в преобразователях переменного на-
пряжения в постоянное.
Причина разработки преобразова-
телей переменного напряжения в
постоянное, в которых биполярные
или полевые транзисторы заменяют по-
лупроводниковые диоды, состояла ис-
ключительно в стремлении увеличить
КПД преобразователей. Тенденции к
снижению напряжений питания РЭА обо-
значились более тридцати лет назад и
были, в основном, связаны с развитием
цифровых микросхем. Современным
КМОП ИС требуется напряжение от 3,3
до 5 В, ИС интегрально-инжекционной
логики lzL работают при 1 ...1,5 В. Для
полупроводниковых диодов — дешевых,
надежных и быстродействующих, спо-
собных без разрушения выдерживать
высокие обратные напряжения и много-
кратные токовые перегрузки, — при то-
ках в единицы ампер падение напряже-
ния в открытом состоянии составляет
около 0,6 В, для диодов Шоттки —
0,3...0,4 В, тем не менее, потери полез-
ной мощности на них достигают несколь-
ких десятков процентов.
В настоящее время распространение
получили понижающие преобразователи
с синхронным выпрямлением и МОП
транзисторами в качестве ключевых эле-
ментов. Можно рекомендовать работу [1],
в которой очерчен круг проблем, возни-
кающих при конструировании понижаю
щих синхронных конверторов дан ана-
лиз использования ключевых МОП
транзисторов вместо диодов Шоттки,
численно оценена энергетическая эф-
фективность этого решения, сформули-
рованы основные требования к схеме
управления ключевыми транзисторами.
Фирмой International Rectifier разработа-
на серия FETKY(TM), объединяющая в
одном корпусе низковольтный быстро-
действующий МОП транзистор и диод
Шоттки [2].
Если подать на вход понижающего
синхронного конвертора не постоянное
напряжение, а, например, разнополяр-
ные импульсы прямоугольной формы, и
заменить ключевой ДМОП-транзистор на
прибор, не проводящий в обратном на-
правлении, то при соответствующем ал-
горитме работы узла управления на вы-
ходе можно получить постоянное
напряжение. В простейшем случае алго-
ритм узла управления — ключ открыт
при входном напряжении одной полярно-
сти и закрыт при напряжении другой
полярности.
Наиболее ранняя известная авторам
конструкция такого преобразователя на
пряжения относится к 1958 г. [3]. Был
предложен управляемый выпрямитель
построенный по однофазной двухполупе-
риодной схеме со средней точкой сило
вого трансформатора, в котором нагруз-
ка включалась между средней точкой
вторичной обмотки и соединенными кол-
лекторами ключевых транзисторов, эмит-
теры транзисторов подключались к выво-
дам вторичной обмотки трансформатора,
а база каждого транзистора через токо-
ограничивающии резистор соединялась с
эмиттером другого транзистора. Конфи-
гурация схемы обеспечивала попере
менное открывание транзисторов и
формирования на нагрузке напряжения
постоянного тока.
Еще две более поздние конструкции
[4, 5] реализуют выпрямитель, образо-
ванный двумя парами п-р-п и р-п-р тран-
зисторов и резисторами, при этом вто-
рое устройство является развитием
первого. Схема устройства представля
ет собой образованный транзисторами
мостовой выпрямитель причем коллек
торы и базы пар п-р-п и р-п-р транзис
торов соответственно соединены между
собой, эмиттер одного п-р-п транзисто-
ра соединен с эмиттером одного р-п-р
транзистора, а между базами п-р-п и
р-п-р транзисторов включен резистор.
Переменное напряжение прикладывает
ся к эмиттерам а нагрузка подключает
ся к коллекторам транзисторов. Ток че-
рез резистор должен обеспечивать
насыщение открытых транзисторов.
Очевидный недостаток таких преобра
зователей заключается в том, что высо-
кий КПД имеет место в узком диапазоне
выходного тока и входного переменного
напряжения. С одной стороны, для мини-
мизации потерь необходимо поддержи-
вать ключевые транзисторы в состоянии
возможно более глубокого насыщения
ограниченного лишь быстродействием, с
другой стороны, базовый ток ключевых
транзисторов сам является одной из со-
ставляющих потерь, и, кроме того, вели-
чина этого тока зависит от входного на-
пряжения преобразователя. Наиболее
простой способ устранения указанного
недостатка — поставить ток базы ключе-
вых транзисторов в зависимость от тока
коллектора и по возможности исключить
зависимость его от входного напряжения.
Такой способ реализован, например, в
[6], где предлагалось использовать транс-
форматор тока, первичная обмотка кото-
рого включалась последовательно с на-
грузкой, а вторичная обмотка включалась
между коллектором и базой ключевого
транзистора и служила источником базо-
вого тока ключевых транзисторов.
Дальнейшее развитие преобразователи
получили в работах авторов из Московс-
кого института радиотехники, электрони-
ки и автоматики Д. В. Игумнова, И. С. Гро-
мова, В. А. Масловского и других. Группой
авторов было разработано большое чис-
ло различных вариантов управляемых
преобразователей переменного напряже-
ния в постоянное как на основе биполяр-
ных, так и полевых транзисторов [7—10],
с удвоением или регулировкой напряже-
ния [11—14], для питания нескольких на-
грузок, с ограничением выходного напря-
жения и т. п. [15—20]. Однако всем
биполярным вариантам преобразователей
напряжения присущи два недостатка: уз-
кий диапазон напряжений, в котором реа-
лизуется высокий КПД, большой ток уп-
равления транзисторов. МОП варианты
преобразователей зачастую требовали
применения транзисторов с пороговым
напряжением менее 1 В.
Улучшение характеристик преобразо-
вателей связано, в первую очередь, с
расширением диапазонов входного на-
пряжения и выходного тока и с приме-
нением более экономичных ключевых
элементов. Результатом нашей работы в
этих направлениях явилась новая конст-
рукция высокоэффективного низковоль-
тного быстродействующего преобразо-
вателя напряжения [21]. Схема преобра-
Схемотехника Ns 6 июнь 2003
зователя приведена на рис. 1.
Преобразователь содержит выходной
р-канальный биполярный транзистор со
статической индукцией (р-БСИТ) VT1,
ключевой п-р-п транзистор VT3, регули-
рующий р-п-р транзистор VT2, резистор
R1, усилитель-преобразователь разности
напряжений в ток А1. Ток управления вы-
ходного БСИТ протекает через переход
эмиттер-база, транзисторы VT2 и VT3 и
замыкается на общий провод. Ключевой
транзистор VT3 открыт, когда входное на-
пряжение положительно, и закрыт, когда
отрицательно. Регулирующий транзистор
VT2 находится в активном режиме, его
роль состоит в регулировании тока базы
БСИТ. База транзистора VT2 подключе-
Таблица 1
на к выходу усилителя-преоб-
разователя напряжение-ток
А1. Входным напряжением для
усилителя-преобразователя
напряжение-ток является на-
пряжение коллектор-змиттер
находящегося в насыщении
выходного БСИТ (остаточное
напряжение), при этом выход-
ной ток усилителя А1 пропор-
ционален напряжению между
его входами. Питание усилите-
ля А1 осуществляется от вход-
ного сигнала.
Преобразователь пропускает
ток с входа на выход, если
входное напряжение положи-
тельно, и не пропускает ток с
выхода на вход при отрица-
тельном входном напряжении. Если выход-
ной ток мал, то напряжение коллектор-
змиттер БСИТ также мало. В этом случае
выходной ток усилителя-преобразователя
напряжение-ток мал, ток коллектора регу-
лирующего р-п-р транзистора, который в
основном определяет ток потребления
преобразователя, тоже мал. При увеличе-
нии выходного тока напряжение коллек-
тор-змигтер выходного БСИТ возрастает,
что приводит к увеличению тока коллек-
тора регулирующего транзистора VT2, и,
следовательно, к увеличению тока базы
БСИТ. Увеличение тока базы БСИТ вво-
дит его в более глубокое насыщение, при
этом уменьшается напряжение коллек-
тор-эмиттер. При некоторых значениях
остаточного напряжения и тока базы вы-
ходного БСИТ, соответствующего опреде-
ленному выходному току, система дости-
гает состояния устойчивого равновесия.
Следует отметить, что в преобразователе
напряжения также реализуется «пропор-
ционально-насыщенное» управление вы-
ходным БСИТ.
Для проверки работоспособности пре-
образователя из дискретных компонен-
тов был изготовлен его макет, исполь-
зовался серийный р-БСИТ КТ6127Е.
Зависимости остаточного напряжения и
тока потребления от входного напряже-
ния измерялись при двух фиксирован-
ных значениях выходного тока. Резуль-
таты измерений приведены в табл. 1, на
рис. 2 представлена зависимость КПД
преобразователя от входного напряже-
ния при выходном токе 0,5 и 1 А.
Устройство работоспособно при мини-
мальном входном напряжении 2 В, со-
храняет высокую эффективность в ши-
роком диапазоне токов. Быстродействие
преобразователя непосредственно не из-
мерялось, его можно косвенно оценить
по граничной частоте ключевого БСИТ,
которая для КТ6127Е составляет не ме-
нее 150 МГц [22].
Таким образом, предложенная конст-
рукция преобразователя переменного
Входное напряжение, В Остаточное напряжение ключевого БСИТ, мВ, при выходном токе, А Ток потребления преобразователя, мА, при выходном токе, А
0,5 1 0,5 1
2 88 133 15 27
3 84 129 18 29
4 85 130 18 30
5 85 132 18 31
напряжения в постоянное по своим ха-
рактеристикам, в первую очередь по
КПД, может успешно конкурировать с
известными конструкциями на МОП
транзисторах, не требует внешних схем
управления (драйверов), технологически
просто реализуется в виде ИМС.
Федор Букашев,
bukaschew@novline.ru,
Анатолий Байбузов,
antrima@novline.ru,
Алексей Смирнов,
www.antrima.narod.ru.
1. В. Байтурсунов, В. Иванов, Д. Панфилов.
Повышение КПД понижающих конвертеров
при синхронном выпрямлении. — ChipNews,
1999, № 2.
2. <www.irf.com>
3. Авторское свидетельство
Ne 124565, кл. 21Ф, 1203, 1958.
4. Авторское свидетельство
Ne 345574, кл. Н02 М 5/42, 1972.
5. Авторское свидетельство
Ne 877744, КЛ. Н02 М 7/217, 1980.
6. Авторское свидетельство
Ne 529531, КЛ. Н02 М 7/217, 1971.
7. Авторское свидетельство
Ns 1226596, кл. Н02 М 7/217, 1984
8. Авторское свидетельство
Ne 1325644, кл. Н02 М 7/217, 1985.
СССР
СССР
СССР
СССР
СССР
СССР
9. Авторское свидетельство
Ns 1363406, кл. Н02 М 7/217, 1986.
10. Авторское свидетельство
Ne 1379914, КЛ. Н02 М 7/217, 1986.
11. Авторское свидетельство
Ne 1460762, кл. Н02 М 7/25, 1987.
12. Авторское свидетельство
Ne 1480064, кл. Н02 М 7/25, 1987.
13. Авторское свидетельство
Ne 1571767, КЛ. Н02 М 7/217, 1988.
14. Авторское свидетельство
Ne 1577024, кл. Н02 М 7/217, 1988.
15. Авторское свидетельство
Ne 1221705, кл. Н02 М 7/155, 1984.
16. Авторское свидетельство
Ne 1248017, кл. Н02 М 7/217, 1985.
17. Авторское свидетельство
Ne 1415377, кл. Н02 М 7/217, 1987.
СССР
СССР
СССР
СССР
СССР
СССР
СССР
СССР
СССР
18. Авторское свидетельство
СССР
№ 1457123, кл. Н02 М 7/155, 1987.
19. Авторское свидетельство
СССР Ne 1450057, кл. Н02 М 7/217,
1987.
20. Авторское свидетельство
СССР Ne 1612362, кл. Н02 М 7/217,
1989.
21. Свидетельство на полезную
модель РФ Ns 25818, кл. Н 02 М 7/
217, 2002.
22. Отечественные транзисторы:
БСИТ, СИТ, БТИЗ. — М.: ИДДодэ-
ка-ХХ!, 2001.
Индикатор на матричном ВЛ И
К недостаткам ВЛ И следует отнести:
• необходимость нескольких источников питания;
• большой ток накала катода;
• сравнительно сложную схему управления индикатором.
Использование современной элементной базы позволяет
значительно упростить узел управления ВЛИ. Применение
микроконтроллера и специализированных микросхем существен-
но расширяет функциональные возможности узла управления
индикатора и минимизирует устройство в целом. Наличие в мик-
роконтроллере универсального асинхронного последовательно-
го приемо-передатчика (УАПП) упрощает задачу сопряжения
устройства индикации с компьютером по последовательному
каналу связи (например, по интерфейсу RS-232 или RS-485).
Применение канала связи RS-232 позволит удалить устрой-
ство индикации на 15 м от компьютера (длина кабеля огово-
рена стандартом, при наличии общего контура заземления она
может быть существенно увеличена, хотя и с некоторым сни-
жением рабочей скорости).
Вакуумный люминесцентный буквенно-цифровой одностроч-
ный матричный индикатор ИЛВ2-16/5х7Л содержит 16 знако-
мест с размерностью матрицы 5x7 и предназначен для ото-
бражения буквенно-цифровой, знаковой информации в самых
различных устройствах широкого применения. Внешний вид
индикатора и расположение элементов одного знакоместа
показаны на рис. 1, а и б соответственно.
Предлагаемое устройство индикации может служить для
рекламно-информационных, развлекательных и других целей.
Интерфейс индикатора приведен на рис. 2, а принципиальная
схема устройства индикации — на рис. 3.
Основные технические характеристики устройства:
• число строк — 1
• число знакомест — 16;
• размерность знакоместа — 5x7;
• интерфейс последовательного обмена — RS-232 или RS-485
• скорость вывода (передвижения сообщения) — примерно
2 знака/с;
• напряжения питания — 5 В, ±15 В, -5,5 В (со средней точ-
кой).
Протоколы передачи:
электронный:
• скорость приема/передачи — 9600 бод;
• длина посылки — 8 бит:
• контроль четности;
• один стоп-бит;
программный:
• синхросимвол 5Ah;
• синхросимвол A5h;
• число передаваемых символов;
• коды символов (не более 48 байт).
Ниже перечислены основные функции устройства индикации:
• прием данных по последовательному каналу;
• перекодировка символов для отображения на матрице то-
чек 5x7;
• сдвиг отображения знакоместа влево (режим бегущей
строки);
• постоянная регенерация изображения (режим динамичес-
кой индикации);
• работа в режиме “часы”, отображение текущего времени
при отсутствии данных по последовательному каналу свя-
зи (погрешность часов 0,5 с за 24 ч);
• установка времени включения будильника.
Для обеспечения совместимости информации набор сим-
волов, используемый компьютером, необходимо стандартизи-
ровать. Можно представить набор символов в виде таблицы
И 32
□
8
□
о
□
1S
□
23
□
28
□
33
О
5.2
□
□
И
□
□
24
□
□
34
□
Q
□
□
16
□
2S
□
и условиться, что каждому символу всегда
будет соответствовать одно и то же место
в таблице. Тогда каждому символу (знаку,
букве и т. д.) будет соответствовать некото-
рое число, определяющее это место, это
число можно назвать кодом символа. Поря-
док расположения (кодирования) символов
для обеспечения информационной совмес-
тимости различного программного обеспече-
ния не может быть произвольным и регла-
ментируется рядом нормативных докумен-
тов. Наибольшее распространение нашел
стандарт ASCII (American Standard Code for
Information Interchange). Этот стандарт нео-
днократно совершенствовался, расширялся,
о)
однако основные принципы, заложенные в
нем, применяются во всем мире и по сей
день. В табл. 1 показаны символы знакоге-
нератора, используемого в разработанном
0 устройстве индикации.
Для привлечения внимания в момент по-
явления сообщения подается короткий звуковой сигнал дли-
тельностью 0,2...0,5 с. После бип-сигнала целесообразно пре-
дусмотреть паузу в 1...2 с, чтобы оператор успел подготовится
к приему сообщения. “Бегущая строка” будет останавливаться
после появления на экране последнего принятого символа, если
новые символы не поступили. Устройство индикации по умол-
чанию работает в режиме “часы” (идет счет установленного
времени). Если нет данных по последовательному каналу свя-
зи в течении 5 мин с момента приема последнего сообщения,
то индикатор начнет отображать текущее время. По характеру
отображаемой на индикаторе информации условно можно вы-
делить три режима работы устройства:
• отображение информации “бегущей строкой”, передаваемой
по последовательному каналу связи. Если символов в сооб-
X2HU-10
Цепь
+ 15ВСТ
Общ. 15 В
-15ВСТ
+5 В СТ
+5 В СТ
0В
0В
5.5 В
Ср.т. 5,5 В
-5,5 В
GND
С1
0,1 мк
1. С2
1 —> DATA- 0,1 мк
2 ---
Х1 HU-4
Цепь
РАТА
RX/DATA'
5
5
D2
DATA-
X3PLD-12
Х4...Х6 MJ-0-6
Q
R02I—
ТО1
Т02
RI1
RI2
С5. С6
СЮ
Ср. точка -5,5 В
-15В
VD1
КД522Б
I --М-»
1 VD2
д КД522Б
-5,5 В
С12
10 мк
16В
К выв. 16D6.24D7
+15В
68 мк 16 В
-5,5 В
~Т~ ~Т~ 0,1 мк
iLce-Lce
— 0,1 мк
-5,5 В
RD
RE
0Е
D1
D3
5,5 В
С1 +
С1-
С2+
С2
ТИ
. СЗ
J—.0,1 мк
зф
7^С4
----,0.1 мк
™12
R011
10
10
Х3.2
RST
TD
+5 В1
D\---
10
6'
D6 К564ПУ6
Q
>Q
-НС
:С
:RC
:С
R1
24 к
S2
ПКН-125
S3 -
ПКН-125
S1
ПКН-125
VT1
КТ3102Е
К выв. 16 D1
. 8 02,05, 16 D3
20 D4.1 D6
-О +5 В
С11
0.1 мк
К выв. 15 D1
5 D2,8 D3,
I 10D4.4D5,
8 D6, 23 D7,
14 D8. D9
ВА1
НРА-24АХ
ф 14'
С13
0,1 мк 5
12~
7 6
В 7
9 8
10 9
6 11
HXD
TXD
INTO
INTI
ТО
Т1
Р37
ANO
AN1
Р12
Р13
Р14
Р15
Р16
Р17
RST
12
13
14
15
16
17
18
19
5
D5
RST(
6 РЗЗк
TDL
14
3
А
-Mv
4
22
+ 15 В 25
6
D3
G1
— V
27
30
3SE
МО
СС1
СС2
WR
4с
D
S
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
CR
32 1
33 2
34 3
35 4
36 5
37 6
38 7
39 8
40 9
41 10
42 11
43 12
44 13
45 14
46 15
47 16
48 17
J___Ю
2___19
3 20
4 21
5 22
6 23
7 24
8 25
9 26
10 27
11 28
12 29
13 30
14 31
15 32
16 33
17 34
18 35
20
31
R14
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
СЛ- R18
• R22
R25
АЗО
R35
+15 В
Рис. 3
Таблица 1
— 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 А в с D Е F
2 ъ t % & ( ) * + - /
з 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ? = ? ?
4 @ А В С D Е F G Н I J к L м N о
5 р О R S Т и V W X У Z I Э А
6 ю А Б ц д Е Ф Г X И й к Л м н о
7 п Я Р с т У Ж в ь ы 3 ш I щ ч
Схемотехника No 6 июнь 2003
щении менее 16, строка стоит, если более 16 — формирует-
ся бегущая строка, при этом в строке должно быть не более
48 символов;
• работа в режиме “часы” (счет текущего времени, установка
текущего времени);
• работа в режиме “будильник" (установка времени включе-
ния будильника).
Управление в режиме “часы” осуществляется с помощью
клавиатуры, клавиши которой имеют следующее назначение:
S1(P) — выбор режима: установка часов; установка будиль-
ника; прием и индикация сообщения; отключение сообщения;
S2(B) — выбор разряда при установке текущего значения
времени в режиме “часы” и при установке времени включения
будильника в режиме “будильник’; взведение будильника.
S3(fl) — увеличение на единицу значения каждого разряда
при установке времени в режиме “часы”, и при установке вре-
мени включения будильника в режиме “будильник”, принуди-
тельное выключение звукового и светового сигнала при вклю-
чении будильника.
Разряды (знакоместа) индикатора часового интерфейса в
режимах работ “часы” и “будильник” имеют следующее назна
чение (справа налево по рис. 2):
Разряд 1 — единицы месяца;
Разряд 2 — десятки месяца;
Разряд 3 —
Разряд 4 — единицы числа установленного месяца
Разряд 5 — десятки числа установленного месяца;
Разряд 6 — пустое знакоместо;
Разряд 7 — единицы секунд в режимах “часы” и “будильник”;
Разряд 8 — десятки секунд в режимах “часы" и
“будильник”;
Разряд 9 — символ
Разряд 10 — единицы минут в режимах “часы” и
“будильник”;
Разряд 11 — десятки минут в режимах “часы” и
“будильник”;
Разряд 12 — символ
Разряд 13 — единицы часов в режимах
“часы” и “будильник”
Разряд 14 — десятки часов в режимах “часы” и “будильник”;
Разряд 15 — пустое знакоместо;
Разряд 16 — “А” при взведенном будильнике.
После включения питания устройство сразу начинает рабо-
тать в режиме “часы”, если нет сообщения по последователь-
ному каналу. Идет отсчет времени с нулевого значения При
первом нажатии на кнопку S1 (для установки необходимого
значения текущего времени выбираются разряды “часы”), в
индикаторе периодически мигают знакоместа 13 и 14. Нуж-
ное значение устанавливается кнопкой S3. При нажатии на
S2 выбираются разряд «минуты». После выбора разряда “се-
кунды” при нажатии на S3 секунды обнуляются. Таким же об-
разом устанавливается время включения будильника в режи-
ме “будильник” (заданное время будильника записывается в
память микроконтроллера). При совпадении текущего време-
ни с временем включения будильника включается прерывис-
тая звуковая сигнализация (ВА1). Установленное время бу
дильника можно перепрограммировать.
Режим “бегущая строка” имеет приоритет по отношению к
другим режимам. Устройство индикации сразу переходит в
режим “бегущей строки” независимо от того, в каком режиме
работы оно находилось, когда пришло сообщение по после-
довательному каналу связи (счет текущего времени идет по
умолчанию и, если текущее время совпало с временем бу-
дильника, световая и звуковая сигнализации также включа-
ются).
“Бегущая строка” будет отображаться циклически. После-
днее сообщение будет отображаться на индикаторе (если нет
14
21
15
22
16
29
19
ООООО
ООООО
ООООО
ООООО
ООООО
ООООО
ООООО
яэ
18
23
23
12
ООООО
ООООО
ООООО
ООООО
ООООО
ООООО
ООООО
R4...R37
47 k
16
25
10
27
ООООО
ООООО
ООООО
ООООО
ООООО
ООООО
ООООО
R38...R53
10k
10
33
17
24
55
18
11
12
19
26
33
34
27
20
13
14
21
28
35
35
31
29
44
71
40
691
42
67,
38
63
46
61
48
55
52
59
S1
5 S2
S3
HL1
ИВЛ2- 16/5x7 Л
9 S4
S5
13 S6
15 S7
ООООО
ООООО
ООООО
ООООО
ООООО
ООООО
ООООО
ООООО
ООООО
оооо
ООООО
ООООО
ООООО
ООООО
ООООО
ООООО
ООООО
ООООО
ООООО
ООООО
ООООО
~5,5В ~5,5В
ООООО ООООО ООООО ООООО
ООООО ООООО ООООО ООООО
ООООО
ООООО
ООООО
ООООО
ООООО
ООООО
ООООО
ООООО
ООООО
ООООО
ООООО
ООООО
ООООО
ООООО
ООООО
ООООО
ООООО
ООООО
ООООО
ООООО
|S1 I S2 | S3 I S4 |S5 I S6 |S7 IS8 I S9 ]S10|S11 |S12jSl3|S14|S15|S16
ПППсГк LR П1-'7 Ll Llra!5R Г71° LR Ll fTR
Ио kin kR kR kR kR kR kl”* kR kR kR kR И>лк|юк|юк|ю
Ист Her Her rjtr Her Her rjcrrjtr Hee HazrJtrKJtrHtrHtr Her Her
17 S8
20 S9
22 S10
24 S11
26 S12
28 S13
30 S14
32 S15
34 S16
R5410 к
R5510k 4
5
S1
S2
S3
S4
S5
S6
S7
S8
S9
+15В 13
16
15
12
U+
C1
C2
C3
I0
11
I2
13
DC
OUT
15BI 13
S10
S11
S12
S13
S14
S15
S16
10
9
16
15
I4
I5
I6
C1
C2
сз
5
D9
--
0 T
8
6
4
4
5
6
7
4
5
2
8
6
6
3
6
7
нового сообщения) в режиме “бегущая строка”. При необхо-
димости можно очистить индикатор путем передачи 16-ти ко-
дов пробела, либо перевести устройство индикации клавишей
S1 в режим “часы”.
Устройство индикации может быть использовано не только для
управления ИЛВ2-16/5х7Л, но и для любого матричного одно-
строчного индикатора, имеющего 16 знакомест и размерность
матрицы знакоместа 5x7. Для любого другого индикатора с по-
добными характеристиками потребуется другой выходной буфер
для управления элементами в знакоместе (элементами в знако-
месте могут быть лампочки, светодиоды, световые полосы), бу-
фер для управления самими знакоместами в дисплее или вы-
ходной буфер для табло. Технические требования к выходному
буферу определяются конкретными элементами в знакоместе.
Выбор индикатора ИЛВ2-16/5х7Л для данного устройства инди-
кации определялся лишь конкретной задачей. В данном случае
об устройстве индикации можно говорить как о знакогенерато-
ре. Под знакогенератором понимается совокупность аппаратных
и программных средств, которая преобразует код символа ASCII
в соответствующий сигнал для выходного буфера (или в сим-
вол на дисплее индикатора). К аппаратной части знакогенера-
тора относятся следующие микросхемы: микроконтроллер D4 с
супервизором D5, преобразователь уровней D6, сдвиговый ре-
гистр D7, ключи D8, D9. Программная часть знакогенератора
представляет собой программное обеспечение микроконтролле-
ра. В ППЗУ микроконтроллера есть область памяти, которая
выполняет роль “банка”. В ней хранится информация о конфигу-
рации символа, необходимая и достаточная для его воспроиз-
ведения на дисплее индикатора. Ниже приведены основные тех-
нические характеристики вакуумного люминесцентного
индикатора ИЛВ2-16/5х7Л:
• яркость — не менее 400 кд/м2;
• неравномерность яркости — ±50 %;
• ток элементов одного знакоместа — 4 мА;
• ток сетки — 5 мА;
• напряжение накала — 5,1...6 В;
• ток накала — 115 мА;
• максимальное напряжение элементов — 40 В;
• максимальное напряжение на сетке (при скважности 10) —
35 В;
• рабочий температурный диапазон----60...+70 °C;
• минимальная наработка при сохранении яркости не менее
200 кд/м2 — 30000 ч.
Общие данные: катод — прямого накала; оформление —
плоский стеклянный баллон; габаритные размеры —
160x31x12 мм; масса — не более 70 г; цвет свечения — зеле-
ный.
