Генератор гармонічних коливань

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Міністерство освіти і науки України

Національний університет «Львівська політехніка»

Інститут комп'ютерних технологій, автоматики і метрології

КУРСОВА РОБОТА

з дисципліни «Схемотехніка пристроїв технічного захисту інформації»

на тему:

Генератор гармонічних коливань

Виконав: Бархатов О.О.

студент групи Кб-21з

Прийняла: Кеньо Г.В.

Львів-2022



Зміст

• Технічне завдання
• Вступ
• 1. Аналіз сучасного стану
• 2. Вибір та обгрунтування структурної схеми
• 3. Вибір елементої бази, розроблення принципової електричної схеми

3.1 Проектування каскаду генерації сигналу

3.2 Проектування каскаду підсилювача напруги

3.3 Проектування каскаду підсилювача потужності

Список використаних джерел

Додатки

Електрична принципова схема, графіки осцилограм, спектрів та АЧХ

Перелік елементів електричної принципової схеми



• Технічне завдання
• Спроектувати генератор гармонічних коливань з такими вихідними даними:
• *частота генерованих коливань f₀ = 5 кГц
• *відносна нестабільність частоти дf (%) = 2%
• *напруга на навантаженні U_H (U_вих) = 10 В
• *опір навантаження R_H = 80 Ом
• *коефіцієнт гармонік К_г = 3%

* діапазон зміни температури навколишнього середовища Дtє = +10є -+50єC;

У результаті проведеного розрахунку повинні бути визначені:

*номінальні значення опорів та конденсаторів, які забезпечують генерацію сигналу;

*номінальні значення опорів, які забезпечують режими роботи стабілізатора

амплітуди та підсилювальних каскадів;

*коефіцієнт підсилення каскаду за напругою K_U підсилювальних каскадів;

*номінальні значення ємностей конденсаторів;

*коефіцієнт гармонік K_г.



Вступ

RC-генератори синусоїдальних сигналів були і залишаються одними з найбільш затребуваних пристроїв радіоелектроніки. Схемотехніка таких генераторів не зазнала істотних змін. Зокрема, будь-який такий генератор вимагає для своєї побудови як мінімум двох частотозадаючих конденсаторів.

Загальновідомі дві конфігурації. Перша називається генератор з мостом Віна. У цій схемі використовуються два RC-кола, один з послідовними RC-компонентами і один з паралельними RC-компонентами. Міст Віна часто використовується в генераторах звукових сигналів, так як він може легко налаштовуватися двосекційним змінним конденсатором або двосекційним змінним потенціометром (який для генерації на низьких частотах більш доступний, ніж відповідний змінний конденсатор).

Друга загальновідома конструкція називається генератором з подвійним Т-мостом, так як в ній використовуються два Т-подібні RC-кола, ввімкнені паралельно. Один ланцюг є Т-подібним R-C-R-колом, який діє як фільтр, що пропускає низькі частоти. Другий ланцюг є Т-подібним C-R-C-колом, який діє як фільтр, що пропускає високі частоти. Разом ці ланцюги утворюють міст, який налаштовується на генерацію необхідної частоти.

Існує багато пристроїв, які не вимагають від RC-генераторів виробляти синусоїду. Найбільш часто застосовуються генератори імпульсів прямокутної форми. Мультивібратор є одним з них. Інше схемотехнічне рішення генератора використовується в спеціалізованій інтегральній мікросхемі NE555, що випускається фірмою Philips. У Радянському Союзі ідея такої побудови генератора імпульсної напруги була реалізована в 80-х роках минулого століття у винаходах Могильчака В.Ф. Відмінною особливістю цих генераторів є те, що, на відміну від NE555, вони можуть збиратися на стандартних мікросхемах. Багато несинусоїдальних RC-генераторів вимагають тільки одне RC-коло. Отож проектування генератора гармонічних коливань є актуальне і на сьогодні.

