Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Інститут комп’ютерних технологій, автоматики та метрології
Факультет:
Не вказано
Кафедра:
Автоматика і телемеханіка
Інформація про роботу
Рік:
2006
Тип роботи:
Курсовий проект
Предмет:
Електроніка та мікросхемотехніка
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 „Автоматика і телемеханіка”
КУРСОВИЙ ПРОЕКТ
З навчальної дисципліни
“Електроніки та мікросхемотехніки”
ГЕНЕРАТОР ГАРМОНІЧНИХ КОЛИВАНЬ
Зміст
Завдання................................................................................................................3
Вступ, аналіз вирішення аналогічних задач.....................................................4
Структурна схема основних вузлів.....................................................................5
Розрахунок принципової схеми. Вибір елементної бази..................................5
Конструкторсько-технологічна частина.............................................................19
Література..............................................................................................................22
Завдання
Вступ
Генератори синусоїдних коливань широко застосовуються зокрема у вимірювальний техніці. Історія розвитку електронних генераторів гармонійних коливань бере свій початок ще із виникнення самої радіоелектроніки. Практична побудова генераторів базувалась на математично описаній теорії нелінійних коливань зокрема Б. Ван-дер-Поля, Н.Д. Паполексі, А.А. Андропова, А.А Вітта та ін. В цих роботах дано всесторонній теоретичний аналіз коливних систем. Методи розроблялися для автоколивних систем, в яких гармонічний цикл коливань визначається видом нелінійного безінерційного або інерційного елементів, а частоти коливань аналізуючого процесу вважаються незмінними. Предсавником цього виду є RC-генератори. Із розвитком елементної бази були створені різні схемні вирішення побудови таких генераторів, але принцип стабілізації граничного циклу в генераторах, що базується на використанні нелінійних властивостей елементів різної фізичної природи. Стабілльність амплітуди таких генераторів залишається в межах (1 – 3)% при коефіцієнті нелінійних спотворень (0,5 – 2)%.
Багато областей науки потребують джерел гармонічних сигналів із стабільністю амплітуди (0,01 – 0.1)% при нелінійних спотвореннях (0,005 – 0,05)%. Такі джерела потрібні при спектральних методах досліджень прецезійних радіоелементів, а також при перевірці цифрових вимірювальних приладів та ін. Високі вимоги ставлять не тільки до статичних параметрів, а також і до динамічних характеристик генераторів. Вирішення цих питань досягають за допомогою побудови генераторів з системами автоматичної стабілізації амплітуди і частоти вихідного сигналу. Використання ідей теорії управління дозволило суттєво поліпшити метрологічні характеристики генераторів.
Завданням є побудова генератора гармонічних коливань низькочастотного звукового діапазону. Класичною схемною реалізацією побудови генератора гармонічних коливань є індуктивно-ємнісні (LC) генератори. Але кращою реалізацією генераторів гармонічних коливань, особливо низькочастотного (звукового діапазону) є побудова резистивно-ємнісних (RC) генераторів. Це зумовлено тим, що на низьких частотах індуктивні елементи мають дуже велику масу і габарити, потребують застосування феромагнетиків, при цьому зменшується стабільність.
Діапазон застосування RC-генераторів дуже широкий, діапазон частот – від часток Гц до сотень кГц і навіть МГц. При цьому стабільність частоти і форма кривої досягає часток відсотка, а із застосуванням операційних підсилювачів ці параметри ще більше покращуються.
Структурна схема основних вузлів
Оскільки діапазон частот заданого RC-генератора є досить широким, то його потрібно розбити на окремі піддіапазони. Використовуючи схему Віна, можемо спростити засоби регулювання частоти використавши здвоєний потенціометр. Для забезпечення стабільності частоти і форми кривої задаючого генератора до десятих і сотих часток відсотка вибираємо операційний підсилювач типу КР140УД7 із великим коефіцієнтом підсилення. Для забезпечення стабільності вихідної напруги – в коло генератора потрібно ввімкнути термістор. Для плавного регулювання вихідної напруги використовується регулятор-атенюатор.
Дана схема може забезпечити вихідну напругу до 10 В із доброю формою кривої при навантаженні (5–10) кОм.
Розрахунок принципової схеми. Вибір елементної бази
Розрахунок задаючого генератора
а) Розрахунок ланки зоротного зв’язку.
б) Розрахунок моста Віна.
в) Розрахунок і підбір типу ОП.
Розрахунок ланки зворотного зв’язку
Ланка зворотного зв’язку (ЗЗ) вводиться для покращення стабільності вихідної напруги і ґрунтується на принципі від’ємного зворотного зв’язку. Термістор застосовується для стабілізації зміни вихідної напруги від температури. Принципова схема задаючого генератора наведена на рис.1. Безпосередньо до зворотного зв’язку належать елементи R3, Rt, R4. Міст Віна умовно складається із резисторів R1, R2, та конденсаторів C1, C2.
Розрахунок ЗЗ починається із підбору термістора Rt. Найбільш поширеними термісторами є термістори типів: ТП 6/2, ТП 2/2, ТП 2/0,5. Оскільки на виході схеми RC-генератора задана напруга 10 В, вибираємо термістор з умови забезпечення необхідного значення вихідної напруги (вихідна напруга задаючого генератора не обов’язково повинна бути точно рівною вихідній напрузі схеми). Вибираємо термістор ТПМ 6/2Б. Для вибору робочого струму термістора будуємо ВАХ при нормальних умовах і за нею будуємо залежність RТ(IТ).
