Разработка и тестирование мультивибратора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание курсового проекта

генератор монтаж автогенератор схема

Введение

1. Анализ технического задания, выбор схемы проектируемого генератора и описание принципа ее работы

2. Расчет элементов схемы автогенератора

3. Симуляция работы схемы генератора с помощью программы Proteus и корректировка расчетов

4. Разработка действующего макета

5. Топология и печатный монтаж схемы

6. Результаты исследования параметров схемы автогенератора

Заключение

Список использованных литературных источников

Приложение А Перечень компонентов схемы автогенератора, подобранных в соответствии со стандартами CEI



Введение

Мультивибратором называется устройство, генерирующее прямоугольные (или близкие к прямоугольным) импульсы с характеристиками, определяемыми параметрами самого устройства.

Различают два режима работы мультивибраторов: автоколебательный и ждущий. В первом случае мультивибратор генерирует непрерывную последовательность импульсов, во втором - каждому входному сигналу произвольной формы соответствует один или «пачка» «стандартных» импульсов.

Мультивибраторы, работающие в автоколебательном режиме, применяются в качестве генераторов, задающих опорную частоту. Ждущий режим работы применим для формирования импульсов с определёнными параметрами и характеристиками.

Симметричным мультивибратором называют устройство из двух однотипных усилительных каскадов, которые охвачены положительной обратной связью, при этом цепь ОС создается однотипными ветвями. Это достигается при попарном равенстве сопротивлений R1 и R4, R2 и R3, ёмкостей C1 и C2, а также параметров транзисторов Q1 и Q2.

Симметричный мультивибратор генерирует сигнал «меандрового» типа, то есть сигнал, в периоде которого длительность импульса и длительность паузы одинакова.

Симметричный мультивибратор по «классической» схеме (см. рисунок 1.1) широко используется для учебных и демонстрационных целей в качестве простейшего по устройству генератора электрических колебаний. Данная схема обладает понятностью и очевидностью, а также не требует для реализации неудобных в расчётах и сборке индуктивностей и трансформаторов.

Практическое применение мультивибраторов на двух транзисторах ограничено сверху частотами в единицы мегагерц. На более высоких частотах оба транзистора с большой вероятностью запираются и для восстановления работы устройство надо отключать от источника питания и запускать заново, что во многих случаях неприемлемо.



1. Анализ технического задания, выбор схемы проектируемого генератора и описание принципа ее работы

Необходимо разработать мультивибратор, имеющий следующие технические характеристики:

-полярность импульсов	положительная
-амплитуда импульсов Uвых, В	8.0
-диапазон изменения частоты повторения импульсов F, Гц 1-5000
-сопротивление нагрузки Rн, Ом	60.0

Чтобы удовлетворить требования технического задания мной была выбрана схема симметричного мультивибратора с емкостными коллекторно-базовыми связями, которая изображена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 Схема электрическая принципиальная мультивибратора

Схема может находиться в одном из двух нестабильных состояний и периодически переходит из одного в другое и обратно. Фаза перехода очень короткая относительно длительности нахождения в состояниях благодаря глубокой положительной обратной связи, охватывающей два каскада усиления.

Физические процессы в мультивибраторе

Исходное состояние схемы транзистор Т₂ насыщен, конденсатор С₂ разряжается и напряжением на нем приближается к нулю. Напряжением U_С2 транзистор VТ₁ заперт, так как левая по схеме обкладка С₂ непосредственно соединена с базой VТ_1, а правая оказывается подсоединенной к эмиттеру VТ₁ через насыщенный транзистор VТ_2.Такому состоянию соответствуют временные диаграммы до момента времени t₁, в соответствии с которыми

U_б2 ? 0, U_К2 ? 0. Период следования формируемых импульсов можно разбить на ряд стадий.

Формирование фронта импульса. Когда напряжение U_С2 на разряжающемся конденсаторе С₂ станет равным нулю, транзистор VТ1 отпирается.

