Генератор прямоугольных импульсов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Задание 1

Этап 1 «Задание и данные к работе»

Требуется разработать устройство для измерения ускорения двух объектов движущихся со скоростями V₁(t) и V₂(t), а также получение значений разности их ускорений в виде электрического напряжения ?U_a. Предусмотреть возможность измерения ?U_a по стрелочному прибору на основе миллиамперметра со шкалой 0ч0,5 мА, а также возможность световой индикации ?U_a на основе светодиодов следующим образом: если ускорение первого объекта больше второго, то загорается красный светодиод, в противном случае - зелёный светодиод. Предполагается, что на этих объектах установлены датчики скорости, имеющие выходной электрический сигнал(ток), пропорциональный скорости:

I₁(t) = K_v • V₁(t), I₂(t) = K_v • V₂(t)

где K_v - коэффициент преобразования датчика.

Известно, что скорости объектов меняются по законам:

V₁(t) = V_m(1+cos2рѓ₁t), V₂(t) = V_m(1+cos2рѓ₂t)

где V_m - 5м/с, ѓ₁ - 0,2 Гц, ѓ₂ - 0,2 Гц.

Коэффициент преобразования датчика K_v = 0,1 мА(м/с) одинаков для обоих датчиков. Максимальное значение ?U_a = ±10 В должно соответствовать максимальной разности ускорений.

Этап 3 «Расчёт отдельных узлов схемы»

Для всех микросхем с оу я использую операционный усилитель К1401УД1³

Электрические параметры операционного усилителя К1401УД1³

№ п/п	Наименование параметра	Обозначение	Числовое значение
1	Коэффициент усиления на напряжению	Ку.	не менее 2000
2	Напряжение питания	Uпит.	±15 В
3	Ток потребления	Iпотр.	8,5 нА
4	Э.Д.С. смещения	Uсм.	±5 мВ
5	Температурный коэффициент	ТК.	30 мкВ/К
6	Ток входа	Iвх.	150 нА
7	Коэффициент ослабления синфазного сигнала	Мсф.	70 дБ
8	Частота единичного усиления	f1	2,5 МГц
9	Максимальная скорость нарастания входного напряжения	Vmax.	0,5 В/мкс
10	Максимальное выходное напряжение	Uвых.max.	12,5 В
11	Сопротивление нагрузки	Rн	2 КОм

Преобразователь ток - напряжение:

Схема:

Размещено на http://www.allbest.ru/

(так как в стандартном ряде нет сопротивления с номиналом в то я вместо резистора поставил последовательно два сопротивления номиналы которых и )

Дифференциатор:

Схема:

Выберем номинальное значение конденсатора из стандартного ряда: допустим

( так как в стандартном ряде нет сопротивления с номиналом в то я вместо резистора поставил последовательно четыре сопротивления номиналы которых , , и )

Проверим условие обратной связи

Таким образом: условие выполняется.

Дифференциальный усилитель:

Схема:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Выбираю значения резисторов , , , из стандартного ряда сопротивлений:

Допустим

,

Из того, что , а следует, что

Проверим условие обратной связи

Таким образом: условие выполняется.

Преобразователь напряжение - ток:

Схема:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Проверим условие обратной связи

Таким образом: условие выполняется.

Компаратор нулевого уровня:

Схема:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Данный компаратор переключается при равенстве сигналов и . Если , то компаратор переходит в состояние . Эта положительная полярность открывает транзистор n-p-n типа VT1. Это транзистор КТ315В. Через него начинает протекать ток от источника питания через прямо включённый светодиод VD1. По условию задачи ставим в этой цепи красный светодиод АЛ102А. Если , то компаратор переходит в состояние . Это отрицательная полярность открывает транзистор p-n-p типа VT2. Это транзистор КТ315Е. Через него начинает протекать ток от источника питания через светодиод VD2, в качестве которого ставим зелёный светодиод КИПДОЗА - 1Л.

