Двухчастотный генератор сигналов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа

Тема: Двухчастотный генератор сигналов

Вовканец Данила Богданович

СОДЕРЖАНИЕ

АННОТАЦИЯ

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЗОР

2. АНАЛОГИ

3. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА

4. ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА

5 РАЗРАБОТКА ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

АННОТАЦИЯ

В курсовом проекте разработана принципиальная и структурная схема усилителя по схеме, расчет параметров.

Проведен обзор аналогов, подбор компонентов, расчет элементов принципиальной схемы, разводка печатной платы, сделаны выводы. Графически представлена принципиальная и структурная схема.

В данном курсовом проекте имеется:

Страниц-;

Таблиц-1;

Рисунков-14;

Источников использованной литературы-15.

ВВЕДЕНИЕ

В данном курсовом проекте будет рассмотрена тема «Двухчастотный генератор сигналов».

Генератор с регулятором напряжения образуют генераторную установку. На современных автомобилях используются синхронные генераторы переменного тока, работающие на бортовую сеть через встроенный в них блок выпрямителей. Главным требованием, предъявляемым к генераторным установкам, является обеспечение электропитанием потребителей во всех режимах работы автомобиля и поддержание стабильного уровня напряжения. Генератор является основным активным источником электроэнергии, обеспечивающим питанием всех потребителей и заряд аккумуляторной батареи при работе двигателя. Регулятор напряжения поддерживает заданный уровень напряжения генератора при значительных изменениях нагрузки и частоты вращения ротора генератора. Аккумуляторная батарея как пассивный источник электроэнергии служит для пуска двигателя и обеспечения работы потребителей при неработающем двигателе. Система электроснабжения автомобиля автономна, следовательно она должна полностью обеспечивать электроэнергией потребителей и осуществлять заряд аккумуляторной батареи.

1. ОБЗОР

Развитие современной нерелятивистской электроники терагерцового и субтерагерцового диапазонов связано с необходимостью решения ряда физических и технологических проблем, возникающих при увеличении рабочей частоты генераторов и усилителей малой и средней мощности. В первую очередь это касается снижения сопротивления связи из-за увеличения локализации поля поверхностных волн вблизи импедансных поверхностей электродинамических систем. В результате только небольшая часть электронного потока оказывается в области интенсивного высокочастотного поля замедленной волны. Применительно к ЛОВ эта задача была решена за счет наклонного движения электронов относительно поверхности замедляющей системы (ЗС) [1]. В результате практически все слои пучка последовательно оказываются в области интенсивного высокочастотного поля с последующим оседанием на поверхность ЗС. Таким образом, в данном случае за счет дополнительных поперечных смещений траекторий электронов удается добиться довольно существенного повышения эффективности взаимодействия и выходной мощности генераторов. Несколько иной способ управления траекториями электронов в пространстве взаимодействия генератора дифракционного излучения (ГДИ) был предложен в работах [2, 3] на основе применения локальной неоднородности магнитного фокусирующего поля. Результаты экспериментальных исследований подтвердили эффективность этого метода и его перспективность для улучшения эксплуатационных характеристик ГДИ субтерагерцового диапазона. Развитая в дальнейшем нелинейная многомерная теория резонансных генераторов с длительным взаимодействием позволила установить основные физические механизмы изменения эффективности взаимодействия на различных этапах развития колебательного процесса с учетом оседания электронного потока на поверхность ЗС [4, 5]. Причем установлено, что в режиме установившихся колебаний наиболее эффективным является применение локальной магнитной неоднородности (ЛМН) в случае, когда продольная амплитудная огибающая высокочастотного поля имеет Гауссову форму, т.е. для ГДИ.

Два генератора (70-100kHz),(рис. 1) с ключей идет выход на две разные обмотки одного трансформатора. Разность частот подбирается примерно 50-100 Hz. С выходной обмотки, которая имеет соотношение витков межу первичными и выходной 7:1 поступает на фильтр низких частот с частотой пропускания примерно 0- 500Hz. При определенном подборе частот нагрузка (проволочные резисторы) не влияла на потребляемый ток и резонансные процессы в трансформаторе.

