Размещено на http://www.allbest.ru/

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине Электротехника и основы электроники

на тему RC - генератор гармонических колебаний

Содержание

Введение

1. Теоретические сведения

2. Электрический расчет генератора

3. Графоаналитический расчет

4. Расчет сопротивлений резисторов

5. Расчет емкостей конденсаторов

6. Расчет фазовращающей цепи

7. Расчет мощностей рассеивания на резисторах

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Генераторы синусоидальных колебаний - это генераторы, которые генерируют напряжение синусоидальной формы. Они классифицируются согласно их частотно-задающим компонентам. Тремя основными типами генераторов являются LC генераторы, кварцевые генераторы и RC генераторы. Для генерирования гармонических колебаний в области низких (меньше 15-20 кГц) применение LC-автогенераторов затруднительно из-за громоздкости контуров. Основными достоинствами генераторов RC-типа являются простота и малые габариты. Эти преимущества особенно ярко проявляются при генерировании низких частот. Для генерирования частот порядка 100 Гц в LC-генераторах потребовались бы весьма большие значения индуктивностей и емкостей.

Генератор _ это устройство, позволяющее получать сигнал определённой природы (электрический, акустический или другой), имеющий заданные характеристики (форму, энергетические или статистические характеристики и т. д.). Генераторы широко используются для преобразования сигналов, для измерений и в других областях. Состоит из источника (устройства с самовозбуждением) и формирователя (например, электрического фильтра).

Генераторы гармонических колебаний представляют собой электронные устройства, формирующие на своем выходе периодические гармонические колебания при отсутствии входного сигнала. Генерирование выходного сигнала осуществляется за счет энергии источника питания. Со структурной точки зрения генераторы представляют собой усилители электрических сигналов.

В данной работе будет произведен электрический расчет генератора, графоаналитический расчет, расчет элементов схемы и фазовращающей цепи. По результатам подсчетов будут подобраны конкретные модели резисторов и конденсаторов.

1. Теоретические сведения

Электронный генератор - это устройство, в котором осуществляется преобразование энергии постоянного тока, в энергию переменного тока требуемой амплитуды, частоты, формы и мощности. В общем виде генерация

синусоидальных колебаний представляет собой процесс, связанный с преобразованием частотного спектра, так как при генерации энергия источника постоянного тока преобразуется в энергию высокочастотных колебаний.

В зависимости от частоты генерируемых колебаний различают генераторы:

1) Низкочастотные (НЧ), вырабатывающие колебания в диапазоне частот 20 Гц ч100 кГц.

2) Высокочастотные (ВЧ) - в диапазоне частот 100 кГц ч 100 МГц.

3) Сверхвысокочастотные (СВЧ) - в диапазоне частот 100 МГц ч 10 ГГц и выше.

Схемы автогенераторов гармонических колебаний в большинстве случаев строятся на базе усилителей с положительной обратной связью.

Обобщенная схема генератора в этом случае может быть представлена в виде двух 4-х полюсников (рисунок 1)

Рисунок 1 - Обобщенная схема автогенератора

Первый 4-полюсник - это усилитель с комплексным коэффициентом усиления равным



Второй 4-х полюсник - это цепь обратной связи с коэффициентом передачи

- комплексное напряжения обратной связи.

Для того чтобы в такой схеме возникли незатухающие колебания, напряжения с выхода цепи ОС должно находиться в фазе с входным напряжением усилителя. Кроме того, для того, чтобы амплитуда напряжения на выходе усилителя была неизменной, необходимо обеспечить на входе усилителя достаточное напряжение.

Отсюда вытекают два условия самовозбуждения:

Баланс фаз:

?ц = 2рN,(N = 0, 1, 2, …)

Баланс амплитуд:

Кu • вu ? 1

Усилительный каскад сдвигает фазу на «р». Таким образом, чтобы выполнить баланс фаз, необходимо, чтобы цепь ОС обеспечила сдвиг фазы еще на «р». Изменить фазу на «р» можно при помощи трансформатора, либо при помощи фазовращающей RС-цепи.

При использовании в качестве фазовращающей цепи трансформатора генераторы гармонических колебаний получили название LC-генераторы.

Генераторы, в которых в качестве фазовращающей цепи применяются RС-цепи, получили название RС-генераторы.

