Генератор гармонічних коливань. Курсовий проект з Електроніка та мікросхемотехніка. Робота № 525331

Перехід до торгівельного партнера Binance

Генератор гармонічних коливань

Інформація про навчальний заклад

ВУЗ:

Національний університет Львівська політехніка

Інститут:

Інститут комп’ютерних технологій, автоматики та метрології

Факультет:

Не вказано

Кафедра:

Кафедра КСА

Інформація про роботу

Рік:

2011

Тип роботи:

Курсовий проект

Предмет:

Електроніка та мікросхемотехніка

Завантажити

Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):

Міністерство освіти і науки України Національний університет "Львівська політехніка" Інститут комп’ютерних технологій, автоматики та метрології Кафедра КСА КУРСОВИЙ ПРОЕКТ з навчальної дисципліни : „ Електроніка та мікросхемотехніка ” 7 варіант Генератор гармонічних коливань Львів – 2011 Зміст Технічне завдання………………………………………………………..……..3 Вступ……………………………………………………………………….……4 Короткий огляд існуючих технічних рішень……………………………...4 Розрахунок елементів генератора з мостом Віна…..……………………...6 Розрахунок схеми стабілізації амплітуди вихідної напруги..………….…9 Розрахунок схеми регулювання вихідної напруги…………………….….11 Розрахунок температурної нестабільності частоти генератора.………....13 Ескізний розрахунок підсилювача потужності…..……………………….14 Висновок………………………………………………………………….….17 Література……………………………………………………………….…..18 Додатки………………………………………………………………………….19 Моделювання за допомогою програми Multisim 11………………………….20 Моделювання характеристик генератора. Аналіз Фур’є....………….……….20 Моделювання характеристик генератора при високій частоті………………21 Моделювання характеристик генератора при низькій частоті……...………21 Перелік елементів……………………………………………………………........ Принципова схема генератора…………………………………………………… Технічне завдання Тема №3. Генератор гармонічних коливань № вар. fн (Гц) fв (кГц) δf (%) Uвих (В) Rн (Ом) КГ (%) Двих (дб) Tос (оС) 7. 100 100 3 12 10 0,2 40 +10 ( + 50 Вимоги до виконання курсового проекту При виконанні проекту необхідно дотримуватися вимог, вказаних у методичних вказівках п. 1. За погодженням з викладачем розробка друкованої плати може бути замінена схемотехнічним моделюванням розрахованої схеми за допомогою програм Micro Cap, Electronics Worcbench та інш. за умови співпадіння результатів розрахунку і моделювання. Розрахунок RC(генератора гармонічних коливань Технічне завдання Діапазон частот: нижня частота fн, 100 Гц; верхня частота fв, 100 кГц. δf =3(%) Амплітуда вихідної напруги Uвих.m, 12 В. Опір навантаження Rн, 10 Ом. Коефіцієнт гармонік КГ, 0,2 %. Глибина регулювання 40 дб Температурний діапазон: мінімальна температура Тоc.min,+10оС; максимальна температура, Тоc.max,+50оС. Вступ Короткий огляд існуючих технічних рішень Найчастіше низькочастотні RC(генератори виконуються на базі операційних підсилювачів, охоплених колами додатного і від’ємного зворотного зв’язку з використанням фазоповертаючих RC(ланок. Для забезпечення самозбудження RC(генератора необхідно на вхід підсилювача РП (рис. 1) подавати частину вихідної напруги, яка рівна вхідній і збігається з нею за фазою. Для отримання гармонічних синусоїдальних коливань необхідно, щоб ці умови виконувалися на одній частоті і різко порушувалися на всіх інших частотах. Це завдання вирішується з допомогою фазоповертаючої ланки (ФПЛ), яка складається з декількох RC(ланок, що служать для повороту фази вихідної напруги підсилювача на певний кут. Такими ланками можуть служити диференцюючі або інтегруючі RC−ланки, пасивні смугові RC−фільтри, подвійні Т−подібні фільтри або інтегратори на основі операційних підсилювачів. На рис. 2 приведена схема пасивного смугового. Він складається з послідовного з’єднання фільтрів верхніх і нижніх частот. Модуль коефіцієнта передачі RC−фільтра і фазовий зсув описуються виразами . Частотна і фазова характеристики показані на рис. 3, де − частота резонансу ланки. Добротність такого фільтра невелика і крутизна фазочастотної характеристики поблизу резонансної частоти мала, тому нестабільність частоти генератора на основі такого фільтра велика. Якщо смуговий фільтр доповнити резисторами R1 і 