Генератор с оптической обратной связью и его практическое применение
Texas Instruments CD4093B
В статье рассматривается КМОП-генератор на триггере Шмитта, в котором наряду со стандартной схемой положительной обратной связи имеется дополнительная оптическая обратная связь (ОС), оказывающая существенное влияние на параметры генерируемой импульсной последовательности. Эффект, возникающий при подключении оптической обратной связи, может быть использован в практических целях.
Как это работает
Блок-схема генератора представлена на Рисунке 1. Генератор собран по классической схеме с использованием одного из элементов микросхемы CD4093BE, представляющей собой сборку из четырех двухвходовых элементов «И-НЕ». Отличие данной микросхемы от аналогичной по логическому функционалу микросхемы CD4011BE заключается в том, что каждый вход является триггером Шмитта, позволяющим работать с медленно изменяющимся входным сигналом.
 | ||
| Рисунок 1. | Блок-схема генератора с оптической ОС. | |
Оптическая обратная связь осуществляется с выхода генератора (точка «b») через светодиод VD2 и цифровой фотоприемник DD2, выполненный на микросхеме ТSOP4838, выход которого подсоединен к свободному входу элемента DD1. При разорванной оптической связи, например, при наличии непрозрачного препятствия между VD2 и DD2, в точке «с» присутствует логическая «1», что позволяет генератору на DD1 формировать импульсную последовательность, частота которой определяется резистором R2, а длительность положительного импульса – резистором R1.
Это состояние иллюстрируется Рисунком 2.1.
 | ||
| Рисунок 2. | Оптическая обратная связь: 2.1 – разомкнута, 2.2 – замкнута. | |
При возникновении оптической обратной связи напряжение в точке «с» уменьшается до нуля, что принудительно поддерживает высокий потенциал в точке «b». Такое состояние продолжается до тех пор, пока внутренние временные ограничения микросхемы DD2 вновь не установят на выходе логическую единицу.
Конденсатор С1 за время принудительной остановки генератора заряжается до напряжения питания и разряжается до нижнего порога триггера Шмитта существенно дольше, что объективно снижает частоту генератора. Это отражено на Рисунке 2.2.
В граничных условиях при недостаточной освещенности фотоприемника TSOP сигнал на его выходе носит случайный характер по частоте возникновения, длительности импульса и его задержке относительно фронта возбуждающего светового импульса. При приеме цифровых сигналов это приводит к ошибке принятого кода; при приеме управляющего импульса в устройствах охранной автоматики – к ошибкам срабатывания сигнализации. Эти недостатки присутствуют и в рассматриваемом генераторе. На Рисунке 3.1 представлен случай недостаточной освещенности фотоприёмника DD2. Выходной импульс в точке «с» короче возбуждающего импульса и сдвинут относительно его фронта на случайную величину.
 | ||
| Рисунок 3. | Выходной сигнал фотоприемника DD2: 3.1 – при недостаточной освещенности, 3.2 – при достаточной освещенности. | |
На Рисунке 3.2 показана осциллограмма стационарного процесса, когда освещенность фотоприемника DD2 достаточна и фронт выходного импульса сдвинут относительно фронта возбуждающего импульса на фиксированную величину, равную примерно 380 мкс. Этот факт дает возможность построения импульсного дискриминатора для фиксации факта корректной работы фотоприемника. Справедливости ради нужно отметить, что для случая, показанного на Рисунке 3.2, в эти 380 мкс входит еще время включения генератора несущей частоты, составляющее в самом худшем случае половину периода несущей частоты 38 кГц, то есть примерно 13 мкс.
Практическое применение
На основе генератора с оптической обратной связью нами были изготовлены несколько устройств, реализующих обнаруженный эффект, например, локатор заднего обзора для самоката или велосипеда, показанный на Рисунке 4.1. В приложении к статье есть видео с испытанием этого устройства. Его практическая полезность заключается в том, что при маневре влево можно столкнуться с обгоняющим велосипедистом или с гражданином на мощном самокате.
| ||
| Рисунок 4. | Практическое применение генератора с оптической обратной связью. 4.1 – локатор заднего обзора для самоката. 4.2 – фотодатчик для шлагбаума. | |
Второе устройство – это фотодатчик для шлагбаума, исключающий опускание стрелы, если под ней находится человек или автомобиль. Стандартно для этой цели применяются датчики типа «световой барьер», приемная часть которых устанавливается на стойке шлагбаума, а передающая – на опоре для стрелы. В нашем дворе передатчики (иногда вместе с опорами) регулярно сносятся девушками за рулем и спецтехникой ЖКХ. Поэтому был изготовлен датчик локаторного типа, показанный на Рисунке 4.2.