В настоящее время для генерирования колебаний в низкочастотном диапазоне широко используются RС-генераторы. Применение малогабаритных резисторов и конденсаторов позволяет проектировать компактные генераторы с небольшой массой и габаритами. В качестве фазовращающих RС-цепей применяют два варианта цепочек, получивших название «R-параллель» и «С-параллель».

Для получения положительной обратной связи фазосдвигающие (или фазовращающие) цепи должны обеспечивать на рабочей частоте поворот фазы выходного напряжения усилителя относительно входного еще на 1800. Эта задача решается с помощью фазовращающей цепи, состоящей из нескольких обратных Г-образных RC звеньев. Изменение фазы зависит от числа звеньев n и равно:

В связи с тем, что одно RC звено изменяет фазу на угол ц<900, минимальное число звеньев фазовращающей цепи n=3. В практических схемах генераторов обычно используют трехзвенные фазовращающие цепи. На рис. 2 изображен вариант такой цепочки, получившей название R-параллель.

Рисунок 2 - Трехзвенная фазовращающая цепь

R-параллель.

Можно использовать и большее количество звеньев, но это приведет к возрастанию затухания, а значит потребуется каскад с более высоким коэффициентом усиления.

Трехзвенная R-параллель имеет типовую частотную в(f) и фазовую цв(f) характеристики, показанные на рис. 3.

Рис. 3- Характеристики трехзвенной R-параллели

Анализ графиков частотной и фазовой характеристик показывает, что на квазирезонансной частоте генерации f0 трехзвенная RC цепь имеет вещественное значение коэффициента передачи в=1/29 и вносит фазовый сдвиг цв = р. Поэтому для обеспечения в автогенераторе баланса амплитуд необходимо выбирать коэффициент усиления усилителя больше затухания, вносимого фазовращающей цепочкой, через которую напряжение с выхода поступает на вход усилителя.

Квазирезонансная частота для трехзвенная RC цепи определяется соотношением:

Следовательно, схемы с использованием трехзвенных фазовращающих цепочек, имеющих одинаковые звенья, могут генерировать гармонические колебания с частотой f0 лишь в том случае, если коэффициент усиления усилителя превышает 29.

Анализ схемы RC-генератора

В курсовой работе рассчитывается RC-генератор гармонических колебаний с фазовращающей цепью R-параллель. Основой каскада усиления является биполярный транзистор p-n-p типа ГТ305В, включаемый по схеме с общим эмиттером (ОЭ), характеристики которого приведены в таблице 1. Схема RС-генератора с фазовращающей цепочкой R-параллель.

Таблица 1.

Fт МГц	Iко мкА	Uкб В	Uэб В	Iкм/Iкн мА/мА	Pк мВт
160	4	15	0.5	40/100	75

Рисунок 4 - Схема RC-генератора.

На транзисторе VT2 собран обычный каскад RС-усилителя, работающего в линейном режиме. Для обеспечения условия баланса фаз, генератор можно было бы построить и одном транзисторе VT2 с общим эмиттером. Однако в этом случае малое входное сопротивление каскада резко увеличивает затухание в цепи обратной связи. Поэтому нужно разделить выход фазовращающей цепи и вход усилителя с помощью эмиттерного повторителя, собранного на транзисторе VT1.

R6 - резистор, выполняющий установку тока коллектора;

C1, C2 - конденсаторы для отделения постоянных составляющих напряжения;

R3 - сопротивление нагрузки эмиттерного повторителя.

2. Электрический расчет генератора

Исходные данные: транзистор ГТ305В, f1=10ч50Гц, f2=100ч200Гц, Ек=12 В, Uвых=0ч5В, R-параллель;

h-параметры: h11Б = 15 Ом; h12Б = 0,62*10-3; h21Б = 0,98; h22Б = 5 мкСм. б=0,98

Определим сопротивления эмиттера, коллектора и базы переменному току

где rБ - внутреннее сопротивление базы, rЭ - внутреннее сопротивление эмиттера, rК - внутреннее сопротивление коллектора.