Рисунок 1 Схеа с двумя генераторами

Вот что получается, в трансформаторе происходит биения частот и образуется множество частот. Основные частоты f1, f2 и f3. Где f3 частота разности f2-f1 которая снимается с вторичной обмотки трансформатора и отфильтровывается фильтром НЧ.

Для создания колебаний в обмотках 1 и 2 мы затратили энергию Е1 и Е2, (Е1+Е2) но получили прибавку в виде дополнительной энергии которая снимается с обмотки 3 -- Е3. По моим проведенным опытам нагрузка и даже короткое замыкание не влияла на общий потребляемый ток.

Идем дальше, почему идет прибавка магнитные волны в ферритовом сердечнике. В ферритовом сердечнике трансформатора при подаче тока на первичную обмотку происходит магнитная волна. Магнитная волна обусловлена инерцией переворота доменов феррита и направленна в две стороны от полюсов катушки. Скорость распространения магнитной волны зависит от проницаемости феррита, то есть от времени переворачивания доменов феррита. При гармонических колебаниях в объеме сердечника появляются рефракционные зоны. При использовании двух частот происходит накладка магнитных волн, причем в случайном порядке (зависит от частот и периметра сердечника), при этом образуются области с «нулевым» насыщением и области с перенасыщением сердечника. Именно эти области создают новую магнитную волну (разносную). Энергия разносной волны будет зависеть от объема сердечника, то есть от объема перевернутых доменов феррита. Чем больше сердечник, тем больше энергии он даст.

Фонарики от «Акула» Мой вышеописанный опыт не дал прибавки выше 1 по причине неправильной конструкции. А именно частоты f1 и f2 имеют не большое отличие и бывают моменты когда сердечник уже насыщен и открывается другой ключ, это вызывает большие токи через ключи и соответственно низкий КПД... Немного другим путем пошел Акула -- он создал два генератора один из них более низкочастотный, но кратный первому. Таким образом не происходит спонтанных лавинных токов через ключи как было в моем случае.

Мигающие светодиоды быстро завоевали симпатии радиолюбителей. Простота их применения окупает некоторые недостатки, например, относительно высокую стоимость и невозможность управлять частотой и скважностью световых импульсов. Радиолюбители не были бы таковыми, если бы не искали нестандартные варианты схем включения и применения различным радиодеталям. Не остались без внимания и мигающие светодиоды.

В технической литературе уже были опубликованы описания устройств, в которых мигающие светодиоды использовались как низкочастотные генераторы прямоугольных импульсов, см., например, статьи [1, 2]. Учитывая, что в составе мигающего светодиода имеется высокочастотный задающий генератор с делителем частоты, не составляет труда собрать устройство по схеме на рис. 1, в котором мигающий светодиод будет одновременно работать и как низкочастотный генератор с частотой следования импульсов 1...3 Гц, и как генератор пачек импульсов с частотой заполнения 100...350 кГц.

Рисунок 2 - двухчастотный генератор

Биполярный транзистор VT1 работает как усилитель-разделитель высокочастотной и низкочастотной составляющих потребляемого светодиодом HL1 тока. На выводе эмиттера транзистора VT1 выделяется низкочастотная составляющая, амплитуда импульсов здесь составляет около 2 В. Амплитуда пачек высокочастотных импульсов (рис. 3) на выводе коллектора того же транзистора будет около 4 В. Развернутая осциллограмма высокочастотного заполнения импульсов показана на рис. 3. Конденсатор С4 выполняет роль блокировочного по цепи питания.

двухчастотный генератор сигнал усилитель

Рисунок 3 Импульсы снимаемые с диода

Этот генератор имеет одну интересную особенность: если последовательно со светодиодом HL1 включить дроссель с индуктивностью несколько десятков микрогенри, то сигнал на высокочастотном выходе "окрашивается" множеством высокочастотных гармоник. Такое свойство можно использовать, например, для проверки радиоприемников.