При одновременно отпертых транзисторах замыкается цепь положительной обратной связи - в схеме создается условия для лавинообразного процесса. Отпирание транзистора Т₁ приводит к уменьшению отрицательного потенциала на его коллекторе. Так как напряжение на конденсаторе С₁ не может изменяться мгновенно, то этот положительный скачок напряжения целиком прикладывается между базой и эмиттером VТ₂, что вызывает уменьшения тока в его цепи. Вследствие этого потенциал коллектора VТ₂ становится более отрицательным. Отрицательный скачок напряжения через конденсатор С₂ передается на базу транзистора VТ₁, что приводит к еще большему отпиранию. Так как последующий скачок напряжения на базе больше предыдущего, то описанный процесс нарастает лавинообразно и спустя небольшое время. Исчисляемое долями микросекунды, транзистор VТ₂ оказывается запертым. С этого момента цепь положительной обратной связи обрывается и лавинообразный процесс прекращается.

Во время лавинообразного процесса напряжение на конденсаторе С₂ не успевает измениться. Только после запирания транзистора VТ₂ этот конденсатор начинает заряжаться током i_З по цепи: + Е_К - « земля» - эмиттер - база насыщенного транзистора VТ₁- С₂ - R_К2 - (-Е_К). За счет этого напряжение на коллекторе VТ₂ U_К2 = - (Е_К - i_З*R_К2 ) постепенно приближается к установившемуся значению, напряжение на коллекторе примет значение U_К2 ? - Е_К. На этом формирование фронт импульса заканчивается.

Формирование плоской вершины импульса. До момента времени t₁ конденсатор С₁, присоединенный к коллектору запертого прежде транзистора VТ₁ был заряжен до напряжения U_С1 ? Е_К. После насыщения транзистора VТ₁ напряжение на этом конденсаторе оказывается приложенным между базой и эмиттером VТ₂ и удерживает его запертым. Поэтому напряжение U_К2 остается неизменным- на коллекторе VТ₂ формируется плоская вершина импульса.

При насыщенном транзисторе VТ₁ конденсатор С₁ получает возможность разряжаться по цепи: + Е_К - «земля» - Т₁ - С₁- Rб₂ - ( - Е_К ). Когда напряжение на нем окажется близким к нулю, транзистор VТ₂ отпирается, и в схеме вновь создаются условия для лавинообразного процессов. В момент t₂ формирование плоской вершины заканчивается.

Формирование среза импульса. Начавшийся лавинообразный процесс протекает аналогично описанному с той лишь разницей, что теперь напряжение на коллекторе VТ₁ по абсолютному значению увеличивается, а напряжение на коллекторе VТ₂ уменьшается. В результате транзистор VТ₁ запирается, а транзистор VТ₂ насыщается, на коллекторе VТ₂ формируется срез импульса.

Пауза. Через насыщенный транзистор VТ₂ происходит разрядка конденсатора С₂ по цепи: +Е_К - «земля» - Т₂ - С₂- R_б1 - ( - Е_К). По напряжение U_С2 не приблизится к нулю транзистор VТ₁ заперт, а транзистор VТ₂ насыщен. После отпирания VТ₁ начинается формирование очередного импульса на коллекторе VТ₂. Наряду с разрядкой конденсатора С₂ происходит зарядка конденсатора С₁ по цепи: + Е_К - «змля»- эмиттер- база VТ₂ - С₁ - ( - Е_К ). Аналогично ранее заряжался конденсатор С₂, когда транзистор VТ₁ был насыщен, а транзистор VТ₂ заперт.

Рисунок 1.2 Временные диаграммы

Мне пришлось модифицировать данную схему, чтобы обеспечить регулировку частоты генерации прямоугольных импульсов в нужном диапазоне, а так же обеспечить возможность подключения нагрузки.

Регулировку частоты генерации прямоугольных импульсов можно производить, изменяя емкость конденсаторов и сопротивление базы транзистора.

Для получения желаемых результатов я провел ряд расчетов (см. Расчет элементов схемы автогенератора), в результате которых я рассчитал 3 необходимых номинала конденсаторов и потенциометр. Благодаря смене позиции трехпозиционного двойного переключателя, включающего пары конденсаторов, и переменного резистора возможна регулировка частоты генерации прямоугольных импульсов (Рис. 1.3).