1. Аналіз сучасного стану

Генератори синусоїдального сигналу працюють без подачі на них зовнішнього сигналу. Замість цього застосовується комбінація позитивного або негативного зворотного зв'язку, щоб перевести підсилювач у нестабільний стан, що зумовлює циклічну зміну сигналу на виході від мінімальної до максимальної напруги живлення з постійним періодом. Частота та амплітуда коливань визначається набором активних та пасивних компонентів, підключених до операційного підсилювача.

На низьких та середніх частотах джерелом синусоїдальних коливань з малим рівнем спотворень служить генератор з мостом Віна. Генератори з мостом Віна за досить простої схемотехніки вирізняються високою якістю сигналу, що генерується. Основною проблемою для таких генераторів є стабілізація амплітуди на виході, тому у базову схему потрібно вводити вузол стабілізації рівня цієї напруги.

Оскільки вихідна напруга і потужність генератора Віна можуть бути меншими від заданих технічним завданням, то у схему слід ввести підсилювач потужності, а також джерело живлення.

Структурна схема генератора синусоїдального сигналу подана на рис. 1.

Рис.1. Структурна схема генератора синусоїдального сигналу

Вихідними даними до розрахунку генератора синусоїдальних коливань є:

*частота генерованих коливань f0;

*відносна нестабільність частоти дf (%);

*напруга на навантаженні UH (Uвих);

*опір навантаження RH;

*коефіцієнт гармонік Кг;

У результаті проведеного розрахунку повинні бути визначені:

*номінальні значення опорів та конденсаторів, які забезпечують генерацію сигналу;

*номінальні значення опорів, які забезпечують режими роботи стабілізатора амплітуди та підсилювальних каскадів;

*коефіцієнт підсилення каскаду за напругою KU підсилювальних каскадів;

*номінальні значення ємностей конденсаторів;

*коефіцієнт гармонік Kг.

Послідовність розрахунку електричної принципової схеми підсилювача низької частоти є такою.

1. Вибрати схему джерела синусоїдальних коливань.

2. Вибрати тип операційного підсилювача та розрахувати елементи RC-ланцюга для генерації сигналу заданої частоти. Визначити амплітуду сигналу та коефіцієнт гармонік.

3. Вибрати схему стабілізації напруги. Визначити амплітуду сигналу та коефіцієнт гармонік.

4. Визначити необхідний коефіцієнт підсилення та розрахувати підсилювальні каскади за постійною складовою.

5. Визначити амплітуду сигналу та коефіцієнт гармонік на виході кожного підсилювального каскаду.

Розрахунок починаємо з вибору типу інтегрального операційного підсилювача виходячи з таких умов:

|??^? | _вих > ??_{вих ??} < |??⁺ |_вих

де ??^? вих, ??⁺ вих - максимальна від'ємна і додатна напруги на виході операційного підсилювача.

Максимальна швидкість наростання вихідної напруги операційного підсилювача повинна задовольняти таку вимогу:

???????? ? 2?? • ??0 • ??вих ??

Вибираємо інтегральний операційний підсилювач з одержаних умов і використовуємо такі його електричні параметри:

1. Швидкість наростання вихідної напруги V_max, В/мкс.

2. Коефіцієнт підсилення K_U0.

3. Мінімальний опір навантаження R_{Н min}.

4. Максимальна вихідна напруга ??^±_вих., В.

5. Температурний дрейф напруги зміщення ДU_зм/ДT, мкВ/оС.

6. Напруга живлення ??^±_ж, В.

Вибираємо схему побудови гене ратора Віна (рис. 2).

Рис. 2. Джерело синусоїдальних коливань на основі генератора Віна

Для симетричного моста Віна R1 + R2 = R3 + R4 = R, C1 = C2 = C, тому частота квазірезонансу буде дорівнювати:

(1)

Визначаємо мінімальне значення опору одного плеча моста Віна. Цей опір не повинен перевантажувати вихідне коло підсилювального каскаду операційного підсилювача, тобто повинна виконуватися умова

???????? ? ????

Вибираємо номінальні значення резисторів R1 = R3= R_min з допуском 2%.