Питание цепи накала предпочтительно осуществлять пере-
менным током от обмотки трансформатора со средней точкой,
служащей общей точкой вывода катода. Частота коммутирую-
щего напряжения должна быть выбрана такой, чтобы исклю-
чить мерцание изображения. Для полного снятия свечения эле-
ментов необходимо подать на сетку запирающее отрицательное
напряжение не менее 6 В по абсолютной величине. При ис-
пользовании данного индикатора для улучшения внешнего вида
аппаратуры, увеличения контрастности изображения, а также
улучшения условий считывания информации рекомендуется
использовать светофильтр со спектральной характеристикой
типа НС по ГОСТ 9411 с коэффициентом пропускания
0,05...0,15. В табл. 2 приведено функциональное назначение
выводов индикатора. Индикатор достаточно компактен и по-
зволяет получать очень четкое контрастное отображение ин-
формации и без фильтра. Высокая яркость свечения элемен-
тов в знакоместе, четкое контрастное отображение информации
делает эти индикаторы незаменимыми при работе в условиях
высокого уровня внешней освещенности.
Устройство индикации разработано на базе микроконтрол-
лера АТ89С4051 фирмы Atmel. Микроконтроллер имеет ОЗУ
емкостью 128 байт и ППЗУ емкостью 4 К. Данный микрокон-
троллер со своей архитектурой хорошо подходит для работы
в устройстве индикации. Встроенный знакогенератор (ППЗУ)
позволяет отображать символы, соответствующие коду ASCII.
Другие символы, отображаемые индикатором, можно получить
с помощью генератора символов, записывая код символа в
ОЗУ микроконтроллера. В принципе можно отобразить любую
букву, цифру, символ или специальный знак, учитывая, что
знакоместо имеет формат 5x7.
Для реализации заданного алгоритма работы авторы ста-
рались максимально использовать аппаратные и программ-
ные ресурсы микроконтроллера и минимизировать число ис-
пользуемых радиоэлементов.
Микроконтроллер D4 управляет индикатором HG1 с помо-
щью специализированной микросхемы D7 К1534ХЛ2Б. Эта
микросхема предназначена для управления анодными цепя-
ми вакуумных люминесцентных индикаторов и представля-
ет собой 35/32-разрядный сдвиговой регистр с выходом каж-
дого разряда через параллельный буферный регистр на
коммутационный ключ. Максимально допустимый коммути-
руемый ток ключа — не более 1 мА. Микросхема может ра-
ботать в режиме с автономным и с внешним управлением и
Таблица 2
Номер вывода Функциональное назначение вывода Номер вывода Функциональное назначение вывода
1, 72 Катод, проводящий слой внутренней поверхности баллона 28, 45 Сетка знакоместа 4
2 Элементы 21 знакоместе 1 по 16 29 Элементы 18 знакомест с 1 по 16
3, 70 Сетка знакоместа 16 30, 43 Сетка знакоместа 3
4 Элементы 23 знакомест с 1 по 16 31 Элементы 20 знакомест с 1 по 16
5, 68 Сетка знакоместа 15 32, 41 Сетка знакоместа 2
6 Элементы 25 знакомест с 1 по 16 33 Элементы 24 знакомест с 1 по 16
7, 66 Сетка знакоместа 14 34, 49 Сетка знакоместа 1
8 Элементы 19 знакомест с 1 по 16 35 Элементы 22 знакомест с 1 по 16
9, 64 Сетка знакоместа 13 36, 37 Катод
10 Элементы 27 знакомест с 1 по 16 38 Элементы 10 знакомест с 1 по 16
11,62 Сетка знакоместа 12 40 Элементы 14 знакомест с 1 по 16
12 Элементы 29 знакомест с 1 по 16 42 Элементы 12 знакомест с 1 по 16
13, 60 Сетка знакоместа 11 44 Элементы 16 знакомест с 1 по 16
14 Элементы 35 знакомест с 1 по 16 46 Элементы 8 знакомест с 1 по 16
15, 58 Сетка знакоместа 10 48 Элементы 6 знакомест с 1 по 16
16 Элементы 33 знакомест с 1 по 16 50 Элементы 2 знакомест с 1 по 16
17, 56 Сетка знакоместа 9 52 Элементы 4 знакомест с 1 по 16
18 Элементы 31 знакомест с 1 по 16 54 Свободный
19 Элементы 32 знакомест с 1 по 16 55 Элементы 5 знакоместе 1 по 16
20, 53 Сетка знакоместа 8 57 Элементы 3 знакомест с 1 по 16
21 Элементы 34 знакомест с 1 по 16 59 Элементы 1 знакоместе 1 по 16
22, 51 Сетка знакоместа 7 61 Элементы 7 знакомест с 1 по 16
23 Элементы 30 знакомест с 1 по 16 63 Элементы 9 знакомест с 1 по 16
24, 49 Сетка знакоместа 6 65 Элементы 17 знакоместе 1 по 16
25 Элементы 28 знакомест с 1 по 16 67 Элементы 11 знакомест с 1 по 16
26, 47 Сетка знакоместа 5 69 Элементы 13 знакомест с 1 по 16
27 Элементы 26 знакомест с 1 по 16 71 Элементы 15 знакомест с 1 по 16
ступают на адресные входы микросхем
D8, D9, причем с вывода 15 микроконт-
роллера разрешается работа ключа D8,
который управляет знакоместами с 1 по
8 индикатора HL1, а с вывода 16 — ра-
бота ключа D9, который управляет зна-
коместами с 9 по 16. Максимально до-
пустимый коммутируемый ток ключа
КР590КН6 — не более 10 мА. Как ука-
зывалось выше, для полного гашения
элементов в знакоместе индикатора не-
обходимо подать на сетку запирающее
отрицательное напряжение, оно форми-
руется на отрицательном выводе кон-
денсатора С12 и через резисторы R38—
R53 подается на сетки знакомест
индикатора. Супервизор D5 подает
лог. 1 на вход 1 (RST) микроконтролле-
ра для общего сброса при включении
питания и при “зависании” микроконт-
роллера.
Звуковой сигнал (пьезоэлектрический
излучатель ВА1) включается с вывода
11 микроконтроллера.
Конструктивно устройство индикации
выполнено в виде функционально закон-
ченной платы, на которой с одной сто-
роны размещены индикатор HL1 и кноп-
ки S1...S3, а с другой— все остальные
электронные компоненты. Размер пла-
ты — 90x180 мм. Компактная и легкая
Схемотехника № 6 июнь 2003
управляет в индикаторе HG1 элементами с 1 по 35 в каждом
знакоместе.
В устройстве индикации микросхема К1534ХЛ2Б работает в
режиме с автономным управлением, для этого выход 20 (CR)
соединяется с входом 27 (WR), а вход 25 (МО) — с +Un. Сдви-
говый регистр микросхемы может иметь емкость 35 или 32
разряда, для чего вход СС1 соединяется с общим проводом
или с +Un соответственно. Так как размер матрицы знакомес-
та 5x7, то в нашем случае регистр имеет емкость 35 разрядов.
При подаче сигнала выбора SE (вывод 22) в режиме с авто-
номным управлением происходит сброс внутренних триггеров
входного сдвигового регистра и установка триггера микросхе-
мы, разрешающего прохождение импульсов тактовой частоты
в сдвиговый регистр (максимально допустимая частота такто-
вых импульсов — 125 Гц). При поступлении первого тактового
импульса (вывод 26 микросхемы — вход тактовой частоты)
после подачи сигнала SE происходит ввод информации в сдви-
говый регистр. Единица, записанная в первый разряд, пере-
писываясь последовательно из разряда в разряд по окончании
34-го импульса, поступает на выход CR в виде лог. 0 и через
вход WR подготавливает запись в выходной буферный регистр
микросхемы. Запись содержимого сдвигового регистра в вы-
ходной буферный регистр производится 35-м импульсом так-
товой частоты. По окончании записи на выходе CR опять уста-
навливается уровень лог. 0. При подаче следующего сигнала
SE цикл повторяется. Работа микросхемы D7 в составе уст-
ройства индикации будет описана ниже.
Микроконтроллер D4 управляет регистром D7 через преоб-
разователь уровня D6 К564ПУ6.
Микросхема К564ПУ6 — четыре преобразователя уровней
ТТЛ в уровни КМОП с индивидуальной возможностью пере-
вода выводов в высокоимпедансное состояние. Микросхема
имеет два вывода для подачи питания — вывод 1 для подачи
напряжения 5 В (питание микросхем ТТЛ) и вывод 16 для по-
дачи напряжения питания КМОП, оно должно находится в пре-
делах 5... 15 В (вывод 8 — общий провод). Каждый преобра-
зователь уровня в К564ПУ6 имеет вход Е для управления
выходом. При появлении лог. 1 на этом входе выход преобра-
зователя активен и повторяет входной сигнал, увеличенный
по амплитуде до напряжения питания, поданного на вывод 16
(в нашем случае до +15 В), при лог. 0 на входе Е выход пре-
образователя переходит в высокоимпедансное состояние.
Ключи (мультиплексоры-демультиплексоры) D8, D9 на мик-
росхеме КР590КН6 включают сетки знакомест с 1 по 16. Мик-
роконтроллер D4 управляет ключами (сетками индикатора)
через выводы 12, 13, 14, 15, 16. Сигналы с этих выводов по-
конструкция позволяет легко встраивать устройство индика-
ции в любые приборы. Питающие напряжения поступают на
плату через соединитель Х2. Потребление тока по каждому
каналу:
для +5 В — не более 80 мА;
для +15 В — не более 50 мА;
для -15 В — не более 50 мА;
для -5,5 В — не более 115 мА.
Разработка источника питания с вышеуказанными парамет-
рами не вызовет никаких затруднений. Сигналы интерфейсов
RS-232, RS-485 поступают на плату через соединитель Х1.
Перемычки в ХЗ установлены для работы по каналу RS-232.
В качестве резисторов R1—R55 использованы С2-ЗЗН, по-
дойдут любые другие с допуском ±5 %. Конденсаторы С5, С6,
С9, С12 — типа К50-35 или К50-29, остальные конденсато-
ры— К10-17. Пьезоэлектрический излучатель ВА1 НРА-24АХ
можно заменить на НРМ-14АХ. Вместо микросхемы
К1534ХЛ2Б подойдет К1534ХЛ2 или К1534ХЛ2А. Кнопки S1—
S3 ПКН125 можно заменить на импортные TS-A6PS-130.
Устройство индикации не нуждается в настройке, а при пра-
вильной сборке начинает работать сразу.
Сергеи Шишкин,
Олег Шуков,
efrcl@yandex.ru
Окончание следует
1. В. Б. Бродин, И. И. Шагурин. Микроконтроллеры. Архи-
тектура, программирование, интерфейс. — М.: ЭКОМ, 1999.
2. С. А. Бирюков. Применение цифровых микросхем серии
ТТЛ и КМОП. — М.: ДМК, 1999.
3. Г. И. Пухальский.Т Я. Новосельцева. Проектирование
дискретных устройств на интегральных микросхемах: Спра-
вочник. — М.: Радио и связь, 1990.
4. В. В. Сташин, А. В. Урусов, О.Ф Мологонцева. Проекти-
рование цифровых устройств на однокристальных микрокон-
троллерах. — М.: Энергоатомиздат, 1990.
5. Ю. В. Новиков, О. А. Калашников, С. Э Гуляев. Разра-
ботка устройств сопряжения для персонального компьютера
типа IBM PC. Практ. пособие. Под общей редакцией Ю. В. Но-
викова. — М.: ЭКОМ, 2000.
Датчики тока на основе эффекта
Холла
При разработке силовых преобразователей частоты и стабилиза-
торов (далее ПЧ и С), а также систем управления электроприво
дов (СУ ЭП) возникает необходимость измерения текущего зна
чения напряжения и тока для подачи соответствующего сигнала в
устройство управления. Устройство управления зачастую должно
решать систему уравнений, в которой присутствуют как ампли-
тудные значения токов и напряжений нескольких фаз, так и углы
сдвига фаз токов и напряжений. Статья посвящена разработке
датчика напряжения, удовлетворяющего требованиям, предъявля-
емым для работы в таких устройствах.
Можно сформулировать требова-
ния к датчику напряжения (тока)
для силовых ПЧ и С:
• выходной сигнал датчика не должен
отличаться по фазе от измеряемого
сигнала;
• датчик должен передавать синусои-
дальный сигнал в необходимой поло-
се частот без искажений;
• датчик должен иметь линейную АЧХ;
• выход датчика не должен иметь галь-
ванического контакта со входом.
Распространено три вида датчиков:
• трансформаторы тока и напряжения
(не удовлетворяют первым трем тре-
бованиям);
• шунты напряжения (не удовлетворяют
последнему требованию);
• датчики на основе эффекта Холла.
Промышленные датчики на основе
эффекта Холла стоят от 50 $, а их пара-
метры не удовлетворяют первым трем
требованиям (видимо, они разрабатыва-
лись для измерения низкочастотного
сигнала).
Эффект Холла вызывается силой Ло-
ренца, которая действует на носители
электрических зарядов, движущиеся в
магнитном поле, перпендикулярном на-
правлению движения заряда. Датчик Хол-
ла представляет из себя пластинку про-
водника или полупроводника (рис. 1), к
одной паре граней которой присоединен
источник тока 1П, с других граней снима-
ется выходной сигнал. При отсутствии
внешнего магнитного поля В носители за
ряда движутся по траектории 1. Концент
рация носителей зарядов у противополож-
ных измерительных граней равна. При
появлении перпендикулярного магнитного
поля В за счет силы Лоренца траектория
движения меняется (траектория 2). Из-за
этого концентрация носителей зарядов
около одной измерительной грани увели-
чивается, а у другой уменьшается, и меж-
ду измерительными гранями появляется
напряжение Ux.
Рис. 1
По принципу действия датчики делят
ся на два типа: датчики прямого усиле-
ния и датчики компенсационного типа.
Первые работают следующим обра-
зом. Через кольцевой сердечник прохо-
дит проводник, по которому течет изме-
ряемый ток. Вокруг проводника с током
образуется магнитное поле, пропорцио-
нальное току. В кольце выполняют про
пил, в который вставляют датчик Холла.
Выходное напряжение датчика Холла
пропорционально измеряемому току.
Рис. 2 поясняет принцип работы датчи-
ка прямого усиления. Такой датчик об-
ладает следующими недостатками:
• из-за нелинейности кривой намагни-
чивания магнитопровода зависимость
выходного сигнала датчика от входно-
го нелинейна;
• из-за неоднозначности кривой намаг-
ничивания магнитопровода зависи-
мость выходного сигнала датчика от
входного также неоднозначна;
• максимальное измеряемое значение
тока ограничено индукцией насыще-
ния магнитопровода кольца.
Второй вариант датчика отличается тем
что на кольце намотана компенсирующая
обмотка (рис. 3). Напряжение с датчика
Холла усиливается и подается на компен-
сирующую обмотку магнитный поток от
которой компенсирует измеряемый поток
в кольце до нуля. Выходным сигналом яв-
ляется ток компенсирующей обмотки. Вы-
ходной ток прямо пропорционален изме-
ряемому току, умноженному на отношение
числа витков компенсирующей и измери-
тельной обмоток lK = lMxWK/WM Данная
конструкция лишена недостатков преды
дущей, т. к. работает при магнитном по-
токе, близком к нулю.
На рис. 4 изображена принципиальная
схема датчика напряжения. Он работает
следующим образом. Датчик Холла пи-
тается от источника тока на элементах
R9 и DA2. Сигнал с датчика подается на
первый каскад усилителя (DA1.1, R1—
R5) с коэффициентом усиления R3/R1 =
= 1000 (при соблюдении условия R1 = R2
и R3 - R4+R5 обеспечивается самый
высокий коэффициент подавления син-
фазной составляющей). Резистор R5
служит для установки нуля на выходе
первого каскада. С выхода первого кас-
када сигнал поступает на второй каскад
(DA1.2. R6, R7). Коэффициент усиления
первого каскада должен быть как мож
но выше, но не менее чем в 10...20 раз
меньше максимального Ку микросхемы,
т. к. при Ку, близких к предельному, на-
блюдается искажение сигнала. Требуе-
мый Ку системы зависит от напряжения
питания и номинала R10.
Далее сигнал поступает на выходной
усилитель мощности на транзисторах
VT1, VT2. Диоды VD1, VD2 служат для
создания цепи тока самоиндукции ком-
пенсационной обмотки при резком зак-
рывании транзисторов.
К выходному усилителю подключает-
ся компенсационная обмотка L1.
Конденсаторы С1, С2 (керамические
или другие высокочастотные) служат для
устранения высокочастотных помех по
питанию и самовозбуждения операцион-
ного усилителя.
Катушки изготавливают
следующим образом. В коль-
це К32х20х9 из феррита
М2000НМ делается пропил
шириной 2...3 мм, в который
после намотки вклеивается
датчик Холла. Автор исполь
зовал датчик от импортного
дисковода. Сердечник изоли-
руют фторопластовой лентой
и наматывают компенсаци-
онную обмотку — 1200 вит-
ков проводом ПЭТВ 0,18.
Обмотку изолируют фтороп-
ластовой лентой. Для датчи-
ка напряжения измеритель-
ную обмотку наматывают
проводом ПЭТВ 0,31, число
витков — 120. Для большей
надежности изоляции ком-
пенсационную обмотку мож-
но залить эпоксидной смо-
лой.
Датчик тока на 0,5 А из-
готавливается аналогично,
только измерительная об
мотка имеет 12 витков и на-
матывается более толстым
проводом.
Печатная плата устрой-
ства показана на рис. 5,
Схемотехника No 6 июнь 2003
Рис. 4
+I5V
VD2
m
VT2
Рис. 6
DA1
расстановка элементов — на рис. 6. При
такой компоновке элементов, использо-
вании элементов поверхностного монта-
жа и экранировке платы достигнут наи-
более низкий уровень шумов.
На данный момент изготовлен и про-
тестирован датчик напряжения, прове-
рялся на частотах 0...100 кГц, сигнал
синусоидальный, на осциллографе сдви-
га фаз не видно, неравномерность АЧХ
во всем диапазоне не более 20 %, а на
частотах до 10 кГц — 2 %.
Последовательно с обмоткой датчика
напряжения включают резистор R11 с
таким сопротивлением, чтобы макси-
мальный ток через обмотку составлял
50 мА, при этом выходной сигнал состав-
ляет 5 В.
Денис Романенко,
den4@kemtel.ru
Малошумящий широкополосный
усилитель
и
Учитывая, что — — коэффициент
иш
В технике эксперимента широко используются зарядочувстви-
тельные усилители, основное требование к которым сводится к
минимизации собственных шумов при достаточно широкой поло-
се пропускания. Кроме того, для измерения небольших зарядов
входное сопротивление таких усилителей должно быть достаточ-
но высоким. Предлагаемая схема имеет уровень шумов, приведен-
ных ко входу, не более 1,3 мкВ при полосе пропускания 1 МГц.
Входное сопротивление усилителя — 30 МОм, коэффициент уси-
ления — 1000. Сузив полосу до 3 кГц, усилитель с успехом можно
использовать в приемниках прямого преобразования и других уст-
ройствах, требующих высокой чувствительности.
Отечественная промышленность
выпускает полевые транзисторы
КПЗОЗГ, специально предназна
ченные для использования в зарядочув-
ствительных усилителях. Шумовой заряд
этих транзисторов, приведенный ко вхо-
ду, не превышает 6-10-17 Кл, ток утечки
затвора — 0,1 нА. Характеристики сами
по себе достаточно хороши, однако от-
ношение с/ш на выходе усилителя уда-
лось существенно улучшить, используя
известный в теории, но почему-то редко
применяемый факт, некоторые сведения
о котором следует напомнить читателям
Во-первых, коэффициент шума любо-
го многокаскадного устройства опреде-
ляется выражением [1]:
N = N1 + ^1, (1)
Кр<
где N1, N2 — коэффициенты шума пер-
вого и второго каскадов соответственно;
Кр1 — коэффициент передачи первого
каскада по мощности.
Коэффициентами шума последующих
каскадов можно пренебречь в силу того
что их вклад в общие шумы уменьшает-
ся пропорционально произведению коэф-
фициентов передачи по мощности пре-
дыдущих каскадов. Очевидно, что
необходимо уменьшать, прежде всего,
шумы первого каскада, одновременно
повышая его коэффициент передачи.
Если в усилителе соединить парал-
лельно два одинаковых транзистора, то
ток полезного сигнала на выходе возрас-
тет в два раза и амплитуда напряжения
полезного сигнала (Uc) увеличится вдвое
при неизменном сопротивлении нагрузки.
Для шумов картина другая. Поскольку
они представляют собой случайные не-
коррелированные колебания, то склады
ваться будут только дисперсии шумов,
т. е. квадраты их средних значений [2]:
2 2 2
Uuj.cyM = Uuj.l+Uu.2
Результирующее отношение с/ш на
выходе (коэффициент различимости а)
определяется выражением
? 2UC _ 2U^ _2UC_^
^иш.сум Ж?+и,„2 ^2U'" U'“'
Рис. 1
различимости для одного транзистора,
видим, что в общем случае отношение
с/ш при параллельном включении п оди-
наковых транзисторов увеличивается в
7п раз.
Вышеприведенные соображения и
были положены в основу разрабатывае-
мого усилителя. Его принципиальная схе-
ма приведена на рис. 1. Паспортные шу-
мовые характеристики транзисторов
обеспечиваются при напряжении сток-
исток, равном 10 В, и нулевом напряже-
нии смещения. Для улучшения отношения
с/ш в два раза применено параллельное
включение четырех транзисторов. По-
скольку начальный ток стока транзисто-
ров лежит в пределах 3... 12 мА, для обес-
печения приемлемого коэффициента
усиления, зависящего, как известно, от
сопротивления нагрузки, пришлось выб-
рать повышенное напряжение питания
первых каскадов. Затворы всех транзис-
торов соединены с общим проводом че-
рез высокоомный резистор, в конечном
счете и определяющий входное сопротив-
ление усилителя. С учетом (1) второй кас-
кад также реализован на транзисторе
КПЗОЗГ, работающем в рекомендованном
режиме.
На элементах С7, L1, С8, L2, С11, R8
реализован ФНЧ с частотой среза 1 МГц.
Его теоретическая АЧХ приведена на
рис. 2 (кривая а).
Рис 2
Каскад на двухзатворном полевом
транзисторе VT6 обеспечивает расчет-
ную нагрузку для ФНЧ (2 кОм) и точную
установку требуемого коэффициента
усиления (1000) с помощью подстроеч-
ного резистора R8. Выходной каскад с
небольшим коэффициентом усиления по
напряжению служит для согласования
усилителя с низкоомной нагрузкой (на-
пример, коаксиальный кабель). Два пос-
ледних каскада питаются от стабилиза-
тора напряжения DA1 на 12 В.
Печатная плата усилителя изображе-
на на рис. 3. Изготавливать ее следует
из двухсторонне фольгированного стек-
лотекстолита, оставляя фольгу со сторо
ны деталей в качестве экрана В не-
скольких точках платы этот экран через
выводы деталей необходимо соединить
с общим приводом платы (рамка по пе-
риметру)
Готовый усилитель следует поместить
в экранированный корпус, например,
спаянный из фольгированного стекло-
текстолита, в противном случае невоз-
можно будет избавиться от паразитных
наводок Цепи питания целесообразно
вводить в корпус через проходные кон-
денсаторы 4700...6800 пФ. Для входной
и выходной цепи желательно использо-
вать коаксильные разъемы. Наилучшие
результаты дает вариант питания усили-
теля от аккумуляторов. При питании от
сетевого выпрямителя не удавалось пол-
ностью избавиться от сетевых фоновых
наводок (при высокоомном источнике
сигнала).
Оксидные конденсаторы необходимо
выбирать с большим сопротивлением
утечки (например, импортные), СЗ должен
быть на напряжение не менее 25 В Сб и
С9 — на 16 В, остальные на 6 В Все ос-
тальные конденсаторы могут быть только
керамическими. Транзисторы VT1—VT5
заменять другими не следует, вместо VT6
можно использовать КП306, КП350, КП327
с любым буквенным индексом. Дроссели
L1, L2 применены стандартные типа
ДМ 0,1. Подстроечник R8 — СПЗ-386. Если
не требуется большое входное сопротив-
ление, резистор R1 можно уменьшить до
любого значения. Если у всех экземпля-
ров транзисторов начальный ток стока
окажется максимальным, то общий ток
составит 46 мА, что потребует примене-
ния нагрузочного резистора первого кас-
када мощностью не менее 1 Вт.
Настройку начинают с подбора сопро-
тивления резистора R2. Вход усилителя
временно коротким проводником соеди-
няют с корпусом. Контролируя постоян-
ное напряжение на стоках первой чет-
верки транзисторов, необходимо подбо-
ром R2 установить его равным 10 В. До-
пускается снижение этого напряжения
после прогрева транзисторов до 8 В.
Аналогично с помощью R5 устанавлива-
ют 10 В на стоке транзистора VT5. Да-
лее подстроечным резистором R8 уста-
навливают напряжение +3,5. 4 В на вто-
ром затворе транзистора VT6 (вольтметр
должен иметь высокоомный вход). За
канчивается настройка установкой на-
пряжения 5...6 В на коллекторе транзи-
стора VT7 путем подбора сопротивления
резистора R11. При желании можно
снять АЧХ усилителя. Для этого на вход
от ГСС необходимо подать напряжение
50 мкВ с частотой 200 кГц и регулируя
коэффициент усиления при помощи R6,
получить на выходе 50 мВ. Изменяя ча-
стоту входного сигнала в пределах
50 Гц...2 МГц, снимают АЧХ. У изготов-
ленного образца нормированная харак-
теристика имела вид, изображенный на
рис 2 (кривая б)
Уровень шумов, приведенный ко входу,
определяется следующим образом. Вход
усилителя надежно экранируется (но не
замыкается на общий провод) и измеряет-
ся выходное напряжение шумов с помощью
транзисторного вольтметра; измеренная ве-
личина делится на коэффициент усиления,
установленный ранее. У изготовленного об-
разца напряжение шумов, приведенное ко
входу, составляло 1 19 мкВ.
Усилитель проверялся при подаче на
вход прямоугольных импульсов амплиту-
дой 50 мкВ и длительностью 3 мкс. Вы-
ходной импульс имел правильную фор
му, время установления фронтов не
превышало 0 6 мкс
Коэффициент усиления можно легко
повысить до 20000.. .30000. Для этого со-
противление резисторов R13 и R14 сле-
дует увеличить до 3,6 и 1 кОм соответ
ственно и зашунтировать эмиттерный
резистор оксидным конденсатором емко-
стью 47 мкФ. Место для такого конден
сатора на плате предусмотрено. Нагруз-
ка усилителя в этом случае должна
иметь входное сопротивление не менее
30 кОм и емкость не более 10 пФ, в про-
тивном случае форма АЧХ в области вы-
соких частот может существенно изме-
ниться.
Если усилитель используется в каче-
стве УНЧ приемника прямого преобра-
зования с полосой 3...3,5 кГц, то поло-
совой фильтр следует заменить на более
узкополосный, например, по схеме, при-
веденной на рис. 4. Поскольку среднее
значение шумового напряжения пропор
ционально корню квадратному из поло-
сы следует ожидать уменьшения шумов
до пренебрежимо малой величины.
В заключение полезно отметить, что
соединять параллельно можно и боль-
шее число транзисторов. Необходимо
только помнить, что при этом увеличи-
вается входная емкость усилителя и
уменьшается входное сопротивление
Кроме того, увеличивается ток через
сопротивление нагрузки первого каска-
да и для сохранения на стоках 10 В тре-
буется повышать напряжение питания.
Владимир Днищенко,
m408@rbcmail.ru
Литература:
1. О. В. Головин. Радиоприемные уст-
ройства. — М.: Высшая школа, 1997.
2. Б. Р. Левин. Теоретические основы
статистической радиотехники. — М.:
Советское радио, 1968.