Транзисторный ключ 1(с красным светодиодом)

Схема:

Электрические параметры транзистора КТ315В

№ п/п	Наименование параметра	Обозначение	Числовая характеристика
1	Максимальное напряжение коллектор - база	Uкбо	40В
2	Максимальное напряжение коллектор - эмиттер	Uкэо	40В
3	Максимальный ток коллектора	Iкmax	100мА
4	Максимальная постоянная рассеиваемая мощность коллектора	Ркmax	0,15Вт
5	Статический коэффициент передачи тока биполярного транзистора	h21э	30-320
6	Обратный ток коллектора	Iкбо	?0,5мкА
7	Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером	fгр	?250МГц

Электрические параметры красного светодиода АЛ102А

№ п/п	Наименование параметра	Обозначение	Числовая характеристика
1		Iv	40мккд
2	Напряжение прямое	Uпр	2,8В
3	Ток прямой номинальный	Iпр. ном	5мА
4	Ток максимальный	Imax	0,69мкА
5	Ток прямой максимальный	Iпр. max	10мА
6	Напряжение обратное	Uобр	2В
7	Максимальная темература	Тк. max	70 С

(так как в стандартном ряде нет сопротивления с номиналом в то я вместо резистора поставил последовательно три сопротивления номиналы которых , и )

Допустим 2

( так как в стандартном ряде нет сопротивления с номиналом в то я вместо резистора поставил последовательно три сопротивления номиналы которых , и соответственно)

Транзисторный ключ 2(с зелёным светодиодом):

Схема:

Электрические параметры транзистора КТ3129 - А

№ п/п	Наименование параметра	Обозначение	Числовая характеристика
1	Максимальное напряжение коллектор - база	Uкбо	50В
2	Максимальное напряжение коллектор - эмиттер	Uкэо	50В
3	Максимальный ток коллектора	Iкmax	100мА
4	Максимальная постоянная рассеиваемая мощность коллектора	Ркmax	0,075Вт
5	Статический коэффициент передачи тока биполярного транзистора	h21э	80-250
6	Обратный ток коллектора	Iкбо	?1мкА
7	Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером	fгр	?200МГц

Электрические параметры зелёного светодиода КИПДОЗА - 1Л

№ п/п	Наименование параметра	Обозначение	Числовая характеристика
1		Iv	32мккд
2	Напряжение прямое	Uпр	3В
3	Ток прямой номинальный	Iпр. ном	5мА
4	Ток максимальный	Imax	0,57мкА
5	Ток прямой максимальный	Iпр. max	8мА
6	Напряжение обратное	Uобр	5В
7	Максимальная темература	Тк. max	70 С

Допустим 2

( так как в стандартном ряде нет сопротивления с номиналом в то я вместо резистора поставил последовательно два сопротивления номиналы которых и соответственно)

Расчёт сопротивлений по мощности рассеивания:

Резисторы R₁ и R₃

Выбираем из стандартного ряда мощностей Р = 0,125Вт

Резисторы R₂ и R₄

Выбираем из стандартного ряда мощностей Р = 0,125Вт

Резисторы R₅ и R₆

Выбираем из стандартного ряда мощностей Р = 0,125Вт

Резисторы R₇ и R₈

Выбираем из стандартного ряда мощностей Р = 0,125Вт

Резисторы R₉

Выбираем из стандартного ряда мощностей Р = 0,125Вт

Резисторы R₁₀

Выбираем из стандартного ряда мощностей Р = 0,125Вт

Резисторы R₁₁

Выбираем из стандартного ряда мощностей Р = 0,025Вт

Резисторы R₁₂

Выбираем из стандартного ряда мощностей Р = 0,125Вт

Резисторы R₁₃

Выбираем из стандартного ряда мощностей Р = 0,025Вт

Задание 1

Разработать формирователь прямоугольных импульсов для заданного входного сигнала. Требуемые формы выходного сигнала и параметры импульсов приведены на временных диаграммах.