Если генератор, выполненный по рисунку 2, дополнить делителем частоты, собранном на КМОП микросхеме и двух транзисторах, как показано на рис. 3, то получится звуковой генератор тональных импульсов, воспроизводимых высокоомной динамической головкой ВА1.

Рисунок 4 генератор тональных импульсов

На n-канальном полевом транзисторе VT1 собран усилитель высокочастотных импульсов, увеличивающий их амплитуду до уровня напряжения питания. Микросхема DD1 типа К561ИЕ10 представляет собой два четырехразрядных двоичных счетчика. Она включена таким образом, что на выводе 13 частота импульсов в 128 раз меньше, чем на входе (вывод 2), а на выводе 14 - в 256 раз меньше.

Рисунок 5 форма сигналов на выходе

Тон и частота гудков зависят от типа и экземпляра примененного светодиода.

Каскад на биполярном транзисторе VT2 построен по схеме эмиттерного повторителя таким образом, что нединамическую головку поступает четырехуровневый сигнал, осциллограмма которого показана на рис. 5. Изменяя в небольших пределах резисторы R3 и R4, удается изменить характер звучания динамической головки ВА1. Частоту гудков можно повысить, подключив резисторы R3 и R4 к другим выходам счетчика DD1.2.

На месте HL1 автор применил мигающий светодиод типа L816BYD производства фирмы Kingbright желтого цвета свечения с яркостью до 40 мКд и диаметром корпуса 10 мм. Его можно заменить любым светодиодом из серий L816B...L796B... (8 мм), L56B... (5 мм) или, например, красным матовым суперярким L796BSRD/B. Подойдут мигающие светодиоды и других фирм-изготовителей, но только без встроенного высокоомного токоограничительного резистора. Микросхему можно заменить на CD4520AE, а с изменением схемы включения - на К561ИЕ16, К561ИЕ20. Биполярные n-р-n транзисторы - любые из серий КТ315, КТ3102, КТ645, КТ6111, SS9013, 2SC2001. Полевой - КП501А, КП501В, КР1014КТ1А, К1014КТ1А. Оксидные конденсаторы - К50-35 или их импортные аналоги. Неполярные - К10-17. Резисторы - С1-4, МЛТ, С2-23, С2-33.

Метод электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) в настоящее время является широко известным и мощным методом изучения физических свойств твердых и жидких материалов. В настоящее время этот метод используется не только в научных исследованиях в области физики и химии твердых и жидких тел, но и как инструмент контроля состояния конструкционных материалов в процессе их эксплуатации. Например, в энергетике с его помощью проводятся исследования проб изоляционных материалов на предмет выявления дефектов, приводящих к снижению электрической прочности, или проб машинного масла на присутствие частиц металлов, свидетельствующих о повреждении трущихся деталей. В фармакологии с помощью метода ЭПР можно осуществлять контроль производства биосинтеза антибиотиков, а в медицине - мониторинг выращивания восстановленных клеток при лечении почки. Исследовательским инструментом метода ЭПР является спектрометр ЭПР. Оказывается, что в некоторых случаях возможности метода ЭПР могут быть реализованы лишь тогда, когда спектрометр ЭПР является широкодиапазонным. Именно такой спектрометр создается на кафедре промышленной электроники Казанского государственного энергетического университета. Схема создаваемого спектрометра предусматривает автоматическую подстройку частоту клистрона, осуществляемую на частоте 69,4 кГц и усиление сигнала на частоте 100 кГц. Выбор этих частот был продиктован необходимостью исключения взаимных наводок при работе трактов усиления сигналов ЭПР и АПЧ. В указанных двух процессах (АПЧ и усиление сигнала) основным требованием является строгая взаимосвязь между двумя частотами. Для этого необходим двухчастотный генератор, управляемый общим задающим генератором со стабилизированной частотой. В созданном нами двухчастотном генераторе опорных управляющих напряжений колебания нужной частоты получаются путем деления частоты колебаний задающего генератора двумя цифровыми делителями. Схема созданного двухчастотного генератора опорных напряжений представлена на рис. 1. Его базовым узлом является автогенератор Всероссийская конференция «Электронные приборы, системы и технологии» 78 стабильной частоты, построенный на транзисторе VT1 (КТ315В), кварцевом резонаторе Q1 с резонансной частотой 5 МГц, сопротивлениях R1R4 и емкостях С1С3. Колебания автогенератора усиливаются до необходимого уровня в нелинейном усилителе на транзисторе VT2 (КТ315В). Усиленные импульсы подаются на входы формирователей фронтов, собранных на логических элементах «2-ИНЕ» (микросхема DD1, К555ЛА3). В данной схеме для получения импульсов с требуемыми частотами используются два делителя частоты. Первый делитель рассчитан на получение импульсов с частотой 100 кГц. Он имеет коэффициент деления 50 и собран на микросхемах двоичных счетчиков DD2 и DD3. Коэффициент деления второго делителя частоты (счетчики DD4 и DD5, К555ИЕ5) равен 72, поэтому на его выходе наблюдаются импульсы с частотой 69,4 кГц. Рисунок 1. Двухчастотный генератор опорных напряжений.

