Разработка релаксационного генератора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа

Разработка релаксационного генератора

Студент Патронина Наталья Владимировна

Задание

Разработать генератор однополярных прямоугольных импульсов на базе ОУ и транзисторного каскада по данным таблицы.

Параметр	Данные
Частота выходной последовательности импульсов,	fвых=4000 Гц
Амплитуда выходных импульсов,	Uвых=7В
Сопротивление нагрузки,	Rн, =300 Ом
Скважность,	Q =3

ВВЕДЕНИЕ

Неотъемлемой частью почти любого электронного устройства является генератор каких-либо колебаний.

Так, например, генераторы колебаний специальной формы используются в цифровых измерительных приборах, осциллографах, радиоприемниках, телевизорах, часах, ЭВМ и множестве других устройств.

В зависимости от конкретного применения генератор может использоваться просто как источник регулярных импульсов (например, синхросигналов в цифровой системе); от него может требоваться стабильность и точность (опорный интервал времени в частотомере), регулируемость (гетеродин радиоприемника) или способность генерировать колебания в точности заданной формы (синусоидальной в звукотехнике или пилообразной в развертке осциллографа).

В режиме автоколебаний он не имеет состояния устойчивого равновесия.

При работе мультивибратора в этом режиме существуют два чередующихся состояния квазиравновесия.

Состояние квазиравновесия характеризуется сравнительно медленным изменением токов и напряжений, приводящих к некоторому критическому состоянию, при котором создаются условия для скачкообразного перехода мультивибратора из одного состояния в другое. Период колебаний при этом зависит от параметров схемы.

Схемотехнически электронный генератор (мультивибратор) представляет собой усилитель, охваченный положительной обратной связью.

В качестве усилителя могут быть использованы схемы на дискретных транзисторах, цифровые ИМС, интегральные таймеры, а также операционные усилители. Использование ОУ позволяет построить стабильные генераторы с хорошим воспроизведением. В автоколебательном режиме генераторы непрерывно формируют импульсные сигналы без внешнего воздействия. Одним из наиболее распространенных импульсных генераторов является мультивибратор. Мультивибраторы не имеют ни одного состояния устойчивого равновесия, поэтому относятся к классу автоколебательных генераторов. Мультивибратор работает без подачи входного сигнала.

1. СХЕМА ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СТРУКТУРНАЯ

Разработаем электрическую структурную схему исходя из условий задачи.

Рис.1. Схема Э1.

Структурная схема определяет основные крупные функциональные части изделия, их назначение и взаимосвязи. Структурные схемы служат основанием для разработки других, в первую очередь функциональных схем; их также используют при эксплуатации для общего ознакомления с изделием.

Времязадающая RC цепь - обеспечивает необходимую длительность выходного импульса.

Операционный усилитель - генерирует импульс длительностью заданной времязадающей RC цепью, при наличии запускающего импульса.

Усилительный каскад - усиливает по току импульс сгенерированный ОУ.

Цепь положительной обратной связи (ПОС) формирует напряжение положительной обратной связи.

Операционный усилитель (ОУ) - это унифицированный многокаскадный усилитель постоянного тока, выполненный на интегральной схеме и удовлетворяющий следующим требованиям к электрическим параметрам:

· коэффициент усиления по напряжению стремится к бесконечности;

· входное сопротивление стремится к бесконечности;

· выходное сопротивление стремится к нулю;

· если входное напряжение стремится к нулю, то выходное напряжение также равно нулю;

· бесконечная полоса усиливаемых частот стремится к бесконечности.

Операционный усилитель, как и любой другой усилитель, предназначен для усиления мощности входного сигнала. Название “операционный” он получил от аналогов на дискретных компонентах, выполнявших различные математические операции (суммирование, вычитание, логарифмирование и др.) в основном в аналоговых ЭВМ. В настоящее время операционным называют усилитель, выполненный в виде интегральной микросхемы. Операционные усилители в настоящее время используются в самых различных электронных устройствах. Их широко применяют как в аналоговых, так и в импульсных устройствах электроники.