Рис. 3
Контроль излучения СВЧ печи
СВЧ излучение ряда современных бытовых приборов, значи-
тельно превышающее все то, с чем обыватель сталкивался до
сих поо, вызывает понятное опасение. Действительно, если
уровень высокочастотного облучения телезрителя, находящего-
ся в километре от ТВ передатчика мощностью 10 кВт, не пре-
вышает 1 мкВт/см2 (с учетом фигуры излучения антенны пере-
датчика), то допускаемое нашими нормативами СВЧ излучение
бытовых микроволновых печей — 10 мкВт/см2. Каково оно на
самом деле, пользователю, конечно же, неведомо. Особенно,
если печь имеет неясное происхождение или вернулась к вла-
дельцу после ремонта “на коленке".
Для измерения СВЧ полей нужна
специальная техника. Но постро-
ить индикаторный прибор, с помо-
щью которого можно “увидеть” излуче-
ние СВЧ печи, заметить его изменение
в пространстве и во времени, сравнить
по этому показателю печи разных фирм,
оценить качество произведенного ремон-
та и т. п., не так уж сложно.
К тому же измерительную “идеологию”
подрывают и сами нормативы. Почему в
СВЧ печах можно 10 мкВт/см2, а в сото-
вых телефонах — 100 мкВт/см2? Почему
при допустимых 100 мкВт/см2 мозг разго-
варивающего по мобильному телефону
оказывается в поле 3000...5000 мкВт/см2?
Принципиальная схема СВЧ индикато-
ра приведена на рис. 1. Его принимаю-
щая часть — полуволновый вибратор, к
которому подключен диодный детектор
VD1C1R1. На выходе детектора форми-
руется напряжение UC1, связанное с
мощностью облучения вибратора.
Усиление UC1 выполнено на операци-
онном усилителе DA1, который работа-
ет в режиме усилителя переменного
тока (излучение микроволновой печи не
постоянно, а имеет вид “вспышек”, сле-
дующих с частотой 50 Гц). Его коэффи-
циент усиления
KDA1 = R5/R3 = 3 106/27103s 100.
Операционный усилитель выводится в
линейный режим делителем R2R6. Этому
режиму соответствует напряжение на вы-
ходе усилителя U6 DA1 = +1.8 В. Если UR8 <
и6 DA1 (UR8 — напряжение на движке под-
строечного резистора), то почти таким же
оно будет и на С5 — конденсаторе филь-
тра выходного амлитудного детектора.
На рис. 2 показана печатная плата
прибора. Ее изготавливают из двусто-
ронне фольгированного стеклотекстоли-
та толщиной 1,5 мм. Из фольги на мон-
тажной стороне платы (рис. 2, а) помимо
нужных соединений формируется и по-
луволновый вибратор, длину которого
июнь
вычисляют по формуле:
Рис. 2
б)
LV2 (см) = 15000V/fCB4 (МГц),
где fCB4 = 2450 МГц — частота излуче-
ния СВЧ печи (международный стан-
дарт), а V = 0,95...0,73 — коэффициент
укорочения, уменьшающийся с увеличе-
нием ширины (огибающей поперечного
сечения) вибратора. Приняв V = 0,9, име-
ем: LV2= 0,9-15000/2450 = 5,5 см (отсю-
да длина платы).
Фольга под деталями (на рис. 2, б обо-
значен только ее край со стороны виб-
ратора) используется лишь в качестве
общего провода и экрана, соединения с
ней показаны зачерненными квадратами
(квадратом со светлой точкой в центре
показана проволочная перемычка, со-
единяющая с “землей” минусовой вывод
конденсатора С4 и “заземление”
резистора R8), в местах пропус-
ка проводников в ней должны
быть вытравлены кружки диа-
метром 1,5...2 мм.
Все постоянные резисторы в
приборе — типа МЛТ-0,125, под-
строечный R8 — СПЗ-38а. Кон-
денсаторы: С1 — КЛС, С2 —
КМ-6, СЗ и С5 — К53-30, С4 —
К50-35. Диод VD2 — КД510А.
Микроамперметр РА1 — любой
с током полного отклонения
стрелки 100 мкА, например, индикатор-
ный М476 или оцифрованный М4248.
Заметим, что диод типа КД514А в
СВЧ детекторе — вряд ли лучшее ре-
шение. Даже при относительно неболь-
шой собственной емкости Со = 0,9 пФ
(при иОБР = 0) его емкостное сопротив-
ление
^со = 1/(2^свчС0) =
= 1/(2л 2450 106 0,9 КН2) = 70 Ом
будет заметно шунтировать активное
сопротивление диода, о величине кото-
рого на этой частоте вообще можно
лишь строить предположения.
В экспериментах с диодами другого
типа, например, из числа приведенных в
табл. 1 (СВЧ диоды практически недо-
ступны), все это необходимо иметь в
виду. Неудачное согласование диода с на-
грузкой (R1 подбирают), не лучшая точ-
ка подключения его к вибратору могут
быть причиной низкой эффективности де-
тектора Правда, пониженное UC1 (не до
нуля, разумеется) можно компенсировать
увеличением усиления DA1. Лучше зто
делать увеличением сопротивления рези-
стора R5. При уменьшении номинала R3
потребуется увеличить емкость конденса-
Таблица 1
Диод Со, пФ UoEPMAX, В
2Д926А 0,35 25
АД516Б 0,35 10
АД516А 0,5 10
3A539 0,6 30
КД413(А, Б) 0,7 24
КД514А 0,9 10
тора СЗ так, чтобы постоянная R3C3 ос-
тавалась бы в пределах 0,1...0,2 с.
Конструктивно прибор лучше выпол-
нить в виде двух блоков: СВЧ головки,
положение которой может быть любым,
и блока микроамперметра с источником
питания. Их связывают тонким 4-жиль-
ным кабелем произвольной длины. От-
верстие М2 в плате служит для крепле-
ния этого кабеля; три отверстия
02,1 мм — для крепления самой платы
в корпусе СВЧ головки.
Поскольку потребляемый прибором
ток не превышает 0,3 мА, в качестве
источника питания можно взять практи-
чески любую батарею на 6 В, например,
типа 476 (013x25 мм, емкость 100 мА ч).
Включим прибор и резистором R8 уста-
новим микроамперметр почти в нулевое
положение (диод VD2 должен быть чуть
приоткрыт). Поставим в печь стакан воды,
включим ее (напомним, включать печь пу-
стой нельзя!) и обследуем СВЧ головкой.
Если экранировка печи не имеет дефектов,
то в некоторых точках ближней зоны —
0...30 см от корпуса — стрелка прибора
может заметно отклониться, в том числе и
до максимума (обычно максимум наблю-
дается со стороны стеклянной дверцы СВЧ
печи). Но если головка будет удалена от
исправной печи на 40...50 см и более, то
микроамперметр должен вернуться в ис-
ходное положение и оставаться в нем при
любом положении СВЧ головки.
Юрий Виноградов,
editor@dian.ru
Часы с «говорящим» будильником
3 настоящее время существует множество вариантов часов-бу-
дильников, отличающихся по выполняемым функциям и конструк-
тивным особенностям, однако все имеющи ся часы можно разде-
кость звука, а при уменьшении напря-
жения на 1 В микросхема перестает кор-
ректно функционировать, в то время как
остальные элементы схемы остаются
работоспособными при напряжениях до
2 В.
лить по конструктивному исполнению, числу возможных установок
будильника и варианту звуковому оформлению звонка будильника.
Автор предлагает еще один весьма оригинальный вариант.
Основным недостатком всех выпус-
каемых в настоящее время конст-
рукций является способ ввода ин-
формации с помощью нескольких кнопок.
В лучшем случае интерфейс с пользова-
телем позволяет изменять каждый разряд
по отдельности, но чаще всего — только
часы или минуты. В результате для набо-
ра, скажем, 45 мин, если раньше стояло
50 мин, приходится проходить все 55 зна-
чений по кругу. Редкие исключения встре-
чаются, если часы-будильник совмещен с
каким-либо другим устройством, напри-
мер, телефоном. В таком случае пользо-
ватель имеет возможность вводить время
или значение будильника поразрядно, что
гораздо удобнее.
Учитывая, что одним и тем же будиль-
• в качестве дополнительной возможно-
сти имеется голосовая «записная
книжка» на одно сообщение, что по-
зволяет оставить голосовое сообще-
ние другим членам семьи вместо того,
чтобы писать его на бумаге;
• питание осуществляется от сети, но
имеется резервный источник питания
на случай пропадания сетевого напря-
жения.
Принципиальная схема будильника
приведена на рис. 1. Все основные фун-
кции реализованы на микроконтроллере
PIC16F84A, в его же энергонезависимой
памяти данных хранятся настройки бу-
дильников. В качестве индикатора ис-
пользуется ЖКИ модуль фирмы «Мэлт»
МТ10Т7-7, имеющий 10 семисегментных
Точность хода часов обеспечивает так-
тирование микроконтроллера часовым
кварцевым резонатором с частотой
32768 Гц. Если точность хода неудовлет-
ворительна, можно в небольших преде-
лах корректировать частоту конденсато-
рами С1 и С2, однако на практике из
десятка собранных конструкций ни в од-
ной не потребовалось изменять эти кон-
денсаторы. Уход часов составляет самое
большее одну минуту в месяц.
Порты ввода/вывода микроконтролле-
ра распределены таким образом:
PORTA — входы опроса клавиатуры,
выход запуска записи и выход светоди-
ода индикации наличия сообщения VD1;
PORTB[0] — вход светодиода записи
микросхемы ISD1420, позволяет опреде-
лять окончание воспроизведения, в дан-
ной программе не используется:
PORTB[1] — выход запуска воспроиз-
ведения по фронту;
PORTB[2, 3] — выходы управления ЖК
ником пользуется несколько человек в
разное время, общепринятым стало на-
личие нескольких времен срабатывания
и нескольких звуковых сигналов. Кроме
того, учитывая выходные дни, добавляют
возможность ставить будильник только на
выборочные дни недели. Иногда бывает
удобным будильник, срабатывающий
только один раз и отключающийся.
В качестве сигнала могут быть звуки
либо нескольких тональностей, либо му-
зыкальная мелодия.
Поставив задачу разработать удобный
в использовании будильник после перебо-
ра всех вариантов автор разработал кон-
струкцию со следующими возможностями:
• ввод данных и выбор режимов осуще-
ствляется с помощью клавиатуры из
12-ти кнопок, например, от телефон-
ного аппарата. Это позволяет нажати-
ем одной кнопки выбирать требуемую
функцию, а также быстро и удобно
вводить данные;
• часы показывают время и текущий
день недели;
• реализована возможность задания
десяти независимых будильников,
каждый из которых может быть акти-
вен в любой день недели. Будильник
может быть разовым, при этом после
срабатывания в очередной день неде-
ли этот день недели становится для
него неактивным;
• в качестве звуковой сигнализации ис-
пользуются чередующиеся предвари-
тельно записанное голосовое сообще-
ние и любой звук, например тональный
сигнал. Звук применяется как более
«будящий», чем голосовое сообщение,
а сообщение — для пояснения, по ка-
кому поводу сработал будильник;
• реализован таймер с обратным отсче-
том, время которого задается в мину-
тах, часах-минутах или часах-минутах-
секундах. Такая последовательность
выбрана из-за того, что задавать ин-
тервал в секундах приходится реже
всего;
знакомест с точками. Это позволяет вы-
водить на индикацию не только текущее
время, но и день недели. Для записи и
воспроизведения звука применена спе-
циализированная микросхема ISD1420.
В качестве клавиатуры применена мат-
рица клавиш 3x4, которая может быть
собрана из отдельных кнопок или ис-
пользована готовая от любого телефо-
на. Питание устройства осуществляет-
ся от сетевого источника напряжением
9 В или батареи «Крона» через стаби-
лизатор 78L05. Такой способ стабили-
зации выбран из-за микросхемы
ISD1420, так как при понижении пита-
ния на 0,5 В заметно снижается гром-
модулем;
PORTB[4—7] — выходы шины данных,
подключенной к ЖК модулю, адресным
входам микросхемы ISD1420 и диодам
строк клавиатуры.
Подобное распределение выбрано не
столько из-за удобства программирова-
ния, сколько связано с разводкой печат-
ной платы.
Протокол работы с ЖК модулем можно
найти на сайте производителя melt.aha.ru.
При предложенном подключении исполь-
зуется вход разрешения записи по единич-
ному уровню. Из-за выбранного способа
программное обеспечение при изменении
состояния шины данных должно сохранять
+5 В
R1
510
_____4
КО___17
К1___18^
К2____
REC 2
ZQ1
32768 Гц
С1 -L.
27” "
3
15
16
14
। 5
MCLR
RAO
RA1
RA2
RA3
RA4
CIN
COUT
vcc
RBO
RB1
RB2
RB3
RB4
RB5
RB6
RB7
КО К1 К2
—I—С2
" " 27
REC
VD6
XS1 1N4007
R11 10k
+5 В
R5 1 к
R2
100 k
O-/Cycle/
enter
XS3 1N4007
I +9B | I |----M—
XS4
| GND | 1 |—I
Рис. 1
C4
470 mk
C3
470 mk
4
+5 В
RCLD 25
D3____10
______23
PLE 24
REC 27
A
£
9
A0
DO
D1
D2
Д-
Aout
R101 к
Mref
MIC
AGC
Vd
Va
Gd
Ga
SP+
SP
Am
A0
A1
A2
A3
A4
A5
A6
A7
PLL
PLE
REC
RcLd
28
16
12 11
0,47 mk
20
R7 5,1 к
21 II
C80.1 mk
18
17
19 *11
VD8
1J—C5
C6 "T" 100 mk
XS2
1 D+
2
D~
C7
0,1 mk
C9
0,1 mk
C104,7mk C1l"
--Г“П|—220 mk
R9470k
R6
10k
XS5
M +
R8
10k
2 M
.хемотехника о июнь zuuj
младшие биты регистра неизменными,
иначе будут сбои в работе с индикатором
и возможны самостоятельные запуски
воспроизведения сообщений.
Опрос клавиатуры происходит в отдель
но описанной процедуре, в момент опро-
са на шине данных генерируется «бегущая
единица» и считываются значения с пор-
та PORTA. Так как частота генератора
мала, нет необходимости выдерживать
паузу между выдачей нового состояния и
считыванием состояния порта.
Микросхема ISD1420 позволяет запи
сывать и воспроизводить сообщения с
любого из 160 блоков длительностью по
125 мс каждый. Для задания блока ис-
пользуются адресные входы АО—А7.
Если на входы подается число более 159,
т. е. А7 = Аб = 1, микросхема переходит
в специальный режим, позволяющий
выполнять расширенные операции, по-
этому необходимо формировать адреса
меньшие 159. Так как требуется форми-
ровать всего несколько адресов, а чис-
ло выводов микроконтроллера ограниче-
но, младшие три адресных входа
подключены к общему приводу, т. е. все-
гда равны нулю, а старшие пять — к
шине данных и выводу выбора адреса
ЖК индикатора PORTB[2] Разбиение
памяти микросхемы на блоки применя-
емое в программе, приведено в табл 1
Разбиение выбрано именно таким,
поскольку оставляет достаточно места и
для голосового сообщения и позволяет
записать в каждое сообщение будильни-
ка приблизительно 4-5 слов. Разбиение
можно легко изменить, корректируя одну
процедуру в программе ответственную
за выдачу адреса сообщений.
Так как в качестве тонового сигнала
воспроизводятся последние 0,875 с па-
мяти микросхемы, предварительно необ-
ходимо записать туда какой-либо сигнал.
Для этого плату собирают без контрол-
лера, на адресные входы микросхемы
перемычками подают соответствующий
адрес (10011000b), включают питание и
замыкают на общий провод вывод REC
микросхемы ISD1420. При этом с микро-
фона записывается требуемый сигнал,
запись прерывается автоматически при
достижении границы памяти.
В рабочем режиме микроконтроллер
управляет микросхемой следующим об-
разом.
После выставления адреса на шину
данных для воспроизведения на вывод
PORTB[2], т. е. линию PLE, подается ко-
роткий нулевой импульс отрицательной
полярности, а для записи — уровень
лог. 0 на линию REC. Время записи кон
тролируется по внутренним часам для
предотвращения искажения следующе-
го сообщения, но возможна остановка и
по нажатию клавиши. Воспроизведение
повторяется через определенное время,
Таблица 1. Разбиение памяти
микросхемы ISD1420.
№ Назначение Адрес Длит., с
1 «Записная книжка» ооооооооь 10,875
2 Первый будильник 01011000b 1,875
3 Второй будильник 01101000b 1,875
4 Третий будильник 01111000b 1,875
5 Четвертый будильник 10001000b 1,875
6 Звук будильника 10011000b 0,875
адреса начала воспроизведения череду-
ются — выбранное сообщение, затем
основной звук будильника, опять выб-
ранное сообщение и т. д. до тех пор,
пока не будет нажата клавиша «ESC»
или «Enter»
Для воспроизведения звука по доку-
ментации на микросхему ISD1420 требу-
ется применять динамическую головку
сопротивлением 16 Ом, однако из-за
отсутствия таких в продаже использова-
лись любые восьмиомные одноваттные.
Применялся электретный микрофон ис-
пользовались как микрофоны нашего
производства так и различные зарубеж-
ные. Располагать микрофон желательно
не на той же плате, что и кнопки, а еще
лучше — обернуть микрофон поролоном
или резиной, не допуская его механичес-
кого соприкосновения с деталями корпу-
са. В противном случае в конце сообще-
ния. прерванного нажатием кнопки,
будет заметен щелчок.
Для индикации наличия сообщения
применен голубой светодиод, так как он
имеет наибольшую яркость и привлека-
ет внимание. Это заставляет применять
резистор R1 меньшего номинала, чем
резистор R10 красного светодиода ин-
дикации записи
Прошивка микроконтроллера в фор-
мате Intel НЕХ приведена в табл 2 и на
сайте журнала по адресу http.7/
www.dian.ru/programs/index.html в архиве
2003_06_Bryak.
Листинги программ, схемы, вариант
печатной платы и инструкцию по эксп-
луатации можно найти на сайте
electronics.crowd.ru.
Далее приведено краткое описание
режимов работы и возможностей, реа-
лизованных в данной версии программы
будильника.
Основной режим. Основной режим
работы часов — отображение текущего
времени В этом режиме на индикаторе
отображается текущее время и день не
дели. Режим характерен миганием чер-
точек между разрядами часов В этом
режиме часы могут выполнять следую-
щие функции.
Кнопка «1» запускает запись основно-
го голосового сообщения. Нажатие на
эту кнопку приводит к запуску записи
голосового сообщения и включению ин-
дикатора «СООБ», индицирующего его
наличие Если сообщение уже было за-
писано и не было прослушано, т. е. го-
рит индикатор «СООБ», вместо записи
включается прослушивание сообщения.
Кнопка «2» позволяет восстановить
или сбросить состояние индикатора
«СООБ» по желанию пользователя На-
пример, это может потребоваться для
повторной пометки важного сообщения
после его прослушивания.
Кнопка «3» запускает прослушивание
сообщения и сбрасывает индикатор
«СООБ».
Кнопка «6» переводит часы в ре-
жим ввода времени таймера см «Ре-
жим таймера».
Кнопка «8» переводит часы в ре
жим настроек, см. пункт «Режим на-
строек».
Кнопка «9» переводит часы в ре-
жим просмотра и редактирования бу-
дильников, см. пункт «Режим будильни-
ков».
Активный будильник. В этот режим
часы переходят в момент срабатывания
одного из будильников. На индикацию при
этом выводится время срабатывания и
номер будильника. Одновременно пооче-
редно включается основной и выбранный
звуки будильника. Для отключения будиль-
ника необходимо нажать одну из кнопок
«Отмена» или «Ввод». Будильник возвра-
щается в предыдущий режим работы.
Режим настроек. Режим настроек
позволяет прослушать и установить со-
общения голосовых будильников и теку
щее время. На индикаторе при входе в
режим выводится слово «SEttinG».
Для прослушивания и подготовки к
установке голосового будильника необ-
ходимо нажать на кнопку с его номером,
т е. на одну из кнопок «1»—«4». Теку-
щее сообщение будильника будет вос-
произведено, а на индикатор будет вы-
ведено сообщение «SEL.» и номер
будильника. После этого нажатием на
кнопку «Ввод» можно запустить запись
сообщения. О записи сообщения гово-
рит горящий индикатор «REC».
Нажатие на кнопку «7» вызывает про-
цедуру установки текущего времени.
В режиме установки екущего време-
ни нажатие на цифровые кнопки вызы-
вает установку текущего разряда часов,
указанного курсором «_». Вводить вре-
мя следует в порядке часы—минуты—
день недели. Если необходимо ввести
значение часов или минут, меньшее де-
сяти, требуется вводить полностью две
цифры, т. е. правильно будет 09 часов
00 минут При ошибочном вводе нажа-
тие на клавишу «Отмена» удаляет пре-
дыдущую введенную цифру. Нажатие на
клавишу «Отмена» при крайнем левом
положении курсора приводит к отказу от
установки времени. После ввода време
ни и дня недели для подтверждения сле-
дует нажать на клавишу «Ввод», часы
сразу перейдут в основной режим рабо-
ты. Счетчик секунд сбрасывается при на-
жатии кнопки «Ввод», что позволяет ус-
танавливать часы по сигналам точного
времени.
Режим будильников. Режим позволя
ет просмотреть текущие установки бу-
дильников и отредактировать их. После
входа в режим на индикатор выводится
сообщение «SEL.AL.». Нажатие на кноп-
ки от нуля до девяти вызывает на инди-
катор информацию о соответствующем
будильнике и выбирает его для редак-
тирования. Информация о будильнике
выводится в следующем виде
□ EZDD [JUUu
□ ................II
Время № Дни
недели
Время будильника, номер сообщения
от 0 до 5 программа на неделю, начи-
ная с понедельника. Каждая полная чер-
та отмечает выбранный день недели,
каждая неполная — пропускаемый. Чер-
та внизу обозначает циклический бу-
дильник, отсутствие ее — разовый, сбра-
сывающий текущий день после срабаты-
вания будильника.
В приведенном примере первая строч-
ка соответствует будильнику, срабатыва-
ющему в 9 часов утра с понедельника
по пятницу каждую неделю, в качестве
сообщения выбирается первый сигнал.
Вторая строчка соответствует будильни-
ку, срабатывающему в шесть утра в суб-
боту и воскресенье, причем после сра-
батывания текущий день недели
убирается, т. е. после срабатывания бу-
дильника в субботу и воскресенье бу-
дильник будет отключен. В качестве со-
общения будет воспроизводится третий
сигнал.
Выбрав будильник, его можно отредак-
тировать нажатием на кнопку «Ввод».
При этом происходит переход в режим
ввода времени будильника. Этот режим
похож на режим ввода текущего време-
ни, однако вместо дня недели вводится
номер сообщения от 0 до 5, номера от 1
до 4 соответствуют определяемым бу-
дильникам, пятерка соответствует преду-
становленному будильнику, а ноль — ос-
новному сообщению. Кроме того, если
сразу после входа в режим нажать
«Ввод», данные будильника будут полно-
стью сброшены, а будильник отключен.
После ввода времени будильника и но-
мера сообщения и подтверждения ввода
данных нажатием кнопки «Ввод» выбира-
ется режим выбора дней недели текуще-
го будильника. В этом режиме на индика-
тор выдается текущее состояние дней
недели будильника. Полная черта означа-
ет выбранный день, маленькая черта —
пропускаемый. Наличие внизу черты го-
ворит о включенном циклическом будиль-
нике, отсутствие — о разовом будильни-
ке. Нажатие на кнопки от 1 до 7 позволяет
Таблица 2. Прошивка ППЗУ микроконтроллера
:020000040000FA
:08000000FF3085008600A228F4
:08000800А0000308А1000В1188
:100010002E14AA030319A801AD0A2D1D3C28AD0119
:10002000AE146400B30AB31D3C28B31C3C28063050
: 10003000B307331F3C28B31E3C28B3012E15B40A66
:10004000B41D3C28B41C3C280630B407341F3C289F
:10005000B41E3C28B401B50AB51E3728351D3C280E
:10006000B501B60A360907390319B6013C28B51D92
:100070003C280630B518B50721088300A00E200ED5
: 02008000090075
:04008600003400340Е
:06008А0089008316081432
;1000900083120808080088002208890083168В1341
:1000А000081555308900АА30890088148В17640020
:1000B000881857288810831208008030A300FF306A
:1000С000А20064000F30860523088604A20A0508F2
:1000D0000739031D74280310A30CA31D6128A70B67
:1000E0007228A61703150800A3000530A7002208F0
:1000F0002207A2072308231903300339A2070B3074
:1001000022020319А2012208А602А6000800А200ЕА
:100110000F308605220EF03903199228403E06154D
:100120008604080006110800BB01BC01BD01BF0127
:10013000С001С201С301ЕВ231030ВЕ230030В22343
:10014000А81408006400831601308600Е73085009В
:10015000C23081008312A0308B000F30B223FF30F9
:10016000ВЕ23ЕВ23А801АЕ01АВ01А901В301В40189
:10017000B501B60164002E1C8C292E10A81ED328B0
:100180002908031DD22805302E1F2C088720861031
:1001900086142E1FCE282E130530D0282E17093096
: 1001A000A900D328A9032B08031DAB0BD92885155B
:1001B000281328087F39031DE9280230B2231030A4
:1001C0002D180301ВЕ230530В22310302D18030172
:1001D000BE23AE1C8C29AE106400A81F1529A818D8
:1001E0001529AA17B703B71D1529371D1529F93089
:1001F000B705B71F15295F30B705B803B81D152916
:L0020000381D1529F930B805B81F15295F30B80514
:10021000B903B91D1529391D1529F930B905B91FBB
:100220001529A813A8162E13AC01A81F1C29A8185D
: 100230001С29393 0840021292808031D4229353022
:1002400084000301B223000E0F3903192929D12399
:100250002B290301BE2300080F39D1231030BE2300
:1002600084030008Е4231030ВЕ2384030008Е42341
:100270000301ВЕ23А81В4029360A0739D12342298E
:100280007830BE232E1D8C292E110130A500361981
:10029000A50E0310B61C4E29A50DA50D3618A50DEB
: 1002A000A2010A30A3006400220845203402031D85
:1002B0008829220A45203502031D88290230220799
:1002C0004520B100250503198829B11B6D29250892
:1002D000B1060230A20731084B2003302207452027
:1002E000AC008720A8162E17A901F030AA00003014
:1002F000B2233508E4231030BE233408E42303017D
:10030000ВЕ230301ВЕ232308Е4230301ВЕ238С295В
:100310000430A207A30B53295D200319BA286400F7
:10032000A20028302819F030AA00281B9B2BA81AFD
: 10033000192AA818F72A281A742AA819242A28186A
:10034000В42АА81В0Е2А013022020319С029023048
:1003500022020319D429033022020319DC290630B2
:1003600022020319F129083022020319F929093060
:1003700022020319E3290A30220203199D2BBA280D
:10038000AE1BDC29EB23A830BE23F830BE23E830B7
:10039000ВЕ230301ВЕ232830АВ0003018720851153
:1003A000AE1705122817BA28AE1FD929AE130516A5
:1003В000ВА28АЕ170512ВА28АЕ1305160301872016
:1003C00086108614BA28A815AC17EB23DC30BE23A0
:1003D000F830BE236930BE23BE30BE236930BE2351
:1003Е000ВА28А8170730ВА0094209030ВЕ00С10088
1003F000BA28AC172814EB230301BE23DC30BE233C
10040000F830BE237830BE237830BE230630BE23BA
100410003430BE23EC30BE23DC30BA280C3022024C
100420000319172А0А3022020319172АВА28А81317
10043000BA280C3022020319222A0A302202031998
10044000222ABA28A812BA280A30220203199D2BA0
100450000C30220203196A2A2208AC00A20D220DD8
100460003C39A2004520AF00220AA20A4520B00074
10047000220AA20A4520B100220AA20A4520B2009F
10048000EB23300ED1233008DA232F08E4230301B5
10049000BE233208DA23043031180630B11B40384D
1004А000ВЕ232430В118083831190238В11В403846
1004В000ВЕ232430В1190838311А0238В11В403834
1004С000ВЕ232430В11А0838311В0238В11В403822
1004D000BE23BA28AC1BBA2894200630BA0090304C
1004E000BE008030C100BA280A30220203199D2BB9
1004F0000C3022020319А02А093022020319982А7В
100500000830220203199A2A0030220203199D2A78
10051000А203013022191030А500А21С922А031058
10052000A50DA50D03102218A50D2508B106872BD2
10053000B101872BFF30B100872B8030B106872BAC
100540002C0D1E39A200A2072F084B20A20A30084A
100550004В20А20А31084В20А20А32084В20А801Е6
10056000A8152C08A2002C2A2203FC39031DC92A35
100570002208AC00872086108614EB23DC30BE23D3
10058000F830BE236930BE230301BE232C08D123DB
10059000ВА280С3022020319D62A07302202031986
1005A000EA2A0A30220203199D2BBA28AC1BBA286A
1005B000EB23A830BE23F830BE23E830BE2303016E
1005C000BE232C08D1232C0887200730AB008511CF
1005D0002817BA2828150930BA0094209030BE0098
1005E000C100F430C200C3008030C400BA280A3011
1005F000220203191A2B0C30220203192D2B3B085F
100600003C3E840022088000D123840ABB0A3A0AB7
100610003B020318162B801F112B00087F39BE23C5
10062000052В4030ВЕ233В08В223ВА28ВВ033В084Е
10063000B223BA283B0803199D2BBB030301BE2339
100640003B08B2233B083C3E8400801B1D2B4030FE
10065000BE233B08B2233B08BA282819552BA819FA
100660006В2ВА81В342ВВА2803303В0203194Е2ВЕВ
1006700006303B0203194B2B3A083B02031DBA28F4
100680003C0E3D04B9003F0E4004B800420E430446
10069000B700A810BA28C201C301402B3C0E3D048C
1006A000B800B901B701A810BA283A083B02031DE7
1006В000ВА2803303С020318BA2806303F02031858
1006C000BA283C0E3D04B5003F0E4004B400B3010F
1006D0004503B6009D2B3B080319962B3A02031DD8
1006E000BA2803303C020318BA2806303F02031828
1006F000BA28063042020318BA283C0E3D04B00066
100700003F0E4004AF004208B200A8102816EB23A9
100710000730А3003108А500043025180630В11ВАЕ
100720004038BE23A50CA30B8C2BBA28AF01B00117
10073000B101B201A02A28139F2BA801AE14851580
02074000BA28D5
0E0742008200EE340634F234D6341E34DC3439
10075000FC348634FE34DE34BE347C34E834763403
10076000F834B83464000F39A200A20E06080F391D
100770002204860006118615861108006400А20076
100780000F3086052208F039860406158615861175
100790000F308605220EF03986040615861586115F
1007A00008000F39A23EA20003308A002208A123CC
1007B000BE2308000F39A23EA20003308A0022089F
1007C000A1230138BE230800A300230E0F39D12333
1007D00023080F39D12B0A30A3000301B2230301F0
0C07E000BE23A30BEF2B0301B223080083
02400E00F43F7D
00000001FF
изменить состояние соответствующего
дня недели. Нажатие кнопки «8» позволя-
ет установить все дни недели и цикличес-
кий режим, а нажатие кнопки «9» позво-
ляет сбросить все дни недели и установить
разовый режим Кнопка «О» позволяет
переключаться между разовым и цикли-
ческим режимами Нажатие кнопки «От-
мена» отменяет редактирование и пере-
водит часы в основной режим, а нажатие
кнопки «Ввод» устанавливает данные бу-
дильника и возвращает часы в режим про-
смотра будильников.