Функциональная схема устройства

Размещено на http://www.allbest.ru/

Описание функциональной схемы генератора импульсов

Рассмотрим поэтапно переход сигнала от одного устройства цепи к следующему. Входной сигнал поступает на транзисторный ключ, который его инвертирует и параллельно ему, на дифференциальную цепочку мультивибратора №2. Далее сигнал с транзисторного ключа поступает на дифференциальную цепочку мультивибратора №1. Дифференциальная цепочка позволяет получить единичный сигнал экспоненциального вида. При этом один сигнал будет отрицательный, а другой положительный. Далее сигналы, преобразованные дифференциальными цепочками, поступают на диоды VD11 и VD12. Из этих сигналов на мультивибраторы №1 и №2 поступят только отрицательные сигналы. С выхода мультивибратора №1 сигнал попадает на дифференциальную цепочку мультивибратора №3 (при помощи этой цепочки получаем сдвиг сигнала), проходя через диод, остается положительная часть. С выхода мультивибратора №3 и мультивибратора №2 сигналы поступают на диоды. В итоге получаем сигнал нужной длительности и в нужный момент времени.

Этап 3 «Расчёт отдельных узлов схемы:»

Для всех микросхем с оу я использую операционный усилитель 574УД1В. Отметим, что мультивибраторы №1 и №2 одинаковы.

Электрические параметры ОУ 574УД1В

№ п/п	Наименование параметра	Обозначение	Числовое значение
1	Напряжение питания	Uп	5/15В
2	Входное дифференциальное напряжение	Uвх. диф.	15В
3	Синфазное входное напряжение	Uвх.сф.	5В
4	Сопротивление нагрузки	Rн	2кОм
5	Температура окружающей среды	T	-60/+850С
6	Максимальное выходное напряжение	Uвых макс	10В
7	Напряжение смещения	Uсм	100мВ
8	Входной ток	Iвх	0,2нА
9	Разность входных токов	Д Iвх	0,15нА
10	Ток потребления	Iпот	5мА
11	Коэффициент усиления напряжения	Ку,u	50
12	Частота единичного усиления	f1	1Мгц
13	Коэффициент ослабления синфазных входных напряжений	Кос.сф	64дБ
14	Скорость нарастания выходного напряжения	VUвых.макс	100В/мкс

На вход идет сигнал:

Далее сигнал делится и поступает на транзисторный ключ и на дифференциальную цепочку мультивибратора №2. Транзисторный ключ инвертирует поступивший сигнал.

Точка 1:

Используем транзистор КТ315Е со следующими характеристиками:

Тип
КТ315Е	200	50-350	0,2	0,15	15	0,1	100

Пусть

Для повышения помехоустойчивости выбираем степень насыщения , тогда

( так как в стандартном ряде нет сопротивления с номиналом в то я вместо резистора поставил последовательно два сопротивления номиналы которых и соответственно)

Дифференциальная цепочка мультивибратора №1 преобразует сигнал следующим образом:

Точка 2:

Для этого должно выполняться условие

, тогда

Выбираем

Этот преобразованный сигнал идёт на диод VD11, который пропускает на вход ждущего мультивибратора только отрицательный сигнал, срезая положительный:

В качестве всех диодов в схеме используется импульсный диод Д9В со следующими характеристиками:

Uобр.и.max	Iпр,ср.max	Iпр.и.м		tвос,обр	Uпр	Iпр	Iобр	Тс max
30В	20мА	2	40	0,8	1В	10	250	700С

Полученный сигнал поступает в момент времени время 10 мкс на вход ждущего мультивибратора №1.

Рассмотрим ждущий мультивибратор на основе DA1 (ОУ 574УД1В). Для обеспечения устойчивого состояния ждущего мультивибратора в цепь отрицательной обратной связи включают диод VD21 параллельно ёмкости С₂₁, так что напряжения на диоде и на ёмкости С₂₁ всегда равны . Это напряжение поступает на инвертирующий вход ОУ.

В исходном состоянии:

,

где U_VD21 - падение напряжения на открытом диоде VD21. В этом случае пороговое напряжение на не инвертирующем входе операционного усилителя определяется как,

Зададимся , тогда:

и т. к. разность напряжений на входах DA1 равна

,

то напряжение на выходе неизменно и соответствует устойчивому состоянию мультивибратора.

