Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
МОДЕЛЮВАННЯ ТА ДОСЛІДЖЕННЯ ЧАСОВИХ ДІАГРАМ ГЕНЕРАТОРІВ
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Інститут комп’ютерних технологій, автоматики та метрології
Факультет:
Інформаційна безпека
Кафедра:
Кафедра захисту інформації
Інформація про роботу
Рік:
2008
Тип роботи:
Методичні вказівки до лабораторної роботи
Предмет:
Методи та засоби технічного захисту інформаціЇ
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ «ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА»
МОДЕЛЮВАННЯ ТА ДОСЛІДЖЕННЯ ЧАСОВИХ ДІАГРАМ ГЕНЕРАТОРІВ
Інструкція до лабораторної роботи № 8
з навчальної дисципліни: “Електроніка та мікросхемотехніка”
для студентів базового напряму 6.0914
«Інформаційна безпека», «Безпека інформаційних і комунікаційних систем», «Системи технічного захисту інформації», «Управління інформаційною безпекою»
Затверджено
на засіданні кафедри
Захист інформації
Протокол № від 2008 р.
Львів – 2008
Моделювання та дослідження часових діаграм генераторів: Інструкція до лабораторної роботи №8 з дисципліни: “Електроніка та мікросхемотехніка” / Укл.: Кеньо Г.В., Собчук І.С. , Львів: Видавництво Національного університету “Львівська політехніка”, 2008. с.
Укладач Кеньо Г.В., к. т. н., доц., Собчук І.С., к.ф.-м.н., доц.
Відповідальний за випуск Дудикевич В.Б., д.т. н., проф.
Рецензенти:
МЕТА РОБОТИ
Ознайомитися з основними параметрами і характеристиками генераторів сигналів: LC – генератора, RC – генератора та мультивібратора і практично перевірити їх властивості. Отримати часові діаграми стабілізаторів напруги.
ТЕОРЕТИЧНИЙ ВСТУП
Електронні генератори – це пристрої, призначені для перетворення енергії джерела постійного струму в енергію незатухальних коливань необхідної форми, частоти та потужності.
За принципом роботи розрізняють генератори із самозбудженням (автогенератори) і генератори із зовнішнім збудженням, які по суті є підсилювачами потужності високої частоти. Електронні автогенератори поділяються на автогенератори синусоїдальних (гармонічних) коливань і автогенератори коливань несинусоїдальної форми, які називаються релаксаційними (імпульсними) автогенераторами.
Генератори гармонічних коливань мають активний елемент, який охоплений додатним частотно-вибірковим зворотним зв’язком. Як активні елементи використовуються транзистори, операційні підсилювачі, діоди з ділянкою з від’ємним диференціальним опором. Як частотно-вибіркові кола (чотириполюсники) (ЧВЧ) використовують резонансні LC-контури, кварцові резонатори, RC- і RL-кола. За типом частотно-вибіркових ланок генератори розділяються на LC-, RC-, RL-генератори.
З конструктивних міркувань на високих частотах в основному застосовують LC–генератори. На низьких частотах – RC–генератори за напруг живлення 4 В і вище. На низьких та інфранизьких частотах за напруг живлення 1 В ефективніші RL- і RLM–генератори.
Як уже згадувалось, генератори гармонічних коливань зазвичай мають підсилювальний каскад, охоплений додатним частотно-вибірковим зворотним зв’язком, який забезпечує стійкий режим самозбудження на заданій частоті. На рис.1 зображена структурна схема генератора синусоїдальних коливань, де EMBED Equation.3 і EMBED Equation.3 позначені у вигляді комплексних величин, у чому враховується їх залежність від частоти. Надалі це матиметься на увазі, але запис для цих параметрів буде здійснюватись у звичайному вигляді.
Для роботи електронного пристрою в режимі автогенерації необхідне виконання двох умов. Ці умови можна записати в такому вигляді:
EMBED Equation.3 , (1)
EMBED Equation.3 , (2) де K, – фазові зсуви, що вносяться підсилювачем і колом зворотного зв’язку відповідно; n – ціле число.