Рисунок 6 Генератор

На выходах делителей предусмотрены активные резонансные фильтры одинакового типа, но с различными резонансными частотами. Фильтр на транзисторе VT3 (КП303Е) настроен на частоту 100 кГц, а фильтр на VT4 (КП303Е) - на частоту 69,4 кГц. Наличие указанных фильтров позволяет получить на выходах генератора (выводы 3 и 4) почти гармонические колебания. Для питания генератора используются два уровня напряжений: на вывод 1 подается напряжение +15В, а на вывод 2 - +5В. Вывод 5 связан с общей шиной генератора.

2. АНАЛОГИ

Схема простого двухчастотного генератора. Он собран всего на одной КМОП микросхеме и не содержит намоточных узлов. Что делает устройство удобным в изготовлении, настройке и эксплуатации.

Рисунок 7 - Двухчастотный генератор на КМОП микросхеме

Этот генератор дает возможность проверить не только звуковой усилитель, но и тракт усилителя промежуточной частоты (УПЧ) радиоприемника. Генератор позволяет также подстроить контуры ПЧ радиоприемника по максимальному уровню сигнала.

На выходе (Х2) устройства будут радиоимпульсы с частотой 465 кГц, модулированные низкочастотным сигналом - 1 кГц (100% модуляция). При этом если включить SA1, то на выходе появится только низкочастотный сигнал - импульсы с частотой 1 кГц.

Высокочастотный генератор работает на частоте 465 кГц и для получения у него высокой стабильности выполнен с использованием пьезокерамического фильтра (ZQ1) типа ФП1П-022 в цепи отрицательной обратной связи элемента микросхемы DD1.2. Такие фильтры более доступны и дешевле, чем кварцевые резонаторы на соответствующую частоту.

Генератор импульсов звукового диапазона (DD1.1-DD1.3) собран по классической схеме и в пояснениях не нуждается. На элементе DD1.4 две частоты смешиваются и поступают на эмиттерный повторитель, выполненный на транзисторе VT1. Транзистор согласует высокое выходное сопротивление микросхемы с возможным малым сопротивлением в цепи нагрузки.

Генератор обеспечивает работу в широком диапазоне питающих напряжений (4...15 В) и потребляет ток 3,7...26 мА. При этом частота высокочастотного автогенератора меняется во всем диапазоне питающих напряжений не более чем на 400 Гц, что вполне допустимо.

Для того чтобы уровень выходного сигнала автогенератора сильно не зависел от напряжения питания схемы - на выходе стоит ограничительный диод VD1. Выходной сигнал после конденсатора С4 будет иметь максимальную амплитуду около 0,3 В, а при помощи резистора R6 его можно уменьшить до необходимой величины.

Диод VD2 предотвращает ошибочную подачу полярности питающего напряжения на схему.

В схеме можно использовать пьезофильтр (ZQ1) типа ФП1П-022...027. Регулировочный резистор R6 типа СПО-0,5, а остальные резисторы МЛТ и С2-23. Конденсаторы:

С1 - К53-1 на 16 В;

С2...С4-К10-17.

