Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Вологодский государственный университет

Электроэнергетический факультет

Кафедра биомедицинских технологий

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

ПРОЕКТИРОВАНИЕ АВТОГЕНЕРАТОРА ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ НА РЕЗИСТИВНОМ УСИЛИТЕЛЕ С ФИКСИРОВАННЫМ ТОКОМ БАЗЫ

Выполнил: Кукушкин В.А.

Группа: ИМ-21

Принял: проф. Домаков А.И.

Вологда - 2014

Содержание

Введение

1. Цели и задачи курсового проекта

2. Краткий обзор АГ по принципу работы, назначению, генерируемой мощности

3. Выбор схемы транзисторного автогенератора

4. Расчет автогенератора

5. Расчет колебательного контура

6. Экспериментальная часть

Заключение

Используемая литература

Приложение



Введение

Генераторы - устройства, предназначенное для создания электрических колебаний.

Их делят на два основных типа: автогенераторы (АГ) и генераторы с внешним возбуждением (ГВВ). Автогенераторы являются первичными источниками ЭМК, т.е. они являются необходимыми устройствами в радиотехнике.

Автогенератор (АГ) - устройство, преобразующее энергию постоянного тока в энергию электрических колебаний требуемой частоты и формы. АГ можно считать источником электромагнитных колебаний, возбуждающихся самопроизвольно без внешнего воздействия.

Генератор с внешним возбуждение (ГВВ) переходит в режим генерации, формирования, или усиления колебаний только при поступлении на его вход сигналов возбуждения.

В зависимости от формы вырабатываемых напряжений различают генераторы гармонических и релаксационных (импульсных) колебаний. Генераторы гармонических колебаний вырабатывают сигнал, в спектре которого присутствует практически одна гармоника. Выходные колебания релаксационного генератора содержат широкий спектр гармонических составляющих, часто имеющих соизмеримые амплитуды. Можно отметить и генераторы линейных пилообразных напряжений, которые относятся к релаксационным.

Независимо от назначения, принципа действия и схематического выполнения АГ любых перечисленных колебаний состоит из нелинейного усилителя, цепи положительной обратной связи и источника питания постоянного тока. Форма и частота выходных колебаний определяется только параметрами самого АГ, между тем как в ГВВ амплитуда и частота колебаний навязываются извне.

1. Цели и задачи курсового проекта

Изучить литературу по АГ и на основании этого изучения произвести выбор схемы транзисторного АГ.

Произвести расчет схемы транзисторного АГ, нагруженного на согласованную нагрузку.

Исходные данные для выполнения курсового проекта:

- генерируемая частота f=80 кГц;

- действующее значение напряжения на выходе усилителя E_k=9 В.

2. Краткий обзор АГ по принципу работы, назначению, генерируемой мощности

По частоте автогенераторы классифицируют: генераторы низких частот, генераторы высоких частот и генераторы СВЧ.

Для получения сигналов высоких частот (более 100 кГц) применяют LC-генераторы.

В большинстве схем LC-генераторов напряжение обратной связи снимается с части колебательного контура, т.е. используется неполное включение. Поскольку контур при этом имеет три точки соединений (выводов), то схемы LC-генераторов получили название трехточечных.

Упрощенная структурная схема трехточечного автогенератора, построенного на неинвертирующем усилителе, представлена на рис. 1. В схеме реактивные элементы z₁, z₂ и z₃ образуют колебательную систему (резонансный контур), с помощью которой создается частотно-зависимая положительная ОС. В реальных схемах автогенераторов индуктивности и емкости контуров имеют малые омические потери, поэтому при анализе можно учитывать только их реактивные сопротивления x₁, x₂ и x₃.



Рис. 1. Структурная схема трехточечного автогенератора

В схеме LC-генератора, известной в радиотехнике под названием индуктивной трехточки (рис. 2), индуктивная ветвь параллельного контура содержит индуктивности L₁ и L₃. Напряжение ОС с индуктивности L1 поступает на неинвертирующий вход ОУ. Поскольку знаки мгновенных значений напряжений на индуктивностях L₁ и L₃, относительно их общей точки соединения одинаковы, то ОС будет положительной. В емкостной ветви колебательного контура включен конденсатор С₂.

Рис. 2. Индуктивная трехточка

По аналогии с индуктивной трехточкой можно построить автогенератор с емкостной трехточкой (рис. 3). В данной схеме емкостная ветвь колебательного контура содержит конденсаторы С ₁ и С 3. Напряжение ОС с конденсатора С ₁ поступает на неинвертирующий вход усилителя. При таком включении конденсаторов в колебательный контур, полярности мгновенных значений напряжений на их обкладках относительно общей точки соединения одинаковы, поэтому в схеме ОС - положительная.