Режим таймера. Сразу после входа в
этот режим часы переходят в состояние
ввода значения задержки. Для ввода
значения необходимо ввести время в
одном из разрешенных форматов:
Два разряда часов, два разряда ми-
нут. два разряда секунд — полное вре-
мя, с точностью до секунды. Позволяет
задавать интервалы менее минуты, для
чего необходимо ввести часы и минуты
как «00». Если необходимо ввести зна-
чение часов или минут менее 10, требу-
ется вводить число с нулем в старшем
разряде.
Два разряда часов и два разряда ми-
нут — если значение секундных разря-
дов не задано, то считается, что они рав-
ны нулям.
Два разряда минут — так как наибо-
лее применяемыми являются задержки
в диапазоне от одной минуты до одного
часа, можно ввести только две цифры,
тогда введенное значение будет считать-
ся значением задержки в минутах. Вво-
дить значения более 60 минут не реко-
мендуется, так как значение в процессе
отсчета будет округлено. Если требует-
ся ввести значение, меньшее 10, необ-
ходимо ввести ноль в старшем разряде,
например, 05 — пятиминутный таймер.
После ввода значения задержки в од-
ном из этих форматов и нажатия клави-
ши «Ввод» часы переходят в режим тай-
мера с обратным отсчетом. Сбросить
таймер можно нажатием кнопок «Отме-
на» или «Ввод».
Алексей Брякин,
alb@crowd.ru
Устройства с индикацией
точечными светодиодами
Предлагаю несколько интересных вариантов устройств без при-
вычной цифровой индикации Эти устройства можно рассматри-
вать как частные случаи автомата суточного включения нагрузки,
описанного в предыдущем номере журнала. Идея создания часов
с индикацией точечными светодиодами принадлежит читателям,
работающим в ночную смену (сторожа, путейщики). Если учесть,
что часы после кошельков занимают второе место при ночных
грабежах (а кому нужен брелок с ключами?), то становится по-
нятным интерес к подобного рода устройствам.
Схемотехнике № 6 июнь 2003
Часы
Если внимательно посмотреть на ал-
горитм работы программы автомата
суточного включения нагрузки, можно
заметить, что имеется установка часов
и времени включения нагрузки. Если
добавить в программу установку минут
вместо установки времени выключения
и, соответственно, индикацию установ-
ки минут, то получим часы с индика-
цией точечными светодиодами. А если
время включения нагрузки использо-
вать для включения зуммера, то полу-
чатся часы с будильником. Для этого
необходимо только добавить програм-
му установки и индикации минут бу-
дильника. Все четыре алгоритма рабо-
ты программы установки и индикации
одинаковы и отличаются лишь време-
нем мигания светодиодов и загрузкой
своих значений (часы, минуты) в реги-
стры индикации.
Алгоритм работы программы часов
идентичен алгоритму работы программы
автомата суточного включения нагрузки,
только в опрос состояния кнопок добав-
ляется опрос еще одной кнопки — кноп
ки индикации часов. Если нажать на эту
кнопку, то светодиоды будут поперемен-
но индицировать значение часов и ми-
нут до тех пор, пока кнопка нажата.
Схема часов показана на рис. 1. Кноп-
ки SA1, SA2 предназначены для установ
ки времени в десятках или единицах ча-
сов и минут. Красный светодиод HL2
индицирует установленное значение в
десятках, а желтый светодиод HL1 — в
единицах. Кнопка SA3 используется для
попеременной индикации часов и минут.
К прямому выходу RA0 можно подключить
импортный излучатель НСМ1206х с встро-
енным генератором. К выходу RA2 можно
подключить излучатель без встроенного
генератора, например отечественный пье-
зоизлучатель ЗП1. При срабатывании бу-
дильника на этот вывод подаются импуль-
сы с частотой около 1 кГц с прерыванием
через четверть секунды.
Длительности свечения светодиодов
при различных установках (режимах)
следующие:
желтый и красный светодиоды мига-
ют длинными импульсами — индикация
часов;
желтый и красный светодиоды мига-
ют короткими импульсами — индикация
минут;
желтый короткий, красный длинный —
индикация минут будильника;
желтый длинный, красный короткий —
индикация часов будильника.
Короткая вспышка длится четверть се-
кунды, а длинная — половину секунды.
4
RB0
RA0
RB1
RA1
RB2
RA2
'Ucc
cGND
16
0SC1
ЗП1 14
+4,5 В 5
Выход <
в----18
Выход <—
BQ1 1
7
8 R1 2,7 к
g R22.7K
10
RB4
3SC2
15 SA3"Время"
SA2 желтый
SA1 красный
6
♦♦ ни _
хг\желтыи
.К) —
VHL2
C1-L-
30
РИС. 1
—о—
ZQ1 32768 Гц
J-C2
“Гзо
Перерывы между вспышками светодио-
да одного цвета равны длительности
вспышек. Цикл индикации заканчивает-
ся паузой (светодиоды выключены) с дли-
тельностью, равной двум секундам.
Для лучшего запоминания длитель-
ность горения светодиодов легко отожде-
ствить с режимом установки если смот-
реть на желтый светодиод. Если вспышки
короткие, значит идет индикация минут
(минуты короче часов). Если вспышки
желтого светодиода длинные, значит идет
индикация часов. При различных вспыш-
ках желтого и красного диодов — инди-
кация установки будильника.
После подачи напряжения питания не-
обходимо установить часы и будильник.
Оба светодиода загорятся на две секун-
ды, и часы перейдут в режим установки
часов. Для смены режима установки и
индикации необходимо одновременно
нажать красную и желтую кнопки на вре-
мя не менее одной секунды, при этом
оба светодиода включатся После сме-
ны режима достоверная информация
будет считываться не ранее чем через
один цикл индикации. Желательно нажи-
мать две кнопки во время двухсекунд-
ных пауз. Порядок смены режимов ус-
тановки следующий: установка часов —
установка минут — установка часов бу-
дильника — установка минут будильни-
ка — установка часов...
Выключение установки произойдет ав-
томатически через пять минут после пос-
леднего нажатия двух кнопок. Каждое
нажатие красной или желтой кнопки на
время не менее одной секунды прибав-
ляет единицу в выбранный регистр и уве-
личивает число вспышек светодиода на
единицу. Некорректная установка исправ-
ляется При нажатии красной или желтой
кнопки загорается соответствующий све
тодиод. Кнопки установки желательно на-
жимать во время двухсекундных пауз в
начале и в конце каждого цикла. Нулевое
значение будильника не отслеживается,
поэтому если вам временно не нужен
будильник, то его значения необходимо
установить равными нулю (светодиоды
установки часов и минут не горят). Соот-
ветственно, если вам необходимо звуча-
ние будильника в 00 часов, 00 минут, то
необходимо установить будильник на
одну минуту раньше или позже этого вре-
мени. Один раз установленное значение
будильника будет использоваться ежед-
невно. Время звучания будильника рав-
но одной минуте. Выключить будильник
можно, если перейти в режим установки
одновременным нажатием двух кнопок.
Установки делать не обязательно. Через
пять минут индикация установок выклю-
чится. Прервать звучание будильника так-
же можно, если нажать кнопку индикации
часов и удерживать ее некоторое время.
Индикация значений часов нажатием
кнопки SA3 может производиться в любое
необходимое время. Во время установки
часов и минут также можно включить ин-
дикацию часов. Это удобно, если устанав-
ливая минуты необходимо «вспомнить»
установленные часы, не прибегая к сме-
не индикации при помощи нажатия двух
кнопок. Если нажать кнопку индикации
часов во время установки значений бу-
дильника, то индикация часов не включит-
ся. Текущее значение часов и минут выс-
вечивается попеременно и не влияет на
установки. Паузы длительностью, равной
двум секундам, при индикации времени
нет. Максимальное время считывания зна-
чений часов будет при 19 часах 59 минут.
Эго время будет равняться 16 с. Если во
время индикации значений часов (но не
установки!) будут случайно нажаты крас-
ная или желтая кнопки, установка не из-
менится. Случайное нажатие одной кноп-
ки во время транспортировки также не
изменит сделанных ранее установок. По-
скольку после включения напряжения пи-
тания часы уже идут, при установке ми-
нут число вспышек может стать на
единицу больше чем устанавливаемое.
Такие часы хорошо оформить в виде
брелока с питанием от трех миниатюрных
дисковых элементов (часовых). Потребля-
емый ток без индикации составляет
0,15 мА. Во время индикации потребляе-
мый ток определяется током применен-
ных светодиодов. Использовать их удоб-
но тем, кто работает в ночное время.
Файл прошивки chasiki.hex для часов, а
также файлы для всех далее описываемых
конструкций представлены на сайте жур-
нала по адресу http://www.dian.ru/programs/
index.html в архиве 2003 06 Zaes
Этот таймер подаст звуковой сигнал
через время, которое будет установлено
при помощи двух кнопок и двух светоди-
одов.
Красный светодиод высвечивает уста-
навливаемое время в единицах часов,
желтый — в десятках минут Установка
в часах возможна до 15 часов, а уста-
новка десятков минут — до пяти.
Схема таймера, показанная на рис. 2,
отличается от схемы часов (рис.1) толь-
ко отсутствием кнопки индикации време-
ни. Поэтому все сказанное выше о схеме
часов будет верно и для него Оба свето-
диода мигают короткими вспышками дли-
тельностью 1/4 секунды с такой же дли-
тельностью пауз. Длительность паузы
между циклами равна двум секундам.
Работать с таймером очень просто. Пос-
ле включения напряжения питания он пе-
реходит в режим ожидания. В этом режи-
ме не работают «внутренние» часы и нет
сравнения установок. После нажатия од-
Рис. 2
повременно двух кнопок и удержания их
не менее двух секунд начнет мигать жел-
тый светодиод. В то время, когда кнопки
нажаты, горят оба светодиода. Таймер
перейдет в режим индикации и установ
ки. Пусть вам необходимо включить тай-
мер через 10 часов 30 минут. Необходи-
мо установить десять миганий красного
светодиода и три мигания желтого. Каж-
дое нажатие кнопки прибавляет одно ми-
гание соответствующего светодиода. Для
того, чтобы включить таймер после выпол-
нения установки, необходимо нажать две
кнопки одновременно. Каждое нажатие
двух кнопок изменяет режим работы тай-
мера на противоположный. Если во вре-
мя работы таймера переключиться на ре-
жим установки, значения уже отсчитанных
часов и минут сбросятся При следующем
переходе в режим таймера счет начнется
сначала.
После того, как пройдет установленное
в таймере время, включится зуммер. Вре-
мя звучания зуммера равно одной мину-
те, после этого таймер переходит в режим
ожидания, и для его последующего вклю-
чения требуется переустановка. Если вам
необходимо включать сигнал ежедневно в
одно и то же время, необходимо устано-
вить значение часов, равное 12. После
включения зуммера необходимо дважды
нажать две кнопки одновременно запус
тив, таким образом таймер снова
Файл для таймера — budak.hex.
Этот будильник удобно использовать,
если вам необходимо ежедневное зву-
чание зуммера в одно и то же время.
Алгоритм работы программы будильни
ка повторяет алгоритм работы программы
автомата суточного включения нагрузки
для второго варианта. Из программы уда-
лено сравнение на время выключения ус-
тройства. Схема будильника, показанная
на рис. 3, отличается от схемы автомата
только наличием дополнительного выхода
RA2. К этому выходу подключается пье-
зоизлучатель типа ЗП1. Звуковые излуча-
тели типа НСМ1206х можно подключить к
прямому или инверсному выходу.
Допустим, вам необходимо ежедневное
включение будильника в 6 часов. Для это
го необходимо нажать кнопку в 6 часов.
Кнопку необходимо удерживать не менее
двух секунд. Если со временем будет
большой уход звучания зуммера от уста-
новленного времени, снова нажмите
кнопку в необходимый момент. Будильник
сделает внутреннюю переустановку В
данном случае не имеют значения «пока-
зания» внутренних часов. Время звучания
излучателя равно одной минуте. Частота
Рис. 3
звучания излучателя равна 0,8 кГц с пе-
рерывом в одну секунду.
Кнопку установки желательно устано-
вить так, чтобы доступ к ней был зат-
руднен и нельзя было случайно нажать
кнопку во время эксплуатации.
Файл будильника — budik.hex.
Этот минутный таймер может найти
различное применение как в процедур
ных кабинетах поликлиник, так и в быту
(например, на кухне).
Алгоритм работы программы таймера
аналогичен алгоритму работы програм-
мы будильника с установкой времени.
Отличие заключается только в установ-
ке единиц минут. Минуты устанавлива-
ются до 15. Установка значений минут
(рис. 4) производится кнопкой SA1. Ин-
дикация установки осуществляется све-
тодиодом HL1.
SA1 установка
6
4
+4,5 В <---<
Выход < ‘
р 18
Выход <---
BQ1 .
1CLR
RAO
RA1
RA2
:UCc
:GND
OSC1
ПВО
RB1
RB2
OSC2
SA2 пуск
_1___
—о о---
8 R12.7K
HL1
15
—iQi—
ZQ1 32766 Гц
—L—С2
30
7
ЗП1 14
+4.5 В 5
16
C1 -L-
30 т
Рис. 4
После подачи напряжения питания
таймер переходит в режим индикации
Поскольку нулевого значения установки
таймера нет, то при инициализации ус-
танавливается время срабатывания тай-
мера, равное одной минуте, что будет
индицироваться единичной вспышкой
светодиода. Длительность вспышки и
паузы равна четверти секунды. Пауза
между циклами равна двум секундам.
После установки нужного числа минут
необходимо нажать кнопку SA2 «Пуск».
Таймер включен. После отсчета време-
ни включится зуммер. Выключить зум-
мер можно нажатием кнопки «Пуск». На-
жатие этой же кнопки переключит
таймер в режим установки При нажатии
любой кнопки включается светодиод.
Пока кнопка нажата, горит светодиод, а
реакция на кнопку будет только после ее
отпускания. Кнопки необходимо удержи-
вать не менее двух секунд.
Файл «Песочных часов» — pesok.hex.
Николай Заец,
saes@mail.ru.
Таймер КР1006ВИ1 в управлении
освещением
в статье рассказывается о простых конструкциях для замедлен-
ного включения и выключения осветительных ламп накаливания.
Применение популярной микросхемы и мощных полевых транзи-
сторов обогащенного типа с изолированным затвором позволи-
ло создать надежные в эксплуатации устройства, имеющие хо-
рошие нагрузочные характеристики. Рассматриваемые конструк-
ции могут быть легко модифицированы для заданных условий
эксплуатации.
Почти полувековое победоносное
планетарное шествие интеграль-
ного таймера 555 (отечественный
аналог КР1006ВИ1) подстегивает умы
многих разработчиков электронных уст-
ройств. Эта небольшая микросхема даже
в «древнем» биполярном, относительно
низкочастотном варианте, не перестает
удивлять своей универсальностью. По-
томки таймера 555 — КМОП версии этой
ИМС (LMC555, ICL7555 и другие) часто
встречаются в современных устройствах
промышленного изготовления — изме
рительных приборах, часах, мобильных
радиостанциях и другой технике. Пока
же, к сожалению, для большей части
радиолюбителей доступна только бипо-
лярная версия этого таймера. На такой
микросхеме и предлагаются две конст-
рукции для повторения, о которых пой-
дет рассказ в этой статье.
Наше зрение, позволяющее видеть
окружающий мир в богатстве красок,
линий и форм, эволюцией не приспособ-
лено быстро перестраиваться под мгно-
венные изменения уровня освещеннос-
ти — до изобретения электрического
освещения в этом не было особой нуж
ды. Поэтому резкое включение или вык-
лючение света, как минимум, вызывает
чувство дискомфорта, либо ослепляет,
либо погружает во тьму. Не стоит забы-
вать и о высокой вероятности перегора
ния нити ламп накаливания при включе
I
Q
х
нии их на полную мощность без
предварительного разогрева На рис. 1
представлена простая схема для плав-
ного включения и выключения ламп на-
каливания, работающих в цепи постоян-
ного тока напряжения 12 В Основное
назначение этого устройства — замед-
ленное плавное выключение и включе-
ние освещения в салоне автомобиля.
Также может применяться и для управ-
ления мощными 12-вольтовыми галоген-
ными лампами комнатных светильников,
получающих питание от понижающего
трансформатора с выпрямителем. При
необходимости и желании, скорректиро
вав параметры времязадающих цепей,
это устройство можно использовать по
своему усмотрению.
При подаче напряжения питания
12... 15 В при разомкнутой кнопке SA1 на
выходе DA1 (вывод 3) устанавливается
высокий уровень. Конденсатор СЗ раз-
ряжен через открытый коллекторный
переход п-p-n транзистора микросхемы
(вывод 7, выход с открытым коллекто-
ром). Так как конденсатор С1 в этот мо-
мент разряжен, транзистор VT1 закрыт,
заряд конденсатора СЗ невозможен.
В это время генерация DA1 отсутствует,
мощный полевой транзистор VT2 посто-
янно открыт, лампа накаливания светит
с максимальной яркостью.
После замыкания контактов SA1 кон-
денсатор С1 начинает заряжаться по
цепи R2R3 Через несколько секунд пос-
ле того, как напряжение на эмиттерном
переходе VT1 достигнет напряжения око-
ло 0,45 В, этот транзистор начинает от-
крываться. Когда ток в его цепи дос-
тигнет достаточного уровня, появится
генерация DA1. На выводе 3 микросхе-
мы в этот момент будут следовать ко-
роткие импульсы отрицательной поляр-
ности. Первоначально после появления
генерации скважность следования им-
пульсов достигает нескольких тысяч,
поэтому ни снижение яркости лампы, ни
ее мерцание незаметны.
По мере зарядки конденсатора С1 тран-
зистор VT1 открывается сильнее. Время
заряда конденсатора СЗ до напряжения
выше порогового напряжения переключе-
ния DA1 постепенно уменьшается. Время
разряда этого конденсатора не изменяет-
ся, так как номинал резистора R7 постоя-
нен. Все это приводит к тому, что скваж-
ность положительных импульсов на
выводе 3 постепенно уменьшается, сред-
няя мощность, подаваемая на лампу EL1,
уменьшается, яркость ее свечения плав-
но снижается. Частота переключения мак-
симальна при скважности близкой к 2 и
is1.
к
С1
30 мк
_1_ 25 В
С5
VT5
С4
0 22 Мк
220 мк * 16 В
R10
27 К
R5
3,3 М
R3
2,2 М
С2
0,047
мк
DA1
КР1006ВИ1
4
VD1
КД522Б
Е
G1
— GN
HL1
L57EGW Лг
+U
КТ3107И
R9
56
R8
620
R11
30 К
R6
10 К
R4
220 К
VT1
КТ3107И
ХР1
2
6
R7 30 К
R2
3,6 К
SA1
СЗ
8200
Рис. 1
составляет около 1300 Гц. На лампу в этот
момент поступает примерно половина
мощности.
Конденсатор С1 продолжает заряжать-
ся, ток в коллекторной цепи VT1 растет.
Скважность импульсов положительной
полярности начинает увеличиваться. Но
теперь транзистор VT2 большее время на-
ходится в закрытом состоянии, яркость
свечения лампы продолжает уменьшать-
ся. Примерно через 60...70 с после замы-
кания кнопки SA1 ток коллектора дости-
гает значения, при котором СЗ уже не в
состоянии разрядиться до напряжения
ниже порогового через резистор R7 и
транзистор микросхемы. Генерация сры-
вается, на выходе 3 DA1 устанавливается
'Низкий уровень, транзистор VT2 закрыт,
лампа не светится.
При размыкании контактов SA1 про-
цессы начинают протекать в обратном
порядке. Так как обычно желательно
получить более быстрое зажигание лам-
пы на полную мощность, чем ее гаше
ние то разряд конденсатора производят
по цепи R3VD1R4R1. Резистор R2 огра-
ничивает напряжение, до которого будет
заряжаться конденсатор С1, что позво-
ляет зажечь лампу на минимальную
мощность не позднее, чем через 0,5 с
после размыкания контактов SA1.
На двуцветном светодиоде HL1 и R11,
R12, VT3, VT4 собран узел индикации
режима работы. При отключенном пита-
нии нагрузки светодиод светит зеленым
цветом, при включенном — красным. При
гашении лампы цвет свечения HL1 меня-
ется в такой последовательности: крас-
ный, оранжевый, желтый, желто-зеленый,
зеленый. При зажигании лампы светоди-
од меняет цвет в обратном порядке.
Так как напряжение в бортовой сети
автомобиля может быть нестабильно,
для защиты микросхемы и полевого
транзистора от повреждений при всплес-
ках напряжения питания применен пара-
метрический стабилизатор на VT5, VD2,
R12, С6. Кроме того, этот узел представ-
ляет собой фильтр, снижающий уровень
КТ3102Г
R12
200
VT3
КТ3102Г
VT2
IRF540
2S =т= С6
VD2
Д814Д 1
0,33 мк
FU1 10 А
EL1
12В IS8AL
С7
1000 мк
25 В^
+U пит
12 В
SA1
2
2
со
125 мм
Рис. 4
помех от системы зажигания, которые
могут оказывать дестабилизирующее
воздействие на нормальную работу мик-
росхемы DA1.
Не всегда есть возможность выпол-
нить цепь подключения нагрузки, как по-
казано на рис 1 Тогда конструкцию
к+С7------J-
VD3
КС515А
2S
VT6
IRF9540
к выв. 3 DA1
общий
КТ3102Г
Рис. 2
можно модифицировать так, как показа-
но на рис. 2. Здесь вместо п-канального
применен р-канальный мощный полевой
транзистор. Стабилитрон VD3 защища-
ет затвор транзистора VT6 от пробоя при
всплесках напряжения питания.
Конденсатор С2 повышает устойчи-
вость работы системы. Плавкий предох
ранитель FU1 предотвращает повреж-
дение полевого транзистора при
перегрузке. При отключенной нагрузке
устройство, собранное по схемам на
рис. 1,2, потребляет ток не более 13 мА
при напряжении питания 12 В. Если от-
ключить узел индикации на HL1, то ток
потребления можно уменьшить При пи-
тании этого устройства выпрямленным
напряжением от понижающего транс-
форматора, как было сказано выше на-
пряжение питания на параметрический
стабилизатор подается через диод, на-
пример, КД209А, а между выводом кол-
+12 В
С1
. 30 мк
-12 25 В
К Т „
R3*
2,2 М
VD1
КД522Б
R5
3,3 М
VT1
КТ3107И
DA1
КР1006ВИ1
R6
10 К
0,22 мк
2
С5
100 мк
16 В
HL1 L383SRDT
CXJ-т-----КЗ---
R9 I VD4
2S 620 J_+ КД522Б
— VD2
Д814Д
22 мк 35 В
R4
620К
R2
3,6 К
SA1
СЗ
4700
Рис. 3
R7 30 К
G1
GN
—os
>— R
6 к-
+220 В
КП707В2
R11 33 к
R12 33 к
$ 200 Вт
FU1
2А
VD3
BR310
FNR-10K471
лектора VT5 и общим проводом необ-
ходимо включить оксидный конденсатор
на 470 мкФ.
На рис. 3 представлена схема устрой-
ства управления освещением, предназ-
наченного для работы в цепи перемен-
ного тока напряжения 220 В. Его работа
во многом аналогична устройству, со
бранному по схеме на рис. 1. В этом ва
рианте применен более высоковольтный
полевой МОП-транзистор, изменена
цепь питания микросхемы и узел инди-
кации. Светящийся светодиод HL1 пока-
зывает, что устройство подключено к на-
пряжению сети 220 В. Чтобы
предотвратить мерцание лампы, когда
яркость ее свечения минимальна, благо-
даря уменьшению емкости конденсато
ра СЗ увеличена частота генерации мик
росхемы Конденсатор С6 — фильтр
питания, необходимый для снижения
пульсаций выпрямленного напряжения
на VD2, которые дестабилизируют со-
вместную работу микросхемы и транзи-
стора VT1. Варистор R10 защищает по-
левой транзистор от пробоя при
импульсных всплесках напряжения сети
Если будет использован варистор мень-
шей мощности то его желательно под
ключить к выводам стока и истока VT2
Чертеж печатной платы этого устройства
приведен на рис. 4.