Схема достаточно простая, что легко позволяет выполнить ее монтаж на универсальной макетной плате.

Настройка заключается в установке подбором резистора R2 (при замкнутых контактах SA1) частоты 1 кГц на выходе. После этого по частотомеру проверяем частоту 465 кГц ±0,5 кГц.

Для того чтобы было удобно измерить частоту - модуляцию ВЧ сигнала отключаем, что можно сделать подачей на выводы DD1/12, 13 напряжения питания.

Если из-за разброса параметров логических элементов (внутренней емкости микросхемы) пьезофильтр ZQ1 работает не точно на частоте 465 кГц, то может потребоваться установка дополнительного конденсатора С2 емкостью около 100...470 пФ, а также подбор резистора R3, что позволит сдвинуть рабочую частоту генератора в небольших пределах.

Используя схемы бесконтурных кварцевых генераторов (КГ) можно получить генерацию не только на первой (основной) гармонике кварца, но и на его третьей гармонике. При этом интересно отметить, что в этих схемах на третьей гармонике работают как специально предназначенные для генерации на гармониках кварцы (так называемые гармониковые), так и обычные.

Однако приведенные схемы далеко не исчерпывают схемотехнику бесконтурных обертонных кварцевых генераторов Еще одна схема из семейства таких генераторов на биполярном транзисторе приведена на рисунке 7.

Схема, приведенная на рис 8, при достаточно малой емкости С3 (обычно несколько десятков пикофарад) легко запускается на третьей гармонике кварца. При этом по мере увеличения емкости С3 уровень выходного ВЧ-напряжения КГ постепенно уменьшается (также незначительно уменьшается частота генерируемых колебаний на десятки - сотни герц) При дальнейшем росте С3 происходит переход генератора в область двухчастотных колебаний, а далее - "перескок" генерируемых колебаний на частоту первой гармоники. Амплитуда генерируемых колебаний при этом вновь вырастает.

Рисунок 8 - Генератор на кварцевом резонаторе

При еще большем увеличении С3 происходит постепенное уменьшение амплитуды колебаний, сопровождаемое незначительным уменьшением частоты, и наконец, при достаточно большой емкости С3 (например, несколько нанофарад для кварца на частоту 27 МГц) колебания КГ срываются. Картина происходящих явлений в КГ по мере увеличения емкости С3 приведена на рисунке 8.

Рисунок 9 Зависимость наличия генерации от увеличения частоты

Амплитуда выходного напряжения КГ при генерации на первой гармонике (для "гармониковых" кварцев) оказывается больше, чем при генерации на третьей гармонике (для тех же кварцев). Таким образом, на рис. 9 представлен наиболее общий случай, когда для кварца возможна генерация как на первой, так и на третьей механической гармонике.

Иногда (весьма редко) все же встречаются кварцы, генерирующие только на первой гармонике. В этом случае на рис. 9 остается только один пик (правый), а левый пик и область двухчастотных колебаний исчезают. Для наблюдения "перескоков" частоты КГ при изменении емкости С3 необходимо присоединить к КГ через хорошие буферные каскады (с входным сопротивлением более 10 кОм и входной емкостью не более нескольких пикофарад) ВЧ-осциллограф и частотомер.

В качестве С3 используется КПЕ (12...495 пФ), включаемый в схему КГ либо непосредственно, либо через малые емкости (несколько десятков пикофарад). Подключение КПЕ к плате КГ выполняют толстыми неизолированными проводами минимально возможной длины.

Однако с точки зрения практического использования более удобна схема, представленная на рис. 9. В этом случае требования к буферному каскаду значительно снижаются. Тем не менее, и при работе такой схемы КГ в составе приемника или трансивера буферный каскад (хоты бы простейший) все-таки желателен. Необходимо также осуществить стабилизацию питания приведенных схем КГ. Так, для схемы КГ по рис. 9 при напряжении питания 9...12 В должно выполняться условие:

R1 = R2 = 20*R3;

R3 = 470...2000 Ом (1)

КГ согласно рис. 3 при таком же напряжении питания требует выполнения условий:

R1 = R2 = 20*R4 (при R3 " R4);

R4 = 470.. 2000 Ом, (2)

или

R1 = 20*R4;

R2 = 10*R4 (при R3 ~= R4);

R4 = 470...2000 Ом;

R3 <= 1000 Oм. (3)

Только при выполнении условий (1), (2) или (3) схемы КГ будут вести себя как описано выше.