2. СХЕМА ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ

На основе структурной схемы разработаем электрическую функциональную схему.

Рис.2. Схема функциональная.

Функциональная схема разъясняет физические процессы, протекающие в отдельных функциональных частях изделия или в изделии в целом. Функциональные схемы выполняют до разработки принципиальных схем и служат основанием для их разработки. Функциональные схемы также используют для изучения принципа действия изделий, при их наладке. Регулировке, контроле и ремонте.

Функциональные схемы составляют или на все изделие в целом, или, как правило, отдельно для каждой функциональной части изделия; поэтому для изделия составляют несколько функциональных схем. В процессе проектирования функциональные схемы могут уточняться и корректироваться по результатам разработки принципиальных схем.

Цепь положительной обратной связи (ПОС) формирует напряжение положительной обратной связи. Соберем её на активном сопротивлении.

Усилитель соберем на полевых транзисторах с p-n переходом. В таком случае выходной сигнал на нагрузке будет повторять входной сигнал только усиленный по мощности и току. Параллельно транзистору подключим сопротивление для уменьшения входного сопротивления эмиттерного повторителя.

3. СХЕМА ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ

На основе электрической функциональной схемы разрабатываем схему электрическую принципиальную (см. приложение ФИРЭ.ИИТ.606877.Э1).

Принципиальная схема определяет полный состав электрических элементов изделия и связей между ними и, как правило, дает детальное представление о принципах работы изделия. На принципиальной схеме изображают все электрические элементы, необходимые для осуществления и контроля в изделии заданных электрических процессов, все электрических процессов, все электрические связи между ними и электрические элементы, которыми заканчиваются входные и выходные цепи.

Принципиальная схема служит основанием для разработки других конструкторских документов, в первую очередь схем соединений и электромонтажных чертежей. Ею также пользуются при изучении принципов работы изделия, при его изготовлении, наладке, контроле и ремонте.

Приложением к принципиальной схеме является перечень элементов, в котором перечислены все элементы, участвующие в работе и отображенные в схеме. Также указаны их номинальные значения.

С приходом положительного запускающего импульса с амплитудой U_вх, превышающей абсолютное значение отрицательного напряжение на неинвертирующем входе, напряжение на выходе начинает возрастать. С выходом транзисторов ИМС из насыщения это нарастание за счет положительной обратной связи протекает лавинообразно, так что спустя небольшое время U_вых оказывается равным Е⁺_нас. После этого начинается зарядка конденсатора С₁ через резистор R₁. Когда напряжение на нем окажется чуть больше U_пос, происходит новое переключение схемы к уровню U_вых=Е-_нас. После этого конденсатор разряжается и схема возвращается в исходное состояние, в котором пребывает до поступления запускающего импульса. Принцип работы генераторов на базе операционных усилителей основан на использовании процессов заряда - разряда (релаксаций) конденсаторов RC - цепей. При этом заданное время релаксаций реализуется как параметрами самой RC - цепи , так и величиной порогового напряжения срабатывания , устанавливаемого на одном из входов операционного усилителя. Операционный усилитель в данном случае используется в режиме компаратора.

3.1 Обоснование выбора схемы

Итак, мультивибратор - это релаксационный генератор, вырабатывающий импульсы почти прямоугольной формы. При выборе схемы реализации данного устройства мы будем стараться найти оптимальный вариант между простотой, низкой стоимостью и исходными данными задания.

В нашем случае требуется получить генерируемые импульсы большой скважности , следовательно, цепь заряда конденсатора должна отличаться от цепи разряда.

Выберем схему мультивибратора на ОУ.

В данном случае положительная обратная связь обеспечивается делителем напряжения на резисторах R₃, R₄.

В момент t=0 (рис.2) включается источник питания ИОУ. При этом начинает возрастать , а следовательно, и напряжение, снимаемое с делителя R₃, R₄ и поданное на вход , что вызывает дальнейшее увеличение выходного напряжения , т.е. происходит лавинообразный процесс, в результате которого скачкообразно возрастает до значения (это первое состояние квазиравновесия), а - до значения , где



Напряжение при этом практически не изменяется и равно нулю.

