Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Курсовая работа по дисциплине «Электроника» имеет объем 27 листов. Содержит выбор, обоснование и расчет генератора синусоидальных колебаний на операционном усилителе. Каждый каскад наглядно проиллюстрирован в пояснительной записке, все необходимые расчеты приведены там же. При проектировании было использовано 11 источников. Электрическая структурная, электрическая принципиальная схемы и сборочный чертеж, а также диаграммы работы устройства прилагаются.

Содержание

Введение

1. Выбор структурной схемы устройства

2. Выбор принципиальной электрической схемы устройства

2.1 Выбор принципиальной схемы генератора

2.2 Выбор принципиальной схемы усилителя напряжения

2.3 Выбор принципиальной схемы усилителя тока

3. Расчет принципиальной электрической схемы

3.1 Расчет усилителя напряжения

3.2 Расчет усилителя тока

3.3 Расчет генератора синусоидальных колебаний

3.3.1 Расчет цепи ПОС моста Вина

3.3.2 Расчет цепи ООС и цепи АРУ

4. Расчёт коэффициента нелинейных искажений

5. Расчёт коэффициента полезного действия генератора

Заключение

Список использованных источников

Введение

Современное развитие средств вычислительной техники во всех областях человеческой деятельности невозможно без электроники и микроэлектроники, поскольку они позволяют создавать быстродействующие, надежные, дешевые, имеющие минимальные весогабаритные показатели, элементы и устройства.

Электроника находится в постоянном развитии. Это связано в первую очередь с непрерывным совершенствованием её элементной базы. Её развитие началось с создания электровакуумных и газоразрядных приборов, затем появились силовые полупроводниковые приборы - диоды, транзисторы, тиристоры, применение которых позволило значительно снизить потребляемую мощность, габариты, вес, затраты на производство и повысить надёжность электронной аппаратуры. В условиях возрастающей сложности электронной аппаратуры, появилась необходимость перехода от дискретного к интегральному её исполнению. Современный этап развития промышленной электроники характеризуется широким использованием больших и сверхбольших интегральных схем, имеющих в одном корпусе сотни тысяч элементов и представляющих собой функционально законченные блоки.

Одним из важнейших направлений в современной электронике является разработка автогенераторов, позволяющих получить синусоидальное, пилообразное, прямоугольное и другие виды напряжений на их выходе.

Генератором синусоидальных колебаний называется электронное устройство, преобразующее электрическую энергию источника постоянного тока в энергию незатухающих синусоидальных колебаний заданной частоты и мощности. В устройствах промышленной электроники используются, в основном, низкочастотные (0,01…100 КГц) и высокочастотные (0,1…100 МГц) генераторы, которые применяются в измерительных и регулирующих устройствах, в устройствах питания технологических установок ультразвуковой обработки материалов, а также в качестве задающих генераторов.

1. Выбор структурной схемы устройства

генератор синусоидальный колебание усилитель

Генератор синусоидальных колебаний будет спроектирован на основе операционного усилителя. По исходным данным задания определим амплитуды напряжения и тока в нагрузке:

Но по условию задания напряжение питания Uпит 24 В не хватает для обеспечения напряжения на нагрузке Uн=49 В, значит в схему нужно ввести усилитель напряжения, который будет повышать напряжение на нагрузке за счет потерь в подходящем к нагрузке токе. Но выходное напряжение большинства современных операционных усилителей не превышает 10 В, а выходной ток 5 мА, значит в схему необходимо ввести усилитель тока. Тогда структурная схема устройства изображена на рисунке 1.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Более подробная схема устройства изображена на схеме электрической структурной 5093.092 000.000 Э1.

2. Выбор принципиальной электрической схемы устройства

2.1 Выбор принципиальной схемы генератора

Генератором называется автоколебательная система, в которой энергия источника питания преобразуется в энергию колебаний.

Структурная схема содержит усилитель с коэффициентом усиления К, охваченный ПОС с коэффициентом передачи . Условие самовозбуждения генератора распадается на два: условие баланса амплитуд:

K·=1,3

определяющее амплитуду стационарных колебаний генератора, и условие баланса фаз:

цК + ц= 2·р·N, N=0,1,2…,

являющееся условием положительной обратной связи и определяющее частоту колебаний автогенератора. При выполнении этих условий случайное изменение напряжения на входе усилителя усиливается в К-раз, затем ослабляется в -раз и снова появляется на входе усилителя в той же фазе и той же или большей величины. Если условия самовозбуждения (3) и (4) будут выполняться для одной частоты или узкой полосы частот, то колебания будут синусоидальными.