Найдем параметры, подставив числовые значения в формулы (1.1), (1.2) и (1.3):



Найдем входное сопротивление усилительного каскада по схеме с общим эмиттером:

Найдем входное сопротивление эмиттерного повторителя:

где Rвх2 - входное сопротивление усилительного каскада, найденное выше по формуле. Подставим числовые значения:

Рассчитаем коэффициент передачи эмиттерного повторителя который приближается к единице по формуле:

Сопротивление фазовращающей цепи определяется по формуле:



где Rвх1 - входное сопротивление эмиттерного повторителя, вычисленное по.

Произведем подстановку значений в; в знаменателе возьмем среднее значение, равное 3:

В этом случае сопротивление эмиттерного повторителя не оказывает существенного влияния на затухание фазирующей цепочки.

Рассчитаем сопротивление в цепи коллектора транзистора VT2 (R6 на принципиальной схеме):

где R - сопротивление фазовращающей цепочки. Из этих же соображений рассчитывается сопротивление в цепи коллектора VT2:

.

Коэффициент усиления по напряжению усилительного каскада на транзисторе по схеме с общим эмиттером равен:

Подставим числовые данные в формулу:

Общий коэффициент усиления находится по формуле:

Ранее было выяснено, что нужно обеспечить, условие:

Произведем расчет общего коэффициента усиления по формуле

Кuобщ=49•0,98=48,02>29.

Сравним полученный результат с условием

48,02>29

3. Графоаналитический расчет

Произведем расчет генератора в режиме класса А графоаналитическим методом. Так как генератор является усилителем с положительной обратной связью, его графоаналитический расчет аналогичен расчету усилительного каскада. генератор резистор гармонический колебание

1) Возьмем семейства входных и выходных характеристик транзистора ГТ305В, включенного по схеме с общим эмиттером.

2) На семействе выходных характеристик в рабочей области построим динамическую нагрузочную характеристику, которая описывается выражением:

Она пересекает координатную систему в точке UКЭ=EК при IK=0 и в точке EK/RK при UK=0. Точками 1-6 обозначим пересечение нагрузочной характеристики с выходными характеристиками.

3) Перенесем нагрузочную характеристику в семейство входных характеристик (точки 1' - 6').

4) На входной характеристике выберем линейный участок (точки 1' - 5'). Рабочую точку (А') выбираем посередине линейного участка и переносим ее в семейство выходных характеристик (А).

5) Найдем постоянные составляющие токов Iбэ=, Iкэ= и напряжений Uбэ=, Uкэ= в рабочей точке:

Iб= = 0,06 мА,

Iк= = 2,8 мА,

Uбэ= = 0,276 В,

Uкэ= = 5 В.

6) На диаграммах определим амплитуды напряжений (UБЭm, UКЭm) и токов (IБm, IКm):

UБЭm = 0,014 В

UКЭm = 4 В

IБm = 0,04 мА

IКm = 1,6 мА

ДUэ = 8 B

7) Определим коэффициенты усиления:

где

Rвых = IКm·UКЭm= 6,4мВт,

Произведя подстановку значений в уравнения (2.2), (2.3), (2.4), получим:

4. Расчет сопротивлений резисторов

Сопротивление резисторов R1, R2, R4, R5 в цепях делителей определяется по формулам:

где Iбэ= = 0,06 мА - постоянный ток базы,

Iкэ= = 1,6 мА - постоянный ток эмиттера,

Uкэ= = 5 В - постоянное напряжение коллектор-эмиттер,

Uбэ= = 0,276 В - постоянное напряжение база-эмиттер.

ДUэ = 8 B

0,18 мА - ток делителя в цепях резисторов R1, R2, R4, R5.

Подставим числовые значений в формулы (3.1)-(3.4):

В соответствие с ГОСТ 28884-90 произведем подбор сопротивлений резисторов: R1 = 16 кОм, R2 =43 кОм, R4 = 49 кОм, R5 = 1,6 кОм.

Сопротивление нагрузки эмиттерного повторителя (резистор R3 на принципиальной схеме) находится исходя из следующего условия:

Подстановкой значений в условие (3.5) получим

Ом

В соответствие с ГОСТ 28884-90 подберем сопротивления: R6 =2,7 кОм, R3 = 240 Ом.

