Генераторы сигнал-стимулов

 

В подавляющем своем большинстве генераторы сигнал-стимулов работают в автоколебательном режиме. При этом наибольший приоритет имеют импульсы прямоугольной формы. Генераторы сигнал-стимулов могут быть построены, как на базе аналоговых, так и цифровых микросхем и на любой элементной базе (аналоговые-на транзисторах, на логических элементах, на операционных усилителях, на однотактных таймерах; цифровые-на программируемых таймерах, делителях, микропроцессорах и другие варианты).

Рассмотрим простейший вариант автогенератора-мультивибратора на базе триггера Шмидта, схема которого представлена на рис. 12, а.

 

Рисунок 12 – Схема мультивибратора на базе триггера Шмидта

 

Цепь положительной обратной связи (ПОС), обеспечивающая лавинообразный переход мультивибратора из одного состояния в другое выполнена на основе резистивного делителя R1, R2. Цепь отрицательной обратной связи (ООС) образована интегрирующей цепью RC. Временные диаграммы напряжений на выходе и на конденсаторе (инвертирующем входе) представлены на рис. 12, б. В данной схеме длительности двух состояний примерно равны , т.е скважность импульсов положительной полярности равна . Период колебаний определяется соотношением:

 

.

 

Пилообразную форму напряжения легко получить, используя заряд конденсатора от источника постоянного тока. Тогда при i_c(t) = const = I_c получим линейное нарастание напряжения от времени:

 

.

 

Если обеспечить периодический быстрый разряд конденсатора, то получим сигнал пилообразной формы. Для коммутации переходных процессов в конденсаторе (заряд – разряд) можно использовать электронный ключ, подключенный параллельно конденсатору (рис. 13, а). Амплитудно-временные диаграммы работы схемы представлены на рис. 13, б. При выбранном типе полевого транзистора (с n – каналом) заряд конденсатора осуществляется в течение времени , когда транзистор закрыт напряжением отрицательной полярности . При подаче управляющего напряжения положительной полярности транзистор открывается и конденсатор разряжается через внутреннее сопротивление открытого транзистора . Временные соотношения задаются тактовым генератором (ТГ).

Рисунок 13 – а) Схема генератора пилообразного напряжения: ТГ – тактовый генератор; ИТ – источник тока б) диаграммы напряжений

 

В качестве ключевого элемента могут быть использованы как биполярные, так и полевые транзисторы. Длительность пребывания ключа в замкнутом состоянии  определяет временной интервал между импульсами пилообразной формы, который должен превышать время полного разряда емкости через внутреннее сопротивление открытого ключа .

Амплитуда выходных импульсов определяется соотношением:

 

,

 

где  - напряжение источника питания;  - внутреннее сопротивление источника тока.

Для рефлексотерапии наряду с частотой повторения важным временным параметром является коэффициент заполнения воздействующего импульса . В качестве примера рассмотрим структурную схему автогенератора, позволяющего осуществлять независимое управление периодом и коэффициентом заполнения импульсов прямоугольной формы (рис. 14, а).

Рисунок 14 – Схема автогенератора сигнал-стимулов (а) и амплитудно-временные диаграммы (б)

 

Схема содержит источник тока (ИТ), генератор пилообразного напряжения на транзисторе VT и конденсаторе С, формирователь управляющих импульсов генератора пилообразного напряжения (Ф) и два амплитудных компаратора АК1 и АК2.

Амплитудно-временные диаграммы работы устройства представлены на рис. 14, б. В диаграммах использованы следующие обозначения:  – пилообразное напряжение, снимаемое с конденсатора С;  – регулируемый уровень напряжения переключения компаратора АК1, задаваемый переменным резистором;  – регулируемый уровень напряжения переключения компаратора АК2;  – напряжение на выходе формирователя (на входе транзистора VT);  - выходное напряжение, снимаемое с выхода компаратора АК2;  - длительность импульса сигнал-стимула.

Схема работает следующим образом. В начальный момент времени транзистор VT закрыт и конденсатор С заряжается от источника тока ИТ, формируя линейно нарастающее напряжение, которое одновременно подается на входы компараторов АК1 и АК2. На другие входы компараторов подаются регулируемые напряжения  и  от источника питания . Для нормальной работы схемы необходимо выполнение условия > . После достижения пилообразного напряжения уровня  происходит переключение компаратора АК1 (отрицательный перепад) с формированием выходного импульса положительной полярности и длительностью, определяемой соотношением

 

.