Перейдем к проектированию принципиальной схемы нашего устройства. В качестве усилительного элемента используется операционный усилитель, который в схеме будет охвачен глубокой ООС по напряжению, поэтому его собственный коэффициент гармоник можно считать равным нулю. Усилитель подключим двухполярно. Выберем операционный усилитель типа КР140УД18 со следующими параметрами:

Таблица 1 Параметры ОУ КР140УД18

Кu	50000
f, МГц	1
Rвх, нОм	10
Rвых, мОм	0,5
Rн, кОм	2
Vu вых, В/мкс	2
Uвых макс, В	12
Iвых макс, мА	6
Uпит,B	15
Iпот, мА	4

Частотно-избирательные цепи в генераторах синусоидальных колебаний применяются двух типов - LC и RC, содержащие соответственно только индуктивности и емкости или только емкости и сопротивления. Применение частотно-избирательных цепей типа LC в генераторах низких частот становится весьма затруднительным, так как увеличиваются геометрические размеры элементов контура, уменьшается добротность колебательной системы, становится невозможной плавная перестройка контура в широком интервале частот. Поэтому для генераторов низких частот применяют частотно-избирательные цепи типа RC.

Резонансные RC цепи делятся на фазосдвигающие и мост Вина (рисунок 3.а). В генераторах с мостом Вина достигается наименьший коэффициент нелинейных искажений, в общем случае, от долей до нескольких процентов. Такие схемы имеют гораздо меньшее затухание сигнала (коэффициент передачи равен 1/3) и не поворачивают фазу выходного сигнала. Последнее обстоятельство позволит включить ОУ по схеме неинвертирующего усилителя, благодаря чему резко увеличивается его входное сопротивление и уменьшается выходное. К недостаткам генераторов с мостом Вина (рисунок 3.б) можно отнести низкий коэффициент полезного действия, который не превышает 50%.



Условие баланса для моста Вина может быть выполнено, если фазовый сдвиг в цепи равен нулю или кратен 2р. Для этого коэффициент передачи моста Вина должен быть равен:

(5)

где U1 -вход цепи ОС, выход для ОУ;

U2 -выход цепи обратной связи, неинвертирующий вход для ОУ;

-коэффициент усиления ОУ;

-коэффициент передачи.

Чтобы привести полученное комплексное число к вещественному виду необходимо равенство фаз ц1=ц2, где

(условие баланса фаз). Следовательно:

(6)

Если C1=C2=С и R1=R2=R, тогда

и ,

т.е. для самовозбуждения на частоте щ0 сигнал необходимо усилить не менее чем в 3 раза. Следовательно для выполнения условия баланса амплитуд (К·=1) необходимо чтобы коэффициент неинвертирующего усиления был равен трем, т.е.

(7)

Коэффициент передачи цепи ООС =1/3 будет обеспечиваться при R3=2R4.

Избирательные RC-цепи имеют сравнительно пологие фазо- и амплитудно-частотные характеристики петлевого усиления. Поэтому, если коэффициент усиления больше единицы, даже на небольшую величину, условия возникновения автоколебаний выполняются в сравнительно широкой полосе частот . При этом форма выходного сигнала существенно отличается от синусоидальной. Поэтому у автогенераторов с резонансными RC-цепями (RC-генераторов) приходится вводить дополнительные цепи автоматической регулировки усиления (АРУ). Применим АРУ на основе полевого транзистора, используя свойство его канала изменять свое сопротивление в широких пределах в зависимости от напряжения на затворе, когда оно не превышает напряжения отсечки. Цепь АРУ функционирует следующим образом: продетектированное и выпрямленное с помощью диода и RC-фильтра выходное напряжение подается на затвор полевого транзистора и управляет сопротивлением его канала, включенного непосредственно в цепь ООС операционного усилителя.

Спроектируем схему генератора синусоидальных колебаний, представленную на рисунке 4.