Анализируя исходные данные курсовой работы, видим, что выходное напряжение генератора должно находиться в пределах Uвых=0ч5В. Исходя из произведенного графоаналитического расчета, определили, что UКЭm = UВЫХm и равно 4 В. В связи с этим можно сделать вывод, что напряжения на выходе схемы должно сохраняться в пределах Uвых=0ч4В. Для этого следует использовать подстроечный резистор R13. Определим параметры подстроечного резистора:

Подставляем числовые значения в формулу (3.6):

R13=4/1,6•10-3=2,5 кОм

В соответствии с ГОСТ 28884-90 подберем ближайшее сопротивление по ряду Е24 (допуск 5%) значение R13=2,7 кОм.

Теперь подберем конкретную модель подстроечного резистора по полученным данным:

R13: СП5-16ВА-0,25 Вт

5. Расчет емкостей конденсаторов

На частоте генерации разделительные конденсаторы не должны вносить фазовых сдвигов. Величину их емкости находим из формулы:

где Rвху - входное сопротивление усилительного каскада, =105 Гц. Входное сопротивление усилительного каскада Rвху для усилительного каскада равно Rвх2, для эмиттерного повторителя - Rвх1. На схеме Cр - это конденсаторы C1 и C2. Подстановкой значений в выражение (4.1), получим:

C1=1/(6,28•105•0,1•37500)=404 нФ,

C2=1/(6,28•105•0,1•750)=20,2 мкФ.

В соответствие с ГОСТ 28884-90 с допуском 5% выбираем C1=470 нФ и C2=22 мкФ.

Произведем подбор конденсаторов:

C1: К10-17А-25В-Н50 - 0,47 мкФ - ±5% - ОЖ0.460.174-М ТУ;

C2: К50-35-16В - 22 мкФ - ±5% - ОЖ0.464.214 ТУ;

6. Расчет фазовращающей цепи

Найдем емкости конденсаторов (на принципиальной схеме С3, С4, С5), фазовращающей цепочки, по формуле:

где =105 Гц, R - сопротивление фазовращающей цепи, вычисленное по формуле (1.7). Тогда

С= 1/(6,28•105•12500•2,45)=49,5 нФ

В соответствие с ГОСТ 28884-90 с допуском 20% выбираем емкость С=68 нФ=0,068 мкФ.

Произведем подбор конденсаторов:

C3, C4, C5:: К10-17А-Н50 - 0,068 мкФ - ±20% - ОЖ0.460.174-М ТУ;

Анализируя задание курсовой работы, делаем вывод, что RC-генератор должен работать в двух диапазонах частот - f1=10ч50Гц, f2=100ч200Гц. Поэтому нужно использовать тумблеры для выбора нужного диапазона частот, и от положения этих тумблеров будет зависеть, какие резисторы мы будем использовать для фазовращающей цепи. Также предусмотрим возможность точной настройки частоты f внутри каждого диапазона. Для этого будем использовать соединенные последовательно подстроечные резисторы (R10, R10', R11, R11', R12, R12') и постоянные резисторы (R7, R7', R8, R8', R9, R9'). Проанализируем формулу для расчета сопротивлений резисторов фазовращающей цепи:

Отмечаем, что при повышении частоты, уменьшается сопротивление R, и наоборот, при понижении частоты - сопротивление R увеличивается.

Поскольку подстроечный резистор соединен последовательно с постоянным резистором, то сумма их сопротивлений равна сопротивлению ветви.

Найдем сопротивления для граничных частот используемых диапазонов по формуле:

- для =10 Гц :

- для =50 Гц :

- для =100 Гц :

- для 4=200 Гц :

Поскольку при точной настройке минимальное значение сопротивления ветви будет при максимальном значении частоты диапазона, то можно сделать вывод о том, что в этом случае сопротивление подстроечного резистора будет равно нулю, а сопротивление ветви будет определяться только сопротивлением постоянного резистора. Следовательно, найдем значение постоянных регистров для обоих диапазонов частот:

R7, R8, R9 = R f 4=6,57 кОм;

R7', R8', R9' = R f 2=26,3 кОм;

В соответствие с ГОСТ 28884-90 произведем подбор сопротивлений постоянных резисторов по ряду Е24 (допуск 5%):

R7, R8, R9 = 6,8 кОм;

R7', R8', R9' = 27 кОм;