С увеличением t за счет заряда конденсатора через резистор увеличивается напряжение по экспоненциальному закону до значения Е.

В момент времени . При этом уменьшается лавинообразно, меняя полярность на противоположную. В результате окончания этого лавинообразного процесса , а .

Конденсатор начинает разряжаться через резистор и стремится перезарядиться до напряжения .

В момент, когда при перезагрузке конденсатора напряжение достигает значения , вновь возникает регенеративный процесс, завершающийся переключением схемы во второе состояние квазиравновесия.

Таким образом, периодически происходит переход из одного состояния квазиравновесия в другое.

Первый импульс имеет меньшую длительность , т.к он формулируется при зарядке конденсатора от нуля до , и определяется по формуле:

,

Последующие импульсы определяются по формуле:



Период следования импульсов в нашем случае равен:

,

Где и - сопротивления зарядного и разрядного резисторов соответственно.

Синфазный сигнал мал и , а максимальный дифференциальный сигнал .

При выборе интегральной схемы операционного усилителя (ИОУ) необходимо обратить особое внимание на тот факт, что во избежание выхода из строя ИОУ требуется выполнение условия , следовательно, , где - допустимый дифференциальный сигнал.

Выбор резисторов и с одной стороны должен обеспечивать выполнение вышеуказанного условия для , а с другой стороны - обеспечивать требуемую по заданию длительность генерируемого импульса по формуле (3).

4. ТРАНЗИСТОРНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

Усилитель соберем на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим коллектором (эмиттерный повторитель).

В эмиттерном повторителе нагрузка сосредоточена в цепи эмиттера (рис. 6.).

Рис.6. Эмиттерный повторитель.

В каскаде действует 100%-ная отрицательная обратная связь. Разница между входным и выходным напряжениями равна напряжению на открытом эмиттерном переходе, т.е. весьма мала. Поэтому выходное напряжение по значению и фазе достаточно близко совпадает с входным напряжением, что и обусловило название каскада.

Рассчитаем начальный режим работы выходного транзисторного каскада. Каскад соберем на биполярном транзисторе n-p-n типа малой мощности КТ3130А имеющем следующие параметры (см. табл. 1.):

Таблица 1

Параметр	Обозначение	Значение
Максимально допустимый постоянный ток коллектора	Ik max, мА	200
Постоянное напряжение коллектор-эмиттер	Uкэ, В	60
Максимально допустимая рассеиваемая мощность коллектора	Рк max , мВт	200
Коэффициент передачи тока биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером	h21	200
Постоянный обратный ток коллектора	Iкбо, мкА	0.1
Граничащая частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером	fгр, МГц	150

Для каскада усиления обычно выбирают исходный режим, рекомендуемый в справочнике.

Принимаем допустимое изменение коллекторного тока в исходной рабочей точке ДI_к = 0,001I_к:

ДI_к = 0,001•200 = 0,2мА

Определяем изменение тока ДI_ко при изменении температуры от 20 до 50 єС:

Находим допустимый коэффициент нестабильности исходного режима:

S_н = ДI_к /ДI_ко = 0,2•10^-3/(0,7•10^-6) ? 285.

Находим сопротивление делителя R₅:

R₅ ? R_нS_н = 0,3•10³•285 = 85,5 кОм

Возьмем R₅ = 85,5 кОм

Рассчитаем рабочий (динамический) режим эмиттерного повторителя, используя для анализа упрощенную физическую схему замещения (рис.7.).



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 7. Физическая схема замещения.

генератор мультивибратор усилитель транзисторный

Напряжение источника питания определяем, пользуясь выражением

U_п ? (1,1 - 1,2)U_вых,

U_п = 1,2•7 = 8.4 В

Возьмем напряжение источника питания равным U_п = 10 В

Входное сопротивление. Активную составляющую входного сопротивления каскада (без учета делителя R₅) можно определить из схемы рис.7. По закону Кирхгофа, напряжение U, приложенное к точкам 1 и 2,

U = I_бr_б + I_э(r_э + R_н)

I_э = I_б(в + 1) =>

U = I_бr_б + I_б(в + 1)(r_э + R_н) =>

R_вх = U/I_б = r_б + (в + 1)(r_э + R_н)

Пренебрегая r_б и r_э по сравнению с R_н (это обычно всегда можно сделать), получим

R_вх ? R_нв.