EMBED Visio.Drawing.11
Рис.1. Структурна схема генератора синусоїдальних коливань
Для виникнення генерації необхідно, щоб сигнал, що поступає на вхід по колу зворотного зв’язку, був більшим від початкового сигналу на вході пристрою, тобто EMBED Equation.3 . Ця умова дозволяє первинним змінам струмів та напруг (які з’явились при під’єднанні пристрою до джерела живлення) здійснити необхідне наростання. Умова EMBED Equation.3 визначає усталений режим генерації, в якому сигнали на виході та на вході генератора дорівнюють своїм усталеним значенням, тобто коефіцієнт підсилення компенсується коефіцієнтом передачі зворотного зв’язку.
Широке розповсюдження на практиці отримали так звані триточкові схеми з автотрансформаторним і ємнісним зв’язком (рис.2).
Режим за постійним струмом і його термостабілізація здійснюється в таких схемах за рахунок елементів, аналогічних елементам, які використовувались у підсилювальних каскадах(наприклад у схемі зі спільним емітером). Реактивний опір конденсатора зворотного зв’язку С на частоті генерації малий.
В індуктивній триточковій схемі (рис.2,а), відомій в літературі під назвою схеми Хартлея, секціонована індуктивна гілка коливального контуру, спільна точка якої через нульовий опір джерела живлення для змінної складової струму приєднана до емітера. Зворотний зв’язок між індуктивностями L1 і L2 здійснюється з врахуванням взаємоіндуктивності М.
EMBED Visio.Drawing.11
Рис.2. LC-автогенератори з індуктивною триточкою ( а); ємнісною триточкою (б)
Оскільки знаки миттєвих напруг на L1 і L2 відносно середньої точки протилежні (зсув за фазою 180), а підсилювальний каскад перевертає фазу також на 180, то зворотний зв’язок буде додатним і умова балансу фаз виконується.
Ємнісна триточка (схема Колпітца) (рис.2,б) містить в ємнісній гілці коливального контуру два конденсатори С1 і С2. Напруга зворотного зв’язку з останнього надходить у вхідне коло підсилювальної ланки. При увімкненні конденсаторів полярності миттєвих напруг на їхній обкладках відносно спільної точки протилежні. Підсилювальний каскад також зсуває фазу на 180. Це обумовлює додатний зворотній зв’язок і виконання умови балансу фаз.
Застосування генераторів з коливальними контурами для генерування коливань із частотами меншими, ніж 15–20 кГц є утрудненим і незручним із-за великих габаритів контурів. Для цієї мети використовуються генератори типу RC, у яких замість коливального контуру використовуються вибіркові RC–фільтри. Генератори RC–типу можуть генерувати достатньо стабільні синусоїдальні коливання в порівняно широкому діапазоні частот – від часток герца до сотень кГц, і мають малі габарити і масу.
Генератори RC-типу складаються із частотно-вибіркового чотириполюсника (ЧВЧ) на R і C-елементах і, у залежності від зсуву фази на квазірезонансній частоті, який він створює, інвертувального або неінвертувального підсилювача.
Для самозбудження підсилювача, тобто для перетворення первинно виниклих коливань у незатухальні, необхідно на вхід підсилювача подавати частину вихідної напруги, що перевищує вхідну напругу або дорівнює їй за величиною, і таку, що співпадає з нею за фазою, тобто охопити підсилювач додатним зворотним зв’язком достатньої глибини. При безпосередньому з’єднанні виходу підсилювача з його входом відбувається самозбудження, однак форма генерованих коливань буде різко відрізнятись від синусоїдальної, оскільки умова самозбудження буде одночасно виконуватись для коливань багатьох частот. Для отримання синусоїдальних коливань необхідно, щоб умови балансу фаз і амплітуд виконувались тільки на певній частоті і різко порушувались на всіх інших частотах.
Частотно-вибіркові RC-чотириполюсники зі зсувом фази на 180 є ланцюжковими колами, які складаються з послідовно увімкнених Г-видних ланок з резисторами R в одних однойменних плечах ланок і конденсаторами C – в інших (рис.3). Зміна фази залежить від кількості ланок n і дорівнює:
EMBED Equation.3 . (3)
Із-за того, що одна ланка RC змінює фазу на кут <90, мінімальна кількість ланок фазообертального кола n=3. У практичних схемах генераторів зазвичай використовують триланкові (чотириланкові) фазообертальні кола, оскільки подальше збільшення кількості ланок не дає суттєвих переваг.
Існують два варіанти таких кіл, які отримали назву відповідно R–паралель (рис.3,а,б) та C–паралель (рис.3,в,г).