Тогда найдем максимальные значения сопротивлений для подстроечных резисторов R10m, R10'm, R11m, R11'm, R12m, R12'm:

R10m, R11m, R12m= 13,1 - 6,57 = 6,53 кОм;

R10'm, R11'm, R12'm= 131 - 26,3 = 104,7 кОм;

В соответствие с ГОСТ 28884-90 произведем подбор сопротивлений постоянных резисторов по ряду Е24 (допуск 5%):

R10m, R11m, R12m= 6,8 кОм;

R10'm, R11'm, R12'm= 100 кОм;

Используя эти данные, подбираем конкретные модели подстроечных резисторов:

R10, R11, R12 : СП5-16ВВ-0,125Вт - 6,8 кОм

R10, R11, R12 : СП3-19А-0,5Вт - 100 кОм

Для переключения между резисторами, используемыми для диапазонов частот 10ч50 Гц и 100ч200 Гц, используем тумблеры типа ON-ON:

SA1, SA2, SA3: SMTS-102-A2 3 PIN (3A 125VAC) SPDT 3P

(Производитель: Jietong Switch)

7. Расчет мощностей рассеивания на резисторах

Произведем расчет мощностей, рассеиваемых на резисторах, и выберем резисторы в соответствии с ГОСТ 28884-90 с 5% запасом мощности.

При расчетах будем руководствоваться общей формулой расчета мощности

Мощности, рассеиваемые на резисторах R1, R2, R3, R4, R5, R6 определяются следующим образом:

Произведя подстановку числовых значений в (6.2)-(6.7), получим:

PR1=((0,18+0,06)•10-3)2•15520=0,894 мВт,

PR2=(0,18•10-3)2•42910= 1,390 мВт,

PR3=((2,8+0,06)•10-3)2•230=1,881 мВт,

PR4=((0,18+0,06)•10-3)2•15520=0,894 мВт,

PR5=(0,18•10-3)2•42910= 1,390 мВт,

PR6==(2,8•10-3)2•2500=19,6 мВт,

Мощность, выделяемая на резисторах фазовращающей цепочки, при различной частоте, определяется по формуле:

Найдем максимальную мощность, выделяемую в ветвях фазовращающей цепи при различных диапазонах частот по формуле (6.8):

f1=10ч50Гц: P2 =(4/v2)2/26300=0,3 мВт

f2=100ч200Гц: P1=(4/v2)2/6570=1,2 мВт

В соответствие с ГОСТ 28884-90 произведем подбор резисторов с 5% запасом по мощности:

R1: МЛТ-0,125-16 кОм5%;

R2: МЛТ-0,125-43 кОм5%;

R3: МЛТ-0,125-240 Ом5%;

R4: МЛТ-0,125-51 кОм5%;

R5: МЛТ-0,125-1,6 Ом5%;

R6: МЛТ-0,125-2,7 кОм5%;

R7, R8, R9 : МЛТ-0,125-6,8 кОм5%;

R7', R8', R9' : МЛТ-0,125-27 кОм5%;

Заключение

В процессе расчета RC-генератора гармонических колебаний были изучены схема генератора и принципы его действия; также был произведен электрический расчет генератора, фазовращающей цепи и расчет номиналов резисторов и конденсаторов. Был произведен графоаналитический расчет генератора, определены постоянные составляющие токов коллектора и базы, напряжений коллектор-эмиттер и база-эмиттер, найдены амплитуды токов и напряжений.

Список используемой литературы

1. Каяцкас А.А. Основы радиоэлектроники: учебное пособие для студентов ВУЗов по специальности «Конструирование и производство радиоаппаратуры»-М.:Высш.шк.,2008.

2. Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам и интегральным схемам/под общ. ред. Н.Н.Горюнова-М,:Энергия,2011.

3. Терещук P.M.. Терещук К.М., Седов С.А. Полупроводниковые приемно-усилительные устройства: Справочник радиолюбителя-Киев :Hayкова думка, 2012.

4. Скаржепа В.А., Сенько В.И. Электроника и микросхемотехника: Сборник задач/под общ, ред. Красношеиной, -Киев: Выщя школа, 2009.

5. Манаев Е.И. Основы радиоэлектроники: учеб. для вузов. - М.: МИРЭА, 2008- 512 с.

Размещено на Allbest.ru

...