В момент времени t₁=10 мкс на не инвертирующий вход ОУ через дифференциатор и диод VD11 приходит импульс положительной полярности при этом выполняется условие U_{зап max}?2 U_ПВ, тогда разностное напряжение на входах ОУ определяется как:

и мультивибратор переходит в режим выдержки, т. е. напряжение на его выходе становиться равным:

,

а напряжение на не инвертирующем входе равно нижнему порогу срабатывания компаратора:

Тогда по отрицательной обратной связи диод VD21 запирается и ток начинает заряжать ёмкость C₂₁ до верхнего порогового напряжения U_ПВ. Как только выполняется условие:

мультивибратор переходит в устойчивое исходное состояние (ждущий режим) и напряжение на его выходе становиться равным _. Этот момент времени t₂ = 18 мкс является окончанием цикла работы мультивибратора.

Величина называется длительностью импульса генерируемого ждущим мультивибратором. Она вычисляется по формуле:

Пусть , тогда:

( так как в стандартном ряде нет сопротивления с номиналом в то я вместо резистора поставил последовательно три сопротивления номиналы которых , и соответственно)

Проверим условие обратной связи

Таким образом: условие выполняется.

С выхода ждущего мультивибратора получаем:

Точка 4:

После чего сигнал поступает на дифференциальную цепочку мультивибратора №3. Получаем сигнал:

Точка 5:

Далее сигнал поступает на VD12, который пропускает положительный импульс.

, тогда

Выбираем

Точка 6:

Далее сигнал поступает на вход ждущего мультивибратора №3.

Рассмотрим ждущий мультивибратор на основе DA3 (ОУ 574УД1В). Для обеспечения устойчивого состояния ждущего мультивибратора в цепь отрицательной обратной связи включают диод VD23 параллельно ёмкости С₂₃, так что напряжения на диоде и на ёмкости С₂₃ всегда равны . Это напряжение поступает на инвертирующий вход ОУ.

В исходном состоянии:

,

где U_VD21 - падение напряжения на открытом диоде VD21. В этом случае пороговое напряжение на не инвертирующем входе операционного усилителя определяется как,

Зададимся , тогда:

и т. к. разность напряжений на входах DA3 равна

,

то напряжение на выходе неизменно и соответствует устойчивому состоянию мультивибратора.

В момент времени t₁=18 мкс на не инвертирующий вход ОУ через дифференциатор и диод VD12 приходит импульс положительной полярности при этом выполняется условие U_{зап max}?2 U_ПН, тогда разностное напряжение на входах ОУ определяется как:

и мультивибратор переходит в режим выдержки, т. е. напряжение на его выходе становиться равным:

,

а напряжение на не инвертирующем входе равно верхнему порогу срабатывания компаратора:

Тогда по отрицательной обратной связи диод VD23 запирается и ток начинает заряжать ёмкость C₂₂ до верхнего порогового напряжения U_ПВ. Как только выполняется условие:

мультивибратор переходит в устойчивое исходное состояние (ждущий режим) и напряжение на его выходе становиться равным _. Этот момент времени t₂ = 23 мкс является окончанием цикла работы мультивибратора.

Величина называется длительностью импульса генерируемого ждущим мультивибратором. Она вычисляется по формуле:

Пусть , тогда:

( так как в стандартном ряде нет сопротивления с номиналом в то я вместо резистора поставил последовательно три сопротивления номиналы которых , и соответственно)

Проверим условие обратной связи

Таким образом: условие выполняется.

С выхода ждущего мультивибратора получаем:

Точка 7:

Далее сигнал поступает на диод VD4, который пропускает положительный импульс:

Точка 8:

Мультивибраторы №1 и №2 и их дифференциальные цепочки одинаковы, отличие в их работе состоит в том, что мультивибратор №1 преобразует сигнал, который инвертирован транзисторным ключом, а мультивибратор №3 преобразует сигнал, который идет с входа.