0,5R1 то одержимо схему, яка називається мостом Віна (рис.4). Модуль коефіцієнта передачі моста Віна і фазовий зсув описуються виразами: Частотна і фазова характеристики моста Віна показані на рис. 5. Вихідна напруга моста Віна (рис. 5а) на резонансній частоті дорівнює нулю, тому він не може бути використаним безпосередньо у схемах генераторів. Тому у схемах генераторів дещо розстроюють: величину нижнього опору вибирають рівною R1/(2+ε), де ε − додатне число, яке значно менше від одиниці. У цьому випадку на резонансній частоті коефіцієнт передачі моста дорівнює При ε = 0 на частоті f0 фаза напруги стрибком змінюється на 1800 (рис. 5б). Зміна фази умовно показана штриховою лінією. При ε > 0 фазова характеристика описується виразом На рис. 5б для випадку ε = 0,01 ця залежність показана пунктирною лінією. У дуже малому частотному діапазоні фаза вихідної напруги змінюється в межах від − 900 до + 900, і цей діапазон тим вужчий, чим менше значення ε. При малих значеннях ε нестабільність частоти генератора практично визначається температурною залежністю значень номіналів елементів R і С моста Віна. Порядок розрахунку генератора Розрахунок елементів генератора з мостом Віна На основі аналізу технічного завдання складаємо структурну схему генератора. Для забезпечення синусоїдальної форми вихідної напруги самого генератора Віна, у його склад необхідно ввести вузол стабілізації рівня цієї напруги. Оскільки вихідна напруга і потужність генератора Віна менші від заданих технічним завданням і рівень їх не регулюється, то у схему слід ввести регулятор вихідної напруги, підсилювач потужності і джерело живлення. Рекомендована структурна схема приведена на рис. 6. Розрахунок починаємо з вибору типу інтегрального операційного підсилювача виходячи з таких умов В де - максимальна додатна і від'ємна напруги на виході операційного підсилювача. Максимальна швидкість наростання вихідної напруги операційного підсилювача повинна задовольняти таку вимогу Задаємося значенням ε у межах 0,01 ... 0,02. І вибираємо ε = 0,01 Мінімальне значення коефіцієнта підсилення Вибираємо інтегральний операційний підсилювач КР574УД2 з одержаних умов і використовуємо такі його електричні параметри: Швидкість наростання вихідної напруги Vmax, 10 В/мкс. Коефіцієнт підсилення Кu0 ,25, тис. Мінімальний опір навантаження Rн.min,10 КОм. Максимальна вихідна напруга , 10 В. Температурний дрейф напруги зміщення (Uзм/(T, 30 мкВ/оС. Напруга живлення , 15 В. Спрощений варіант побудови генератора Віна зі стабілізатором амплітуди вихідної напруги приведено на рис. 7. Визначають коефіцієнт перекриття діапазону частот генератора ; Для симетричного моста Віна R1+R2=R3+R4=R, C1=C2=C, тому частота квазірезонансу буде дорівнювати (1) Одночасно повинна виконуватися умова R1=R3, R2=R4. Визначаємо мінімальне значення вхідного опору Zвх min моста Віна. Цей опір не повинен перевантажувати вихідне коло підсилювального каскаду операційного підсилювача, тобто повинна виконуватися умова . Визначаємо мінімальне значення опору одного плеча моста Віна Вибираємо номінальні значення резисторів R2 = R4= Rmin=10(КОм). Якщо коефіцієнт перекриття частоти генератора , то весь діапазон зміни частоти розбивається на два або три піддіапазони з однаковими коефіцієнтами перекриття частоти піддіапазонів Кпд і визначають верхню fвпд=10000Гц÷100КГц і нижню fнпд=100Гц÷1000Гц частоти піддіапазонів fспд=1000Гц÷10000Гц. Змінний резистор (потенціометр), призначений для плавного регулювання частоти, повинен бути здвоєним, щоб забезпечувати одночасну зміну опорів кожного з плеч моста Віна Вибираємо номінальні значення опорів потенціометрів R1=R3=91(КОм). Для забезпечення запасу перекриття частоти значення опорів потенціометрів повинно бути близьким але не меншим від значення Розраховані значення величини опорів резисторів і потенціометрів для кожного піддіапазону залишаються однаковими, і для кожного піддіапазону розраховуються свої ємності С1 і С2, які комутуються за допомогою перемикача піддіапазонів. Знаходимо значення ємностей конденсаторів С1 = С2 = Спд для верхніх частот fвпд кожного з піддіапазонів 1пдд.; 2пдд.; 