2.2 Выбор принципиальной схемы усилителя напряжения

Напряжения источника, данного в задании, не хватает, чтобы питать такую схему. Поэтому необходимо либо использовать трансформаторный каскад, либо мостовую схему, составленную из двух двухтактных каскадов. Однако, мостовая схема должна использовать два двухтактных эмиттерных повторителя, что в свою очередь понизит значительно КПД, т.к. основные потери энергии приходятся на эмиттерные повторители.

Выберем трансформаторную схему для построения усилителя напряжения. Такая схема содержит меньше элементов, чем дополнительный источник питания и двухтактная повторитель. Основным преимуществом трансформатора является его способность обеспечивать гальваническую развязку между каскадами. К недостаткам можно отнести наличие такого громоздкого и непригодного для интегрального исполнения элемента, как трансформатор.

Схема усилителя напряжения изображена на рисунке 5.

2.3 Выбор принципиальной схемы усилителя тока

Ток на выходе операционного усилителя достаточно мал. По условию задания ток на нагрузке должен быть равен:

.

Напряжение на нагрузке равно:

Из формул видно, что ток нагрузки больше, чем ток на выходе ОУ, а также напряжение на нагрузке выше напряжения питания. Поэтому на выходе ОУ подключим усилитель тока - эмиттерный повторитель, а на выход УТ - вход УН. Исходя из справочных данных на транзисторы, в данном усилителе тока можно получить выходной ток до 100мА, что соответствует условию задания.

На входе усилителя тока установлен разделительный конденсатор С4 для того, чтобы отделить постоянные составляющие напряжений ОУ и УТ. В результате чего конденсатор пропускает только переменное напряжение. Принципиальная схема УТ изображена на рисунке 6.

3. Расчет принципиальной электрической схемы

3.1 Расчет усилителя напряжения

Через мощность и сопротивление на нагрузке Pн = 3 Вт, Rн = 400 Ом найдем максимальное напряжение на нагрузке.

(

(

Максимальное напряжение на нагрузке Uнмакс=49 В больше, чем Uпит=24 В, поэтому необходимо использовать повышающий трансформатор. Примем КПД трансформатора =0,85.

Примем коэффициент трансформации n=2.

Определим Zвх трансформатора:

Определим индуктивность первичной обмотки трансформатора на частоте f=1000 Гц:

Спроектируем трансформатор со следующими параметрами:

- выходная мощность во вторичной обмотке Pн 3 Вт;

- коэффициент трансформации n=2;

- рабочая частота f 1 кГц.

Выберем феррит в качестве материала сердечника, т.к. его критическая частота fкр=3,9 МГц (частота, при которой феррит еще не теряет своих изначальных характеристик) удовлетворяет условию задания f 1 кГц; тороид в качестве формы сердечника. Выберем феррит М400НН с магнитной проницаемостью =400, для тороида магнитную проницаемость выберем ту же =400. Мощность нагрузки и мощность трансформатора будут соответственно равны:

Вычислим площадь сечения сердечника S:

Отсюда диаметр d сечения сердечника будет равен:

Через индуктивность L первичной обмотки трансформатора найдем количество витков в первичной обмотке N1:

где l-средняя линия тороида.

Значит, количество витков во вторичной обмотке N2 будет равно:

Рассчитаем диаметр провода первичной обмотки d1 и вторичной обмотки d2:

Обозначения нашего сердечника будут следующими: К29119,

где 29 - внешний диаметр;

11 - внутренний диаметр;

9 - диаметр сечения.

Наиболее близкий из стандартных сердечников - К30109.

3.2 Расчет усилителя тока

Усилитель тока состоит из комплементарной пары транзисторов с проводимостью разного типа. С помощью делителя напряжения R7, R8, R9, R10 транзисторы работают в классе АВ.

В качестве комплементарной пары применим транзисторы КТ3102А и КТ3107А. Их характеристики даны в таблице 2:

Таблица 2 Параметры транзисторов

	КТ3102A	КТ3107А
	100	100
fгр, МГц	100	100
Iбмакс, мА	1,2	1,2
Iкмакс, мА	100	100
Pкмакс, Вт	0,25	0,25
Uкэмакс, В	45	45
Cтруктура	n-p-n	p-n-p

Из максимального тока коллектора вычисляем максимальный ток базы:

Токи коллектора и базы не выходят за предельные значения токов этих транзисторов:

Iб=2,87 мА; Iбмакс=1,2 мА,

Iк=122,5 мА; Iкмакс=100 мА.

