Генератор с широтно-импульсной модуляцией

Размещено на http://www.allbest.ru

1. КРАТКИЙ АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ

Требуется разработать схему устройства широтно-импульсной модуляции с заданными параметрами по величине управляющего напряжения, выходного напряжения, скважности и частоте широтно-модулированного импульсного сигнала.

Принцип действия широтно-импульсной модуляции состоит в изменении длительности прямоугольных импульсов при неизменной частоте следования. Сфера применения: в схемах управления скоростью вращения электродвигателей постоянного тока, преобразователях напряжения, в импульсных блоках питания и т.д.

Схема ШИМ в своём составе обычно содержит сравнивающий элемент для сравнения управляющего и опорного напряжения, генератор сигналов опорного напряжения, выходной каскад для обеспечения нужного уровня выходного сигнала по напряжению и мощности.

В [1] приведён пример схемы генератора пилообразного напряжения, генератора импульсов прямоугольной формы - мультивибратора, необходимых для работы генератора пилообразного напряжения. Для выходного каскада возможно использование схемы электронного ключа из [2]. Для сравнивающего элемента современная база электронных компонентов содержит микросхему компаратора и позволяет разработать подобное устройство. широтный импульсный модуляция генератор



2. РАЗРАБОТКА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ

Для осуществления широтно-импульсной модуляции - изменения скважности выходного сигнала в зависимости от величины напряжения управляющего сигнала необходимы следующие функциональные блоки:

1) На выходе должна быть амплитуда выходных сигналов 5 В. Нужная амплитуда может обеспечиваться с помощью электронного ключа.

2) Необходимо сравнение управляющего сигнала с опорным напряжением и выработка управляющих электронным ключом импульсов постоянной частоты с изменяющейся длительностью в зависимости от изменения . В качестве сравнивающего элемента принимаю компаратор. Для опорного напряжения на входе компаратора используются пилообразные импульсы.

3) Для формирования импульсов пилообразного напряжения используем ГЛИН - генератор линейно-изменяющегося напряжения.

4) Для образования пилообразных импульсов необходимы прямоугольные импульсы на входе ГЛИН, образуемые генератором прямоугольных импульсов с частотой соответственно заданию 50 кГц.

С учётом вышеизложенного составляем функциональную схему устройства с ШИМ (рис.1).

Рисунок 1 - Функциональная схема

На рис. 2 показан принцип формирования длительности импульсов ШИМ в зависимости от напряжения управления.

Рисунок 2 - Формирование импульсов ШИМ



3. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ

3.1. Выбор и расчёт схемы мультивибратора

В качестве генератора прямоугольных импульсов используем мультивибратор (рис. 3).

Рисунок 3 - Схема мультивибратора

Расчёт схемы мультивибратора:

1) Напряжение коллекторного питания

где - амплитуда выходных импульсов. Принимаю

2) Тип транзистора выбираем из условий:

а) Для обеспечения надёжности работы допустимое коллекторное напряжение должно быть

б) Предельная частота коэффициента передачи тока

в) Рабочий диапазон температур транзистора соответствует заданному диапазону.

Этим условиям соответствуют многие транзисторы. Выберем кремниевый транзистор КТ315А с параметрами: ; граничная частота коэффициента передачи тока статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером ; ; допустимая температура окружающей среды: . Транзистор КТ315 предназначен для работы в схемах усиления, генерирования, в различных импульсных схемах.

3) Величина сопротивления должна удовлетворять следующим неравенствам:

б) Для исключения влияния нагрузки на работу схемы

Слишком маленькое увеличивает мощность потребляемую схемой, принимаем

4) Величина базового сопротивления из условия обеспечения насыщения:

,

для КТ315А ;

степень насыщения S принимаем 1,5 (из диапазона 1,22).

Примем .

5) Времязадающая ёмкость С

Принимаем ёмкость

Поскольку мультивибратор симметричный

3.2 Выбор и расчёт схемы генератора пилообразного напряжения

Для получения пилообразного напряжения используем схему генератора линейно-изменяющегося напряжения ГЛИН (рис. 4). [2]

Рисунок 4 - Схема ГЛИН

Расчёт генератора линейно-изменяющегося напряжения:

1) определяем необходимую для работы компаратора амплитуду и длительность положительных импульсов.

Управляющее напряжение изменяется от 0 до +5 В. Для обеспечения скважности необходимо, чтобы положительный уровень опорного пилообразного напряжения превышал уровень в течение

Для скважности необходимо превышение напряжения опорного пилообразного напряжения над уровнем на в течение .

Рисунок 5 - Определение амплитуды и длительности импульсов

Из подобия треугольников (рис. 5)

2) Исходные данные для расчёта:

- Амплитуда входных положительных импульсов ;

-Длительность прямого хода

-Амплитуда выходного сигнала .

3) Выбор типа транзистора.

Конкретный тип транзистора нужно выбирать из условий

Руководствуясь этими условиями выбираем транзистор КТ315А с параметрами , , , , .

4) Для обеспечения точности формирования пилообразного напряжения до уровня 5,1 В применяю в схеме генератора пилообразного напряжения дополнительные элементы: один из двух компараторов в корпусе микросхемы LM193 и D-триггер К155ТМ2.