Двухнедельная эксплуатация фотодатчика при пропуске 80-100 машин в день показала, что такое устройство вполне работоспособно. Принципиальная схема фотодатчика для шлагбаума показана на Рисунке 5. Локатор для самоката отличается лишь тем, что вместо реле в качестве нагрузки используется буззер (пищалка).
Схема содержит генератор с оптической обратной связью на элементе D1.1, управляемый кварцевый генератор несущей частоты на элементах D1.2 и D1.3, преобразователь длительности импульса в напряжение на элементе D1.4 и два усилителя мощности на транзисторах VT1 и VT2, нагрузкой которых служат светодиод VD3 и реле К1, соответственно.
 | ||
| Рисунок 5. | Принципиальная схема фотодатчика для шлагбаума. | |
Кварцевый генератор применён, поскольку датчик должен работать в широком температурном диапазоне.
Остановимся подробнее на работе преобразователя длительности импульса в напряжение. В исходном состоянии генератор D1.1 с указанными на схеме номиналами компонентов генерирует положительные импульсы длительностью 600-800 мкс с частотой 40-50 Гц. Эти импульсы заряжают конденсатор С2 (точка «с») примерно до 0.5-0.8 В, что существенно ниже верхнего порога срабатывания триггера Шмитта на элементе D1.4. При появлении оптической обратной связи длительность положительного импульса возрастает до 8-10 мс, что приводит к резкому росту напряжения на конденсаторе С1 и срабатыванию триггера Шмитта.
Низкий уровень на выходе элемента D1.4 будет сохраняться до тех пор, пока существует оптическая обратная связь. Как только эта связь разорвется, конденсатор С2 начнет разряжаться через R5. Цикл завершен. Применение такого преобразователя длительности импульса в напряжение обеспечивает эффективное подавления состояния неопределенности, возникающего на выходе фотоприемника DD2 при недостаточной освещенности.
Наличие полезного сигнала фиксируются четко, без промежуточных состояний.
При пассивных элементах, указанных на схеме, устройство гарантированно работоспособно в диапазоне напряжения питания 3.7-5.2 В. Однако для постоянства настроек рекомендуем использовать стабилизированный источник питания. Ток потребления в режиме ожидания составляет 2 мА, а при обнаружении препятствия ток потребления определяется нагрузкой – реле или буззером.
Дальность обнаружения препятствия при использовании 10-градусных объективов, которые можно приобрести за копейки на AliExpress, зависит от тока через светодиод VD3, который, в свою очередь, определяется величиной резистора R8. При сопротивлении резистора R8, равном 1 кОм, максимальная дальность обнаружения препятствия составляет около 80 см. Если величина резистора R8 равна 20 Ом, дальность обнаружения человека в одежде нейтральных цветов составляет более 10 метров. Доступ к резистору R8 должен быть выполнен с учетом эксплуатации изделия вне помещения.
Несмотря на неоспоримые достоинства, изделиям на основе описанного генератора свойственны некоторые недостатки. Датчик для шлагбаума нежелательно устанавливать в узких проездах, когда стена здания отстоит от конца стрелы всего на несколько метров, так как в этом случае возникает паразитное отражение от стены, работа датчика становится неустойчивой и критично зависит от настройки устройства резистором R8.
Локатор заднего обзора для самоката реагирует на прохожих, оказавшихся в зоне обзора, поэтому крепление локатора на руль должно предусматривать изменение угла локации в горизонтальной плоскости для выбора оптимального положения.
Где еще может быть применен описанный генератор? Например, в качестве датчика наличия автомобиля или мотоцикла в «слепой зоне». Такие датчики, установленные под зеркалами заднего вида, помогут предотвратить ситуации, когда при начале маневрирования помеха неожиданно телепортируется из параллельной вселенной.
Чтобы исключить ложные сигналы от машин, движущихся через полосу, индикацию наличия препятствия в «слепой зоне» можно включать синхронно с указателем поворотов. Увеличить дальность обнаружения можно, применив в качестве VT1 мощный полевой транзистор или транзистор Дарлингтона средней мощности и, соответственно, уменьшив величину резистора R8 до 3-5 Ом.
Более подробно о конструировании ИК-локаторов можно прочитать в авторских статьях [1, 2].
Заключение
В статье описан генератор с оптической обратной связью, возникающей в моменты обнаружения отраженного от препятствий светового потока. Полезный сигнал обрабатывается преобразователем длины импульса в напряжение с устранением зоны неопределенности. Приведены примеры практического применения такого генератора и видеоматериалы испытаний конкретного образца.