При токе Iб= 2,87 мА, Iк=122,5 мА имеем из графика Uкэ=1,1 В. Вычислим напряжение источников питания.

Значит, выберем источник питания Ек=15 В, падение напряжения при Uвхмакс=10 В составит Uкэ=Ек - Uвхмакс=15 - 10=5 В.

Рассчитаем делители напряжения R8-R11. Зададим начальный ток коллектора: Iко=1,5 мA, тогда

По ВАХ находим Uбэо=0,45 В это напряжение должно падать на резисторе R8. Зададим ток делителя Iдел=2,5 мА, тогда:

Выберем номиналы резисторов R7 = 5,76 кОм, R8 = 180 Ом.

Вычислим мощность резисторов:

Параметры другого плеча будут аналогичными R7=R10 и R8=R9. Источник питания такой же, но подключен другой полярностью.

Выберем резисторы из ряда Е96:

- R7, R10: МЛТ - 0,125 - 5,76 к 1%;

- R8, R9: МЛТ - 0,125 - 180 1%.

Разделительный конденсатор C4 выберем из соображения минимального сопротивления частоте f=1 кГц и намного меньшего сопротивления R9. Тогда, приняв реактивное сопротивление конденсатора ХС4=2 Ом, 2 Ом<<180 Ом, т.е. ХС4<<R9, получим:

В качестве емкости С4 выберем конденсатор KМ5 - П33 - 1,2 мк 50 В 5%.

Определим выходное напряжение ОУ:

Коэффициент усиления по напряжению усилителя тока:

3.3 Расчет генератора синусоидальных колебаний

3.3.1 Расчет цепи ПОС моста Вина

Условие подбора элементов схемы по цепи обратной связи:

Токи ПОС и ООС меньше 1,5 мА: Iоос<1,5 мА и Iпос<1,5 мА

Т.к операционный усилитель должен затрачивать энергию тока внутри себя, то условие изменится, положим его равным Iзатр=1 мА.

C учетом затрат токи будут ограничены: Iоос<1 мА и Iпос<1 мА.

Определим ток Iпос. Резисторы R5=R6=R, емкости C2=C3=C; частота f=1/(2рRC), отсюда видно:

Вычислим ток Iпос:

Зададим емкость конденсатору С=510 пФ, вычислим сопротивление R:

Определим ток Iпос:

Вычислим входное сопротивление моста Вина:

Выберем номиналы резисторов R5 = R6 = 4,75 кОм.

Вычислим мощности резисторов R5 и R6 при протекании тока Iпос:

Подберем модели резисторов и конденсаторов: - R5, R6: МЛТ - 0,125 - 4,75 к 1%; C2, C3:КМ5 - П33 - 510 п 50 В ± 5%.

3.3.2 Расчет цепи ООС и цепи АРУ

Для возникновения самовозбуждения в схеме генератора необходимый коэффициент усиления ОУ должен быть равен трем. Зададим значение R3=20 кОм. По условию схема должна обеспечивать регулировку коэффициента усиления в пределах Ku=10%. Обозначим через Rк сопротивление канала полевого транзистора, сопротивление

Rп=R4||(R2+Rк)

Тогда коэффициент усиления ОУ можно найти по формуле:

Обозначим максимальное значение этого сопротивления через Rпмакс, тогда значение Rпмакс можно найти так:

Минимальный коэффициент усиления обеспечивается когда сопротивление Rп максимально (т.е. максимально значение Rк).

Максимальный же коэффициент усиления обеспечивается, когда сопротивление Rп минимально (значение Rк минимально).

Обозначим минимальное значение этого сопротивления через Rпмин и найдем его:

Последовательное соединение сопротивления канала полевого транзистора и резистора R2: R*=R2+Rк.