В обеих конструкциях могут быть при-
менены постоянные резисторы МЛТ,
С2 23, С2-33, С1-4 соответствующей мощ-
ности. Варистор R10 можно заменить на
FNR-14K471, FNR-20K431 или аналогич-
ным. Оксидные конденсаторы С1 исполь-
зованы с малым током утечки типа К52-2.
На их месте можно использовать и дру
гие танталовые или ниобиевые конден-
саторы с низким током утечки во всем
интервале рабочих температур. Хорошо
работают и обычные оксидные конден-
саторы на рабочее напряжение 35...63 В
фирм Rubycon, Samsung, Don. Попытки
использовать конденсаторы типа К50-35
окажутся безуспешными. Если нет ог-
раничений в габаритах конструкции не
исключено и даже предпочтительно
Схемотехника № 6 июнь 2003
применение полиэтилентерефталатных
конденсаторов большой емкости. Кон-
денсатор С7 на рис. 3 — К73-17, К73-24,
К73-50, К73-56. Остальные неполярные
конденсаторы — КЮ-17, К10-7, КМ-5,
КМ-6. Диоды КД522Б можно заменить лю-
быми из серий КД510, КД521, КД103,
1N4148. Стабилитрон Д814Д заменяется
на КС213Б, КС213Ж, КС512А, 1N6002B,
1N6003B. Трехамперный диодный мост
BR310 при работе с нагрузкой, потребля-
ющей ток до 1 А, на теплоотвод можно не
устанавливать. Его можно заменить на
BR34—BR38, КВРС104—КВРС110 или че-
тырьмя диодами 1N5404—1N5408, Д246—
Д248 (А, Б), КД202 (К, М, Р). Светодиод
L57EGW можно заменить прямоугольным
L117EGW, но его яркость свечения при-
мерно вдвое меньше. Светодиод
L383SRDT красного цвета свечения с яр-
костью около 70 мКд, выполненный в пя-
тимиллиметровом прямоугольном корпусе,
заменим любым из серий L1503, L1513,
АЛ307, КИПД15, КИПД21.
Транзисторы КТ3107И можно заме-
нить любыми с коэффициентом переда-
чи тока базы не менее 200 из серий
КТ3107, SS9015, ВС307, 2SA1174.
КТ3102Г можно заменить любым из
КТ3102, SS9014, ВС547, 2SC2784,
2SC1222. Полевой транзистор IRF540
имеет сопротивление открытого канала
не более 0,08 Ом и способен работать
при токе стока до 25 А. При таком токе
потери напряжения и мощности на нем
составят 2 В и 50 Вт, что слишком мно-
го. Поэтому, максимальный ток нагруз-
ки ограничен величиной 8 А. Этот тран-
зистор обязательно устанавливается на
теплоотвод с площадью охлаждающей
поверхности не менее 40 см2. При необ-
ходимости используются изолирующие
прокладки. Его можно заменить на ана-
логичные IRF541, BUZ10, BUZ11, BUZ27,
КП723 (А—В), КП746 (А, Б). Для боль-
шего тока нагрузки можно использовать
КП789А, BUZ111S. Полевой р-канальный
IRF9540 при токе нагрузки до 3 А можно
заменить на МТР12Р10, КП785А или дву-
мя IRF9640 в параллельном включении.
Высоковольтный КП707В2 при токе на-
грузки до 1 А можно заменить любым из
серий КП707, КП777 или импортными
IRF440, IRF442, IRF840 BUZ213, BUZB82.
Во всех случаях для получения большей
нагрузочной способности можно исполь-
зовать параллельное включение двух-
трех однотипных полевых транзисторов.
Токовыравнивающие резисторы не тре-
буются. Можно применить более доро-
гие, но гораздо более мощные полевые
транзисторы, например, SMW14N50F —
500 В, 56 А, 180 Вт; IRG4PC50F — 600 В,
70 А, 200 Вт. При необходимости увели-
чивают размеры теплоотвода. Микросхе-
му можно заменить любым импортным
биполярным аналогом 555 или более
экономичной XR-L555M.
Конструкция устройства, собранного
по схеме на рис. 1, в автомобильном
варианте исполнения должна быть рас-
считана на жесткие условия эксплуата-
ции [1, 2]. Увеличив сопротивление ре-
зистора R12 (рис. 1) до 3,6 кОм и
установив VT5 более мощный, например,
КТ608, КТ630, 2SC2331, напряжение пи-
тания можно увеличить до 24 В (боль-
шегрузные автомобили). При наладке
устройства, собранного по схеме на
рис. 3, необходимо помнить, что все его
элементы находятся под напряжением
осветительной сети и соблюдать необ-
ходимые меры осторожности.
Для настройки устройств, собранных
по приведенным схемам, удобно
пользоваться приспособлением, состо-
ящим из последовательно включенных
маломощной динамической головки,
конденсатора на 0,68 мкФ и резистора
на 1,5 кОм. Получившийся пробник од-
ним проводом подключается к выводу
3 DA1, другим — к минусовому прово-
ду питания. Если при отключении кноп-
кой SA1 питания нагрузки генерация
DA1 не будет срываться, то нужно при-
менить транзистор VT1 с большим ко-
эффициентом передачи тока базы или
заменить конденсатор С1 на экземпляр
с меньшим током утечки. Временные
значения задержки включения/выклю-
чения зависят от параметров R3, R4,
С1. Устанавливая эти элементы с дру-
гими номиналами, можно легко варьи-
ровать динамикой зажигания и погаса-
ния ламп накаливания. Если в качестве
нагрузки будут использоваться гало-
генные лампы, желательно, чтобы вре-
мя их погасания не превышало не-
скольких секунд.
Оба устройства можно превратить в
регуляторы мощности, если коллектор
VT1 отключить от его цепи, а между ниж-
ним по схеме выводом R6 и общей точ-
кой соединения R7, СЗ включить пере-
менный резистор на 220 кОм. При таком
варианте использования для полевого
транзистора может потребоваться более
массивный теплоотвод.
Андрей Бутов,
butov@friends.lll.pp.ru
1. Ю. П. Глудкин, А. Н. Енгалычев,
А. И. Коробов, Ю. В. Трегубов. Испыта-
ния радиоэлектронной, электронно-вы-
числительной аппаратуры и испытатель-
ное оборудование. — М.: Радио и связь,
1987.
2. А. Бутов. Регулятор частоты враще-
ния низковольтных коллекторных элект-
родвигателей. — Схемотехника, 2003,
№ 3, с. 17, 18.
3. В. Ф. Гэликов, И. Н. Грель, Е. А. Дес-
ницкий, В. И. Кузьмин. Простейшие уст-
ройства на интегральных микросхемах. —
Минск, “Беларусь”, 1997, с. 86—97.
4. Б. Малашевич. Отечественные
ДМОП-транзисторы. — Схемотехника,
2002, No 7, с. 53, 54.
Устройства USB
Интерфейс USB (Universal Serial
Bus— универсальная последова-
тельная шина) появился несколь-
ко лет назад. Спецификация версии 1.1
на этот интерфейс была опубликована в
1996 г. Данный интерфейс позволяет
подключать самые разнообразные уст-
ройства: клавиатуру, мышь, принтер,
сканер, джойстик, фото или видеокаме-
ру, телефонный адаптер ISDN, цифровые
звуковые колонки. На этом список не
кончается и будет пополняться по мере
появления новых устройств. Естествен-
но, данные устройства должны иметь от-
ветный интерфейс USB.
USB интерфейс был разработан для
решения нескольких задач. Перечислю
некоторые наиболее важные из них:
• обеспечение простого подключения
периферийных устройств без выклю-
чения компьютера (подключение “на
лету" или “горячая стыковка”);
• автоматическое определение подклю-
чаемого устройства (функция Plug and
Play);
• увеличение числа одновременно под-
ключаемых периферийных устройств;
• обеспечение большей скорости обме-
на данными между компьютером и
периферийными устройствами по
сравнению со стандартным последова-
тельным COM-портом и параллельным
LPT-портом.
Данные задачи были успешно решены.
Периферийные устройства могут подклю-
чаться к USB четырехпроводным кабелем
без выключения компьютера. По этому
кабелю осуществляется двухсторонний
скоростной обмен информацией и пита-
ние периферийного устройства с защи-
той по току. Сразу же после подключе-
ния устройства к интерфейсу USB
компьютер обнаруживает его и происхо-
дит автоматическая установка соответ-
ствующего программного обеспечения.
Число одновременно подсоединенных к
одному порту USB устройств путем под-
ключения через разветвители (хабы),
может достигать 127. Первый стандарт
USB1.1 обеспечивает скорость до
12Мбит/с, в настоящее время появился
новый стандарт USB2.0 со скоростью до
480 Мбит/с. Для поддержки низкоскорос-
тных устройств предусмотрен режим пе-
редачи со скоростью 1,5 Мбит/с. Сеанс
связи по USB организуется в пакетном
режиме и может быть инициирован толь-
ко самим компьютером (управляющим ус-
тройством). Объединение всех компонен-
тов USB-архитектуры осуществляется при
помощи четырехпроводных кабелей. Два
провода, питание +5 В и GND, предназ-
начены для устройств, не имеющих соб-
ственного источника питания, остальные
два провода — для организации после-
довательной передачи данных D+ и D-,
которые являются двунаправленными
дифференциальными сигналами Разли-
чают два типа соединителей: тип А, ко-
торый устанавливается на компьютере, и
тип В, устанавливаемый на периферий-
ном устройстве. Конструкция разъемов и
гнезд рассчитана на то, чтобы сделать
быстрой и удобной процедуру многократ-
ного подключения и отключения, что не-
обходимо, например для работы с циф-
ровой фотокамерой. Более подробно об
интерфейсе можно прочитать в [1].
Хотя в настоящее время появился до-
статочно большой ассортимент перифе-
рийных устройств с данным интерфей-
сом, он до сих пор он не получил
должного распространения в практике
многочисленной аудитории разработчи-
ков. Это связано, в основном, с тем, что
протокол данного интерфейса доволь-
но сложен и требует специфической
программной поддержки как со сторо-
ны компьютера, так и со стороны пери-
ферии. Дело в том, что изначально про-
токол USB был разработан как
интеллектуальный. В первую очередь в
него были заложены функции Plug and
Play. Кроме того, протокол интерфейса
включает в себя множество другой слу-
жебной информации, обязательной для
установления нормального сеанса свя-
зи. Например, каждое устройство, под-
ключаемое к шине получает свой уни-
кальный идентификационный номер,
посредством которого осуществляется
дальнейшее конфигурирование, управ-
ление и обмен данными.
В настоящее время на рынке элект-
ронных компонентов появилось несколь-
ко типов микросхем, поддерживающих
интерфейс USB, но далеко не все они
не имеют готовую к применению про-
граммную поддержку. Возможно, имен-
но данный факт сдерживает их массо-
вое продвижение на рынок
К счастью нашлась в мире компания,
которая производит микросхемы с интер-
фейсом USB и, кроме того, обеспечива-
ет программную поддержку данных чи-
пов на всех уровнях. Это английская
фирма FTDIChip (Future Technology
Devices International Ltd.). Официальный
сайт компании находится на http://
www.ftdichip.com. Официальным дистри-
бьютором данной компании в России яв-
ляется Институт радиотехники (http://
www.irt.ustu.ru).
Выпускаемая линейка продуктов это-
го производителя включает три много-
функциональных микросхемы:
FT8U232AM, FT8U245AM, FT8U100AX.
Ниже приводится краткое описание этих
микросхем.
FT8U232AM USB UART — это микро-
схема, позволяющая преобразовывать
интерфейс UART (универсального асин-
хронного приемо-передатчика) в USB.
Известно, что в настоящее время боль-
шинство встраиваемых микросхем кон-
троллеров, как правило, имеют встроен-
ный UART. Поэтому большинство
разработанных микропроцессорных уст-
ройств имеют внешний интерфейс
RS-232. Описываемая микросхема по-
зволяет модернизировать устройства,
имеющие интерфейс RS-232, в USB.
Микросхема работает на скоростях пе-
редачи данных вплоть до 920 кбит/с
(RS-232) и 2000 кбит/с (RS-422/485).
Она имеет встроенный буфер приемни-
ка на 384 байт и буфер передатчика на
128 байт. Микросхема может найти при-
менение в самых разнообразных реше-
ниях: USB-модемы, конвертеры-переход-
ники USB <-> RS-232/422/485, сканеры
штрих кода и т. д. Микросхема выполне-
на в 32 выводном LQPF-корпусе.
FT8U245AM USB FIFO представляет
собой преобразователь интерфейса USB
в параллельный байтовый код. Микро-
схема организована как буфер USB—
FIFO (First Input First Output — первый во-
шел, первый вышел). Она позволяет
обеспечить скорость обмена между уст-
ройством и компьютером до 8 Мбит/с.
Микросхема делает удобным взаимодей-
ствие с любым процессором или кон-
троллером, используя каналы прямого
доступа к памяти (DMA) или порты вво-
да/вывода
Для передачи данных от устройства к
ПК достаточно записать байт данных в
буфер при пассивном бите переполне-
ния. В случае переполнения буфера ус-
тройство автоматически перестает под-
тверждать готовность к записи.
Отправка данных приостанавливается до
тех пор, пока они не будут пересланы из
FIFO по USB. Когда компьютер связыва-
ется с периферийным устройством,
FT8U245AM подтверждает заполнение
приемника установкой в единицу бита
состояния. Чтение информации компью-
тером из FIFO происходит до тех пор,
пока этот бит активен. Данная микросхе-
ма может применяться в USB ISDN и
ADSL модемах, в цифровых камерах и
MP3 проигрывателях, в измерительной
аппаратуре которой необходимо высо-
кая скорость обмена данными.
FT8U245AM выполнена, как и предыду
щая микросхема, в 32-выводном LQPF-
корпусе.
FT8U100AX USB HUB — третий и пос
ледний продукт из серии микросхем для
USB-шины фирмы FTDI. Она может ис-
полнять роль USB-концентратора или кон-
троллера для многофункциональных ус
тройств. Микросхема FT8U100AX
разработана для использования в
сложных USB-устройствах (Compound
device) с поддержкой самых разнооб-
разных встроенных функций: инфра-
красное (lr) дистанционное управление,
инфракрасные (IrDA) и беспроводные
соединения и т. д. Структура микросхе-
мы состоит из нескольких блоков: по-
вторителя (USB repeater) и концентра-
тора, которыми в свою очередь
управляет встроенный EMCU микро-
контроллер, множества периферийных
блоков, выполняющих встроенные фун-
кции. Выполнена поддержка PS/2 кла-
виатуры и мыши, последовательного и
параллельного портов и контроллера ра-
боты с мониторами (|2С). Программа кон-
фигурации микросхемы, позволяющая
выполнить более гибкую настройку для
конкретного устройства, может быть за-
писана в любой внешней ПЗУ (ОТР
ROM). Микросхема содержит семь исхо-
дящих (downstream) высокоскоростных
портов и один входящий (upstream) На-
стройки позволяют выбирать способ пи-
тания устройства либо от шины USB (bus
powered), либо от внешнего источника
питания (self powered), а также переклю-
чать в экономичный режим питания как
все, так и каждый порт в отдельности.
Возможности FT8U100AX определяют
достаточно широкую область использова-
ния, что делает ее идеальным выбором
в реализации таких решений как концен-
тратор USB, питающийся от шины, с воз
можностью добавления специфических
функций. Низкии уровень шумов микро
схемы облегчает выпуск устройств, соот-
ветствующих FCC и СЕ требованиям.
Кристалл помещен в 100-выводной QFP
корпус.
В помощь разработчикам FTDI -пред-
лагает удобные для отладки модули
USBMOD1 и USBMOD2, основанные на
микросхемах FT8U232 и FT8U245 соот
ветственно. Удобство заключается в том,
что каждый модуль рассчитан на исполь-
зование со стандартным 32-контактным
IC разъемом.
На панели интегрирован USB-разъем
В-типа, задающий кварцевый резонатор
и все необходимые пассивные элемен-
ты. Модули используют питание от USB-
шины, что позволяет обойтись без до-
полнительного источника питания.
Бесплатные драйверы виртуального
порта от производителя микросхемы об
легчают разработку ПО для работы с
проектируемым периферийным устрой-
ством. Несмотря на то, что работа с вир-
туальным портом ведется как с обыч-
ным, команды установления скорости
обмена игнорируются, а информация
передается на максимально возможной
скорости.
Увеличивающийся объем обрабатывае-
мой информации и расширение сервисных
возможностей ПК требуют увеличения
пропускной способности каналов связи с
периферийными устройствами. Недалек
тот день, когда СОМ и LPT порты, став-
шие столь привычными, исчезнут с зад-
ней панели системного блока и переста-
нут существовать. И к этому времени
большой отряд разработчиков должен
быть во всеоружии.
Продолжение следует
Олег Вальпа,
sandh@narod ш
1. М. Гук. Аппаратные средства IBM
PC. Энциклопедия.— С. -Пб.: Питер Ком,
1998.
Еще три шага по пути
к совершенству
ютояц. ' - ж мить читателей —тя ювы-
'И семей ми .. „шмых микроконтроллеров фирмы
Cygnal.
Современные специалисты по мик
роконтроллерной технике уже хо-
рошо знакомы с продукцией моло-
дой, но динамично развивающейся фир-
мы Cygnal [1]. За последний год было
опубликовано достаточно много работ,
знакомящих читателей с продукцией этой
фирмы [2—7]. Благодаря мощной и раз-
нообразной аналоговой и цифровой пе-
риферии, а также высокой производи-
тельности эти микроконтроллеры завое-
вывают все большую популярность сре-
ди специалистов. Напомним, что с момен-
та своего основания в 1999 г. фирма
Cygnal освоила выпуск 46 моделей мик-
роконтроллеров, сгруппированных в во-
семь семейств. Сегодня мы хотим озна-
комить читателей с еще тремя новыми
семействами, анонсированными фирмой
Cygnal
Семейство
микроконтроллеров
C8051F06X
Новое семейство C8051F06X [8] (девя-
тое семейство) содержит четыре моде
ли микроконтроллеров C8051F060 /061/
062/063. Основные технические парамет-
ры семейства приведены в табл. 1.
Это семейство пока (ожидается разви-
тие) имеет среднюю пиковую производи-
тельность 25 MIPS (миллионов инструк-
ций в секунду). Для сравнения
напомним, что из выпускавшихся раннее
микроконтроллеров фирмы Cygnal шесть
моделей (половина первого семейства
C8051F0xx) имели пиковую производи
тельность 20 MIPS, четыре модели
C8051F124—127 (седьмое семейство) —
50 MIPS, четыре модели C8051F120—123
(седьмое семейство) — 100 MIPS, осталь-
ные 36 моделей — 25 MIPS.
Подсистема ядра и памяти
Микроконтроллеры имеют высокопроиз-
водительное усовершенствованное ядро
CIP 51 с конвейерной организацией. За
счет этого 70 % инструкций выполняются
за один или два такта системной частоты
(т. е. 40 или 80 нс при частоте 25 МГц).
Система прерываний достаточно развита,
имеется 22 источника прерываний. Мик-
Схемотехника № 6 июнь 2003
Таблица 1
Тип Flash память, К Оперативная память, байт Интерфейс внешней ! памяти Интерфейсы SMBus и SPI Интерфейс CAN Интерфейсы UART Таймеры (16 бит) Массив-счетчик РСА I I Линии ввода / вывода I Число каналов ADC1 (16 бит) Число каналов ADC2 (10 бит) Источник опорного напряжения Число каналов РАС (12 бит) Число аналоговых компараторов о Е О. О
C8051F060 64 4352 + + + 2 5 + 59 2 8 + 2 3 TQFP100
С8051F061 64 4352 — + + 2 5 + 24 2 8 + 2 3 TQFP64
C8051F062 64 4352 + + + 2 5 + 59 2 8 + 2 3 TQFP10O
C8051F063 64 4352 — + + 2 5 + 24 2 8 + 2 3 TQFP64
роконтроллеры имеют встроенную Flash-
память программ/данных объемом 64 К с
размером сектора 512 байт. Оперативная
память состоит из основной оперативной
памяти объемом 256 байт и дополнитель
ной встроенной памяти в пространстве ад-
ресов внешней памяти XRAM объемом
4 К, таким образом, общий объем встро-
енной памяти составляет 4352 байта. В
микроконтроллерах C8051F060/062 имеет-
ся встроенный интерфейс внешней памя-
ти, настраиваемый программно на муль-
типлексный или немультиплексный режим
обмена.
Аналоговая подсистема
Самое главное, что отличает это се-
мейство от остальных, достаточно мощ-
ных семейств, — включение в состав
аналоговой периферии двух 16-разряд-
ных быстродействующих аналого-циф-
ровых преобразователей ADC0 и ADC1.
Оба эти преобразователя имеют малую
нелинейность: +0,5 (1,0) младшего раз
ряда для дифференциального режима
и ±0,75 (1,5) младшего разряда для од-
нополярного режима для микроконтрол-
леров C8051F060/061 (C8051F062/063).
Гарантированная дифференциальная
нелинейность составляет ±0,5 младше-
го разряда, типовая ошибка смеще-
ния — 0,1 мВ, типовая суммарная ошиб-
ка во всем диапазоне — 0,008 %,
соотношение сигнал/шум — 86 дБ, раз-
деление каналов — 100 дБ. Аналого-
цифровые преобразователи имеют
очень высокое быстродействие —
1 Msps. Внутренняя частота преобразо-
вания — до 25 МГц, типовое время пре-
образования — 18 периодов тактовой
частоты. Очевидно, что при таком вы-
соком быстродействии выходные 16-
разрядные слова не могут быть напрямую
обработаны даже таким быстродейству
ющим микроконтроллерным ядром, по-
этому каждый канал аналого-цифрового
преобразователя ADC0/1 оснащен меха-
низмом прямого доступа в память DMA,
который позволяет формировать мае
сивы данных заданной длины во
встроенной оперативной памяти без
непосредственного участия ядра мик-
роконтроллера. Аналого-цифровые пре-
образователи могут использовать
встроенный источник опорного напря-
жения 2,4 В или внешний источник. За-
пуск аналого-цифрового преобразова-
ния может также осуществляться по
выбору разработчика либо по сигналу
с внешнего входа, либо по переполне-
нию одного из таймеров, либо про-
граммно записью 1 в специальный бит
SFR регистра Время преобразования
также может задаваться программно.
Оба аналого-цифровых преобразовате-
ля могут работать в однополярном или
дифференциальном режимах Оба пре-
образователя могут калиброваться в си-
стеме, при этом может индивидуально
корректироваться напряжение смеще-
ния, усиление и линейность. Кроме
перечисленных возможностей аналого-
цифровые преобразователи, как и ADC
других семейств микроконтроллеров
фирмы Cygnal, имеют функцию «окна»,
которая заключается в цифровом срав-
нении выходных кодов со значениями
двух программно задаваемых регистров
верхнего и нижнего порогов. Диапазон
между значениями кодов этих двух ре-
гистров собственно и образует «окно».
Пользователь может запрограммиро-
вать эти регистры порогов и разрешить
формирование прерываний, если вы-
ходной код ADC0/1 попадает в диапа-
зон «окна», либо выходит за пределы
«окна».
Кроме этих двух аналого-цифровых
преобразователей в составе аналоговой
периферии имеется еще один 10-разряд-
ный аналоге цифровой преобразователь
среднего быстродействия ADC2 (200
ksps) со входным мультиплексором
AMUX2 на 8 входов. Входной мульти-
плексор может быть настроен в режим
обработки восьми однополярных, либо
четырех дифференциальных входов.
Аналого-цифровой преобразователь так-
же имеет функцию «окна», аналогичную
описанной выше. Кроме того, входной
мультиплексор имеет дополнительный
внутренний вход, к которому подключен
встроенный температурный датчик, по-
зволяющий измерять температуру крис-
талла с точностью ±3 °C.
Все микроконтроллеры семейства
имеют также по два 12-битных цифро-
аналоговых преобразователя DAC0/1,
которые могут работать в синхронном
режиме. Оба цифро аналоговых преоб
раэователя могут использовать внешний
источник опорного напряжения, либо
внутренний при внешней коммутации его
выхода на соответствующие входы циф-
ро аналоговых преобразователей. Кроме
того, для цифро-аналоговых преобразо
вателей поддерживаются функции аппа-
ратного сдвига входных кодов на необ-
ходимое число разрядов и выравнивание
входных кодов.
В составе аналоговой периферии всех
микроконтроллеров имеются также три
аналоговых компаратора с программиру-
емым гистерезисом (отдельно положи-
тельным и отрицательным) и управляе-
мым временем реакции.
Кроме этого, аналоговая подсистема
содержит развитый монитор питания и
сброса.
Подсистема цифровой
периферии
Как и все микроконтроллеры фирмы
Cygnal, микроконтроллеры описываемо-
го семейства имеют встроенный интер-
фейс программирования JTAG и отлад-
ки в режиме реального времени.
Микроконтроллеры C8051F060/062
имеют 59 линий ввода/вывода, т. е. семь
полных восьмибитных портов плюс три
линии. Микроконтроллеры C8051F061/
063 имеют 24 линии ввода/вывода, т. е.
три полных восьмибитных порта. В со-
став набора интерфейсов входят: аппа-
ратный интерфейс CAN, интерфейс
SMBus, совместимый с 12С, интерфейс
SPI, два усовершенствованных интер-
фейса UART. Кроме того, имеется про-
граммируемый массив-счетчик РСА с
шестью модулями захвата/сравнения,
пять 16-битных таймеров общего назна-
чения и усовершенствованный аппарат-
ный охранный таймер WDT.
В микроконтроллерах встроен развитый
узел тактового генератора, включающий
прецизионный калибруемый тактовый ге-
нератор на частоту до 24,5 МГц, а также
генератор, способный работать с кварце-
вым или пьезокерамическим резонатором,
RC-цепочкой, одиночным конденсатором
или внешним генератором. Переключение
между внутренним и внешним генерато-
рами могут осуществляться «на лету».
Таймеры 2, 3, 4 или РСА могут работать в
режиме реального времени RTC.
Напряжение питания микроконтролле-
ров — от 2,7 до 3,6 В. Максимальный ток
потребления — не более 18 мА. Имеются
два режима энергосбережения. Рабочий
диапазон температур — от -40 до +85 °C.
Очевидно, что доступ ко всем пери-
ферийным узлам осуществляется через
SFR-регистры (регистры специальных
функций). Поскольку периферии очень
много, использован механизм много-
страничного SFR регистра (использует-
ся пять страниц с адресами 0, 1,2, 3,
F). Переключение страниц осуществля-
ется через SFR регистры, доступные со
всех страниц. Используется трехуровне-
вый стек номеров страниц. Вызываю-
щее прерывание автоматически вклю-
чает нужную страницу в соответствии
с вызывающим ресурсом (источником
прерывания), а также после заверше-
ния обработки прерывания автомати-
чески возвращает исходную страницу.
На нулевой странице расположены все
периферийные узлы стандартного 8052
микроконтроллера. Страницы 1, 2, 3
структурированы так, что, например,
одинаковые регистры всех таймеров
расположены по одним и тем же ад-
ресам, но на разных страницах. Стра-
ница F предназначена для управления
Flash-памятью. Вообще говоря, этот
механизм позволяет осуществлять до-
ступ к 256 страницам SFR регистров,
т. е. для расширения состава встро-
енной периферии еще достаточно ме-
ста. Необходимо отметить, что анализ
тенденции организации SFR регистров
у различных семейств микроконтрол-
леров фирмы Cygnal показывает, что
специалисты фирмы отдают предпочте-
ние совершенствованию структуры мно-
гостраничного SFR механизма и, види-
мо, собираются его активно использо-
вать в своих новых мощных микроконт-
роллерах.
Семейство
микромомтрс лле:
.8051F32x
Семейство С8051 F32x [9] (десятое се-
мейство) содержит две модели микро-
контроллеров C8051F320/321. Основные
технические параметры семейства при-
ведены в табл. 2.
Это семейство имеет среднюю пико-
вую производительность 25 MIPS.
Подсистема ядра и памяти
Микроконтроллеры имеют высокопро-
изводительное усовершенствованное
ядро CIP-51 с конвейерной организаци-
ей. За счет этого 70 % инструкций вы-
полняются за 1 или 2 такта системной
частоты. Система прерываний достаточ-
но развита, имеется 22 источника пре-
рываний. Микроконтроллеры имеют
встроенную Flash-память программ/дан-
ных объемом 16 К с размером сектора
512 байт. Оперативная память состоит
из основной оперативной памяти объе-
мом 256 байт, дополнительной встроен-
ной памяти в пространстве адресов
внешней памяти XRAM объемом 1 К и
FIFO памяти интерфейса USB объемом
1 К, таким образом, общий объем встро-
енной памяти составляет 2304 байта.
Аналоговая подсистема
В этих микроконтроллерах имеется один
10-разрядный аналого-цифровой преобра-
зователь среднего быстродействия ADC
(200 ksps) с входным мультиплексором
AMUX на 17 (C8051F320) или 13
(C8051F321) входов. Входной мультиплек-
сор может быть настроен в режим обра-
Таблица 2
Тип Flash память, К Оперативная память, байт Прецизионный калибруемый генератор Интерфейсы SMBus и SPI Интерфейс USB Интерфейсы UART Таймеры (16 бит) Массив-счетчик РСА Линии ввода / вывода Число каналов ADC (10 бит) Источник опорного напряжения Температурный датчик Число аналоговых компараторов Корпус
C8051F320 16 2304 + + + 1 4 + 24 17 + + 2 LQFP32
С8051F321 16 2304 + + + 1 4 + 21 13 + + 2 MLP28
Таблица 3
ботки однополярных, либо дифференци-
альных сигналов. Он также имеет функ-
цию «окна», аналогичную описанной
выше. Кроме того, входной мультиплексор
имеет дополнительный внутренний вход,
к которому подключен встроенный темпе-
ратурный датчик, позволяющий измерять
температуру кристалла с точностью ±3 °C.
В составе аналоговой периферии всех
микроконтроллеров имеется также два
аналоговых компаратора с программиру-
емым гистерезисом (отдельно положи-
тельным и отрицательным) и управляе-
мым временем реакции.
Кроме этого, аналоговая подсистема
содержит развитый монитор питания и
сброса.
Еще одной отличительной особеннос-
тью этого семейства является наличие
встроенного преобразователя напряже-
ния питания в напряжение от 4 до 5,25 В
для питания внешних устройств.
Подсистема цифровой
периферии
Как и все микроконтроллеры фирмы
Cygnal, микроконтроллеры описываемо-
го семейства имеют встроенный интер-
фейс программирования JTAG и отлад-
ки в режиме реального времени.
Микроконтроллеры C8051F320 имеют
25 линий ввода/вывода, a C8051F321 —
21 линию. Впервые в состав интерфейсов
включен аппаратный интерфейс USB, под-
держивающий полноскоростные (12 Mbps)
и низкоскоростные (1,5 Mbps) операции от
встроенного тактового генератора, не нуж-
дающегося во внешнем кварцевом резо-
наторе. Для его функционирования име-
ется буферная FIFO память. Интерфейс
полностью интегрирован и не требует вне-
шних элементов. Кроме того, в состав
набора интерфейсов входят интерфейс
SMBus, совместимый с 12С, интерфейс SPI
Схемотехника № 6 июнь 2003
Таблица 4
Тип Номер семейства Предельная частота, МГц Цена, $ и с CL О Flash память, К Встроенная оперативная память IRAM+XRAM, байт Линии ввода/вывода Цифровая периферия Аналоговая периферия
ADC0 ADC1 DAC CPT
C8051FO00 1[12] 20 22,01 64 32 256 32 i2c+spi+uart+ +WDT+4T+PCA/5 12/8G — 12/2 2
C8051F001 20 21,13 48 256 16 12/8G — 12/2 2
C8051F002 20 20,54 32 256 8 12/4G — 12/2 1
C8051F005 25 25,23 64 256+2К 32 12/8G — 12/2 2
C8051F006 25 24,35 48 256+2К 16 12/8G — 12/2 2
C8051F007 25 24,03 32 256+2К 8 12/4G — 12/2 1
C8051F010 20 19,07 64 256 32 10/8G — 12/2 2
C8051F011 20 18,19 48 256 16 10/8G — 12/2 2
C8051F012 20 17,31 32 256 8 10/4G — 12/2 1
C8051F015 25 22,30 64 256+2К 32 10/8G — 12/2 2
C8051F016 25 21,42 48 256+2К 16 10/8G —- 12/2 2
C8051F017 25 20,54 32 256+2К 8 10/4G — 12/2 1
C8051F018 2[13] 25 15,49 64 16 256+1К 32 10/8 — 2
C8051F019 25 14,55 48 256+1К 16 10/8 — — 2
C8051F020 3[14] 25 29,17 100 64 256+4К 64 l2C+SPI+2UART+ +WDT+5T+PCA/5 12/8G 8/8G 12/2 2
C8051F021 25 27,64 64 256+4К 32 12/8G 8/8G 12/2 2
C8051F022 25 26,14 100 256+4К 64 10/8G 8/8G 12/2 2
C8051F023 25 24,71 64 256+4К 32 10/8G 8/8G 12/2 2
C8051F040 4[15] 25 29,17 100 256+4К 64 l2C+SPI+2UART+ +WDT+5T+PCA/6+CAN 12/13G 8/8G 12/2 3
C8051F041 25 23,65 64 256+4К 32 12/13G 8/8G 12/2 3
C8051F042 25 26,18 100 256+4К 64 10/13G 8/8G 12/2 2
C8051F043 25 24,72 64 256+4К 32 10/13G 8/8G 12/2 2
C8051F206 5[16] 25 15,20 48 8 256+1К 32 SPI+UART+WDT+3T 12/32 — — 2
C8051F220 25 9,24 48 256 32 8/32 — — 2 .
C8051F221 25 8,77 32 256 22 8/22 — — 2
C8051F226 25 11,00 48 256+1К 32 8/32 — — 2
C8051F230 25 7,78 48 256 32 — — — 2
C8051F231 25 7,48 32 256 22 — — — 2
C8051F236 25 9,54 48 256+1К 32 — — — 2
C8051F300 6[17] 25 8,48 11 256 8 SPI+UART+WDT+ +3T+PCA/3 8/8G — — 1
C8051F300P 25 14,90 11 256 8 8/8G — — 1
C8051F301 25 7,95 11 256 8 — — — 1
C8051F302 25 7,01 11 256 8 8/8G — — 1
C8051F303 25 6,48 11 256 8 — — — 1
C8051F304 25 6,48 11 4 256 8 — — — 1
C8051F305 25 6,48 11 2 256 8 — — — 1
C8051F120 7[18] 100 37,68 100 128 256+8К 64 l2C+SPI+2UART+ +WDT+5T+PCA/6 12/8G 8/8G 12/2 2
C8051F121 100 36,51 64 256+8К 32 12/8G 8/8G 12/2 3
C8051F122 100 35,28 100 256+8К 64 10/8G 8/8G 12/2 2
C8051F123 100 32,99 64 256+8К 32 10/8G 8/8G 12/2 2
C8051F124 50 31,45 100 256+8К 64 12/8G 8/8G 12/2 2
C8051F125 50 30,00 64 256+8К 32 12/8G 8/8G 12/2 3
C8051F126 50 28,88 100 256+8К 64 10/8G 8/8G 12/2 2
C8051F127 50 27,44 64 256+8К 32 10/8G 8/8G 12/2 2
C8051F310 8[19] 25 — 32 16 256+1К 29 l2C+SPI+UART+ +WDT+4T+PCA/5 10/21G —- — 2
C8051F311 25 — 28 256+1К 25 10/17G — — 2
C8051F060 9[8] 25 — 100 64 256+4К 59 l2C+SPI+2UART+ +WDT+5T+PCA/6+CAN 16/2 10/8 12/2 3
C8051F061 25 — 64 256+4К 24 16/2 10/8 12/2 3
C8051F062 25 — 100 256+4К 59 16/2 10/8 12/2 3
C8051F063 25 — 64 256+4К 24 16/2 10/8 12/2 3
C8051F320 10[9] 25 — 32 16 256+2К 24 rC+SPI+UART+WDT+ +4T+PCA/5+USB 10/17 — — 2
C8051F321 25 — 28 256+2К 21 10/13 — — 2
C8051F330 11[10] 25 — 20 8 256+512 17 PC+SPI+UART+WDT+ +4T+PCA/3 10/16 — 10/1* 1
C8051F331 25 — 20 256+512 17 — — — 1
и усовершенствованный интерфейс UART.
Имеется программируемый массив-счет-
чик РСА с пятью модулями захвата/срав-
нения, четыре 16-битных таймера общего
назначения и усовершенствованный аппа-
ратный охранный таймер WDT.
Микроконтроллеры имеют развитый
узел тактового генератора, включающий
встроенный прецизионный тактовый ге-
нератор, поддерживающий все режимы
интерфейсов, а также генератор, способ-
ный работать с кварцевым или пьезоке-
рамическим резонатором, RC-цепочкой,
одиночным конденсатором или внешним
генератором. Переключение между внут-
ренним и внешним генераторами могут
осуществляться «на лету». Таймер или
РСА могут работать в режиме реально-
го времени RTC при наличии внешнего
задающего генератора.
Доступ ко всем периферийным узлам
осуществляется через традиционную
одностраничную SFR карту регистров.
Напряжение питания микроконтролле-
ров — от 2,7 до 3,6 В. Максимальный ток
потребления — не более 26 мА. Имеются
два режима энергосбережения. Рабочий
диапазон температур — от -40 до +85 °C.
Семейство
микроконтроллеров
C8051F33X
Семейство C8051F33x [10] (одиннад-
цатое семейство) содержит две модели
С8051F330/331. Основные технические
параметры семейства приведены в
табл. 3.
Это семейство имеет среднюю пико-
вую производительность — 25 MIPS.
Подсистема ядра и памяти
Микроконтроллеры имеют высокопро-
изводительное усовершенствованное
ядро CIP-51 с конвейерной организаци-
ей. За счет этого 70 % инструкций вы-
полняются за один или два такта систем-
ной частоты. Возможно прерывание от
13 источников. Микроконтроллеры име-
ют встроенную Flash-память программ/
данных объемом 8 К с размером секто-
ра 512 байт. Оперативная память состо-
ит из основой памяти объемом 256 бай-
тов и дополнительной в пространстве
адресов внешней памяти XRAM объемом
512 байт, таким образом общий объем
встроенной памяти составляет 768 байт.
Аналоговая подсистема
В микроконтроллере C8051F330 имеет-
ся один 10-разрядный аналого-цифровой
преобразователь среднего быстродей-
ствия ADC (200 ksps) со входным мульти-
плексором AMUX на 16 входов. Входной
мультиплексор может быть настроен в ре-
жим обработки однополярных, либо диф-
ференциальных сигналов. Он также име-
ет функцию «окна», которая была описана
выше. Кроме того, входной мультиплексор
имеет дополнительный внутренний вход,
к которому подключен встроенный темпе-
ратурный датчик, позволяющий измерять
температуру кристалла с точностью +3 °C.
Аналого-цифровой преобразователь мо-
жет работать от встроенного источника
опорного напряжения, внешнего источни-
ка или использовать в качестве опорного
напряжение источника питания. Запуск
аналого-цифрового преобразователя мо-
жет происходить как от внутреннего источ-
ника, так и от внешнего управляющего
сигнала.
Кроме аналого-цифрового преобразо-
вателя в микроконтроллере C8051F330
имеется один 10-разрядный цифро-ана-
логовый преобразователь с токовым
выходом. Обновление выходного тока
может синхронизироваться по перепол-
нению одного из таймеров общего на-
значения или по фронту импульса на
специальном входе. Значение полного
выходного тока (коэффициент усиления)
может задаваться программно: 0 мА
(IDA0 выключен), 1; 1,5 или 2 мА.
В составе аналоговой периферии всех
микроконтроллеров имеется также один
аналоговый компаратор с программиру-
емым гистерезисом (отдельно положи-
тельным и отрицательным) и устанавли-
ваемым временем реакции. Важной
особенностью компаратора является
малая величина входного тока, не пре-
вышающая 0.4 мкА.
Кроме этого, аналоговая подсистема
содержит развитый монитор питания и
сброса.
Подсистема цифровой
периферии
Как и все микроконтроллеры фирмы
Cygnal, микроконтроллеры описываемо-
го семейства имеют встроенный интер-
фейс программирования JTAG и отлад-
ки в режиме реального времени.
Микроконтроллеры C8051F330/331
имеют 17 линий ввода/вывода. В со-
став набора интерфейсов входят: ин-
терфейс SMBus, совместимый с 12С,
интерфейс SPI и усовершенствованный
интерфейс UART. Кроме того, имеется
программируемый массив-счетчик РСА
с тремя модулями захвата/сравнения,
четыре 16-битных таймера общего на-
значения и усовершенствованный ап-
паратный охранный таймер WDT.
Микроконтроллеры имеют развитый
узел тактового генератора, включаю-
щий встроенный прецизионный калиб-
руемый тактовый генератор, работаю-
щий на частоте до 24,5 МГц и
поддерживающий все режимы интер-
фейсов, а также способный работать с
кварцевым или пьезокерамическим ре-
зонатором, RC-цепочкой, одиночным
конденсатором или от внешнего сигна-
ла. Переключение между внутренним и
внешним генераторами могут осуществ-
ляться «на лету». Кроме того, имеется
второй встроенный калибруемый низко-
частотный генератор с набором частот
80/40/20/10 кГц.
Таймер или РСА могут работать в ре-
жиме реального времени RTC при нали-
чии внешнего задающего генератора.
Доступ ко всем периферийным уз-
лам осуществляется через традици-
онную одностраничную SFR карту ре-
гистров.
Напряжение питания микроконтролле-
ров — от 2,7 до 3,6 В. Максимальный ток
потребления — не более 6,4 мА при ра-
бочей частоте 25 МГц и только 9 мкА при
частоте 32 кГц. Имеются два режима
энергосбережения. Рабочий диапазон
температур — от -40 до +85 °C.
Общая номенклатура
микроконтроллеров фирмы
Cygnal
В табл. 4 приведено современное об-
щее состояние выпуска микроконтрол-
леров фирмы Cygnal. В графе «Цена»
представлена ориентировочная сто-
имость в $, любезно предоставленная
фирмой «Атос» [11]. В графе «Предель-
ная частота» указана максимальная ра-
бочая тактовая частота в МГц, причем
указанная цифра соответствует одно-
временно и пиковой производительно-
сти. В графе «Корпус» указано только
число контактов микросхемы. При этом
читатель должен помнить, что фирма
Cygnal использует четыре типа корпу-
сов: TQFP для 100, 64 и 48 выводов;
LQFP для 32 выводов; MLP для корпу-
сов с меньшим числом выводов за исклю-
чением микроконтроллера C8051F300P,
который выпускается в корпусе PDIP-14.
В графе «Оперативная встроенная па-
мять» указана основная оперативная па-
мять IRAM (256 байт) плюс значение до-
полнительной встроенной оперативной
памяти XRAM в килобайтах, располо-
женной в пространстве адресов внеш-
ней памяти.
В графе «Цифровая периферия» ука-
зано наличие интерфейсов SPI, UART,
l2C (SMBus), охранного таймера WDT,
число таймеров общего назначения —
хТ, программируемый массив-счетчик
РСА/х, где х — число модулей захвата/
сравнения.
В графе «Аналоговая периферия» ука-
зано наличие аналого-цифровых преоб-
разователей ADC0 и ADC1, цифро-ана-
логового преобразователя DAC, анало-
говых компараторов СРТ. Для аналого-
цифровых и цифро-аналоговых преобра-
зователей первая цифра означает
разрядность. Через дробь указано мак-
симальное число входных однополярных
(ADC) и выходных (DAC) каналов. Сим-
вол G для ADC означает наличие про-
граммируемого предварительного усили-
теля. Символ «*» для цифро-аналогового
преобразователя микроконтроллера
C8051F330 — токовый выход.
Таким образом, на сегодняшний день
фирмой Cygnal выпускается 54 модели,
объединенные в 11 семейств.
Олег Николайчук,
onic@ch.moldpac.md
Литература:
1. http://www.cygnal.com.
2. О. Николайчук. Семейства х51
микроконтроллеров фирмы Cygnal. —
Компоненты и технологии, 2002, Ne 1,
с. 86—91.
3. А. Бизюков. Новые микроконтрол-
леры серии 8051 с интегрированными
АЦП и ЦАП высокого разрешения для
высокоскоростных приложений. — Ком-
поненты и технологии, 2002, № 5,
с.102—104.
4. А. Фрунзе. К вопросу о производи-
тельности микроконтроллеров фирмы
Cygnal. — Компоненты и технологии,
2002, № 4, с.106—108.
5. О. Николайчук. Эксперименты с
микроконтроллерами фирмы Cygnal. —
Схемотехника, 2002, № 8, с. 48—50;
№ 10, с. 44—46; № 11, с. 36—39; 2003,
№ 2, с. 38—40, № 3, с. 37—40, Ne 4,
С. 41—45, Ne 5, С. 10—16.
6. О. Николайчук Микросистемы сбо-
ра данных фирмы Cygnal. — Электрон-
ные компоненты, 2002, № 5,
с. 109—112.
7. О. Николайчук. Микроконтроллеры
фирмы Cygnal. — М., ООО «ИД Ски-
мен», 2002.
8. http://www.cygnal.com/datasheets/
c8051f06x.pdf.
9. http://www.cygnal.com/datasheets/
c8051f32x.pdf.
10. http://www.cygnal.com/datasheets/
c8051f33x.pdf.
11. http://www.atos.ru.
12. http://www.cygnal.com/datasheets/
c8051f0xx.pdf.
13. http://www.cygnal.com/datasheets/
c8051f018-9.pdf.
14. http://www.cygnal.com/datasheets/
c8051f02x.pdf.
15. http://www.cygnal.com/datasheets/
c8051f04x.pdf.
16. http://www.cygnal.com/datasheets/
с8051f2xx.pdf.
17. http://www.cygnal.com/datasheets/
c8051f30x.pdf.
18. http://www.cygnal.com/datasheets/
c8051f12x.pdf.
19. http://www.cygnal.com/datasheets/
c8051f31x.pdf.
I Продолжение. Начало — N° 5/2003)
CoolRunner-ll — новое поколение
высокопроизводительных ПЛИС
CPLD фирмы Xilinx
с микромощным потреблением
Формирование тактовых
сигналов с использованием
встроенного делителя
частоты в микросхемах
семейства CoolRunner-ll
В состав ПЛИС семейства CoolRunner-ll,
содержащих 128 и более макроячеек, кро-
ме основных элементов, рассмотренных в
предьщущем разделе, входит встроенный
делитель частоты тактового сигнала. Этот
модуль, выполняющий деление частоты
входного сигнала на 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14 и
16, сопряжен с одним из трех контактов
микросхемы, которые предназначены для
подключения глобальных тактовых сигна-
лов а именно, с выводом GCK2 Встроен
ный делитель позволяет получить внутрен-
ний тактовый сигнал с требуемым
значением частоты, не используя основных
логических ресурсов микросхемы (макро-
ячеек). Структурная схема, приведенная на
рис. 4, иллюстрирует процесс формирова-
ния внутреннего сигнала синхронизации.
Внешний тактовый сигнал, поступающий на
контакт ПЛИС GCK2 через буферный эле-
мент, связанный с глобальной цепью синх-
ронизации, передается на вход встроенно
го делителя частоты. С выхода делителя
сигнал с выбранным значением частоты
через глобальные цепи распределяется по
всем функциональным блокам микросхе-
мы. Глобальные цепи ПЛИС семейства
CoolRunner-ll обеспечивают распростране-
ние тактовых сигналов внутри микросхем
без временных перекосов.
Встроенный делитель частоты содер-
жит вход синхронного сброса с актив-
ным высоким логическим уровнем сиг-
нала Сигнал сброса может подаваться
через специально выделенный контакт
микросхемы CDRST. При переключе-
Схемотехника № 6 июнь 2003
Без начальной
задержки
С начальной
задержкой
Рис. 5
нии сигнала на входе сброса в состоя-
ние высокого логического уровня вы-
ход делителя частоты блокируется пос-
ле завершения текущего цикла. При
подаче питания ПЛИС выход устанав-
ливается в состояние низкого логичес-
кого уровня.
В состав встроенного делителя час-
тоты также входит схема генерации на-
чальной задержки, которая позволяет
после выполнения процедуры сброса
или включения питания микросхемы
внести дополнительный временной
сдвиг на выходе, длительность которо-
го равна одному полному периоду фор-
мируемого тактового сигнала. На рис. 5
показаны временные диаграммы, пояс-
няющие процесс получения внутренних
тактовых сигналов без задержки и с
начальным временным сдвигом путем
деления частоты входного сигнала син-
хронизации на 2 и 16.
Средства разработки и синтеза проек-
тов серии ISE (Integrated Synthesis
Environment) содержат группу компонен-
тов, которые позволяют достаточно про-
сто реализовать различные режимы
функционирования встроенного делите-
ля частоты тактового сигнала. Эти ком-
поненты могут использоваться как при
схемотехническом представлении проек-
тируемого устройства, так и при исполь-
зовании языков описания аппаратуры
высокого уровня HDL (Hardware
Description Language) VHDL™, Verilog™
и ABEL™ HDL. Для каждого режима ра-
боты делителя предусмотрен соответ-
ствующий компонент.
Компоненты, обозначения которых соот-
ветствуют шаблону CLK DIVn (CLK DIV2,
CLK DIV4, CLK DIV6, CLK DIV8, CLK.DIV10,
CLK DIV12, CLK DIV14, CLK DIV16), пред-
ставляют делитель частоты с соответству-
ющим коэффициентом деления, который не
использует вход асинхронного сброса и
цепи начальной задержки формируемого
сигнала. На рис. 6 приведена схема фор-
мирования внутреннего тактового сигна-
ла из внешнего сигнала синхронизации,
выполненная на основе этих компонентов
в схемотехническом редакторе Engineering
Schematic Capture™ (ECS) САПР серии
ISE. Буферный элемент, который должен
находиться между входным контактом
ПЛИС GCK2 и соответствующим входом
встроенного делителя частоты, можно не
устанавливать. Средства синтеза XST™
(Xilinx Synthesis Technology) автоматичес-
ки выполняют включение требуемых бу-
ферных элементов во входные и выход-
ные цепи схемы проектируемого устрой-
ства.
Ниже показан образец применения
компонентов CLK DIVn в составе VHDL-
описания проектируемого устройства.
Вместо л следует указать требуемый ко
эффициент деления. Порт CLKIN соот-
ветствует входу внешнего тактового сиг
нала, поступающего с контакта ПЛИС
GCK2, a CLKDV — выходу делителя, с
которого снимается внутренний такто-
вый сигнал.
Декларация компонента CLK_DIVn и
внутреннего тактового сигнала
component CLK_DIVn is
port (
CLKIN in STD_LOGIC;
CIKDV out STD LOGIC
);
end component;
signal <название-Выходного_си гнала_де-
лителя> std_logic;
- Создание экземпляра компонента
<обозначение(название)_экземпляра_компо-
нента>: CLK_DIVn
port map(
CLKIN => <название_входного_тактового_-
сигнала>
CLKDV => <название_выходного сигнала_-
делителя>
);
В качестве примера далее приведено
описание на языке VHDL встроенного
делителя частоты сигнала clkjn без вхо-
да синхронного сброса и начального вре-
менного сдвига, функционирующего в
режиме деления на 2.
component CLK_DIV2 is
port (
CLKIN . in STDLOGIC;
CLKDV out STD LOGIC
);
end component;
CLK DIVn
(CLK DIVnSD)
Рис. 6
signal clk_div_2 std_loglc;
U1: CLK_DIV2
port map(
CLKIN => clk_in,
CLKDV => elk dlv_2
);
Компоненты с названиями вида
CLKJDIVnR (CLK_DIV2R, CLKJDIV4R,
CLKJDIV6R, CLKJDIV8R, CLKJDIV10R,
CLKJDIV12R, CLK DIV14R, CLKJDIV16R)
позволяют сконфигурировать делитель
частоты с соответствующим коэффици-
ентом деления п и асинхронным сбро-
сом, формирующий выходной сигнал без
начальной задержки. Применение ука-
занных компонентов в схемотехнической
форме отображено на рис. 7.
В приведенном ниже фрагменте пока-
зан способ использования компонентов
CLKJDIVnR при описании устройства с
использованием языка VHDL. Порт
CDRST соответствует входу сигнала
сброса.
- Декларация компонента CLK_DIVnR и
внутреннего тактового сигнала
component CLKDIVnR Is
port (
CLKIN : in STDJOGIC;
CDRST in STD_LOGIC;
CLKDV out STDJOGIC
);
end component;
signal <название_выходного_сигнала_де-
лителя> std_logic.
- Создание экземпляра компонента
<обозначение(название)экземпляра_ком-
понента>: CLK_DIVnR
port map (
CLKIN => <название входноготактового-
сигнала>,
CDRST => <название_сигнала_сброса>,
CLKDV => <название_выходного_сигнала_-
делителя>
):•
Например, следующий фрагмент опи-
сания представляет встроенный дели-
тель частоты тактового сигнала clkjn на
16 со входом сброса div_reset.
component CLK_DIV16R is
port (
CLKIN • in STDJOGIC;
CDRST in STDJOGIC;
CLKDV . out STDJOGIC );
end component;
signal clk.div_16 std_logic:
U1: CLKJIV16R
port map (
CLKDIVnR
(CLKOIVnRSD)
.____GCK2
| GCH2>~—-------CDRST
CLKDV
-----.CDRST
| CDRST?-—------>CLKIN
DIVIDED CLK
CLKIN => elk in,
CDRST => div_reset,
CLKDV => clk_div_16
);
Компоненты, идентификаторы которых
имеют вид CLKJDIVnSD (CLKJDIV2SD,
CLKJDIV4SD, CLKJDIV6SD, CLKJDIV8SD,
CLKJDIV10SD, CLKDIV12SD, CLKJDIV14SD,
CLK_DIV16SD), предназначены для реа-
лизации в составе проекта встроенно-
го делителя частоты с указанным коэф-
фициентом деления п и начальной
задержкой выходного сигнала на один
период. Указанные компоненты применя-
ются в составе схем и модулей HDL-опи-
саний в той же форме, что и компоненты
CLK_DIVn. Например, для формирования
внутреннего тактового сигнала clk_div_4
(путем четырехкратного деления частоты
входного сигнала синхронизации clkjn) с
начальным запаздыванием на один пери-
од следует включить в состав VHDL-опи-
сания следующие выражения декларации
и создания экземпляра компонента
CLKDIV4SD.
component CLK_DIV4SD is
port (
CLKIN in STDJOGIC;
CLKDV out STD.LOGIC
);
end component;
signal clk_div_4 stdjogic;
U1: CLK_DIV4SD
port map (
CLKIN => clk_in,
CLKDV => clk_div_4
);.
Для включения в состав проекта
встроенного делителя частоты с тре-
буемым коэффициентом деления,
асинхронным сбросом и начальной за-
держкой выходного сигнала следует
использовать компоненты с названия-
ми вида CLKJDIVnRSD (CLKJDIV2RSD,
CLKJDIV4RSD, CLK_DIV6RSD,
CLKJDIV8RSD, CLKJDIV10RSD,
CLKJDIV12RSD, CLKJDIV14RSD). Способ
их применения в схемах и модулях HDL-
описаний тот же, что и для компонентов
CLKJDIVnR. Использование компонентов
CLK DIVnRSD в составе исходного мо-
дуля проекта, написанного на языке
VHDL, иллюстрирует описание восьми-
кратного делителя тактовой частоты с
асинхронным сбросом и начальной за-
держкой формируемого сигнала.
component Cl K JIV8RSD is
port (
CLKIN : in STD_LOGIC;
CDRST in STD_LOGIC;
CLKDV : out STD LOGIC );
end component;
signal clk_div_8 stdjogic;
UI: CLK DIV8RSD
port map (
CLKIN => elk,
CDRST => clk_ reset,
CLKDV => clk-div 8
Применение методики
CoolCLOCK в микросхемых
семейства CoolRunner-ll
Методика CoolCLOCK, предлагаемая
фирмой Xilinx, направлена на снижение
мощности, потребляемой в динамическом
режиме микросхемыми семейства
CoolRunner-ll с числом макроячеек 128 и
более. Предпосылками создания этой
методики явились такие архитектурные
особенности указанных ПЛИС, как нали-
чие встроенного делителя частоты такто-
вого сигнала и возможность конфигури-
рования триггеров, тактируемых фронтом
и спадом сигнала синхронизации.
Значение тока, потребляемого микро-
схемой от источника питания в динами-
ческом режиме, напрямую зависит от
частоты сигналов устройства, проекти-
руемого на его основе. Использование
методики CoolCLOCK позволяет добить-
ся значительного уменьшения потребля-
емой мощности ПЛИС за счет двукрат-
ного понижения частоты внутреннего
сигнала синхронизации, которое выпол-
няется встроенным делителем частоты.
При этом требуемая производительность
проектируемого устройства достигается
за счет использования в макроячейках
триггеров, управляемых фронтом и спа-
дом тактового сигнала. Следует обра-
тить внимание на то, что применение
CoolCLOCK возможно только по отноше-
нию к сигналу синхронизации, поступа-
ющему со входа ПЛИС GCK2. Как уже
упоминалось, только этот контакт микро-
схемы сопряжен со входом встроенного
делителя частоты тактового сигнала.
Структурная схема, приведенная на
рис. 8, наглядно иллюстрирует реализа-
цию методики CoolCLOCK. Внешний так-
товый сигнал, который подается на вход-
ной контакт микросхемы GCK2, поступает
на вход встроенного делителя частоты. С
выхода делителя снимается внутренний
сигнал синхронизации, частота которого
в два раза ниже, чем у внешнего такто-
вого сигнала. Далее внутренний тактовый
сигнал через глобальные цепи ПЛИС пе-
редается на соответствующие входы мак-
роячеек, используемых в проекте. В этих
макроячейках триггерный элемент конфи-
гурируется как триггер, тактируемый
фронтом и спадом сигнала синхрониза-
ции.
Для применения методики
CoolCLOCK в разрабатываемых проек-
тах достаточно присвоить атрибут
COOLJDLK входной цепи синхрониза-
ции, подключенной к контакту ПЛИС
GCK2. Этот атрибут может быть указан
в файле временных и топологических ог-
раничений проекта UCF (User Constraint
File) или непосредственно в модуле ис-
ходного описания на используемом язы-
ке HDL. Применение файла UCF явля-
ется в большинстве случаев наиболее
универсальным способом установки ат-
рибутов, так как сочетается с различ-
ными формами описания проектируемо-
го устройства. Формат атрибута
COOLJDLK, применяемый в файле UCF,
имеет следующий вид:
NET <название_цепи_синхронизации>
C00LJLK;.
У прав ляюицш сигнал Бит конфигурационной
последовательности,
активизирующий функцию
/DataGate
Триггер защелка
u входных данных
Входной рмч виивиив-—и_>>-жживввв—
контакт I—"*
кристалла быстродействующей
переключающей матрице
АМ
Рис. 9
в микросхем, имеется соответствующий
бит данных, значение которого определя-
ет, будет ли использована функция управ
ления этого ключа. Если функция
DataGATE активизирована, то при наличии
активного уровня управляющего сигнала
производится блокировка этой входной
цепи, а значение входного информацион
ного сигнала в момент блокировки запи-
сывается в регистр-защелку.
Для применения функции DataGATE в
разрабатываемом проекте предназначены
два атрибута. Первый из них, DATA GATE.
определяет название входной цепи, для
которой используется функция DataGATE.
Этот атрибут как и COOL_CLK, может
задаваться в файле временных и тополо-
гических ограничений UCF или непосред-
ственно в модуле исходного HDL-описания
проекта. Формат строки, устанавливаю-
щей атрибут DATA GATE в файле UCF,
имеет следующий вид
NET <название_входной_цепи> DATA GATE:.
Например,
NET data_input DATAGATE;
Синтаксис выражений, задающих ат-
рибут DATAJ3ATE в модуле исходного
VHDL-описания, выглядит следующим
образом:
attribute DATA_GATE : STRING,
attribute DATA_GATE of <название_вход-
ной_цепи>: signal is «TRUE»;
Например,
Схемотехника Ns 6 июнь 2003
Например,
NET clk_ext COOL-CLK:.
Чтобы задать атрибут COOL_CLK не-
посредственно в модуле исходного
VHDL-описания, необходимо включить в
него выражения, имеющие следующий
формат:
attribute COOL CLK . string;
attribute COOL_CLK of <название_иепи--
синхронизации>: signal is «TRUE»;.
Например,
attribute COOLCLK : string
attribute COOL_CLK of clk_in signal
is «TRUE»;.
При обнаружении указанного атрибу-
та в файле временных и топологичес-
ких ограничений или в модуле исход-
ного описания проекта программа син
теза XST автоматически включает в
состав синтезированного описания
проектируемого устройства встроен-
ный делитель частоты тактового сигна-
ла, работающий в режиме деления на
два. Кроме того, все триггеры макро-
ячеек, на которые подается сформиро-
ванный сигнал синхронизации с пони-
женной частотой, автоматически син-
тезируются как элементы, тактируемые
фронтом и спадом этого сигнала.
Реализация технологии
DataGATE в ПЛИС семейства
CoolRunner-il
Дополнительным способом сокраще-
ния потребляемой мощности микросхем
семейства CoolRunner-ll, содержащих
128 и более макроячеек, является ис-
пользование запатентованной техноло-
гии DataGATE. В ее основе лежит воз-
можность управления блокировкой
входных сигналов, поступающих на кон-
такты микросхемы Если значения вход-
ных сигналов используются в проектиру-
емом устройстве только в определенные
моменты времени, то в остальные, дос-
таточно продолжительные временные
интервалы, эти сигналы могут быть заб-
локированы при использовании специ-
альных ресурсов микросхемы. Тем са-
мым снижается потребляемая мощность
в соответствующих цепях ПЛИС. Приме-
нение функции DataGATE дает заметный
выигрыш в снижении потребляемой
мощности при реализации на основе
микросхем семейства CoolRunner-ll раз-
личных шинных интерфейсов.
Рис. 9 поясняет принцип технологии
DataGATE на примере одной входной цепи
микросхемы В каждой входной цепи
ПЛИС семейства CoolRunner-ll, логическая
емкость которых составляет не менее 128
макроячеек, между входным буфером и
входом быстродействующей переключаю-
щей матрицы AIM предусмотрен управля-
емый ключ и регистр-защелка. Для каж
дой входной цепи проекта в конфигураци-
онной последовательности, загружаемой
attribute DATA_GATE : STRING;
attribute DATA_GATE of data_input
signal is «TRUE»;.
Следует обратить внимание на то,
что, если в файле исходного описания
атрибут DATA_GATE задается для не-
скольких входных цепей, то строка
объявления этого атрибута указывает-
ся только один раз.
Второй атрибут, BUFG=DATA_GATE,
задает название цепи, сигнал которой
управляет процессом блокировки вход-
ных цепей DataGATE Enable (DGE). В
качестве управляющего может использо-
ваться любой сигнал, поступающий на
контакты ввода/вывода микросхемы, или
формируемый внутри ПЛИС. В файле
временных и топологических ограниче-
ний проекта этот атрибут указывается с
помощью строки, формат которой име-
ет следующий вид-
NET <название_цепи_управляющего_сигна-
ла > BUFG=DATA_GATE;.
Например,
NET dg_en BUFG=DATA_GATE,
В модуле исходного описания проекта
на языке VHDL для определения назва-
ния цепи управляющего сигнала DGE
при реализации функции DataGATE ис-
пользуется следующая последователь-
ность выражений:
attribute BUFG . STRING;
attribute BUFG of <название_цепи_уп-
равляющего_сигнала>' signal is
«DATA_GATE-
Например,
attribute BUFG STRING;
attribute BUFG of dg_en signal
«DATA_GATE».
Использование встроенного
триггера Шмитта
во входных цепях
проектируемого устройства
Для использования во входных цепях
проектируемого устройства встроенных
триггеров Шмитта, расположенных в бло-
ках ввода/вывода и предназначенных для
снижения уровня помех, необходимо при-
своить атрибут SCHMITT_TRIGGER соот-
ветствующей цепи, подключенной ко
входному пользовательскому контакту
микросхемы. Формат строки, устанавли-
вающей этот атрибут в файле UCF, выг-
лядит следующим образом:
NET <название_входной_цепи>
SCHMI11 _IИIGGFR;
Например.
NET data-in SCHMITT_TRIGGER;
NET clock SCHMITT_TRIGGER; .
Для установки атрибута
SCHMITT_TRIGGER в модуле VHDL-ис-
ходного описания проекта следует ис-
пользовать выражения
attribute SCHMITTJRIGGER STRING;
attribute SCHMITT TRIGGER of чназвани-
е_входной_цепи> signal is «TRUE»;
Например,
attribute SCHMITTTRIGGER : STRING;
attribute SCHMITT_TRIGGER of data_in:
signal is «TRUE»:
При установке триггеров Шмитта в
нескольких входных цепях достаточно
одного выражения декларации атрибута
SCHMITT_TRIGGER.
Средства синтеза XST при обнаружении
атрибута SCHMITT_TRIGGER автоматичес-
ки включают в состав указанных входных
цепей синтезированного описания проекти-
руемого устройства триггеры Шмитта.
Продолжение следует
Валерий Зотов,
walerry@euro.ru
Семинары «Макро Тим» в 2003 г.
Июнь — Molex с участием представителя от производителя. Тема: «Разъемы серии DIN. Сравнение с аналогичными
изделиями от других производителей».
Предварительная информация:
Сентябрь — Hitachi с участием представителя. Тема: «Новые разработки Hitachi в области микроконтроллеров, LCD,
транзисторов»
Регистрация посетителей:
training@macroteam.ru тел. +7(095)306-0026/4721/4789
факс +7(095)306-0283
www.macroteam.ruchipnews.gaw.ru
И. А. Петров
Радиотелефоны фирмы PANASONIC
Издательство «Горячая линия-Телеком» в серии «Массо-
вая радиобиблиотека» (вып. 1259) выпустило книгу, в кото-
рой приведено описание работы почти двух десятков име-
ющихся на российском рынке беспроводных телефонов
фирмы Panasonic: КХ-ТС1000/1001/1005/1025/1040/1045/
1400/1401/1405/1410/1430/1450/1451/1500/1501/1520, рабо-
тающих как в диапазоне 40 МГц, так и в диапазоне 900
МГц. Даны подробные рекомендации по поиску неисправ-
ностей и их устранению, а также методы настройки. Приве-
дены принципиальные схемы беспроводных телефонов
фирмы Panasonic, для удобства помещенные на вкладках.
Для специалистов по ремонту беспроводных телефонов
и опытных радиолюбителей.
В книге 96 с. и 9 вкладок формата АЗ.
Москва, Горячая линия-Телеком, 2003
The Programmabte'L^jp £отфаг1у
XILINX
VIR
Программируемые
логические интегральные
схем11 с архитектурой FPGA
Программируемые
логические интегральные
охе?мы с архитектурой CPLD
САПР и средства отладки
цифровых систем на базе
ПЛИС
”' - - СК !!!
>-?'lNUNE
Официальный дистрибьютор фирмы XILINX в России, Беларуси и Украине:
123007, Москва, Хорошевское шоссе, д.38, корп.1, 4 этаж.
тел.: (095) 787-59-40, факс: (095) 787-59-35
email: xiiinx@iniinegroup.ru, http.//www.plis ru
Универсальная цифровая
шкала-частотомер
В статье описывается новая разработка «Мастер КИТ» — универ-
сальная цифровая шкала-частотомер. Устройство многофункци-
онально и позволяет на своей основе создать небольшой изме-
рительный комплекс. В базовой комплектации прибор способен
измерять частоту до 1,5 МГц, с активным щупом NM8051/2 — до
15/150 МГц, с активным щупом NM8051/1 — до 1,3 ГГц, измерять
напряжение с дополнительным блоком NM8051/3, измерять резо-
нансную частоту звукоизлучающих головок с дополнительным
блоком NM8051/4 и т. д. На базе устройства можно сделать циф-
Наличие в статье штампа пред-
полагает наличие набора. Спраши-
вайте в магазинах по продаже ком-
понентов
ровую шкалу для радиостанции или радиоприемника, поскольку
прибор позволяет вводить поправку для суммирования или вы-
читания с текущими показаниями (например, для учета значения
промежуточной частоты и т. п.).
Небольшие размеры, широкий диапазон питающих напряжений,
малое потребление тока, высокие эксплуатационные характерис-
тики, многофункциональность, надежность, простота в изготовле-
нии и настройке, низкая стоимость делают это устройство крайне
привлекательным. Собрать цифровую шкалу-частотомер можно
из набора NM8051.
На практике почти каждый радиолю-
битель или ремонтник рано или
поздно сталкивается с проблемой
использования цифровой шкалы-часто-
томера. Такое устройство заводского
производства, как практически все ра-
диотехнические измерительные прибо-
ры, имеет достаточно высокую цену и
часто бывает не по карману простому
радиолюбителю. Сразу возникает воп-
рос, а нельзя ли изготовить подобный
прибор с подходящими характеристика-
ми самостоятельно? Тем более, что со-
временная элементная база имеет дос-
таточно широкую номенклатуру и невы-
сокую стоимость. Ответ на вопрос оче-
виден — конечно можно1
Поэтому перед специалистами «Мастер
КИТ» была поставлена и успешно реше-
на задача по разработке такого частото-
мера, обладающего отличными характе-
ристиками и невысокой стоимостью.
Система построена на базе современ-
ного быстродействующего микроконт-
роллера фирмы Atmel с RISC архитекту-
рой. Отличительной особенностью часто-
томера является автоматически изменя-
Схемотехника Ne 6 июнь 2003
емое время счета.
При быстрой пере-
стройке частоты вре
мя счета составляет
0,1 с (прибор отобра-
жает информацию
один раз в 0,1 с с точ
ностью 10 Гц), а при
фиксации измеряе-
мой частоты — 1 с
(один раз в 1 с с точ-
ностью 1 Гц). Подоб-
ный алгоритм работы
повышает нагляд-
ность и удобство сня
тия показаний при на
стройке радиосистем
различного класса
сложности.
Устройство можно
использовать как
цифровую шкалу для
гетеродинных струк-
тур (радиостанция, Рис"1
радиоприемник и т. д.). Для этого в час-
тотомере предусмотрена возможность
суммирования или вычитания изменяе-
мой числовой константы. Константа и ее
знак вводятся при помощи клавиш уп
равления и сохраняются в знергонезави
симой памяти микроконтроллера.
В базовой конфигурации устройство по
зволяет измерять частоты до 1 5 МГц ам
плитудой не менее 150...200 мВ Однако
при помощи выносных щупов-делителей
диапазон измеряемых частот можно уве-
личить до 15/150 МГц (с активным щупом
NM8051/2 коэффициент деления 10/100),
до 1,3 ГГц (с активным щупом NM8051/1,
коэффициент деления 1000). В этом слу
чае показания частотомера необходимо
умножать на коэффициент деления.
«Мастер КИТ» планирует выпуск но-
вых дополнительных внешних блоков
(при необходимости с обновлением ПО
микроконтроллера), которые позволят
расширить возможности системы. На-
пример, подключив к частотомеру пре-
образователь напряжение-частота (на-
бор NM8051/3), можно превратить его в
вольтметр или измерить резонансную не-
стогу звукоизлучающих головок с вне-
шним дополнительным блоком NM8051/4
Основное, дополнительное, обновлен-
ное и доработанное программное обеспе-
чение можно наити на сайте
www.masterkit.ru Заменить ПО в микро-
контроллере можно при помощи програм-
матора. собранного из набора NM9211.
Технические характеристики устрой-
ства приведены в табл. 1.
принципиальная схема цифровой шка-
лы-частотомера показана на рис. 1, пе-
речень элементов приведен в табл. 2.
Устройство выполнено на основе мик-
роконтроллера AT90S2313 фирмы Atmel
(DD1) с прошитым программным обеспе-
чением обработки сигналов управления и
индикации восьмиразрядного сдвигового
регистра 74НС164 (DD2), выполняющего
роль расширителя портов микроконтрол-
лера, входного компаратора, выполненно-
Таблица 1
Напряжение питания Un, В 9... 25
Ток потребления, мА 100
Время счета: точность 10 Гц точность 1 Гц 0,1 с 1 с
Максимальная измеряемая частота (без внешнего делителя), Гц 1 500 000
Входная чувствительность В 0,2
Максимальное число индицируемых цифр 8
Максимальное значение константы суммирования/вычитания с показаниями 9 999 999
Размеры печатной платы, мм 84x42
Таблица 2
Схемотехника № 6 июнь 2003
Позиция Наименование Кол.
С1, С4, С12, С13 0,1 мкФ 4
С2 10 мкФ/16. ,50 В 1
СЗ 1000 мкФ/25 В 1
С5 1000 пФ 1
С6 10 пФ 1
С7 47 мкФ/16.,.50 В 1
С8 1000 мкФ/ЮВ 1
С9 30 пФ 1
СЮ 4,8...20 пФ 1
С11 68 пФ 1
DA1 7805 1
DA2 LM311 1
DD1 AT90S2313 1
DD2 74НС164 1
HG1 АЛС318А 1
R1, R3 100 Ом 2
R2, R8—R10 4,7 кОм 4
R4, R5, R7 10 кОм 3
R6 1 МОм 1
R11—R18 330 Ом 8
SA1 Переключатель движковый, угловой 1
SB1, SB2 Микрокнопка угловая 2
VD1 DB107 1
VD2 1N4148 1
ХР1 Разъем питания 01,3 мм 1
ХР2 Разъем интерфейсный, 5-ти контактный 1
ZQ1 Кварцевый резонатор 4 МГц 1
Штыревой разъем 3-х контактный 2-х рядный 1
Штыревой разъем 3-х контактный 1
Штыревой разъем 4-х контактный 1
Штыревой разъем Угловой, 16-ти контактный 1
— Колодка DIP-8 1
— Колодка DIP-14 1
— Колодка DIP-20 1
Корпус BOX М-32 1
го на микросхеме LM311 (DA2), и цепи пи-
тания (С1, СЗ, С8, С12, VD1, DA1). Диод-
ный мост VD1 защищает схему от возмож-
ной переполюсовки проводов при
подключении источника питания и в то же
время может работать как выпрямитель
при подключении устройства к трансфор-
матору.
Подстроечным конденсатором С10
осуществляется точная настройка часто-
томера по эталонному генератору.
Внешние щупы и дополнительные ус-
тройства подключают к интерфейсному
разъему ХР2 согласно табл. 3, разъем
ХРЗ дублирует ХР2.
Разъем ХР4 зарезервирован для ра-
боты с ПО следующих версий и позво-
ляет дублировать кнопки SB1 и SB2.
Светодиодный индикатор АЛС-318А
подключается через разъем ХР5.
На плате предусмотрено место под
установку шестиконтактного разъема
программирования контроллера через
интерфейс SPL
Набор комплектуется микросхемой
микроконтроллера с прошитым про-
граммным обеспечением версии
NM8051.3.
При включении устройства на экра-
не высвечивается номер ПО. Далее ус-
Таблица 3
Название Назначение
IN Вход частотомера
+Ucc Напряжение +5 В от DA2
SCL Шина ГС, CLOCK
SDA Шина ГС, DATA
GND Общий провод
тройство переходит в режим измерения
частоты.
Как уже указывалось выше, при быст-
рой перестройке измеряемой частоты
показания прибора для наглядности и
удобства снятия обновляются с частотой
один раз в 0,1 с, обеспечивая при этом
точность 10 Гц. При фиксации измеряе-
мой частоты устройство автоматически
переходит в режим измерения с частотой
обновления показаний один раз в секун-
ДУ с точностью 1 Гц.
В программе предус-
мотрена установка чис-
ловой константы, кото-
рая будет вычитаться
или суммироваться с те-
кущими показаниями
прибора. При нажатии на
кнопку SB2 на индикато-
ре высвечивается теку-
щее значение константы.
При нажатии на кнопку
SB1 происходит переход
устройства в режим ус-
тановки значения кон-
станты. При повторном
нажатии на SB1 осуще-
ствляется выбор уста-
навливаемого разряда в
константе (подсвечива-
ется точкой), а кнопкой
SB2— выбор значения
разряда константы в ди-
апазоне 0...9. В после-
днем разряде устанав-
ливается режим
суммирования (в разря-
де нет индикации) или
вычитания (знак “-”) кон-
станты с показаниями. Выход из режима
установки происходит при нажатии на
SB2. Значение константы сохраняется в
энергонезависимой памяти микроконт-
роллера и остается неизменным при от-
ключении источника питания.
Для индикации реального значения ча-
стоты необходимо установить значение
константы, равное 0.
Внимание! При первом включении ус-
тройства необходимо сразу выставить
значение константы, в противном случае
прибор функционировать не будет.
Устройство поддерживает “горячее” под-
ключение активного щупа NM8051/1, обес-
печивающего деление входной частоты на
1000 и работающего в диапазоне частот
1 МГц... 1,3 ГГц. При подключении щупа ча-
стотомер автоматически опознает его, про-
граммирует микросхему делителя и коррек-
тирует показания. Текущие показания при-
бора нужно умножать на 1000. При отклю-
чении щупа устройство переходит в
обычный режим работы.
Внешний вид устройства показан на
рис. 2, печатная плата — на рис. 3, рас-
положение элементов — на рис. 4.
Частотомер выполнен на печатной пла-
те из фольгированного стеклотекстолита.
Рис. 2
Рис. 3
Рис. 4
Конструкция предусматривает установку
платы в стандартный (BOX М-32) или
иной корпус, для этого на плате пре-
дусмотрены два монтажных отверстия
03 мм.
Перед установкой платы в корпус
BOX М-32 в нем необходимо удалить
две передние стойки. Также в корпусе
следует выполнить отверстия под
разъем питания ХР1, периферийный
разъем ХР2 и выпилить отверстие под
выключатель питания SA1. На плате
необходимо рассверлить штатные от-
верстия 03 мм до диаметра 06 мм. Пе-
ред индикатором с внутренней сторо-
ны передней крышки рекомендуется
установить красный прозрачный свето-
фильтр (оргстекло, пленка и т. д.) для
уменьшения степени засветки индика-
тора и повышения удобства при их счи-
тывании.
Григорий Ганичев,
gan ichev © masterkit.ru
Адреса магазинов, в которых можно
приобрести наборы и модули МАСТЕР
КИТ и журналы “Схемотехника", при-
ведены на с. 54 журнала.
Приборы iButton
Настоящий цикл статей призван ознакомить читателей с особен-
ностями использования и программирования приборов iButton
для переноса конфиденциальной информации. В рамках цикла
будут изложены основные понятия о iButton, приведен протокол
обмена и дано краткое техническое описание основных типов
iButton: DS1991 и DS1994/1993/1992. В цикле статей будут приведе-
ны и описаны подпрограммы драйверов чтения/записи информа-
ции на языке С для х51 -совместимых микроконтроллеров.
Знакомство с iButton
и интерфейсом Micro-LAN
Семейство приборов, известное в насто-
ящее время под общим названием iButton,
было анонсировано компанией Dallas
Semiconductor в 1991 г под товарным зна-
ком «Touch Memory», что переводится при-
мерно, как «прикоснись— память». Это
название достаточно полно соответство-
вало сути нового класса приборов, содер-
жащих, как минимум, постоянную память
(а во многих приборах еще и оперативную
память и другие узлы), считывание кото-
рой возможно при кратковременном при-
косновении прибора к специальному кон-
тактирующему устройству. Интерфейс,
поддерживаемый этими приборами, пер-
воначально получил название «1-Wire»,
т. е. однопроводный, а позднее стал назы-
ваться интерфейсом «Micro-LAN». За пер-
вые пять лет новые приборы получили
достаточно большое распространение
благодаря своим уникальным свойствам,
о которых мы поговорим немного позже.
А в 1997 г. компания Dallas Semiconductor
присвоила этому классу приборов новое
название — (Button (Information Button —
информационная таблетка) [1—3].
Целый ряд уникальных свойств прибо-
ров iButton обеспечивается благодаря
необычному корпусу прибора. Кристалл
прибора и миниатюрный питиевый эле-
мент смонтированы в герметичном кор-
пусе MicroCan™ из нержавеющей стали
диаметром 17,26 мм и толщиной 5,89 мм
(корпус типа F5) или 3,1 мм (корпус типа
F3). Литиевый элемент имеется не во
всех приборах, часть их использует пи-
тание, поступающее по линии данных.
Только такие приборы выпускаются в
обоих типах корпусов (F5 и F3). Осталь-
ные приборы выпускаются только в кор-
пусе F5 толщиной 5,9 мм. Внешний вид
прибора iButton в корпусе MicroCan™ по-
казан на рис. 1.
Корпус выполняет как чисто защитные
функции, так и роль электрических кон-
тактов. Корпус состоит из донышка с
F5 MICROCAN™
ободком у основания и электрически
изолированной крышки. Донышко явля-
ется общим проводом, а крышка выпол-
няет функцию сигнального контакта.
Корпус герметичный, неразборный. До-
ступ к содержимому памяти прибора
осуществляется только через две линии:
общий провод и двунаправленную сиг-
нальную. Для считывания данных из при-
боров iButton используется контактное
устройство Touch Probe различных кон-
струкций, которые существуют как для
встраивания в прибор, так и для внеш-
ней установки на панель.
Одним из основных преимуществ
iButton по сравнению с идентификатора-
ми других типов является их высокая
надежность. Приборы выдерживают ме-
ханический удар 500 g падение с высо-
ты 1,5 м на бетонный пол, нагрузку на
корпус 11 кг, не подвержены воздей-
ствию магнитных и статических полей,
промышленной атмосферы, работают в
диапазоне температур от -40 до +70 °C.
Следует сказать, что термином iButton
часто называют также приборы, выпол-
ненные в традиционных типах корпусов
(для транзисторов или микросхем) и име-
ющие однопроводный интерфейс Micro-
LAN. однако это не совсем корректно.
Правильнее относить к этому семейству
только приборы в корпусах MicroCan™.
Наиболее известные приборы семейства
(Button приведены в табл. 1.