в = h₂₁ = 200 =>

R_вх = 0,3•200 = 60 кОм

Входное сопротивление каскада уменьшается за счет того, что со стороны входа параллельно транзистору включен резистор R₅, сопротивление которого для надлежащей стабилизации режима не должно быть большим. С учетом делителя входное сопротивление каскада

R'_вх = R_вх||R₅ = R_вхR₅ /(R_вх + R₅)

R'_вх = 60•85,5/145,5 = 35 кОм

Коэффициент передачи по напряжению. Значение U_вых всегда меньше U_вх и не может быть даже равно ему, так как при этом напряжение

U_бэ = U_вх - U_вых обратилось бы в нуль и изменение коллекторного тока прекратилось.

Поэтому повторитель имеет смысл характеризовать не коэффициентом усиления, а коэффициентом передачи напряжения, понимая под этим

К = (U_вых/U_вх)<1, К = I_эR_н /(I_бR_вх).

I_э = I_б + I_к = I_б + вI_б = I_б(в + 1);

R_вх = r_б + (R_н + r_э)(в +1),

Так как в>>1, то К ? R_н / (r_э + R_н).

r_э ? 10 Ом

К ? 300/(300 + 10) = 0,97

U_вх = U_вых /К = 7/0,97 = 7.22В

Коэффициент усиления по току. Его значение много больше единицы:

К_i = I_вых /I_вх = I_э /I_вх.

С учетом того, что сопротивление R₅ включено параллельно входному сопротивлению R_вх транзистора, ток базы

I_б = I_вх R₅ /(R₅ + R_вх),

,

,

К_i = (200 + 1)•85,5/145,5 = 118

I_б = I_э / (в + 1),

I_б = 20/200 = 0,4 мА

I_вх = 0,4•(85,5 + 60)/85,5 = 0,680 мА

I_д = U_вх/R₅ = 7.22В/85,5кОм = 0,084мА

Если бы выполнялось неравенство R₅ >> R_вх (практически весь ток I_вх проходил бы в цепь базы), то коэффициент усиления по току достигал бы максимального значения К_i = в + 1. Коэффициент усиления по мощности. Его значение много больше единицы:

К_р = 0,97•118 = 114

Из приведенных выражений следует, что эмиттерный повторитель является усилителем тока и мощности. Последнее следует понимать в обычном смысле: мощность выходного сигнала превосходит мощность входного сигнала за счет энергии источника питания U_пит .

Выходное сопротивление. Выходное сопротивление R_вых дает представление о нагрузке, которую можно подключить к выходу каскада, не перегружая его. Выходное сопротивление - сопротивление со стороны выходных зажимов (3, 4 на рис. 2.) при отключенной нагрузке R_н и U_вх = 0

Из схемы следует, что R_вых составляется параллельно включенными R_н и частью схемы, содержащей r_э, r_б и R₄. Для определения влияния каждого из трех последних сопротивлений отключим резистор R_н и мысленно присоединим к зажимам 3, 4 генератор с напряжением U. Тогда, по закону Кирхгофа,

U = I_эr_э + I_б(r_б + R₅).

Имея в виду, что I_б = I_э /(в + 1), получаем

U = I_э [r_э + (r_б + R₅)/(в + 1)].

Отсюда значение второй составляющей R_вых

U/I_э = r_э + (r_б + R₅)/(в + 1).

Таким образом, выходное сопротивление эмиттерного повторителя

R_вых = R_н || [r_э + (r_б + R₄)/(в +1)].

Обычно вторая составляющая R_вых значительно меньше первой и R₅>>r_б, так что R_вых ? h₁₁/(в +1). R_вых = 0.5/201 = 2.4Ом

Обычно R_вых не превышает нескольких Ом. Малое выходное сопротивление эмиттерного повторителя позволяет использовать его при работе на низкоомную нагрузку, а сочетание большого входного и малого выходного сопротивлений дает возможность применять повторитель как согласующий каскад.

5. ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

Свое название операционный усилитель (ОУ) получил вследствие того, что он может использоваться для выполнения различных математических операций над сигналами. В настоящее время операционным называется усилитель с большим коэффициентом усиления, который охватывают цепью обратной связи, определяющей основные качественные показатели и характер выполняемых усилителем операций.

Условное обозначение ИМС ОУ приведено на рис.8.

Рис.8. УГО ИМС ОУ.

ИМС ОУ имеет два входных вывода: инвертирующий, обозначенный на рисунке кружком, и неинвертирующий. Сигнал на выходе ОУ инвертирован по отношению к сигналу, поданному на инвертирующий вход, и не инвертирован по отношению к сигналу, поданному на неинвертирующий вход.

5.1 Параметры операционного усилителя

Коэффициент усиления постоянного напряжения К - отношение выходного напряжения ИМС к дифференциальному входному напряжению, т.е. к разности потенциалов между входными выводами.

Входное сопротивление для дифференциального сигнала R_{вх дииф} - сопротивление между входами ИМС. Значение R_{вх дииф} лежит в широких пределах от кОм до сотен МОм. Входное сопротивление синфазному сигналу R_{вх сф} - сопротивление между одним из входов и “землей” при разомкнутом втором входе. Значение R_{вх сф} обычно превышает 100 МОм.

Коэффициент ослабления синфазного сигнала К_ос.сф - отношение коэффициента усиления К дифференциального сигнала к коэффициенту усиления К_сф синфазного сигнала. Обычно значения К_ос.сф = 60ч80 дБ.

Входное напряжение смещения нуля U_см - дифференциальное напряжение, которое нужно приложить между входами ИМС, чтобы ее выходное напряжение в отсутствие входных сигналов стало равным нулю. Необходимость U_см обусловлена в основном разными напряжениями на эмиттерно-базовых переходах входных транзисторов. Значение U_см зависит от температуры и напряжения питания.

Выходное сопротивление R_вых определяется выходным каскадом и обычно составляет 100 - 500 Ом.

Скорость нарастания выходного напряжения х = ДU_вых /Дt измеряется при подаче ступенчатого напряжения на вход ИМС ОУ и коротком замыкании выхода на инвертирующий вход.

Опираясь на результаты теоретической части данной работы, выберем ИОУ, удовлетворяющий основным требованиям задания и выбранной схемы реализации мультивибратора, а также произведем расчет отдельных элементов схемы обеспечивающих выполнение требуемых параметров устройства.

Выберем К574УД1 - быстродействующий операционный усилитель с полевыми транзисторами на входе. Обладает высоким входным сопротивлением, большой частотой единичного усиления и высокой скоростью нарастания выходного напряжения.

Допустимые значения параметров:

E=15 B

U_{вых мах}=10, В

U_{сф м}=10, В

К_u=50000

R_вх=10 МОм

R_вых=1 кОм

V_{u вых}=90 в/мкс

1) Согласно теоретической части работы:

, следовательно

, также

2) Подберем параметры резисторов R₃ и R₄.

Реальные значения и оказывают влияние на длительность и форму генерируемых импульсов. Однако это влияние незначительно, если сопротивления резисторов R₃ и R₄ удовлетворяют неравенствам:

Следовательно, R₃ и R₄ должны лежать в пределах от 1 кОм до 10000 кОм, а также должно выполняться .

Возьмем кОм и кОм

условие выполнено.

3) Подберем параметры для времязадающей цепи:

Чем меньше , тем быстрее происходит перезаряд конденсатора и тем выше частота выходного сигнала.

Однако следует иметь в виду, что при малых значениях постоянной времени может наблюдаться явление возбуждения паразитных колебаний. Для обеспечения устойчивости генерации коротких импульсов целесообразно использовать наиболее рациональный путь - уменьшение коэффициента связи по неинвертирующему входу при значениях времязадающей цепи, превышающих критическую величину. При этом стабильная работа мультивибратора наблюдается при значениях .