Цифровые формирователи трехфазного напряжения с ШИМ-управлением
Texas Instruments CD4017B CD4070B CD4093B
Михаил Шустов, г. Томск
Рассмотрены схемы цифровых формирователей трехфазного напряжения регулируемой частоты с возможностью плавного управления шириной заполняющих выходной импульс высокочастотных сигналов в пределах от 1 до 99%.
Формирователи трехфазных сигналов с возможностью регулирования частоты выходных сигналов и их интеграла мощности с использованием широтно-импульсной модуляции (ШИМ) известны из монографий и журнальных статей последних лет [1–3]. Несмотря на очевидный прогресс в совершенствовании схем устройств подобного назначения, они остаются избыточно сложными для повторения. Ниже приводятся две схемы относительно простых цифровых формирователей трехфазного напряжения регулируемой частоты с возможностью управления шириной заполняющих выходной импульс высокочастотных сигналов.
Формирователи трехфазных сигналов (Рисунки 1 и 2) построены по аналогичной структурной схеме и включают генератор импульсов повышенной частоты с независимой регулировкой частоты и скважности [4], делитель частоты, формирователь трехфазных сигналов и выходные каскады.
 | ||
| Рисунок 1. | Формирователь трехфазного напряжения с мультиступенчатым переключением частоты выходных импульсов и независимым управлением ширины заполняющих выходной импульс высокочастотных сигналов. | |
Формирователь, Рисунок 1, содержит собственно генератор прямоугольных импульсов на элементе DD1.1 микросхемы CD4093 (КР1561ТЛ1) с коэффициентом заполнения, близким к 99%, работающий на частоте порядка 20 кГц. На элементе DD1.2 выполнен узел плавной регулировки ширины сигналов задающего генератора. Регулировка ширины импульсов (коэффициента заполнения D) в пределах от 1 до 99% производится потенциометром R2.
 | ||
| Рисунок 2. | Формирователь трехфазного напряжения с плавной перестройкой частоты выходных импульсов и независимым управлением ширины заполняющих выходной импульс высокочастотных сигналов. | |
На элементах DD2.1 и DD2.2 микросхемы CD4070 (К561ЛП2) выполнен целочисленный делитель частоты входного сигнала, имеющий коэффициент деления примерно от 13 до 267. Этот коэффициент деления ступенчато задается плавной регулировкой потенциометра R4 и зависит от RC-постоянной времени (R3+R4)C2. Несмотря на то, что коэффициент деления меняется ступенчато, при больших значениях этого коэффициента ступенчатая перестройка частоты выходного сигнала несущественно отличается от плавной перестройки.
На микросхеме DD3 CD4017 (К561ИЕ8) выполнен делитель частоты входного сигнала на 3 и, одновременно, формирователь трехфазного напряжения.
Выходные каскады на каждую из фаз выполнены по идентичным схемам (блоки A, B и С). На вход каждого из этих каскадов поступает сигнал соответствующей фазы (A, B и С) частотой 25…500 Гц и, одновременно, сигнал частотой порядка 20 кГц, плавно регулируемый по коэффициенту заполнения от 1 до 99%. В итоге на выходах (A, B и С) устройства формируются серии высокочастотных (
20 кГц) импульсов регулируемой ширины (от 1 до 99%) в пределах длительности низкочастотных (25…500 Гц) трехфазных сигналов.
Второй формирователь трехфазного напряжения, Рисунок 2, имеет генератор импульсов с независимой регулировкой частоты и скважности [4], выполненный на элементах DD1.1 и DD1.2 микросхемы CD4093 (КР1561ТЛ1). Генератор работает на частоте 1.5…12 кГц (перестройка потенциометром R2). Регулировка коэффициента заполнения D производится потенциометром R4 в пределах от 1 до 99% и совершенно не зависит от частоты генерации.
Сигнал с выхода задающего генератора поступает на вход двухступенчатого делителя частоты, выполненного на микросхемах DD2 и DD3 CD4017 (К561ИЕ8). Второй каскад делителя (микросхема DD3) одновременно выполняет функции формирователя трехфазного напряжения. Итоговый коэффициент деления частоты равен 30 (10×3).
Выходные каскады устройства, Рисунок 2, выполнены по схеме, идентичной приведенной ранее на Рисунке 1.
В итоге на выходе формирователя трехфазного напряжения, Рисунок 2, формируются серии из 30 высокочастотных (1.5…12 кГц) импульсов регулируемой ширины (от 1 до 99%) в пределах длительности низкочастотных (50…400 Гц) трехфазных сигналов.