Рисунок 1.3 Регулировка частоты генерации прямоугольных импульсов

Согласно техническому заданию, к мультивибратору нужно подключить Rн = 60 Ом. Напрямую к выходу нельзя подключать такую нагрузку, потому что она вызовет дисбаланс симметричного мультивибратора, и он перестанет быть таковым. Для того чтобы нагрузка не влияла на сам мультивибратор, она должна иметь достаточное входное сопротивление. Для этого я разработал и применил буферный транзисторный каскад (Рис. 1.4 ).



Рисунок 1.4 Схема «составного транзистора»

Добавочный резистор R10 повышает входное сопротивление буферного каскада, и тем самым исключает влияние буферного каскада на транзистор мультивибратора. Его значение должно не менее, чем в 10 раз превышать значение коллекторного резистора. Подключение двух транзисторов по схеме «составного транзистора» значительно усиливает выходной ток. При этом, правильным является подключение базово-эмиттерной цепи буферного каскада параллельно коллекторному резистору мультивибратора, а не параллельно коллекторно-эмиттерному переходу транзистора мультивибратора.

В результате, я получил модифицированную, электрическую принципиальную схему мультивибратора изображена на рисунке 1.5.



Рисунок 1.5 Модифицированная электрическая принципиальная схема мультивибратора

Мультивибратор подключен к блоку питания, схема электрическая принципиальная которого изображена на рисунке 1.6.

Рисунок 1.6 Схема электрическая принципиальная блока питания мультивибратора

Мультивибратор нужно подключить к источнику постоянного напряжения. Напряжение источника питания выбирается, исходя из требований технического задания и расчетов (см. Расчет элементов схемы автогенератора). Трансформатор для блока питания должен выдавать не менее 12V, чтобы мог корректно работать линейный стабилизатор напряжения L7809. Также пульсации напряжения перед стабилизатором напряжения сглаживаются емкостным фильтром. Был выбран емкостной фильтр, потому что емкостной фильтр целесообразней всего применять совместно с однофазными и маломощными схемами выпрямления. Также для фильтрации малых пульсаций были использованы высокочастотные конденсаторы малой емкости.

Принцип работы блока питания. На блок питание подается переменное напряжение 220В. Трансформатор ТR1 понижает его до 18В. Потом переменное напряжение с трансформатора выпрямляется на диодном мосте до пульсирующего напряжения. Далее пульсирующее напряжение с диодного моста походит через фильтрующие конденсатор С1 и С7 большой емкости, чтобы сгладить пульсации. Сглаженное напряжение 18В подается на линейный стабилизатор напряжения L7809, и на выходе его получается 9В. На входе и выходе линейного стабилизатора напряжения были подключены высокочастотные конденсаторы малой емкости С2 и С3, это требуется для уменьшения малых пульсаций по выходу и выходу стабилизатора напряжения. На выходе блока питания получено стабилизированных 9В.

2. Расчет элементов схемы

Нужно рассчитать схему симметричного мультивибратора с положительной полярностью импульсов. Амплитуда выходных импульсов должна быть 8В. Также нужно провести изменение частоты генерации импульсов в диапазоне 1 - 5000Гц. К мультивибратору нужно подключить нагрузку Rн = 60 Ом.

1. Определение напряжения источника питания

Пользуясь выражением, определяю напряжение источника питания

Напряжение источника питания подбирается в зависимости от амплитуды импульсов Uвых.



Ek = 1.1 * Uвых;

В соответствии с данными возьмем:

Ek = 1.1 * 8 = 8.8B

2. Выбор транзистора

Так как должна быть положительная полярность импульсов, то выбирается транзисторы n-p-n типа, параметры которого должны удовлетворять условиям. Были выбраны транзисторы n-p-n типа 2N2222.

Для них: Pmax=650 мВт; Imax=600 мА; h21=100-300.