Запишем выражения для максимального и минимального значений сопротивления R*:

Изменение сопротивления R* линейно зависит от сопротивления канала полевого транзистора Rк. Обозначим границы изменения сопротивления R*:

Обозначим через k диапазон изменения сопротивления канала полевого транзистора. Вычитая из выражения (56) выражение (57), получим следующую формулу для k:

Зададимся значением k = 15кОм и решим уравнение (60) относительно R4. Получим два решения: 6795Ом и 18929Ом. Но первое из них отбрасываем, так как из (56), (57) следует ограничение: сопротивление R4>Rпмакс, иначе сопротивление канала должно было бы быть меньше нуля, чего не может быть. Итак, выбираем номинал резистора R4 = 19,1 кОм.

Теперь запишем, например, выражение для Rпмин:

Выберем полевой транзистор типа КП303А.

Таблица 3 Параметры транзистора КП303А

Uотс, В	3
С11, пФ	6
С12, пФ	2
Uзимакс, В	30
Uсимакс, В	25
Uзсмакс,В	30
Iсмакс,мА	20

Минимальное сопротивление канала rk0 = 150 Ом.

Подставив в формулу (61) , находим значение сопротивления R2 по формуле:

Выбираем номинал резистора R2 =16 кОМ.

В рабочем режиме значение коэффициента усиления Ku = 3. Найдем сопротивление ветви Rп в рабочем режиме:

Зная значение Rп, находим сопротивление канала полевого транзистора в рабочем режиме:

Определяем максимальное сопротивление канала полевого транзистора при Rпмакс:

С другой стороны, это сопротивление можно вычислить по формуле:

где Uотс -напряжение отсечки;

UЗИ - напряжение между затвором и истоком в рабочем режиме. Его можно выразить и найти из формулы (66):

Определим максимальное напряжение между затвором и истоком Uзимакс:

Из расчетов видно, что для того, чтобы изменить коэффициент усиления на +10% необходимо изменить напряжение на затворе транзистора менее, чем на 60 мВ.

Параметры фильтра АРУ обычно выбирают таким образом, чтобы:

Пользуясь выражением (69) можно вывести модуль сопротивления фильтра:

Из соображений стабильности обычно выбирают значение R1” = 1 МОм. Тогда из выражения (70) вычисляем Rф = 50 кОм. По формуле (69) находим:

Выбираем номинальное значение емкости конденсатора С1 = 51 пФ. Выбираем конденсатор С1 типа КМ5 - П33 - 51 п 50 В ± 5%.

Выберем тип диода VD1 по возможности с как можно меньшими значениями падения напряжения на открытом диоде, с малым временем обратного восстановления и обратным током. Например, КД522А со следующими параметрами:

Таблица 4 Параметры диода КД522А

Uпр, В	0,4
Uобр, В	30
Iпр, мА	100
Iобр, мкА	2

В предыдущих расчетах мы принимали амплитуду выходного напряжения ОУ относительно общей шины UвыхОУ = 10,45 В. Значит, на резисторе R1' в рабочем режиме должно падать напряжение:

Сопротивление R1 вычисляем по формуле:

Выбираем номинал резистора R1' = 107 кОм. Ток в цепи фильтра АРУ и резистора R1' равен:

Мощность, выделяющаяся в резисторе R1, равна:

Выбираем резистор R1' из ряда Е96 типа МЛТ - 0,125 - 107 к ± 1%.

Мощность в резисторе R1” равна:

Выбираем резистор R1” из ряда Е24 типа МЛТ - 0,125 - 1 М ± 1%.

Подстроечный резистор R1 представляет собой 2 резистора R1' и R1” со среднем выводом: R1=R1'+R1”.

Выберем подстроечный резистор R1 типа СП5 - 1ВА - 0,25 - 1,2 М ± 5%.

Максимальный ток через резистор R4 равен:

Максимальная мощность в резисторе R4:

Выбираем резистор R3 из ряда Е24 типа МЛТ - 0,125 - 20 к ± 1%.

Сопротивление Rкмин при этом составляет 150 Ом. Пренебрежем им при расчете и рассчитаем мощность в резисторе R4:

Выбираем резистор R4 из ряда Е96 типа МЛТ - 0,125 - 19,1 к ± 1%.

Мощность в резисторе R2 равна:



Выбираем тип резистора R2 из ряда Е24: МЛТ - 0,125 - 16 к ± 1%.