3пдд.; R1+R2=R3+R4=R=10(кОм)+91(кОм)=101(кОм), 1пдд. 2пдд. 3пдд. Рис. 7. Варіант побудови генератора на мості Віна Розрахунок схеми стабілізації амплітуди вихідної напруги Якщо не прийняти мір для стабілізації амплітуди вихідної напруги генератора, то ця напруга зростає аж до обмеження і форма напруги стає близькою до прямокутної з амплітудою, яка дорівнює . Тому генератор охоплюють колом інерційного нелінійного зворотного зв’язку, яке складається зі з’єднаного з виходом генератора дільника напруги R5R6 і опору каналу польового транзистора VT1. Одночасно ці елементи утворюють плече моста Віна. Опір такого дільника між інвертуючим входом операційного підсилювача DA1 і спільною шиною в момент включення є невеликим, що забезпечує умову надійного самозбудження генератора. Протягом певного часу опір каналу польового транзистора VT1 зрпостає, глибина зворотного зв’язку збільшується і коефіцієнт підсилення операційного підсилювача зменшується до значення і амплітуда вихідної поступово зменшується до заданого рівня, який визначається параметрами кола зворотного зв’язку. Якщо напруга стає меншою від цього рівня, глибина зв’язку зменшується, тому вихідна напруга стабілізується на заданому рівні і її форма стає синусоїдною. У простішому випадку в колі інерційного нелінійного зворотного зв’язку замість польового транзистора використовуються такі інерційні термозалежні елементи, як термістори або мініатюрні лампи розжарення, опір яких нелінійно збільшується разом з нагрівом їх вихідною напругою генератора. У наведеній схемі автоматичне регулювання глибини зворотного зв’язку здійснюється зміною опору польового транзистора VT1 випрямленою діодом VD1 вихідною напругою генератора. Ця напруга порівнюється з від’ємною постійною опорною напругою, яка знімається з потенціометра Rп і підсилюється в схемі додавання СД і через фільтр низьких частот RфCф подається на затвор VT1. Для забезпечення малих нелінійних спотворень вихідної напруги постійна часу фільтра повинна бути значно більшою від періоду найнижчої генерованої частоти. Амплітуда вихідної напруги встановлюється потенціометром Rп. Для ефективного регулювання вибирається польовий транзистор VT1 (КП303Ж) з p−n переходом і каналом n−типу з малою напругою порогу Uп=(0,3÷3)В (Uп має від’ємне значення) і малим початковим струмом IC0=(0,3÷3)мА. Якщо у довіднику приводяться максимальні і мінімальні значення цих параметрів, то для розрахунків приймаємо =-0,52(В). =0,52(мА). Опір між витоком і стоком транзистора визначається виразом . Мінімальне значення цього опору дорівнює опору відкритого транзистора RT0, яке визначається при нульовій напрузі на заслон UЗ = 0. . Вибираємо значення R6 в межах 20...50 кОм. R6=24кОм; Для забезпечення виникнення самозбудження вибираємо . ; R5=51кОм; У цьому випадку при включенні генератора транзистор відкритий, Ku0min > 9/ε, генератор збуджується і напруга на заслоні починає закривати транзистор збільшуючи його опір до значення . При цьому напруга на виході генератора стабілізується, її форма стає синусоїдною і напруга на затворі транзистора дорівнює . Спрощена принципова схема RC-генератора Віна приведена на рис. 8 Для обмеження струму через затвор транзистора при включенні генератора вибираємо величину R12 рівною (200...300) кОм. R12=200(Ом). Розрахунок схеми регулювання вихідної напруги Величину опору навантаження випрямляча вибираємо з умови . Для випрямлення вихідної напруги використаємо низькочастотний кремнієвий діод, у якого допустима обернена напруга Uоб > Еж і середній допустимий прямий струм Ідоп > Еж/R8=15(В)/20000(Ом)=0,75(мА). Як правило, напруга живлення операційних підсилювачів Еж не перевищує ±15 (В), а максимальна амплітуда вихідної напруги ±(10...12) В. З урахуванням дії схеми стабілізації вихідної напруги генератора напругу на виході DA1 вибираємо рівною Uвихм1 = 5...7 (В)=5(В). Для однопівперіодного випрямляча середнє значення випрямленої напруги дорівнює . Схему додавання випрямленої і опорної напруги використаємо однакові резистори R9=R11. Рис.8. Спрощена принципова схема RC-генератора Віна на операційному підсилювачі Для забезпечення стабілізації вихідної напруги операційного підсилювача DA1 визначаємо величину опорної напруги, для чого використаємо подільник напруги R13R14. Вихідна напруга подільника і середнє значення випрямленої напруги порівнюються між собою за допомогою резисторів R9 і R11 і через операційний підсилювач DA2 підсилена різниця цих напруг подається на затвор транзистора. Як правило, операційний підсилювач DA2 вибирають такого типу, як і DA1. Приймемо, що R14 дорівнює 1 (кОм) і значення R9=R11=(3 ... 