Рис. 3. Емкостная трехточка

Широкое применение в радиотехнике и системах связи находят также автогенераторы, в которых операционные усилители включены по инвертирующей схеме. При этом достаточно в схемах рис. 3-5 поменять местами индуктивность L₁ и емкость С₁.

Настройку LC-генератора на требуемую частоту осуществляют обычно изменением небольшой емкости дополнительного конденсатора, включенного параллельно основному конденсатору резонансного контура. В современных автогенераторах для изменения частоты колебаний применяют варикапы и подстройку, или даже перестройку частоты, производят с их помощью электронным способом.

В качестве генераторов низких частот (от десятков кГц до единиц Гц) применяют RC-генераторы.

В низкочастотных автогенераторах в качестве колебательных систем и цепей положительной обратной связи используют частотно-избирательные RC-цепи.

Практически все современные RC-генераторы малой и средней мощностей (до десяти - пятнадцати ватт) строятся на операционных усилителях. импульсный генератор транзисторный колебательный

Напряжение положительной обратной связи в RC-генераторах на операционных усилителях можно подавать как на инвертирующий, так и на не инвертирующий входы. В схемах RC-генераторов с неинвертирующим включением операционного усилителя частотно-избирательная цепь положительной обратной связи не должна вносить фазового сдвига в выходной сигнал. В RC-генераторах с инвертирующим включением операционного усилителя, наоборот, RC-цепь положительной обратной связи на частоте генерации должна сдвигать фазу выходных колебаний на угол ц_в=р.

Наиболее распространены в радиоэлектронике и технике связи низкочастотные автогенераторы двух видов - с фазосдвигающей RC-цепью и с мостом Вина.

Автогенератор с фазосдвигающей RC-цепью.

Такой автогенератор содержит инвертирующий усилитель и трехзвенную RC-цепь положительной обратной связи (рис. 4).

Рис. 4. Автогенератор с трехзвенной RC-цепью

Недостатки RC-генератора на инвертирующем усилителе и трехзвенной RC-цепью - довольно большое количество элементов в петле положительной ОС и, как следствие, трудность перестройки частоты генерации в широком диапазоне. Поэтому чаще применяют автогенераторы с неинвертирующим включением операционного усилителя и мостом Вина в цепи положительной ОС.



Рис. 5. RC-генератор с мостом Вина

Данный автогенератор имеет более компактную структуру построения схемы. В ней цепь положительной ОС включается между выходом и неинвертирующим входом ОУ (рис. 5). Мост Вина представляет собой частотно-избирательную последовательно-параллельную RC-цепь, состоящую из двух емкостей С и двух сопротивлений R. Перестройка частоты в схеме осуществляется обычно с помощью сдвоенного конденсатора.

3. Выбор схемы транзисторного автогенератора

Исходя из заданной частоты колебаний 130 кГц, необходим генератор высокочастотных колебаний. Простейшей схемой удовлетворяющей данному условию будет трехточечная схема автогенератора. Из двух существующих схем трехточеных генераторов (индуктивная и емкостная трехточки) выберем схему емкостной трехточки, по следующим причинам:

- стабильность частоты создаваемой генератором, собранным по этой схеме выше, чем генератора с индуктивной трехточкой. Это объясняется тем, что напряжения здесь снимаются с емкостей, сопротивления которых, как известно, падают с ростом частоты. В результате, содержание высших гармоник в напряжениях в схеме емкостной трехточки существенно меньше, чем в схеме индуктивной трехточки;

- выше нагрузочная способность контура.

Принцип работы данного автогенератора заключается в следующем:

Существует три способа включения транзистора в схему: с общей базой, с общим коллектором и с общим эмиттером.

В данной работе используется транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером, и усилитель с фиксированным током базы.

Усилитель с фиксированным током базы является апериодическим (резистивным) широкополосным усилителем видеосигнала. Типовая принципиальная схема представлена на рис. 6. Разделительные конденсаторы и предназначены для разделения путей протекания постоянных и переменных токов. При отсутствии этих конденсаторов или коротком замыкании в случае их пробоя постоянный ток от источника питания протекает через элементы выходной цепи предыдущего электронного каскада, так и элементы входной цепи последующего каскада, что приводит к нарушению режимов работы этих каскадов и всего электронного устройства в целом.