Минимальное входное сопротивление цепи ООС составит:

4. Расчёт коэффициента нелинейных искажений

Определяем коэффициент нелинейных искажений каскада. Для этого необходимо построить сквозную динамическую характеристику каскада - график зависимости тока коллектора Iк от ЭДС Ег эквивалентного генератора входного сигнала. Для этого задаемся внутренним сопротивлением эквивалентного генератора входного сигнала RэRвх=2 Ом, пользуясь входными и выходными характеристиками транзистора определяем для нескольких точек значения Iк, Iб, Uбэ; определяем ЭДС эквивалентного генератора, соответствующую выбранным точкам по формуле:

Все данные сведены в таблицу 1. По полученным данным строим в прямоугольной системе координат график зависимости Iк = f(Ег) (рисунок 7).

Таблица 5 Зависимости токов и напряжений транзистора КТ3102А

Iк, мА	Iб, мА	Uбэ, В	Ег, В
2,5	0,025	0,5	0,55
10	0,1	0,58	0,78
20	0,2	0,62	1,02
30	0,3	0,66	1,26
40	0,4	0,68	1,48
50	0,5	0,7	1,7



По сквозной динамической характеристике находим максимальное, среднее и минимальное значение токов коллектора. Максимальному току коллектора Iкмакс = 47 мА соответствует значение Eгмакс 1,62 В. Минимальное значение тока коллектора примем равным Iкмин = 2,5 мА (минимальное значение тока на характеристике). Оно соответствует значению Егмин = 0,55 В. Среднее значение тока коллектора I1 определим для значения Ег, равного:

По графику определяем значение I1 23 мА. Теперь необходимо рассчитать амплитуды гармоник тока коллектора. Ввиду того, что четные гармоники уничтожаются, рассчитаем только первую и третью гармоники:

Находим коэффициент гармоник усилителя по формуле:

5. Расчёт коэффициента полезного действия генератора

Коэффициент полезного действия рассчитаем из соображения, что КПД - есть отношение мощности, выделяемой в нагрузку к полной мощности, потребляемой устройством. Зная значения токов потребления операционных усилителей и напряжения их источников питания, а также рассчитанные ранее параметры источников питания усилителя тока, выведем формулу КПД:

Низкий КПД объясняется рассеиванием энергии в виде тепла на обоих эмиттерных повторителях, а также присутствием стабилизирующих цепей и цепей.

Заключение

Рассчитанный генератор синусоидальных колебаний имеет коэффициент гармоник, равный 1,43%, что не превышает требуемого 2%. Максимальная рассеиваемая на нагрузке мощность соответствует заданной в техническом задании Pн=3 Вт.

Генератор можно проверить частотомером или осциллографом. Для повышения КПД и уменьшения коэффициента нелинейных искажений предлагается перевод двухтактного эмиттерного повторителя из класса АВ в класс В.

Список использованных источников

1. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. - М.: Высшая школа,1991.-622 с.

2. Шитиков Г.Т. Стабильные автогенераторы метровых и дециметровых волн. - М.: Радио и связь, 1983.- 256 c.

3. Герасимов В.Г., Князьков О.М., Краснопольский А.Е. и др. Основы промышленной электроники.-М.: Высшая школа, 1978.- 336 с.

4. Лачин В.И., Савелов Н.С. Электроника.-Ростов н/Д: Феникс, 2000.- 448 с.

5. Криштафович А.К. Промышленная электроника. - М : Высшая школа, 1984. - 351 с.

6. Гершунский Б.С. Справочник по расчету электронных схем.- К.: Вища школа, 1983.- 240 с.

7. Резисторы : справочник / Дубровский В.В., Иванов Д.М., Пратусевич Н.Я. и др. - М.: Радио и связь, 1987. - 352 с.

8. Справочник по полупроводниковым приборам./ Лавриненко В.Ю. - К.:Технiка, 1984. - 424 с.

9. Расчет электронных схем./ Изъюрова Г.И., Королев Г.В., Терехов В.А. и др. - М.: Высшая школа, 1987. - 335 с.

10. Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. - М.: Энергия, 1977. - 672 с.

11. Практическое руководство по расчету схем в электронике : справочник. В 2-х т. Т. 1 / Кауфман М., Сидман А.Г. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 368 с.

Размещено на Allbest.ru

...