5)R8=60(кОм). Тоді напруга на резисторі R14 повинна дорівнювати . Величина резистора де Для того, щоби здійснити ефективне регулювання вихідної напруги і система автоматичного регулювання вихідної напруги не вносила нелінійних спотворень, вибираємо R10 = (15…30) R9 =15*60000=910(кОм); . Додаткове зменшення нелінійних спотворень досягається використанням коректуючої ланки С3=22 нФ R7=470 кОм. Розрахунок температурної нестабільності частоти генератора 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 δR і ємності δC. δR = 50 10-6 1/◦С 1пдд δC =150010-6 1/◦С 2пдд δC =75010-6 1/◦С 3пдд δC = 7510-6 1/◦С Абсолютне значення нестабільності частоти 1пдд 2пдд 3пдд Абсолютне значення нестабільності частоти слід визначити на максимальній частоті кожного піддіапазону, оскільки типи конденсаторів для кожного піддіапазону можуть бути різними з різними значеннями температурних коефіцієнтів ємності. Відносне значення нестабільності частоти 1пдд ; 1пдд ; 1пдд . Відносне значення нестабільності частоти також визначається для максимальній кожного піддіапазону. Ескізний розрахунок підсилювача потужності За технічним завданням вихідна потужність генератора і амплітуда вихідної напруги генератора повинні бути більшими від потужності і амплітуди вихідної напруги, яку може забезпечити операційний підсилювач DA1. Тому у генераторі необхідно використати вихідний додатковий підсилювач потужності. У цьому підсилювачі можна використати операційний підсилювач. Схеми таких підсилювачів приведені на рис. 9. На рис. 9а показано схему неінвертуючого підсилювача, який складається з операційного підсилювача DA1 і комплементарної пари транзисторів VT1 і VT2, охоплених від’ємним зворотним зв’язком через резистори R1 і R3. Діоди DD1 і DD2 служать для усунення спотворень типу “сходинка”. Регулювання рівня вихідної напруги здійснюється потенціометром R2. Схема на рис. 9б відрізняється від попередньої наявністю спарених транзисторів VT1VT3 і VT2VT4. Таке включення дозволяє отримати більшу потужність на його виході. Операційний підсилювач вибираємо такого типу, як і у попередніх випадках. Визначаємо амплітудне значення струму в навантаженні, яке повинен забезпечити комплементарний повторювач Необхідне підсилення за струмом вихідного каскаду . Для схеми рис. 9а необхідно виконати умову , для схеми рис. 9б - . Вибираємо комплементарну пару вихідних транзисторів, у яких допустимий середній струм колектора Ікдоп > Ін.т і β > βН. Якщо останню умову не можна виконати, то необхідно застосувати схему рис. 9 і додатково вибрати малопотужну комплементарну пару транзисторів, які включаються перед вихідними. Комплементарними парами будуть транзистори КТ815Б (КТ814Б) і КТ315Д (КТ361Д) відповідно. Їх параметри: Наймен. тип Uкбо(i),В Uкэо(і), В Iкmax(i), мА Pкmax(т), Вт h21э Iкбо, мкА fгр., МГц КТ315Д n-p-n 40 40 100 0.15 20-90 0.6 250 КТ361Д p-n-p 40 40 50 0.15 20-90 1 250 Uкбоі - Максимально допустима імпульсна напруга колектор-база Uкэоі - Максимально допустима імпульсна напруга колектор-емітер Iкmaxі - Максимально допустимий імпульсний струм колектора Pкmax т - Максимально допустима постійна розсіювана потужність колектора з тепловідводом h21э - Статичний коефіцієнт передачі струму біполярного транзистора в схемі с спільним емітером Iкбо - Зворотній струм колектора fгр - гранична частота коефіцієнта передачі струму в схемі з загальним емітером Наймен. тип Uкбо(і),В Uкэо(і), В Iкmax(і), мА Pкmax(т), Вт h21э Iкбо, мкА fгр., МГц Uкэн, В КТ815Б n-p-n 50 45 1500(3000) 1(10) 40-275 50 3 <0.6 КТ814Б p-n-p 50 40 1500(3000) 1(10) 40-275 50 3 <0.6 Uкбоі - Максимально допустима імпульсна напруга колектор-база Uкэоі - Максимально допустима