Знаходимо значення ємностей конденсаторів С1 = С2 = С для частоти f₀:

??1 = ??2 = ?? ?1.(2)

2??•??0 •????????

Вибираємо конденсатор у межах 100 пФ до 1 мкф з допуском 2%. Перераховуємо значення резисторів R.

?? = 1 . (3)

2??•??0 •??

Вибираємо номінальні значення опорів R1 = R3 = R-R_min з допуском 2%.

Перерахувати частоту квазірезонансу, підібрати номінали конденсаторів та резисторів, щоб досягти значення частоти якомога ближчим до заданого в технічному завданні.

Мінімальний коефіцієнт підсилення, за якого виконується умова балансу амплітуд, також повинен дорівнювати 3. Для цього потрібно разом з додатним зворотним зв'язком ввести у підсилювач від'ємний зворотний зв'язок, який, понижуючи коефіцієнт підсилення, істотно зменшує можливі нелінійні спотворення генерованих коливань. Для забезпечення необхідного коефіцієнта підсилення K_{U неінв} вибираємо резистори R6 достатньо високого номіналу, щоб не перевантажувати ОП та R5?2 R₆

Коефіцієнт гармонік розраховується зі спектральних характеристик:

де U_nm - амплітудні значення п-ї гармоніки вихідної напруги.

При меншому підсиленні коливання згасають, при більшому - вихідний сигнал досягатиме насичення. Спотворення буде малим, поки амплітуда коливань не виходить за межі лінійної ділянки характеристики підсилювача, тобто не слід допускати коливань повного розмаху. Якщо не прийняти заходів для стабілізації амплітуди вихідної напруги генератора, то ця напруга буде зростати до насичення і форма напруги стає близькою до прямокутної з амплітудою, яка дорівнює ??^± . Щоб мінімізувати спотворення і знизити вихідну напругу до прийнятного рівня, необхідно використовувати схему стабілізації амплітуд. Температурна нестабільність частоти генератора в основному визначається відносною нестабільністю резисторів і конденсаторів моста Віна. Тому для побудови високостабільного генератора слід вибирати елементи моста з мінімальним значенням температурних коефіцієнтів опору д_R і ємності д_C.

Абсолютне значення нестабільності частоти

Відносне значення нестабільності частоти

Рис. 4. Генератор з АРП на основі моста Віна

генератор опір конденсатор підсилювальний каскад

АРП використовується для стабілізації амплітуди вихідного синусоїдального сигналу до оптимальної величини.

Польовий транзистор VT1 використовується як регулюючий елемент АРП, що забезпечує керування через широкий діапазон опору стік-витік, який залежить від напруги на затворі. Напруга на затворі транзистора дорівнює нулю, коли подається напруга живлення, і відповідно опір стік-витік буде низьким. При цьому опори R7+R_СВ з'єднуються паралельно з R6, що підвищує коефіцієнт підсилення до K_Uнеінв>3 і схема починає генерувати коливання, амплітуда яких поступово збільшується. Зі зростанням вихідної напруги негативна півхвиля сигналу відкриває діод і конденсатор C3 починає заряджатися, що забезпечує постійну напругу затвора транзистора VT1. Резистор R8 обмежує струм через діод і встановлює постійну часу заряду конденсатора C3 (яка повинна бути набагато більшою за період частоти f₀). Коли коефіцієнт підсилення досягне трьох, вихідний сигнал стабілізується. Спотворення АРП становлять менше 0,2%.

ПТ з n-каналом вибирається з напругою відсікання U_T0>-2,5 B. Чим вищою є ця напруга, тим більшою буде амплітуда сигналу на виході. Резистор R7, який підключається до JFET, використовуються для лінеаризації його опору у режимі малого сигналу і вибирається з умови R7>(5…8)>R6. Конденсатор C3 вибирається 1 мкФ, а резистор R8 - 100 кОм ±1 МОм для забезпечення необхідної сталої часу.

Вхідні каскади підсилювача низької частоти можуть бути виконані з застосуванням інтегральних операційних підсилювачів, що дозволяє спростити схему. Підсилювач низької частоти може бути повністю виконаний на операційних підсилювачах. якщо виконуються дві умови:

???? > ????ОП, (4)

де R_НОП - допустиме навантаження операційного підсилювача, та

???? < ????ОП, (5)

де U_НОП - допустима напруга вихідного сигналу операційного підсилювача (рис. 5).

Рис. 5. Підсилювачі низької частоти з використанням операційного підсилювача з послідовним ВЗЗ за напругою та паралельним ВЗЗ за напругою

Якщо за технічним завданням ???? < ????ОП операційного підсилювача, то у генераторі необхідно використати вихідний додатковий підсилювач потужності. Схему типового підсилювача потужності подано на рис. 6.

Рис. 6. Принципова схема вихідного каскаду двотактного емітерного повторювача на транзисторах різного типу провідності

Визначаємо амплітудне значення струму в навантаженні, яке повинен забезпечити комплементарний повторювач:

Необхідне підсилення за струмом вихідного каскаду:

Вибираємо комплементарну пару вихідних транзисторів, у яких допустимий струм колектора І_{K доп} > І_{H т} і в > в_Н.

Напругу живлення підсилювача потужності вибираємо стандартну для операційних підсилювачів.

Визначаємо величини резисторів зміщення:

Для вибору початкового режиму роботи транзисторів вихідного каскаду використовуємо діоди VД1 і VД2 типу КД503А (1N5720, 1N5802).

,Для стабілізації струму спокою в емітерні кола транзисторів вмикають резистори R1Е та R2Е, опори яких повинні бути значно меншими від опору навантаження.

Коефіцієнт підсилення підсилювача потужності:

Тому потрібно збільшити значення опору R4 (рис. 5) для досягнення необхідного значення вихідної напруги.

Коефіцієнт гармонік розраховується зі спектральних характеристик

Де Unm - амплітудні значення n-ї гармоніки вихідної напруги



2. Вибір та обґрунтування структурної схеми

Рис. 1. Структурна схема генератора синусоїдального сигналу

Так як, нам потрібна частота 5 кГц (середній рівень частот), я обрав генератор з мостом Віна.Для стабілізації я обрав схему з автоматичним регулюванням підсилення (АРП). АРП використовується для стабілізації амплітуди вихідного синусоїдального сигналу до оптимальної величини.

Підсилювач реалізований на операційному підсилювачі, так як виконується умова:

Підсилювач потужності реалізований за принциповою схемою вихідного каскаду двотактного емітерного повторювача на транзисторах різного типу провідності.



3. Вибір елементної бази, розроблення принципової електричної схеми

3.1 Проектування каскаду генерації сигналу

При проектуванні генератора на основі моста Віна будемо орієнтуватись на використання операційного підсилювача широкого вжитку типу К140УД6 (LF400C). Його основні параметри: E_ж = +-15В; R_H = 1 кОм; I_сп = 3 мА; с = 2.0В/мкс; К₀ = 50000; F_T = 1 мГц; U_H = 12 В;

Рис. 1. Амплітудо-частотна характеристика мікросхеми LF400C

Рис. 2. Генератор з АРП на основі моста Віна

Де R1=R3; C1=C2

F₀ = 5 кГц

Вибираємо номінальні значення R = R1 = R3 = 1 кОм;

Обраховуємо C = C1 = C2 = 31.6 нФ;

Далі проектуємо каскад стабілізації:

VT1 - КП303А (2N5457)

R5 = 20 кОм

R6 = 10 кОм

R7 = 51 кОм

R8 = 100 кОм

C3 = 10 нФ

D1 - діод моделі ZSS1510_ZX

3.2 Проектування каскаду підсилювача напруги

Рис.3. Підсилювачі низької частоти з використанням операційного підсилювача з послідовним ВЗЗ за напругою та паралельним ВЗЗ за напругою

Його складники: Операційний підсилювач моделі К140УД8 (UA741C)

Рис. 4. Амплітудо-частотна характеристика мікросхеми UA741C

R9 = 10 кОм

R10 = 20 кОм

R11 = 20 кОм

R12 = 10 кОм

C4 = 10 мкФ

3.3 Проектування каскаду підсилювача потужності

Рис. 5. Принципова схема вихідного каскаду двотактного емітерного повторювача на транзисторах різного типу провідності

Вибираємо комплементарну пару вихідних транзисторів, у яких допустимий струм колектора I_Kдоп > 0.125 (за вхідн. даними).

Q1 моделі US6X7

Q2 моделі FJMA790

Рис. 6. ВАХ транзистора US6X7

Рис. 7. ВАХ транзистора FJMA790

D2, D2 моделі КД503А (1N8502)

Два джерела живлення Ek1, V3 = 15 В

R13 = R14 = 2 кОм

R15 = R16 = 1.2 Ом

Та R_H = 80 Ом;

Схема повністю виконує технічне завдання. F₀ = 5 кГц

К_г = 2.4 %U_вих = 9.8 В



Список використаних джерел

1. Guillermo Gonzalez. Foundations of Oscillator Circuit Design. - Boston, London.: Artech House, 2007. 438 p.

2. James M. Fiore. Operational Amplifiers and Linear Integrated Circuits - Theory and Application.[Електронний ресурс]. Режим доступу: Operational Amplifiers and Linear Integrated Circuits - Theory and Application (Fiore) - Engineering LibreTexts

3. Колонтаєвський Ю.П. Промислова електроніка та мікросхемотехніка: теорія і практикум: навч. посіб. / Ю.П. Колонтаєвський, А.Г. Сосков; за ред. А.Г. Соскова. - 2-ге вид. - К.: Каравела, 2004. - 432 с.

4. Фолкенберри Л. Применения операционных усилителей и линейных ИС: пер. с англ. / Л. Фолкенберри. - М.: Мир, 1985. - 572 с.

5. Схемотехніка електронних систем: підручник: у 3 кн. Кн 1. Аналогова схемотехніка та імпульсні пристрої / В.І. Бойко, А.М. Гуржій, В.Я. Жуйков та ін. - К.: Вища школа, 2004. - 366 с.

6. Гершунский Б.С. Справочник по расчету электронных схем. - Киев: Вища школа, 1983.



Додаток 1

Електрична принципова схема, графіки осцилограм, спектрів та АЧХ

Генератор гармонічних коливань (Схема електрична принципова)

Осцилограма вихідного сигналу) U_max = 9,8 В

Генератор гармонічних коливань. Спектральна характеристика вихідного сигналу) К_г = 2,4 %



Додаток 2

Перелік елементів електричної принципової схеми

Позиційне позначення	Найменування	К-сть	Примітка
	Конденсатори
C1,C2	K10-10-50B-31,6 нФ 2% - ТУ	2
С3	K10 -10-110B-10 нФ 2% - ТУ	1
C4	K10 -10-50B-10 мкФ 2% - ТУ	1
	Резистори
R1, R3	P1-16-0.062 - 1 кОм 2%	2
R5, R10, R11	P1-16-0.062 - 20 кОм 5%	3
R6, R9, R12	P1-16-0.062 - 10 кОм 2%	3
R7	P1-16-0.062 - 51 кОм 5%	1
R8	P1-16-0.062 - 1 кОм 2%	1
R13, R14	P1-16-0.062 - 2 кОм 5%	2
R15, R16	P1-16-0.062 - 1.2 Ом 10%	2
R(H)	P1-16-0.062 - 80 Ом 0.5%	1
V1, V2, V3, VE1, VC1, Ek1	Джерело живлення E = 15 B	6
	Мікросхеми
X1	Мікросхема LF400C	1
X2	Мікросхема UA741C	1
	Напівпровідникові елементи
J1	Транзистор 2N5457	1
Q1	Транзистор US6X7	1
Q2	Транзистор FJMA790	1
D1	Діод ZSS1510_ZX	1
D2, D3	Діод 1N5802	2

Размещено на allbest.ru

...