Рис. 6. Резистивный усилитель с фиксированным током базы

Расчет значений конденсаторов проводится из условия малости их сопротивлений по переменному току:

; .

Резистор обеспечивает необходимое смещение напряжения на базе транзистора относительно эмиттера за счет протекания тока базы по пути:

+.

Резистор обеспечивает необходимое напряжение между коллектором и эмиттером транзистора за счет протекания тока коллектора по пути:

+.

Схема колебательного контура представлена на следующем рисунке:

Рис. 7. Схема колебательного контура

АГ состоит из усилителя и колебательного контура. Для того, чтобы их соединить: точку 2 усилителя подключают к точке 1 колебательного контура, а точку 1 усилителя - к точке 2 колебательного контура.

4. Расчет автогенератора

Выбор транзистора. Наиболее широко используются АГ на биполярных транзисторах.

Стабильность частоты АГ определяется добротностью колебательного контура, параметрами транзистора и выбранным режимом работы. При этом основными причинами изменения генерируемой частоты при вариации режима работы транзистора являются изменения его емкостей и фазового угла средней крутизны.

В АГ используются транзисторы, у которых на частоте генерации еще заметно не проявляются инерционные свойства. Для этого достаточно, чтобы:

,

где - граничная частота транзистора по крутизне.

Целесообразно использовать маломощные высокочастотные транзисторы типа КТ 306, КТ 312, КТ 316, КГ 324, КТ 331 и аналогичные им.

Берем транзистор МП 39. Так как, генерируемая частота =130кГц, то получаем:

130* (0,1…0,3) 150*.

Данное выражение удовлетворяет условию:

,

следовательно, транзистор КТ 312 можно использовать для расчета АГ.

Для обеспечения высокой стабильности амплитуды колебаний угол отсечки коллекторного тока в стационарном режиме выбирает из условия: , а мягкий режим самовозбуждения при <90° создают с помощью автоматического смещения.

Опыт проектирования транзисторных АГ показывает, что существует оптимальное значение R_э = R_э.опт, обеспечивающее максимальную стабильность частоты:

,

где S₀ - значение крутизны на низких частотах:

,

.

Сопротивление r_б можно найти из выражения:

r_б =--(2...4)t--к / Ск,

Транзистор МП 39. Транзистор сплавно-диффузионный p-n-р типа. Предназначен для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний ВЧ и работы в импульсных схемах.

Выпускаются в металлическом герметичном корпусе со стеклянными изоляторами и имеют гибкие выводы. Вывод коллектора соединен с корпусом. Вывод эмиттера обозначен на корпусе цветной точкой. Масса - не более 2г.

Схема представляет собой усилитель с фиксированным током базы: транзистор VT, резистор R_б, R_k,- охваченный положительной обратной связью а-в, и параллельный колебательный контур, состоящий из элементов L₁,C₁;L₂,C₂. Сигнал с колебательного контура (с ёмкостного делителя С ₁,С ₂) поступает по цепи положительной обратной связи (ПОС) на базу транзистора.

Входная характеристика - зависимость входного тока I_ВХ, потребляемого от источника сигнала, от входного напряжения U_bx при постоянном напряжении U_k на коллекторе: I_BX = ц₁(U_BX), при U = const.

При U_кэ= 0 В.

ЛИПС - лабораторный источник питания стабилизированный; РА-прибор для выставления тока 1_б Ц 56/1 на пределе 300 мкА (род работы мВ);

PV - прибор для измерения напряжений Щ 4313 на пределе 2 В;

VT - германиевый биполярный маломощный, высокочастотный транзистор МП 39.

Iб, мкА	20	40	60	80	100	120	140	160	180	200
Uбэ, мВ	76	95	109	118	125	130	135	140	144	147

При U_кэ= 5 В.

Таблица 1. Входные характеристики транзистора

Iб, мкА	20	40	60	80	100	120	140	160	180	200
Uбэ, мВ	131	158	173	184	195	201	208	214	219	224

Строим зависимости I_б(U_бэ). Выходная характеристика - зависимость тока коллектора от напряжения на коллекторе U_к при постоянном входном токе I_вх = ц₁(Uвх), при I_вх = const.