імпульсна напруга колектор-емітер Iкmaxі - Максимально допустимий імпульсний струм колектора Pкmax т - Максимально допустима постійна розсіювана потужність колектора з тепловідводом h21э - Статичний коефіцієнт передачі струму біполярного транзистора в схемі с спільним емітером Iкбо - Зворотній струм колектора fгр - гранична частота коефіцієнта передачі струму в схемі з загальним емітером Uкэн - напруга насичення колектор-емітер Напругу живлення підсилювача потужності вибираємо стандартну для операційних підсилювачів Еп = ± 15 В. Визначаємо величини резисторів зміщення . Коефіцієнт підсилення підсилювача потужності . Вибираємо значення R1 2 кОм і визначаємо . Оскільки вхідний опір неінвертуючого входу DA1 дуже великий, то ним нехтуємо і для регулювання вихідної напруги генератора вибираємо потенціометр R2 величиною перших десятків кОм. R2=14(кОм) Величина конденсатора С1 вибирається з умови . С1=120(нФ) Рис. 9. Спрощена принципова схема підсилювача потужності на операційному підсилювачі Висновок: Виконавши курсовий проект з дисципліни „Електроніка та мікросхемотехніка", який є заключним етапом вивчення цієї дисципліни, в результаті якого я досягнув такої мети: закріпив, систематизував та розширив знання з принципів побудови, методів аналізу, синтезу, моделювання та розрахунку електронних схем технічних засобів захисту інформації; Моделювання розрахункової частини за допомогою програм Multisim. Також перевіривши роботу генератора при зміні рівня вхідної напруги, можна зробити висновок, що при зміні вхідної напруги - вихідна напруга не міняється. Література Воейков Д.Д. Конструирование низкочастотных генераторов. - М.: Энергия, 1964. Бондаренко В.Г. RC-генераторы синусоидальных колебаний на транзисторах. - М.: Связь, 1976. Герасимов С.М. Расчет полупроводниковых усилителей и генераторов. - Киев: Вища школа, 1961. Вавилов А.А., Солодовников А.И., Шнайдер В.В. Низкочастотные измерительные генераторы. - Л.: Энергоатомиздат, 1985. Акулов И.И., Теория и расчет основных радиотехнических схем на транзисторах. - М.: Радио, 1963. Гершунский Б.С. Справочник по расчету электронных схем. - Киев: Вища школа, 1983. Розевинг В.Д. Система проектирования печатных плат ACCEL EDA 15 (P−CAD 2000). − М.: «Солон−Р», 2001. Розевинг В.Д. Система схемотехнического моделирования Micro−Cap V. − М.: «Солон−Р», 2001. Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM PC. Лабораторнный практикум на базе Electronics Workbench и MATLAB. − М.: «Солон−Р», 2004. Методичні розробки Методичні вказівки до курсового проекту з навчальної дисципліни “Електроніка та схемотехніка” для студентів базового напряму “Інформаційна безпека” / Укл. О.С. Вітер.−.Львів. Вид. НУ “ЛП”, 2005. Методичні вказівки до розрахункової роботи з навчальної дисципліни “Електроніка та схемотехніка” для студентів базового напряму “Інформаційна безпека” / Укл. О.С. Вітер.−.Львів. Вид. НУ “ЛП”, 2005. (стор. 62 − 67) Проектування підсилювачів низької частоти. − Методичні вказівки до курсової роботи з дисципліни “Аналогові електронні пристрої” для студентів базового напрямку “Радіотехніка”./ Уклали: І.І. Блажкевич, В.І. Шклярський. − Львів. Вид. НУ “ЛП”, 2005. Додатки Додаток 1. Моделювання за допомогою програми Multisim 11 При моделюванні номінали схеми відповідають розрахованим у проекті Моделювання характеристик генератора Аналіз Фур’є Моделювання характеристик генератора при високій частоті Моделювання характеристик генератора при низькій частоті

Курсовий проект Електроніка та мікросхемотехніка

Farnsworth

20.12.2013 19:12-

Коментарі

Ви не можете залишити коментар. Для цього, будь ласка, або зареєструйтесь.

Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!

Маєш корисні навчальні матеріали, які припадають пилом на твоєму комп'ютері? Розрахункові, лабораторні, практичні чи контрольні роботи — завантажуй їх прямо зараз і одразу отримуй бали на свій рахунок! Заархівуй всі файли в один .zip (до 100 МБ) або завантажуй кожен файл окремо. Внесок у спільноту – це легкий спосіб допомогти іншим та отримати додаткові можливості на сайті. Твої старі роботи можуть приносити тобі нові нагороди!

поділитись