EMBED Visio.Drawing.11
Рис.3. Ланцюжкові триланкові частотно-вибіркові RC-чотириполюсники зі зсувом фази на 180: R–паралель, фазуюча напругу (а) і струм (б); С–паралель, фазуюча напругу (в) і струм (г)
Мультивібратори – це релаксаційні автогенератори напруги прямокутної форми (релаксаційний – такий, що різко відрізняється від гармонійного – синусоїдного; автогенератор – пристрій, що генерує незатухаючі коливання без запуску ззовні і не має стійких станів).
Найчастіше мультивібратори працюють у автоколивальному режимі, коли мультивібратор має два нестійких (квазісталих) стани рівноваги і переходить з одного стану в інший самочинно під впливом внутрішніх перехідних процесів. У такому режимі мультивібратор використовується як генератор прямокутної напруги.
В режимі очікування мультивібратор має один сталий і один квазісталий стани рівноваги. Зазвичай він знаходиться у сталому стані і переходить до квазісталого під дією зовнішнього електричного сигналу. Час перебування у квазісталому стані визначається внутрішніми процесами в схемі мультивібратора. Такі мультивібратори використовуються для формування імпульсів напруги необхідної тривалості, а також для затримки імпульсів на визначений час.
У режимі синхронізації використовується мультивібратор, що працює в автоколивальному режимі, але його перехід із одного стану в інший забезпечується зовнішньою синхронізуючою напругою. Для його нормальної роботи у цьому режимі необхідно, щоб частота синхронізуючого сигналу перевищувала частоту власних коливань. В результаті частота коливань мультивібратора практично не залежить від дестабілізуючих факторів. Використовуються такі мультивібратори для створення генераторів стабільної частоти і при керуванні складними електронними пристроями, робота яких синхронізована якоюсь зовнішньою дією.
Мультивібратори можуть бути виконані на транзисторах, операційних підсилювачах і цифрових елементах.
EMBED Word.Picture.6 Рис. 4. – Мультивібратор з колекторно-базовими зв`язками
Симетричний мультивібратор являє собою релаксаційний автогенератор напруги прямокутної форми, що генерує незатухаючі коливання без запуску ззовні.
На рис. 4 зображена схема мультивібратора на біполяр-них транзисторах, який виконано за симетричною схемою з колекторно-базовими зв’язка-ми.
Мультивібратор складається з двох каскадів підсилення з СЕ (наприклад, VТ1, RК1, RБ1).
Для забезпечення позитивного зворотного зв’язку, що за його рахунок мультивібратор самозбуджується, вихідна напруга кожного з каскадів подається на вхід іншого.
Симетричність означає ідентичність параметрів симетрично розташованих елементів схеми.
Мультивібратор має два тимчасово сталих (квазісталих) стани, коли один із транзисторів закритий, а другий відкритий. Транзистори працюють у ключовому режимі.
Уявимо, що початковий стан мультивібратора такий: транзистор VТ1 знаходиться у режимі насичення (відкритий), а VТ2 – у режимі відтинання (закритий). При цьому і надалі:
1) через VT1 і RК1 від ЕК протікає колекторний струм насичення ІК1;
2) через RБ1 і база-емітерний перехід VT1 протікає струм бази ІБ1, що утримує цей транзистор у режимі насичення;
3) конденсатор СБ1 швидко заряджається струмом І1зар від ЕК через RК2 і база-емітерний перехід VT1;
4) конденсатор СБ2, заряджений із вказаною на схемі полярністю до напруги ЕК (у попередньому такті роботи), через відкритий транзистор VT1 підімкнений до нульової точки, з-за чого через нього протікає струм І2розр від ЕК через RБ1; цей струм намагається перезарядити СБ2 від напруги мінус ЕК до напруги +ЕК, а негативна напруга з СБ2 подається на базу транзистора VТ2 відносно його емітера і утримує транзистор у закритому стані;
5) процес перезаряду конденсатора СБ2 триває доти, доки напруга на ньому не перетне нульового рівня і не стане вищою за граничну напругу база-емітерного переходу транзистора VT2 (UБЕнас ≈ 0,6 В), після чого потече базовий струм VT2 і він почне відкриватися;
6) через VТ2, що перейшов у активний режим, конденсатор СБ1 обкладкою «+» підмикається до нульової точки, і негативна напруга з СБ2 подається на базу VT1 відносно його емітера, закриваючи транзистор;
7) як тільки VT1 починає закриватися, збільшується позитивна напруга на його колекторі і починає заряджатися СБ2 від ЕК через RК1 і база-емітерний перехід VT2, за рахунок чого останній відкривається ще більше – діє позитивний зворотний зв’язок. У результаті цього розвивається лавиноподібний регенеративний процес, після закінчення якого VT1 повністю закривається, а VT2 відкривається і мультивібратор переходить до свого другого квазісталого стану.