Тогда после дифференциальной цепочки сигнал будет иметь вид:

Полученные импульсы (18-23 мкс и 50-58 мкс) проходят на сопротивления и диоды VD6 и VD7, которые являются стабилитронами 2С147-Т1 с характеристиками:

Uсб.ном

Uст.max

Uст.mшт

Iст

Iст.min

Iст.max

Pmax

Rст

бст•10-2

дUст

Тс

Тсmax

4,7В

4,9В

4,4В

3 мА

1 мА

10,6 мА

50 мВт

220 Ом

-8% 0С

1,5%

35 0С

125 0С

Стабилитроны и сопротивления задают выходное напряжение, равное 5 вольтам.

Т. е. на выходе мы получаем два импульса нужной длительности и формы:



Расчёт сопротивлений по мощности рассеивания:

Резисторы R_Б

Выбираем из стандартного ряда мощностей Р = 0,125Вт

Резисторы R_К

транзистор импульс сигнал генератор

Выбираем из стандартного ряда мощностей Р = 0,125Вт

Резисторы R₁₁

Выбираем из стандартного ряда мощностей Р = 0,125Вт

Резисторы R₄₁ и R₄₂

Выбираем из стандартного ряда мощностей Р = 0,125Вт

Резисторы R₁₂

Выбираем из стандартного ряда мощностей Р = 0,125Вт

Резисторы R₁₃

Выбираем из стандартного ряда мощностей Р = 0,125Вт

Резисторы R₄₃

Выбираем из стандартного ряда мощностей Р = 0,125Вт

Резисторы R₅₂ и R₅₃

Выбираем из стандартного ряда мощностей Р = 0,125Вт

Резисторы R₃₁ и R₃₂

Выбираем из стандартного ряда мощностей Р = 0,125Вт

Резисторы R₂₁ и R₂₂

Выбираем из стандартного ряда мощностей Р = 0,125Вт

Резисторы R₂₃

Выбираем из стандартного ряда мощностей Р = 0,125Вт

Резисторы R₃₃

Выбираем из стандартного ряда мощностей Р = 0,125Вт

Обозначение	Наименование	Кол.	Примечание
	Диоды, стабилитроны
VD11-VD23,VD4,VD5	Д9Б ГОСТ 18472-88	8
VD6, VD7	2С147-Т1 ГОСТ 18472-88	2
	Резисторы
Rб	МЛТ-0,125-16кОм ГОСТ 2820-63	1
Rк	МЛТ-0,25-1,5кОм ГОСТ 2820-63	1
R11, R12	МЛТ-0,125-30кОм ГОСТ 2820-63	2
R41, R42	МЛТ-0,125-24кОм ГОСТ 2820-63	2
R13	МЛТ-0,125-2,7кОм ГОСТ 2820-63	1
R43	МЛТ-0,125-20кОм ГОСТ 2820-63	1
R52, R53	МЛТ-0,125-1,6кОм ГОСТ 2820-63	2
R31, R32	МЛТ-0,125-36кОм ГОСТ 2820-63	2
R21, R22	МЛТ-0,125-110кОм ГОСТ 2820-63	2
R23	МЛТ-0,125-110кОм ГОСТ 2820-63	1
R33	МЛТ-0,125-36кОм ГОСТ 2820-63	1
	Конденсаторы
С11,С12	КМ-5-27пФ ГОСТ 2519-67	2
С21,С22	КМ-5-680пФ ГОСТ 2519-67	2
С13	КМ-5-18пФ ГОСТ 2519-67	1
С23	КМ-5-510пФ ГОСТ 2519-67	1
	Операционные усилители
ДА1-ДА3	574УД1В ГОСТ 18421-78	3
					21301.00.00.02.СП
	Лист	№ докум.	Подп.	Дата
Разраб.	Чернов П.П.			Генератор прямоугольных импульсов	Лит.	Масса
Пров.	Прохоров С.Г.
					КГТУ им. А. Н. Туполева филиал «Восток»
Н.контр.
Утв.

Размещено на Allbest.ru

...