Выбор номиналов резисторов смещения производится с использованием рекомендаций из [3]. Выходное сопротивление КГ практически равно R3.

Буферные каскады для таких КГ можно использовать такие же, как и в [2]. Однако всегда следует помнить, что буферный каскад может дифференцировать (а в отдельных случаях интегрировать) входной сигнал, что приводит к искажению формы колебаний в случае синусоидальных сигналов.

Приведенные выше схемы КГ могут быть рекомендованы для широкого использования в радиолюбительских конструкциях. Особенно удачной, по мнению автора, является схема на рис. 3, имеющая 50-омный выход по ВЧ (при номиналах R1=R2=10 кОм, R3=51 Ом).

Данные схемы КГ являются по классификации [5] "двухточечными", способными работать как на первой, так и на третьей гармонике кварца. Например, кварц РК-169 в схеме по рис. 3 (R3=51 Ом) генерировал с частотой 27411 кГц при С3=51 пФ, и с частотой 9142,42 кГц при С3=330 пФ, в то время как на корпусе кварца была указана частота 27,41 МГц.

3. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА

Рисунок 10 СТРУКТУРНАЯ СХЕМА

4. ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА

Рисунок 11 Принципиальная схема

5. РАЗРАБОТКА ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ

Рисунок 12 Печатная плата

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной курсовой работе был рассмотрен двух частотный генератор сигналов. Главным требованием, предъявляемым к генераторным установкам, является обеспечение электропитанием потребителей во всех режимах и поддержание стабильного уровня напряжения. Генератор является основным активным источником электроэнергии, обеспечивающим питанием всех потребителей.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Прянишников В.А., Электроника, Полный курс лекций. - 4-е изд - СПб.: КОРОНА принт, 2004. - 416 с

2. Данилов И.А., Общая электроника с основами электроники - 6-е изд., стер. - М.: Высш.шк., 2005. - 752 с

3. Фортова В.Е., Высокоэнергетическая электроника, Учебное пособие для вузов, изд., МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. - 688 с

4. Евсеев М.Е., Теоретические основы электроники: Учебное пособие. - СПБ.: Политехника, 2008 - 380 с

5. Иванов И.И., Соловьев Г.И., Электротехника: Учебное пособие. - 6-е изд., стер-СПб: Издательство «Лань», 2009 - 496с

6. Каплан, Д. Практические основы аналоговых и цифровых схем / Д. Каплан, К Уайт: пер. с англ. - 6-е изд. - М.: Техносфера, 2006. - 176 с.

7. Довгун, В. П. Электротехника и электроника: учеб. Пособие: в 2-х ч. Ч. 2 / В. П. Довгун. - Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2006. - 252 с.

8. С.Н. Гринфельд Физические основы электроники: уч. Пособие 2 / В. П. Довгун. -2-е изд., М.: Высш. шк., 2007. - 298 с.

9. 96kw [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://96kw.blogspot.com/2015/08/blog-post.html

10 Tehnari [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://www.tehnari.ru/f117/t253534/

11/ Diagram [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.diagram.com.ua/list/beginner/beginner68.shtml

12. Studfiles [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://studfiles.net/preview/6017604/page:5/

13. Lib [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://lib.knigi-x.ru/23raznoe/108228-1-dvuhchastotnie-generatori-signalov-dlya-ispitaniy-ustroystv-visokim-dinamicheskim-diapa.php

14. Patents [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://patents.su/2-1327262-dvukhchastotnyjj-generator.html

15. Сhipinfo [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.chipinfo.ru/literature/radio/200402/p58.html

Размещено на Allbest.ru