_с

Необходимо подобрать параметры , и таким образом, чтобы выполнить равенство.

_с.

Выберем _Ом ,_Ом , Ф учитывая, что на разряд конденсатора времени должно уйти больше чем на заряд.

_с.

_мс.

4) Длительность фронтов выходных импульсов в рассматриваемом мультивибраторе зависят от предельной скорости _вых нарастания выходного напряжения используемой микросхемы операционного усилителя:, у нас по условию задания _мкс.

условие выполнено.

Длительность фронта выходного импульса . Чем меньше отношение тем форма импульса ближе к прямоугольной.

5.2 Диод

Диод - это полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом и двумя внешними выводами, в котором используется 0 или иное свойство выпрямляющего перехода.

U_{обр VD1,2} = E_нас =8,25 В < U_{обр доп} (из справочника)

U_{обр VD3} = Е_нас = 8,25 В < U_{обр доп} (из справочника)

I_{пр VD1} = E_нас/3R₂ = 8,25/(3*3) = 0,92 мА < I_{пр доп}

I_{пр VD2} = E_нас/3R₁ = 8,25/(3*3) = 0,92 мА < I_{пр доп}

I_{пр VD3} = E_нас/R_вх.эп = 0,343 мА < I_{пр VD доп} (из справочника)

R_вх.эп=R5||R_{вх.тр.ос.}

R_{вх.тр.ос.}=h₁₁+(h₂₁+1)R_н

Возьмем диод Д2Д имеющий следующие параметры:

Таблица 2.

Параметры	Обозначение	Значение
Прямой ток	Iпр , А	0,016
Постоянный обратный ток	Iобр, А мкА	250
Постоянное обратное напряжение	Uобр, В	50
Постоянное прямое напряжение	Uпр, В	1
Рабочая температура	Т, єС	-60 … +70
Емкость собственная	Cд, пФ	0,2

Отобразим работу мультивибратора на графике (рис. 9.):



Рис. 9

6. ПОГРЕШНОСТЬ ВЫХОДНОГО ИМПУЛЬСА

Рассчитаем основную и дополнительную погрешность длительности выходного импульса.

Основная погрешность - это погрешность R и C элементов, находящихся в нормальных условиях эксплуатации. Она возникает из-за не идеальности собственных свойств элементов. Нормальные условия это - условия при которых значения влияющих величин находятся в пределах рабочих областей.

Т = t_и =1,1R₂C₁

Основная погрешность:

д _T = 1,1v д²_R1 + д²_C1, где

д_R1 = 0,1 - класс точности резистора

д_C1 = 0,2 - класс точности конденсатора

д _T = 1,1•0,224 = 0,2464

Для конденсатора нормируют дополнительную погрешность на отклонение температуры окружающего воздуха от нормальной.

д _T = 1,1v(ТКС•Дtє)² + (ТКЕ•Дtє)², где

ТКС = 10^-3 - температурный коэффициент

ТКЕ = 10^-4 - температурный коэффициент

Дtє =30⁰С- рабочий диапазон элемента R и C

д _T = 1,1v(10^-3•30)² + (10^-4•30)² = 1,1•0,18 = 0,14•10^-3 = 0,199

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В курсовой работе был разработан релаксационный генератор на ИОУ с большой скважностью генерируемых импульсов в режиме автоколебания. В процессе ее выполнения получены навыки выбора схемы и ее элементов в зависимости от необходимого результата.

Приобретены знания об основных свойствах интегральных операционных усилителей, используемых при построении импульсных генераторов различного назначения, в частности с использованием в данной курсовой работе ИОУ К574УД1.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Браммер Ю.А. Импульсные и цифровые устройства: Учеб. Для сред. проф.учеб.заведений - М.: Высш. шк., 2006. - 351 с.:ил.

2. Справочник: Интегральные микросхемы. Операционные усилители Том I. - М.; ВО «Наука» 1993г.

Размещено на Allbest.ru

...