3. Расчет резисторов

Пользуясь выражением, рассчитываю сопротивление коллектора транзистора:

Rkmin = Ek / Imax;

Rkmin = 9 / 20 = 450 Ом;

Рассчитаю сопротивление базы транзистора:

RВmin = h21 * Rkmin;

RВmin = 100 * 450 = 45 кОм;

Номиналы R1 и R4 выбираются намного меньшие, чем R3 и R2, чтобы зарядка конденсаторов через R1 и R4 была быстрее, чем разрядка через R3 и R2. Чем больше будет время зарядки конденсаторов, тем положе окажутся фронты импульсов. Но отношения R3/R1 и R2/R4 не должны быть больше, чем коэффициенты усиления соответствующих транзисторов, иначе транзисторы не будут открываться полностью.

4. Расчет частоты

Так как мне нужно обеспечить регулировку частоты генерации прямоугольных импульсов, мне нужно будет переключаться между конденсаторами и вращать ручку потенциометра, и тогда будет настроена желаемая частота.

f = 0.7 / (CB * RB);

f = 0.7 / 67 кОм * 10uF = 1Гц;

f = 0.7 / 2.2 nF * 63 кОм =5050 Гц;

f = 0.7 / 2.2 nF * 150 кОм =2121 Гц;

Потенциометр я выбрал на 250 кОм, это обеспечит плавную регуляцию генерации прямоугольных импульсов.

3. Симуляция работы схемы генератора с помощью программы Proteus и корректировка расчетов

Рисунок 3.1 Изображение симуляции в программе Proteus

Проводя симуляции в Proteus, я удостоверился в работоспособности собранной схемы. Пришлось скорректировать расчеты, чтобы добиться желаемого результата. Также пришлось выбирать радиоэлементы подходящие близко под расчеты. Резисторы R1 и R2 были выбраны сопротивлением 470 Ом, а резисторы R2 и R3 - 47 кОм. Конденсаторы были выбраны трех номиналов на 10uF, 2.2 nF и 1nF. Остальные расчетные данные остались без изменений.

Также были сделаны осциллограммы контрольных точек:

Рисунок 3.2 База первого транзистора



Рисунок 3.3 База второго транзистора

Рисунок 3.4 Базы двух транзисторов



Рисунок 3.5 Коллектор первого транзистора

Рисунок 3.6 Коллектор второго транзистора



Рисунок 3.7 Коллекторы двух транзисторов

Рисунок 3.8 Коллекторы и базы двух транзисторов



Рисунок 3.9 Осциллограмма с нагрузки

4. Разработка действующего макета

При разработке конструкции изделия полностью удовлетворяющей поставленным требованиям, согласно техническому заданию учитываются:

- функциональное назначение изделия;

- объект установки изделия РЭА;

- условия эксплуатации и эксплуатационные требования;

- производственно-технологические требования;

- экономические показатели;

- надежность;

- преимущества и недостатки конструкции РЭА.

С конструкторской точки зрения наиболее удобной является классификация по функциональному назначению, применению и объекту установки.

Различают три класса РЭА по объекту установки: бортовая; морская; наземная.

В каждом классе различают специализированные группы в зависимости от объекта установки. Конструкция РЭА различного назначения, устанавливаемой на различные объекты, имеет особенности, вытекающие из специфики назначений и условий эксплуатации.

При конструировании радиоаппаратуры пользуются классификацией:

-бортовая;

-морская;

-наземная.

Мультивибратор можно отнести к классу - наземная РЭА.

Наземная РЭА наиболее обширна и разнообразна. Общей задачей конструирования наземной РЭА является защита от вибраций и ударов, от пыли в условиях нормального атмосферного давления.

Внешние факторы, влияющие на работоспособность аппаратуры, можно классифицировать на 2 вида:

- климатические воздействия;

- механические воздействия.

Для оценки величины каждого воздействующего фактора его сравнивают с нормальными условиями эксплуатации.

Под нормальными условиями эксплуатации понимают условия работы в закрытых отапливаемых помещениях при отсутствии в воздухе паров, газов, солей, кислот и микроорганизмов при температуре (25 ± 5°)С, относительной влажностью (65 + 15)%, атмосферном давлении (8,36... 10,6) 10⁴ Па (630...800 мм.рт.ст.), при отсутствии механических воздействий.