Далі процеси протікають аналогічно, тільки тепер заряджається СБ2, а перезаряджається СБ1.
Таким чином, робота схеми забезпечується за рахунок автоматичної комутації конденсаторів ключами-транзисторами.
ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ
Синтезувати генератори сигналів рис.5, за допомогою системи схемотехнічного моделювання Micro-Cap8(MC8).
Провести аналіз перехідних процесів: отримати часові характеристики на вході каскаду V(1) і на виході V(2) для схеми 5а. Зробити висновок про форму та фазу отриманих сигналів.
Провести аналіз перехідних процесів: отримати часові характеристики у точках V(1), V(2), V(3), V(4) та V(6) для схеми 5б. Зробити висновок про форму та фазу отриманих сигналів.
Провести аналіз перехідних процесів: отримати часові характеристики у точках V(2), V(3), V(4), V(5) для схеми 5в. Зробити висновок про форму та фазу отриманих сигналів.
Для всіх схем 5 а), б), в) визначити частоту генерування.
а)
б)
в)
Рис.5. Генератори сигналів: а)LC - генератор, б)RC - генератор , в)мультивібратор.
МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ
В схемах генераторів використані транзистори: Q1-2N3020 у схемі 5 а), Q1-2N3903 у схемі 5 б), Q1, Q2 -BC107A у схемі 5 в), а також джерела живлення V1-9В у схемі 5 а), в) і V1-12В у схемі 5 б).
Проведемо аналіз часових залежностей вхідних та вихідних та інших характеристик, для цього виберемо з меню команд Анализ/Переходные процессы. Задамо параметри аналізу для кожної схеми генератора: див. рис.6. для схеми 5 а), див. рис.7. для схеми 5 б), див. рис.8. для схеми 5 в), . Мінімальні та максимальні значення величин по осях X таY(XRange та YRange) при першому запуску рекомендується встановити Auto, оскільки нам невідомо верхня межа значень у заданих вузлах, або згідно рекомендованого прикладу див.рис.7.
Рис.6. Вікно аналізу перехідних процесів у схемі5 а) .
Рис.7. Вікно аналізу перехідних процесів у схемі5 б) .
Рис.8. Вікно аналізу перехідних процесів у схемі5 в) .
Після натискання кнопки Запуск ми отримаємо на екрані віртуальні залежності напруги від часу в заданих вузлах схеми.
ЗМІСТ ЗВІТУ
Звіт про пророблену роботу повинен містити:
Точну назву і мету роботи.
Схеми генераторів з короткою характеристикою елементів, які входять в них.
Графіки часових залежностей для кожної схеми.
Короткі висновки: про форму та фазу вихідних сигналів, та частоту генерації.
Контрольні запитання та завдання
Назвіть схеми генераторів, що досліджуються у даній роботі.
Вкажіть різницю у способі генерації для приведених схем.
Наведіть схему LC – генератора і поясніть принцип його дії.
Наведіть схему RC – генератора і поясніть принцип його дії.
Наведіть схему і поясніть принцип дії мультивібратора.
РЕКОМЕНДОВАНА ЛІТЕРАТУРА
Разевиг В.Г. Система схемотехнического моделирования Micro-Cap 6.- М.: Горячая линия – Телеком, 2001. – 344 с., ил.
Кардашов Г.А. Виртуальная електроника. Компьютерное моделирование аналогових устройств.- М.: Горячая линия – Телеком, 2006. – 260 с., ил.
Бойко В.И. и др.. Схемотехника электронных систем. Аналоговые ы импульсные устройства.- СПб.: БХВ-Петербург, 2004.-496 с., ил.
Колонтаєвський Ю.П., Сосков А.Г. Електроніка і мікросхемотехніка: Підручник / За ред. А.Г. Соскова - К.: Каравела, 2006. - 384 с.
Колонтаєвський Ю.П., Сосков А.Г. Промислова електроніка та мікросхемотехніка: теорія і практикум: Навч. посіб. / За ред. А.Г. Соскова. 2-е вид. - К.: Каравела, 2004. - 432 с.
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора