Как проектировать электронные схемы

Для многих датчиков рабочим параметром является сопротивление, которое изменяется в зависимости от определяемой величины. Примером может служить датчик температуры типа РТ100, имеющий сопротивление 100 Ом при температуре 0 °C. Варьирование сопротивления датчика обычно стараются свести к изменению уровня напряжения, которое проще обрабатывать с помощью операционных усилителей (имеется в виду усиление, определение порога, аналого-цифровое преобразование и т.д.). Такая трансформация осуществляется при пропускании через датчик калиброванного тока.

Есть несколько способов построения генератора тока, в том числе с применением специализированных схем. В простых схемах, представленных на рис. 2.38, используются стандартные компоненты (транзистор или операционный усилитель), но качество их работы заслуживает высокой оценки.

При проектировании генератора тока сначала следует определить верхний предел изменения сопротивления нагрузки, от которого зависит требуемое напряжение источника питания. Например, чтобы получить ток 10 мА через резистор 100 Ом, необходимо напряжение не менее 1 В. Если сопротивление увеличивается до 1000 Ом, потребуется уже 10 В и т. д. Генератор, работающий при напряжении питания 24 В, сможет обеспечить ток 10 мА при коротком замыкании на выходе или при подключении резистора с максимальным сопротивлением 2,4 кОм.

ГЕНЕРАТОР НАПРЯЖЕНИЯ С ДВОИЧНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

Иногда в цифровом устройстве нужно получить плавно изменяющееся напряжение, при этом высокая точность не требуется.

Посредством такого напряжения можно, например, управлять устройством, предназначенным для постепенного зажигания ламп, или обеспечить плавное увеличение скорости вращения двигателя до максимального значения.

Получить изменение потенциала в заданных пределах удастся и без помощи цифро-аналогового преобразователя. Простая схема, представленная на рис. 2.39, может выполнить эту функцию.

Принцип работы состоит в управлении зарядом и разрядом конденсатора через резисторы, поочередно подключаемые к нему с помощью двух выключателей. Если верхний выключатель, подключенный к напряжению Vcc, замкнут, конденсатор медленно заряжается через резистор R1. Если этот выключатель разомкнут, конденсатор будет поддерживать на своих выводах напряжение, до которого он был заряжен (при условии незначительного саморазряда).

Когда замкнут нижний выключатель, конденсатор разряжается через резистор R2. Скоростью нарастания и снижения напряжения можно управлять, изменяя величины R1 и R2. Напряжение с конденсатора обычно подается на буферный каскад с высоким входным сопротивлением, который содержит операционный усилитель, включенный по схеме повторителя напряжения. Затем при необходимости напряжение дополнительно усиливается и используется для выполнения требуемой функции. Остается выбрать тип выключателей: речь может идти о контактах реле, дискретных транзисторах (р-n-р типа вверху и n-р-n типа внизу на рисунке) или выключателях, входящих в состав микросхемы (например, удобно взять микросхему CD4016, которая содержит четыре выключателя). Сигналы управления могут поступать от логических вентилей, счетчиков или от микроконтроллера.

ВЫСОКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ

Возможность получения особо высокого сопротивления играет важную роль как в аналоговой, так и в цифровой электронике. В первом случае речь чаще всего идет о входном сопротивлении операционного усилителя. Во втором случае обычно имеется в виду высокоомное состояние выхода логического устройства (одно из трех возможных состояний). Об этом уже упоминалось выше, когда речь шла о выходах схем с открытым коллектором.

Использование высокоомного состояния лежит в основе принципа передачи цифровой информации по шине, связывающей несколько различных компонентов, которые взаимодействуют друг с другом (рис. 2.40).

Каждый разряд на выходе логических элементов, подключенных к общей шине, может принимать три состояния: логический нуль, логическая единица и высокоомное состояние, сравнимое с физическим отключением (его часто называют Z-состоянием). Без этого третьего состояния было бы невозможно объединить нескольких выходов. Поэтому для подключения к общей шине (с параллельной или последовательной передачей данных) можно использовать ТТЛ схемы с открытым коллектором на выходе, предназначенные для такого соединения, или КМОП схемы с Z-состоянием выхода.

Аналоговые устройства с высоким входным сопротивлением необходимы для работы с некоторыми специфическими элементами, в частности с датчиками физических величин. Примером может служить датчик с электродами для измерения показателя pH жидкости, имеющий сопротивление порядка 10¹² Ом. К счастью, существует ряд операционных усилителей, входное сопротивление которых согласуется с такой величиной (в частности, усилитель типа TL062).