Разработанная модель предназначена для эксплуатации в нормальных условиях. При изменении условий эксплуатации возможны сбои в работе и преждевременный выход из строя устройства



5. Топология и печатный монтаж схемы

Была разработана плата печатная:

Рисунок 5.1 Плата печатная мультивибратора

После разработки печатной платы были проведены следующие действия:

1. Был распечатан на глянцевой бумаге лазерным принтером позитив печатной платы.

2. Была произведена механическая обработка фольгированного одностороннего стеклотекстолита (резка и шлифование наждачной бумагой).

3. Изображение печатной платы прикладывается к фольгированной части стеклотекстолита и нагревается в течение 5 минут. Когда тонер с бумаги перенесся на стеклотекстолит, приступаю к следующему этапу.

4. Печатная плата помещается в раствор лимонной кислоты и перекиси водорода, и травится там в течение 20 минут.

5. После окончания травления удаляется тонер c печатной платы и производится сверление отверстий для компонентов.

6. Радиодетали припаиваются в печатную плату, согласно схеме подключения.

7. Производится визуальный контроль пайки.

В итоге получилось собрать необходимое устройство.

6. Результаты исследования параметров схемы автогенератора

После сборки устройства были проведены проверки качества и выдаваемые параметры схемы.

Пульсирующее напряжение на выходе диодного моста.

Рисунок 7.1 Пульсирующее напряжение на выходе диодного моста

Стабилизированное напряжение на выходе линейного стабилизатора напряжения.



Рисунок 7.2 Стабилизированное напряжение на выходе линейного стабилизатора напряжения

Потом были сделаны осциллограммы и замер частоты на осциллографе:

Рисунок 7.3 Осциллограмма на базе транзистора



Рисунок 7.4 Осциллограмма на коллекторе транзистора

Рисунок 7.5 Осциллограмма на нагрузке

Спроектированная схема симметричного мультивибратора выполняет требования технического задания.

Заключение

Разработанный в курсовом проекте мультивибратор по электрическим, конструктивным и эксплуатационным характеристикам соответствует требованиям курсового задания.

Основным назначением разработанного устройства является генерация высокостабильных прямоугольных импульсов.

В ходе выполнения курсового проекта была разработана компоновка печатного узла и его конструкция, были максимально использованы стандартизированные и нормализированные элементы, детали, сборочные единицы.

При выполнении курсового проекта были закреплены навыки работы с технической и методической литературой, навыки разработки и тестирования печатных плат.

Данное устройство будет полезно в использовании, как радиолюбителям, так и в бытовой сфере.



Список использованных литературных источников

1 Мультивибратор https://ru.wikipedia.org/wiki/Мультивибратор.

2 Абрамова Н.И. Методические указания по выполнению курсового проекта для специальности 11.02.01 «Радиоаппаратостроение». Ростов на/Д:РКРИПТ, 2017. 36 с.

3 Т. М. Агаханян «Рсчет импульсных устройств на полупроводниковых приборах» Москва, «СОВЕТСКОЕ РАДИО», 1975 с. 234-235.

4 В. Г. Георгиу, В. Н. Галамага « Практическая электроника» с. 87.

5 Ю.А.Браммер «Импульсная техника».



Позиц. обозначение	Наименование	Количество
	Конденсаторы
С1, С7	K7A PET 16V 1000uF	2
C2	06 N-H7 WIMA 50V 0.33uF	1
C3	334 35V 0.1uF	1
C4, C5, C9	SME 50V 10uF	3
C6, C8	222 35V 2.2nF	2
C10, C11	332 35V 1nF	2
	Диодный мост
BR1	DB107 1000V	1
	Линейный стабилизатор напряжения
U1	L7809CV +9В, 1.5А, 4%	1
	Трансформатор
TR1	18V 100mA	1
	Транзисторы
Q1, Q2	2N2222	2
Q5, Q6	2N5401	2
	Резисторы
R1, R2	CF-25 470Ом	2
R3, R4	CF-25 47кОм	2
R5	CF-25 60Ом	1
R10	CF-25 7.5кОм	1
	Потенциометр
RV2	B 250 кОм	1
	Переключатель
SW2, SW3	ALCO	1

Размещено на Allbest.ru

...