Большинство приборов iButton содер-
жит постоянное запоминающее устрой-
ство, блокнотную или сверхоперативную
Таблица 1
Тип Button Код Назначение Объем постоянной памяти ROM, бит Объем оперативной памяти RAM, бит Объем блокнотной памяти SRAM, бит
DS1990A 01h Серийный номер 8+48+8 — —
DS1991 02h Электронный ключ 3 страницы памяти с шифрованным доступом 8+48+8 1344 (3 64+3 384) 512
DS1994 04h Энергонезависимая память + RTC 8+48+8 4096 (16 256) 256
DS1993 06h Энергонезависимая память 8+48+8 4096 (16 256) 256
DS1992 08h Энергонезависимая память 8+48+8 1024 (4 256) 256
DS1982 09h Память с однократной записью 8+48+8 1024 (4 256) 8
DS1920 10h Термометр 8+48+8 (1 64) 64
DS1995 OAh Энергонезависимая память 8+48+8 16384 (64 256) 256
DS1985 OBh Память с однократной записью 8+48+8 16384 (64 256) 8
DS1996 OCh Энергонезависимая память 8+48+8 65536 (256 256) 256
DS1986 OFh Память с однократной записью 8+48+8 65536 (256 256) 8
память, оперативное запоминающее ус-
тройство, элемент питания и оригиналь-
ный контроллер последовательного ин-
терфейса. Некоторые приборы имеют
более сложную или более простую внут
реннюю структуру. Например может от-
сутствовать элемент питания или опера-
тивная память или в структуру могут
быть введены датчики температуры, тай-
меры (часы реального времени) и т. п.
Все приборы (Button содержат посто-
янное запоминающее устройство (ROM),
в котором хранится 64-разрядный код,
состоящий из 8-разрядного кода типа
прибора, 48-разрядного уникального се-
рийного номера и 8-разрядной конт-
рольной суммы. Размещаемые в ROM
данные представляют собой уникальную
(не повторяющуюся) кодовую комбина
цию, которая записывается в прибор с
помощью лазера во время его изготов-
ления. Напряжение питания ROM пода
ется по сигнальной линии данных, что
позволяет, во-первых, сэкономить энер-
гию встроенного литиевого элемента и,
во-вторых, считывать память, не расхо
дуя энергию элемента.
Литиевый элемент имеет срок службы
не менее 10 лет.
Если в составе прибора имеется опе-
ративное запоминающее устройство
(RAM), то оно выполнено как статическая
память с неограниченным числом циклов
записи/чтения. Обычно оперативная па-
мять имеет страничную организацию с
различным размером страницы. Кроме
обычной оперативной памяти во многие
приборы введена также дополнительная
буферная (сверхоперативная, или блок-
нотная) память. Она предназначена для
предотвращения повреждения информа-
ции при установке в контактное устрой-
ство или извлечении из него. Предпола-
гается, что данные вначале записываются
в блокнотную память, затем проверяют-
ся путем считывания и сравнения с ори
гиналом, а затем дается команда записи
в основную память, при этом данные пе-
реписываются из сверхоперативной памя-
ти в оперативную.
Схемотехника Ns 6 июнь 2003
Однопроводный интерфейс Micro LAN
обеспечивает относительно невысокую
скорость обмена, примерно 16,3 кбит/с,
однако при этом существенно снижается
стоимость интерфейса и подводящих
проводов. Сигнальная линия интерфей-
са — двунаправленная. Обмен осуществ-
ляется в режиме полудуплекса. Взаимо-
действие приборов по однопроводному
интерфейсу организовано по принципу
ведущий-ведомый. При этом считываю-
щее устройство (контроллер) всегда ве-
дущее, а приборы iButton — ведомые.
Приборы семейства iButton получили
широкое распространение в США и стра-
нах Европы для самых разных целей:
• как идентификационные карточки для
ограничения доступа в здания или от-
дельные помещения [4];
• в различных системах домашней или
промышленной безопасности [5,11];
• в системах телеметрии [6],
• в системах учета рабочего времени;
• в различных электронных замках [7—9];
• в банковских системах ограничения
доступа к информации [10];
• в качестве носителя личных сведений
(удостоверения личности) в специаль-
ных подразделениях;
• в качестве ключа для некоторых спе-
циальных типов автомобилей и обору-
дования;
• в качестве носителя сведений о харак-
теристиках и ресурсе особо надежных
изделий;
• в качестве носителя данных о состоя-
нии финансового счета («электронный
кошелек») в специальных системах
электронных расчетов [10];
• в электронных системах оплаты про-
езда в городском транспорте [10];
• в различных системах автоматизации
для сохранения настроек и прочей ин-
формации [11—18]
• в качестве ключа в системах элект-
ронной защиты программных продук-
тов [19—21].
На территории стран СНГ устройства
iButton наиболее часто используется в
качестве ключей замков, установленных
в подъездах, в некоторых системах ог-
раничения доступа в помещения и в
электронных системах защиты про-
граммных продуктов [22—24].
Однако в ряде регионов все большей
популярностью пользуются идеи приме-
нения приборов iButton для создания
электронных систем учета индивидуаль-
ного рабочего времени, создания элект-
ронных удостоверений пичности, а так-
же «электронных кошельков» для
оплаты, например, проезда в городском
транспорте. Для этих целей по соотно-
шению качество/цена наиболее подходят
два прибора iButton: DS1991 и DS1994.
Первый из них выбран поскольку имеет
оперативную память с шифрованным до-
ступом, а второй —таймер реального
времени и счетчик циклов, что позволя-
ет легко регистрировать время прихода
и ухода, а также другие временные па-
раметры в различных системах учета
рабочего времени. В связи с этим в рам-
ках этой статьи основное внимание бу-
дет уделено именно этим двум приборам
iButton.
Краткое описание
интерфейса Micro-LAN
Как уже упоминалось выше, интерфейс
Micro-LAN является однопроводным. Это
означает, что все команды и данные пе-
редаются по двунаправленной линии дан-
ных относительно общего провода (зем-
ли) в последовательном коде. Поскольку
в интерфейсе не предусмотрено никаких
синхронизирующих сигналов, все коман-
ды и данные имеют строго регламенти
рованный временной формат несоблю-
дение которого приводит к искажению
передаваемых команд или данных. Об
этом надо всегда помнить при написании
подпрограмм-драйверов.
В протоколе интерфейса существует
три основных временных цикла: цикл
инициализации (или обнаружения), цикл
чтения бита и цикл записи бита. Кроме
этого в некоторых приборах iButton мо-
гут встретиться дополнительные циклы,
например два цикла прерывания в
iButton DS1994.
Прежде чем рассматривать временные
характеристики этих циклов, остановим-
NOTE
Эти и другие приложения идеально воплощаются
приборами iButton
уникальный номер каждого прибора
10 лет хранения информации
память от 256Бит до 8Кбайт
возможности по защите данных
прочный стальной корпус
«илой, дешевый и надежный интерфейс
Надёжный стальной контейнер
для переноса информации
списки доступа и журналы прохода в
электронных аамкак/домофонах
списки параметров для типовой настройки массово
устанавливаемых приборов
электронные квитанции граждан для счетчиков предоплат
безбумажные накладные н перевозимых предметах
электронный сборочный лист на конвейере
Моске
Тел.:(095)797-8993
e-mail: info@rainbow.msk.ru
Санкт-Петербург
тел.: (812) 324-0902
e-mail: spb@rainbow.msk.ru
Mnmcic
тот.: (10+37517)249-8273
e-mail: chip@rainbow.by
Екатеринбург
теп (3432)76-1407
e-mail ural@rainbow.msk.ru
Таблетки для
здоровых
ся коротко на аппаратной реализации
интерфейса. Наиболее просто аппарат-
ный интерфейс с прибором iButton реа-
лизуется на микроконтроллерах (и других
микросхемах), линии ввода/вывода кото-
рых могут работать в режиме открытого
стока (open drain), например микроконт-
роллерах фирмы Cygnal [25]. В этом слу-
чае достаточно выбранную для подклю-
чения к прибору iButton линию порта
ввода/вывода перенастроить в это состо
яние и подключить к положительному
выводу источника питания через резис-
тор с рекомендованным номиналом
5,1 кОм [26]. Более сложно реализуется
аппаратный интерфейс на TTL микрокон-
троллерах или микросхемах. В этом слу-
чае необходимо использовать две линии
портов ввода/вывода, два резистора и
транзистор. Естественно, что можно при-
думать и другие варианты реализации ин-
терфейса.
Цикл инициализации (обнаружения)
является начальным циклом любого ин
формационного обмена с приборами
iButton. В этом цикле ведущее устрой-
ство опрашивает линию, определяя при-
Схемотехника Ns 6 июнь 2003
Рис. 2
сутствие на ней одного или нескольких
приборов iButton. Цикл инициализации
всегда начинается в подачи ведущим
устройством (микроконтроллером) низ-
кого логического уровня («отрицательно-
го» импульса) длительностью не менее
480 мкс. Следует отметить, что внутрен-
няя емкость большинства приборов
iButton примерно соответствует 800 пФ,
а номинал резистора (5,1 кОм) выбран из
тех соображений, что при подключении
прибора iButton за время заряда внутрен-
него конденсатора на нем формируется
низкий логический уровень («отрицатель-
ный» импульс), соответствующий по дли-
тельности импульсу инициализации. Сиг-
нал инициализации или обнаружения
достаточно часто называют импульсом
сброса. После посылки сигнала инициа-
лизации (обнаружения) ведущее устрой-
ство переводит линию на прием. Если к
линии подключен прибор iButton, он об-
наруживает отрицательный импульс дли-
тельностью более 480 мкс (неподключен-
ный прибор iButton считает, что у него
на линии присутствует длительный отри-
цательный импульс) и после паузы дли-
тельностью от 15 до 60 мкс вырабаты-
вает нулевой («отрицательный») импульс
опознавания длительностью от 60 до
240 мкс. Этот импульс воспринимается
ведущим устройством и сообщает ему о
том. что на линии присутствует как ми-
нимум один прибор iButton (точнее гово-
ря, как минимум один прибор с интерфей-
сом Micro-LAN). Следует сразу отметить,
что очень часто опускается требование о
том, что следующий цикл может начать-
ся не раннее чем через 480 мкс после за-
вершения импульса сброса или не ран-
нее, чем через 180 мкс после завершения
импульса опознавания и перехода линии
в высокое логическое состояние. С дру-
гой стороны, важно отметить, что интер-
валы между циклами (инициализации,
чтения или записи бита) могут быть как
угодно большими. Типовая временная
диаграмма цикла инициализации показа-
на на рис. 2, а.
Циклы записи и чтения битов обычно
имеют определенную длительность, назы-
ваемую временем слота или временным
сегментом. Длительность слота обычно
выбирается равной 60 мкс и может нахо-
диться в интервале от 60 до 120 мкс. Каж-
дый слот чтения или записи начинается
с переключения уровня сигнальной линии
с высокого на низкий логический уровень
(отрицательного фронта), инициированно-
го ведущим устройством.
Важно отметить, что во всех сеансах
обмена (передачах команд или данных)
байты всегда передаются начиная с
младшего разряда.
Запись 1 в прибор iButton заключает-
ся в формировании ведущим устрой-
ством на сигнальной линии низкого ло-
гического уровня длительностью от 1 до
15 мкс, а затем восстановления линии в
высокое логическое состояние на время,
оставшееся до завершения выбранной
длительности времени слота. При этом
iButton определяет состояние сигнальной
линии в интервале от 8-й до 15-й мкс
слота. Запись 0 в прибор iButton заклю-
чается в формировании ведущим уст-
ройством на сигнальной линии низкого
логического уровня длительностью, как
минимум на 1 мкс меньше длительнос-
ти слота. Временные диаграммы слотов
записи единицы и нуля приведены на
рис. 2, б. Описанные выше циклы запи-
си 0 или 1 повторяются для каждого пе-
редаваемого бита Важно отметить что
после каждого слота необходима пауза
для восстановления длительностью не
менее 1 мкс, но максимальная длитель-
ность паузы не оговорена и может быть
неограниченно большой.
Чтение бита прибора iButton начина-
ется с синхронизирующего сигнала ве-
дущего устройства длительностью от 1
до 15 мкс. После этого ведущее устрой-
ство освобождает линию и переходит в
состояние приема. Далее состояние ли-
нии определяется ведомым устройством,
т. е. прибором iButton. Ведущее устрой-
ство должно проанализировать состоя-
ние линии в интервале от завершения
стробирующего импульса (переднего
фронта) до 15 мкс. Оптимальная дли-
тельность синхронизирующего импульса
ведущего устройства — 5 мкс, оптималь-
ное время чтения состояния линии, оп-
ределяемого ведомым прибором
iButton — 8 мкс. Среднее время удержа-
ния сигнала прибором iButton составля-
ет примерно 45 мкс. Ведомое устрой-
ство, т. е. iButton, передает высоким
логическим уровнем бит лог. 1, а низким
логическим уровнем — бит лог 0
Как уже упоминалось выше, кроме
основных циклов инициализации, чте-
ния и записи, некоторые приборы
iButton могут иметь дополнительные
циклы Примером могут быть два цик
ла прерываний, генерируемые iButton
DS1994 [27]. Циклы прерываний очень
похожи на цикл инициализации. При ра-
боте с приборами, которые способны
генерировать цикл прерывания, да и в
остальных случаях для обеспечения со-
вместимости рекомендуется импульс
сброса, генерируемый ведущим устрой-
ством, ограничивать по длительности
величиной 960 мкс.
Продолжение следует
Олег Николайчук,
onic @ ch .moldpac. md
Литература:
1. И. Кузнецов Системы контроля уп-
равления доступом или «Таблетка» от
супостатов.— Компания «Формула безо-
пасности» (informs© cityline.ru).
2. http://www.ibutton.com.
3. http://www.maxim-ic.com.
4. Е. Злотник. Touch Memory — элект-
ронный идентификатор. — http://
www.shema.ru.
5. Электронные идентификаторы
iButton. — http://www. smartlogon. ru.
6. Обзор приборов iButton.— http://
ivivw elin.ru/thermochron.
7. Системы c iButton. — http://
triton kiev.ua.
8. Кабинетный замок Сонет. — http://
www.kosnet.ru.
9. Считыватели и устройства ввода
кода с интерфейсом Touch Memory.—
http://www.sevenseals.ru.
10. Использование DS1963 Monetary
iButtons для финансовых транзакций в
системах охраняемых DS1954 Crypto
iButton.— http://www.gaw.ru.
11. Электронные ключи Touch
Memory. — http://www. di al-service. ru.
12. H. Ракович. Приборы хранения ин-
формации в сети Micro-LAN.— http://
www.chipnews.com.ua.
13. Н. Ракович. Выбор сети для ком-
муникации и управления. Chip News,
2000, № 5, с. 25—27.
14 Н Ракович. Основы построения се
тей MicroLAN.— Chip News, 2000, N° 6,
с. 14—17
15. Система автоматизации MicroLAN. —
«Сводка новостей», 16.08.2001, http://
www.osp.ru
16. Н. Ракович. Что может быть про-
ще времени?— Chip News, 2003, № 2.
17. Компоненты для систем автомати-
ческой идентификации.— http://
www.itis.spb.ru.
18. Л. Вихарев. Эти «таблетки» Вам
помогут или Еще раз об iButtons фирмы
Dallas Semiconductor.— http://www.atel.ru.
19. Средства защиты информации:
Средства аутентификации: iButton —
http://www.revers.ru.
20 ОЛИС-software системы защиты-
iButton.— http://www.olis.ru.
21. Средства электронной защиты: Об
щая информация о ключах.— http://
www.prosys.ru/progr.
22 Электронный замок с ключами
iButton.— http://radiotech.by.ru.
23. А. Лютько, Е. Левин. Новые прибо-
ры семейства iButton расширение воз-
можности по защите информации.—
Компоненты и технологии, 2002, № 9, с
76—79.
24. Новый обзор электронных ключей-
идентификаторов iButton от фирмы
Dallas Semiconductor.— http://ebw.gaw.ru.
25 http://www.cygnal.com.
26. http://pdfserv.maxim-ic.com/arpdf/
DS1991.pdf.
27. http://pdfserv.maxim-ic.com/arpdf/
DS1992-DS1994.pdf.
Продолжение. Начало — №5/2003)
Компьютерное схемотехническое
моделирование электронных
устройств
противлением соединительных проводов
пока пренебрежем и тогда остается только
учесть сопротивление лампы, которое лег-
ко находится (для установившегося номи-
нального режима) по ее номинальному на-
пряжению 12 В и мощности 5 Вт:
R2 = 122/5 = 28,8 Ом.
Простейшая модель
программе Micro Сар
Полное окно программы МС показано
на рис. 7, причем на рабочее поле одно-
кратным нажатием ЛКМ на надпись
Component в верхней строке системного
меню с последующим перемещением кур-
сора по надписям Analog Primitives (ана-
логовые примитивы)>Раз5ме Components
(пассивные компоненты) вызвано ниспа-
дающее меню для выбора резисторов,
конденсаторов и других элементов.
Многие приемы «монтажа» виртуаль-
ных схем-моделей в рассматриваемых
программах совпадают или имеют несу-
щественные различия. Одно же из основ-
ных отличий связано с выводом резуль-
татов моделирования: в программе EWB
это показания схемных виртуальных при-
боров, а в программе МС — традицион-
ные графики или числа, показываемые
непосредственно на схеме. (Конечно, в
обеих программах имеются возможности
вывода листингов результатов моделиро-
вания, но это, как говорится, совсем иная
песня). Кроме того, в программе МС от-
сутствуют УГО ряда компонентов, обыч-
но применяемых на принципиальных схе-
мах (лампы, предохранители и т. п.), и
при создании моделей для них надо сра-
зу переходить к схемам замещения (ак-
вивалентным схемам), составляемым из
библиотечных модулей или разрабаты-
вать специальную макромодель.
Для создания нового файла открыва-
ем основное рабочее окно программы
(рис. 7) и нажимаем в нем на кнопку New
(новый) или с клавиатуры Ctrl+N. Затем
в появившемся ниспадающем меню
(рис. 8) выбираем опцию Schematic (схе-
мы). Во вновь открытом рабочем окне
наводим курсор на кнопку с изображе-
нием стрелки пг. Select Mode (выбор
объекта) и нажимаем ЛКМ. Подводим
стрелку-курсор к пиктограмме с изобра-
жением гальванической батареи |~И~|
Battery и нажимаем ЛКМ. Затем, отпус-
» Micro Сар 7 1 0 ((. \MCADATA\CtRCUIT1 CIR)
£fe £di Conporeri Windows Qptrcns Дгв^яг Деодп Help
D В H a a /______________ у > W 4 ~-M- 4, t> ч- •+ ф $ .gflfetr В p G ч b \
4 rJT i x? t v -+=gtan s •< • - *’*» © ъ ** c st ® f
|Cott«xjnen<Moje'(Chi*D)|
Analog Library » Active Device» * Capita
Waveform Source» * Inductor
Function Source* » Diode
Laplace Soace* » Tine
ZTrandotm Sources • 045
Dtgiat Fruit rvet
DijjiaiLibfciy
АгжмЬол
Find Continent CbkSMuf
J Ground
2 Fixed Analog
3SRFF
SStrri
SLED
£Nor2
2HALF_CM
8Cepacia
$ inductor
Dependent Sources > Trarslatnei
Mecrce * F
SubckU > Zener
Coonecw* *1 '
SMPS »
M’scelaneou* >
S-Fatecneta Two-Pot ►
Рис. 7
тив кнопку мыши, переводим курсор на
рабочее поле, на экране возникает гра-
фический символ батареи. Нажимаем
ЛКМ и в появившемся окне (рис. 9) на-
бираем в окошке Value 12 (значение ЭДС
в вольтах), а в окошке Part (позицион-
ное обозначение элемента схемы) про-
ставляем Е1. Нажимаем ОК, переводим
курсор к кнопке Select Mode и нажима-
ем ЛКМ.
Совет (МС). Не забывайте каждый раз
после выбора и редактирования очеред-
ного компонента переключаться в режим
Select Mode (этого не надо делать только
в одном случае — при выборе однотипно-
го с предыдущим компонента). Если это-
го не сделать, то можно все рабочее поле
покрыть одинаковыми компонентами, от
которых трудно освободиться. Прав-
да, в отличие от EWB, в программе
МС есть операция Undo (отмена),
позволяющая вносить исправления
на ходу. Кроме того, этот режим
можно изменить, войдя в меню е,
Options (опции) общих настроек про- ~
граммы Preferences (предпочтения),
но это лучше выполнять уже при-
выкнув к программе
Батареей Е1, как и ранее, мы смо-
Рис. 9
делировали аккумулятор, не имеющий
внутреннего сопротивления. Теперь пред-
положим, что аккумулятор имеет некоторое
внутреннее сопротивление R1 = 0,2 Ом. Со-
Рис. 8
Аналогично предыдущему выбираем
два резистора, воспользовавшись пик-
тограммой с соответствующим изобра
жением в самом верхнем ряду панели
инструментов |«~^| Resistor.
Совет (МС). Обратите внимание на то,
что в программе МС изображение зиг-
загообразной «змейки» выполнено на
трех разных кнопках: выбор компонен-
та, выбор резистора и позиционные обо-
значения. Этот же символ использован
для условного графического обозначе-
ния резисторов на схемах при работе в
стандарте ANSI.
Для резисторов в соответствующих
окнах проставляем позиционные обозна-
чения R1 и R2, а также их параметры
(значения сопротивлений в омах), рав-
ные соответственно 0,2 и 28,8, так, как
это показано для примера на рис. 10.
Совет (МС и EWB). Не забывайте, что
при наборе десятичных дробей в рабо-
чем поле программ обязательно надо
использовать разделительную точку, а
не запятую, например 0.2 и 28.8.
Процедуру выбора перечисленных
выше компонентов можно также прове
сти, следуя строкам текстовых меню.
Так, если нажать ЛКМ на надпись
Resistor и перевести курсор на рабочее
поле, то на нем возникнет УГО резисто-
ра, далее следует повторить задание его
свойств, как зто описано выше.
Для придания выбранным компонен-
там необходимой пространственной ори-
ентации нажимаем ЛКМ на его УГО и,
не отпуская ее, вращаем компонент,
щелкая по правой кнопке до тех пор,
пока элемент не примет необходимую
ориентацию Текстовые пометки позици
онного обозначения и номинала после
этого буксировкой ставят на нужное ме-
сто. Далее буксируем каждый компо-
нент, располагая их на нужных местах.
Выключателя в данной программе нет
(он предусмотрен только для цифровых
схем) и задание режима работы прово-
дится в процессе выбора режима моде-
лирования (см. ниже), так что теперь все
нужные элементы на месте и остается
только соединить их проводниками.
Рис. 10
Сборка схем и их графическое редак-
тирование в программе МС несколько
сложнее, чем в EWB. Нажимаем на пик-
тограмму "1_ Orthogonal Wire (ортого-
нальные проводники) и соединяем про-
водниками соответствующие выводы
компонентов (рис. 11). Возвращаемся в
режим Select Mode.
Для проведения моделирования в про-
грамме МС необходимо соединить цепь
с общим проводом. Выбираем подклю-
чение к нему нажатием на пиктограмму
Ground и подводим УГО к отрица-
тельному полюсу батареи, как это и по-
казано на рис. 11.
Нажимаем на пиктограмму
Displays node numbers (обозначения уз-
лов на схеме). Этим осуществляется про-
верка целостности соединений в собран-
ной схеме. Выводы, связанные с общим
проводом, не нумеруются. После этой
процедуры легко обнаруживаются лиш-
ние узлы. (Здесь надо отметить, что
узлы в машинных схемотехнических рас-
четах понимаются в обобщенном смыс-
ле: точка, в которой соединяются даже
два компонента, а не только три более,
как обычно принимают в ручных расче-
тах, тоже считается узлом. В то же вре-
мя любое число точек соединения раз-
личных компонентов с одним и тем же
Схемотехника № 6 июнь 2003
идеальным проводником считается в
расчетах одним узлом). В данной схеме
при правильном соединении возникают
два нумерованных узла (см. рис. 12).
Если оказалось, что схема содержит
ошибки, то выделяя соответствующие
компоненты, удаляя их нажатием на кла-
вишу Delete и достраивая заново, мож-
но добиться необходимой формы и со-
держания. Отдельные ортогональные
части проводников также удаляются
щелчком по ним ЛКМ с последующим
нажатием Delete.
Переходим к моделированию. При
анализе рассматриваемой цепи постоян-
ного тока оно выполняется следующим
образом.
Нажимаем на клавиатуре Alt+1. В по-
явившемся окне ус-
тановки режимов
Ц T'ronsient Analysis Limits
Run | Add |
Tim? Range |l rn
Mawnun* Time Step
Number olFoml* j
Temperate j ~~eai y] j?’
Рис. 11
Рис. 13
анализа переходных процессов —
Transient Analysis Limits (рис. 13)
печатаем в окошке Time Range
(интервал времени) 1 m (т. е. 1 мс).
В двух нижних строчках печатаем
в соответствующих клетках номер
кривой (Р) — 1, время (выражение
аргумента X) — Т, напряжение
узла (выражение функции Y) —
Нажимаем на пиктограмму FI Node
Voltages (узловые напряжения). На схеме
(рис. 14) в позициях с номерами узлов
возникает численное значение напряже-
ний узлов схемы относительно общего
провода, напряжение которого принято
равным нулю, записанные в формате:
(№ узла, двоеточие, напряжение). В дан-
ном случае — (1:12) и (2:11.917). Таким
образом мы видим, что напряжение на
лампе здесь несколько меньше за счет
его падения на внутреннем сопротивле-
нии источника питания.
Далее нажимаем на пиктограмму | .
Currents (токи). На схеме (рис. 15) возни-
кает стрелка направления тока и его чис-
ленное значение в прямоугольной рамке:
413.793 т, т. е. 413,793 мА.
Наконец, нажав на соседнюю справа
пиктограмму Power (мощность), уз-
наем следующие мощности, показанные
на рис. 16: мощность, отдаваемую иде-
альным генератором (generator) напряже-
ния — pg = 4.966 = 4,966 Вт; мощность
рассеяния (dissipation) pd внутри источни-
ка (идущую на нагрев аккумулятора) —
34.245 m = 0,034245 Вт и мощность, иду-
щую на накал нити лампы — 4.931, т. е.
4,931 Вт.
Сопоставляя численные результаты,
полученные здесь и в предыдущей ча-
Рис. 12
J Stepping | Piopewe* |
Buo Cpaons Jr
State Variables |~
P Gpsiehng Pgint
Operating Ppm! Only
P Au<o Scale Ranges
p| Х&ргвезюп j ¥ Expression
LT1L ?--------““Fl--------°---
EEIWT-------------F-----------
| XRaftge j /Range
001Д0 0002
(211 917)--
12
V(1) и аналогично для второго
узла (см. рис. 13). Выбираем так-
же автошкалу значений X Range и Y
Range, отметив «птичкой» окошко Auto
Scale Range. Остальные установки при-
нимаем по умолчанию и нажимаем на
клавиатуре F3. На экране снова возни-
кает ранее набранная схема (рис. 12).
(2:11.917)--
|pd=34.245m|Rlh
|pg=4.966| Е1.
12 |
|413.793т|
R2
28.8
|pd=4.93l|
Рис. 16
сти статьи, видим их небольшое рас-
хождение, связанное с тем, что в пос-
ледней модели мы учли внутреннее со-
противление аккумулятора. Если в
модель, показанную на рис. 6, включить
такое же внутреннее сопротивление
или, напротив, в схеме на рис. 11 при-
нять R1 = 0, то результаты моделиро-
вания одинаковых схем в обеих про-
граммах, безусловно, совпадут.
Продолжение следует
Генрих Кардашев,
Gkardashev @ Yandex.ru
Вниманию читателей!
На сайте журнала «Схемотех-
ника» по адресу http://
www.dian.ru/programs/index.html
выложены программы и таблицы
прошивки ПЗУ к статье «Часто-
томер на микроконтроллере
АТ89С51» (№ 2, 2002), чертежи
печатных плат к статьям «Авто-
мобильный тахометр на
К1003ПП1» (2001, № 10), «Сото-
вый телефон в канале охранной
сигнализации» (2002, № 11) и
другим статьям иэ последних но-
меров, а также содержание (пе-
речень статей в формате Excel)
всех вышедших номеров журна-
лов «Схемотехника».