 

Пилообразное напряжение, продолжая нарастать, достигает уровня срабатывания первого компаратора . Отрицательный перепад выходного напряжения компаратора АК1 подается на запуск формирователя, с выхода которого импульс положительной полярности подается на транзистор VT, вызывая быстрый разряд конденсатора и определяя начало нового цикла заряда. Частота повторения циклов заряд разряд конденсатора, а следовательно и выходных сигнал-стимулов, таким образом задается уровнем срабатывания компаратора АК1 и определяется соотношением:

 

.

 

Достоинством схемы на рис. 15 является возможность независимого управления частотой и длительностью сигнал-стимулов. Регулируемый коэффициент заполнения импульса определяется формулой:

 

.

 

Одной из наиболее простых аналогово-цифровых интегральных микросхем, используемых для генерирования последовательностей импульсов, является интегральный таймер типа КР602ВИ1 (SE71). Функциональная схема и условное обозначение этого таймера представлены на рис. 15. В состав КР602ВИ1 входят следующие функциональные элементы: два компаратора DA1 и DA2, RS – триггер, резистивный делитель напряжения R1, R2, R3, выходной усилители мощности. Напряжение питания  таймера может изменяться в пределах 1 – 7 В.

 

Рисунок 15 –Функциональная схема таймера КР602ВИ1 (а) и его условное обозначение (б)

 

Внутренний резистивный делитель задает пороговые уровни напряжения верхнего и нижнего компараторов  и  соответственно на компараторы DA1 и DA2. Таким образом, если на выводе 2 таймера напряжение станет меньше , то на триггер пойдет сигнал установки в единицу; если же напряжение на выводе 2 станет больше, чем , то с верхнего компаратора на триггер придет сигнал установки в нуль. Триггер имеет и дополнительный вход установки в нуль – вывод 4.

Если на входы триггера поступают одновременно сигналы установки в различные состояния, то триггер срабатывает в соответствие со следующими приоритетами сигналов. Наивысший приоритет имеет сигнал, подаваемый на вывод 4. Поэтому, этот сигнал является сигналом разрешения: если Е = 1, то работа таймера разрешена, если Е = 0, то триггер таймера находится в нулевом состоянии. Вторым по старшинству является непрерывный сигнал , подаваемый на вывод 2. Этот сигнал соответствует инверсному входу установки триггера в единицу: если Е = 1 и , то с выхода триггера будет сниматься единичный уровень (независимо от напряжения на выводе 2). И, наконец, самый младший приоритет принадлежит непрерывному сигналу , подаваемому на вывод 2. Этот сигнал при ,  и Е = 1 обеспечивает установку триггера в нуль. Выходной каскад обеспечивает ток до 60 мА, что достаточно, например, для управлением электромагнитным реле.

В качестве примера рассмотрим схему мультивибратора на базе таймера КР602ВИ1 (рис.16).

 

Рисунок 16 – Схема мультивибратора на базе таймера КР602ВИ1 (а) и амплитудно-временные диаграммы работы (б)

 

Здесь оба непрерывных входа таймера (R и S) используются для контроля напряжения на конденсаторе С. Когда это напряжение достигает уровня , то триггер таймера переходит в состояние 0. При этом на инверсном выходе триггера появляется единичный уровень, открывающий внутренний ключевой транзистор (рис. 16, а). Выход ключа соединен со средней точкой делителя R1, R2, поэтому конденсатор начинает разряжаться через резистор R2 и внутреннее сопротивление открытого ключа. Но как только напряжение на конденсаторе снизится до уровня , то в соответствие с приоритетами сигналов, на триггер подается сигнал переключения в единицу и заряд конденсатора начинается снова. Частота генерируемых импульсов определяется соотношением:

 

.

 

Варьируя соотношением сопротивлений резисторов R1, R2 можно регулировать коэффициент заполнения импульсов.

Входной ток компараторов составляет примерно 0,1 мкА, а ток утечки закрытого ключа – около 0,1 мкА. Величины этих токов определяют наибольшее суммарное сопротивление время задающих резисторов R1, R2. Рекомендуется выбирать значение этого сопротивления из диапазона 1кОм – 1МОм. Наименьшая возможная длительность формируемого импульса ограничена быстродействием таймера и равна 6 мкс.

В последнее время широкое распространение получили устройства генерирования сигнал-стимулов на базе микроконтроллеров.