Таблица 2. Выходные характеристики транзистора

Iк, мкА/ Uкэ, В	20	40	60	80	100	120	140	160	180	200
0,1	0,28	0,68	1	1,01	1,86	2,12	2,55	3,22	3,9	4,3
0,2	0,4	0,88	1,37	2	2,65	3,31	3,63	4,92	5,32	6,5
0,3	0,42	0,9	1,4	2,04	2,72	3,37	3,72	5,08	5,48	6,66
0,5	0,43	0,91	1,42	2,06	2,75	3,41	3,755	5,12	5,54	6,72
1	0,44	0,93	1,45	2,11	2,81	3,5	3,82	5,26	5,66	6,86
2	-	-	-	-	2,92	3,62	3,95	5,46	5,86	7,1
4	0,47	1,1	1,58	2,3	3,06	3,81	4,26	5,78	6,2	7,52
9	0,53	1,11	1,75	2,55	3,42	4,23	4,62	6,42	6,92	8,52

Строим зависимость I_к(U_кэ).

Резистивный усилитель с фиксированным током базы.

На входной характеристике транзистора отмечаем точку покоя (см. Приложение 3). Она должна находиться на линейном участке (участок 1-2). Расположим точку покоя так, чтобы U_вx полностью располагалось на линейном участке. По условию действующее напряжение U_bx=10 mB, тогда его амплитудное значение будет U_max = 10 = 7 мВ и ширина зоны будет равна 14 мВ. Значение напряжения в точке покоя примем равным U_{бэ 0} = 202mB и соответствующее ему значение 1_{б 0} = 122мкА. По выходной характеристике находим значение тока покоя коллектора 1_{к 0} = 3,8 mA.

Находим сопротивление цепи коллектора:

.

кОм.

Находим сопротивление цепи базы:

.

кОм

Так как для выходной цепи транзистора справедливо уравнение:

Ек = RK* Iк 0 + Uкэ,

то построение линии нагрузки произведём по точкам её пересечения с осями координат:

при U_кэ = 0; I_к = = 8,57 мА,

при U_кэ = E_к = 9 В; I_к = 0 мА.

соединяя прямой линией полученные точки, получаем линию нагрузки, которая проходит через точку покоя и характерна для режима холостого хода.

Коэффициент усиления по напряжению:

.

Коэффициент передачи по току:

.

Теперь выберем ёмкостной делитель Ср 1 Ср 2:

,

.



5. Расчет колебательного контура

Дана частота колебаний f=130 кГц.

Рассчитываем общую ёмкость контура по формуле:

,

при чём С ₂"С ₁, С ₂ = С ₃, получим:

,

Нам известно, что С_общ = С_к.

,

где щ_o -круговая частота, которая находится по формуле:

щ₀ = f₀·2·р = 130000·2·3,14=816,4 кГц.

L_к - индуктивность контура;

С_к - общая индуктивность контура, т.е.:

,

Х_L0 = щ₀L_к (*),

,

Х_{С 0} = 1/щ₀С_к (**),

X_L0⁼ X_C0 = с,

где с - характеристическое (волновое) сопротивление. Выберем р из диапазона 50.... 150 Ом. Пусть с=100Ом, тогда X_L0=100 Ом.

По формуле (*): .

По формуле (**): .

Тогда С₂ = С₃ = 3,18 нФ.

Чтобы участок 1-2 имел индуктивный характер на заданной частоте щ₀, необходимо выполнение следующего условия щL>0, значит можно положить, что C₁ = 24,5 мкФ.

6. Экспериментальная часть

Экспериментальная схема усилителя с фиксированным током базы C₁ = 6800 пФ, С ₂ =C₃= 510…540 пФ.

	Rк 0, кОм	Rб 0, кОм	Cp1, мкФ	Ср 2, мкФ	Iб 0, мкА	Uбэ 0, мВ	Iк 0, мА	Uкэ 0, В	KI	Кu	Кр
Расчетные данные	1,05	72	100	100	122	202	3,8	4,8	58	107	8294
Экспериментальные данные	0,83	72	100	100	122	212	3,6	4,8	-	77	-



Заключение

В теоретической части данной работы был сделан обзор существующих импульсных генераторов и генераторов гармонических колебаний.

В практической части был разработан транзисторный генератор заданной частоты и выходного напряжения. Были рассчитаны его основные блоки, (обоснован выбор автогенератора, а также сделан расчет схемы усилителя и колебательного контура). Расчетные данные сверялись с данными полученными в ходе проведения эксперимента. Также представлена схема генератора.



Используемая литература

1. Техника генерирования электромагнитных колебаний: основы теории и практики: учебное пособие / А.И. Домаков, И.И. Маликов, С.В. Турыгин. - Вологда: ВоГТУ, 2011. - 128с.



Приложение

Размещено на Allbest.ru

...