Для обеспечения регулирования ШИМ, при , на эмиттер транзистора VT3 подаю смещение , равное напряжению насыщения коллектор-эмиттер (рис.6), на вход «+» компаратора DA1.2 подаю не 5,1 В, а 5 В, т.к. за счёт временных задержек компаратора, триггера и транзистора сравниваемое напряжение успевает вырасти на 0,1 В до открытия транзистора VT3.

Триггер DD1 устанавливается по фронту импульса мультивибратора на вход C и сбрасывается компаратором DA1.2 по входу R, когда пилообразное напряжение достигнет заданной величины.

Рисунок 6 - Генератор пилообразного напряжения с дополнительными элементами

5) Расчёт основных элементов схемы.

а) Рассчитываем напряжение питания транзистора VT3 из формулы

где - коэффициент нелинейности. [2]

Для обеспечения линейного заряда ёмкости принимаю .

принимаю

б) должен быть больше

и обеспечивать зарядный ток конденсатора C3

Начальный ток заряда конденсатора С3 (ток коллектора начальный) принимаю

(для уменьшения величины С3 и, соответственно, уменьшения времени разряда С3).



Принимаю .

в) Длительность прямого хода (время заряда C3) по формуле

отсюда

Принимаю C3 = 0,001 мкФ.

д) Принимаю ток разряда ёмкости начальный из соотношения

По рекомендации в [1] принимаем S = 2,6.

Минимальное напряжение уровня логической единицы на выходе ТТЛ логики 155 серии составляет 2,4 В. Рассчитываем

Принимаю

принимаю равными 1 кОм, для обеспечения уровня логической единицы на входах S и D триггера и коллекторного сопротивления у открытого коллектора выходного транзистора компаратора.

3.3 Выбор компаратора

В качестве компаратора используем микросхему LM193 для обеспечения стабильной работы ШИМ.

Технические характеристики аналогового компаратора LM193, LM293, LM393:

Входной ток не более 100 нА;

Входное напряжение или

Напряжение питания +2 В 36 В или ;

Температурный диапазон .

Компаратор LM193 имеет выход с открытым коллектором. Для подачи питания на коллектор выходного транзистора компаратора подключаем , выбираем (рис. 7).

Рисунок 7 - Компаратор LM193

3.4 Расчёт электронного ключа.

В качестве электронного ключа выбираем следующую схему (рис. 8).



Рисунок 8 - Схема электронного ключа

, по требованиям должно выполняться .

В качестве ключевого транзистора выбираем транзистор КТ315А.

Допустимое сопротивление коллектора

Выбираем

В режиме насыщения

определяется из графика зависимости от в [3].

составляется из включенных последовательно компаратора, , отсюда

Принимаем

Из условия обеспечения рассчитываем

Отсюда

С учётом выбранных схем, функциональных блоков и расчёта элементов окончательно получаем схему (рис. 9).



Рисунок 9 - Схема генератора с ШИМ



3.5 Моделирование схемы в схемотехнической САПР

Рисунок 10 - Схема моделируемая в Micro-Cap 8

Ниже представлены полученные в результате моделирования графики опорного (пилообразного) напряжения, которое сравнивается с управляющим напряжением и выходной сигнал. Чтобы продемонстрировать работоспособность разработанной схемы покажем результирующие графики при трёх разных значениях управляющего напряжения в соответствии с заданным диапазоном

При подаче скважность Q = 2 (рис. 11).



Рисунок 11 - Скважность Q = 2

При подаче скважность Q = 5 (рис. 12).

Рисунок 12 - Скважность Q = 5

При подаче скважность Q = 100 (рис. 13).



Рисунок 13 - Скважность Q = 100

Скважность - это отношение периода к длительности импульса:

Проанализируем полученные графики.

Минимальная скважность должна быть равна 2.

Максимальная скважность должна быть равна 100.

Из представленных зависимостей видно что полученные параметры разработанного устройства соответствуют заданию.

Таблица 1 - заданные и полученные параметры

Наименование величины	Заданные и расчётные величины	Полученные величины
1.Частота	50 кГц	50 кГц
2.Скважность выходного сигнала	2 100	2,06 101
3.Величина управляющего напряжения	0 5 В	0 5 В
4.Напряжение выходного сигнала Q	5 В	5 В
5.Время фронта выходного сигнала



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной курсовой работе разработана принципиальная схема и произведён расчёт схемы генератора с широтно-импульсной модуляцией. На вход устройства ШИМ подаётся управляющее напряжение в диапазоне 05 В, на выходе имеем преобразованный ШИМ сигнал с напряжением 5 В и скважностью от 2 до 100, соответственно при 0 В и 5 В управляющего напряжения.

Моделирование схемы с помощью схемотехнической САПР Micro-Cap 8 показало соответствие расчётных величин сигналов смоделированным и работоспособность разработанной схемы. Задание поставленное в курсовой работе выполнено.

В ходе выполнения курсовой работы получены практические навыки применения знаний полученных в курсе электроники.



СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Расчёт элементов импульсных и цифровых схем радиотехнических устройств. / Под ред. Ю.М. Казаринова, М.: Высшая школа, 1976. 359 с.

2. Основы промышленной электроники. Ю.А. Исаков, А.П. Платонов, В.С. Руденко и др.; К.: Технiка, 1976. 544 с.

3. Транзисторы для аппаратуры широкого применения: Справочник. К.М. Брежнева, Е.М. Гантман, Т.И. Давыдова и др. / Под ред. Б.Л. Перельмана. М.: Радио и связь, 1981. 656 с.

Размещено на Allbest.ru

...