Робочий струм термістора вибирають із врахуванням наступних умов:
він повинен знаходитися в межах (1–3) мА;
він повинен знаходитися в точці найбільшої крутизни характеристики RТ(IТ);
він має знаходитись в області усталеного режиму ВАХ.
Найбільш оптимальним значенням робочого струму термістора для заданих умов є . Із ВАХ визначимо спад наруги на термісторі в робочій точці . За законом Ома визначимо опір термістора при нормальних умовах
Визначаємо опір резистора . Цей опір повинен складати 20% від . Оскільки ми вводимо на половину, то він повинен складати від , тобто . Щоб вибрати тип резистора й номінал, потрібно розрахувати потужність, що виділятиметься на ньому:
.
Приймаємо =1,5 кОм, резистор типу СП5-16А-0,25-1,5 кОм.
Визначення опору . Для цього визначимо спад напруги. Оскільки коефіцієнт передачі , де – спад напруги на , а – вихідна напруга задаючого генератора.
Вихідна напруга складається із:
.
Оскільки всі три резистори ввімкнені послідовно й вводиться тільки наполовину, то:
Потужність, яка виділяється на :
Приймаємо =1,5кОм, резистор типу С2-23-0,125-1,5 кОм ±5%, для якого . Розрахуємо вихідну напругу задаючого генератора. Для цього розрахуємо спад напруги на :
;
.
Наступним етапом розрахунку задаючого генератора є розрахунок моста Віна. Мости Віна є двох типів:
із грубим перемиканням частотних піддіапазонів за допомогою конденсаторів і точне регулювання частоти за допомогою здвоєних резисторів;
грубе перемикання частоти за допомогою за допомогою резисторів і плавне регулювання частоти за допомогою здвоєних конденсаторів.
Виберемо перший метод.
Для побудови принципової схеми розрахуємо кількість піддіапазонів на які розбиваємо основний діапазон для полегшення регулювання. Визначимо коефіцієнт перекриття для цілого діапазону.
.
Розбиваємо частотний діапазон на 4 піддіапазони:
20 – 200 Гц.
200 – 2000 Гц.
2000 – 20000 Гц.
20000 – 200000 Гц.
Принципова електрична схема моста Віна зображена на рис. 3.
Рис 3.
Коефіцієнт перекриття вибирають в межах від 10 до 12. візьмемо , якого достатньо, щоб зробити перекриття на шкалі приладу й плавно регулювати частоту із дискретним перемиканням піддіапазонів.
Розрахунок значень резисторів
.
Для проведення подальших розрахунків, необхідно задати значення опору резистора . Задамо , тоді . За формулою визначаємо ємності для чотирьох піддіапазонів. За резистор візьмемо два резистори – . Оскільки резистор – змінний, то приймемо його значення рівне нулю і при регулюванні частоти (збільшенні опору резистора ) і сталому значенні ємності, знаменник формули збільшується, а частота зменшується. При нульовому значенні опору опір набуває значення , що відповідає верхній частоті частотного піддіапазону:
– при Гц – перший піддіапазон;
– при кГц – другий піддіапазон;
– при кГц – третій піддіапазон;
– при кГц – четвертий піддіапазоню
Обчислюємо ці ємності.
Вибір номіналів і типів конденсаторів (за номіналами вони повинні бути не більшими від розрахованих) :
;
;
;
.
Підбір ємностей ,,,,,,. Ці ємності повинні врівноважувати всі паразитні ємності на виході моста Віна. Конденсатори , підбирають під розрахункові ємності ,,,.
Оскільки ємність конденсатора виходить дуже малою , то її можна повністю замінити ємністю . Виберемо типи і номінали ємностей ,,,. Ці конденсатори будуть змінними, повинні бути якомога більшого діапазону зміни ємностей конденсатора, особливо для ємності
Допустима напруга 300 В
Ємності ; ; ;;
Маючи номінали всіх ємностей можна уточнити всі прийняті для розрахунків номінали опорів моста Віна. Спочатку уточнимо опір . Виходячи з формули можна записати:
Обчислимо, яку максимальну потужність буде розсіювати цей резистор. Для цього обчислимо максимальний спад напруги на цьому резисторі, а тому приймемо опір резистора рівним нулю. Спад напруги на цілому мості Віна буде рівним вихідній напрузі ОП, яку було обчислено раніше . Вся напруга буде падати на двох резисторах і і , а оскільки вони рівні, то спад напруги на резисторі буде рівний . Обчислимо потужність розсіювання на :
.
Виберемо . Уточнимо значення резистора , маючи значення і коефіцієнт перекриття:
.
Розрахуємо потужність розсіювання. Обчислимо струм, який протікає через міст Віна:
Виберемо тип і номінал резистора . Резистор є змінний спарений, який буде виведено на панель і ним буде здійснюватися регулювання частоти. Його функціональна характеристика повинна бути нелінійною (логарифмічною), щоб зменшити похибку.
.
Діапазон зміни опору – . Резистор недротяний змінний, тому .
Для перемикання піддіапазонів використовується чотиристановий ключ .
.
Основні вимоги до операційного підсилювача:
велика швидкодія;
великий коефіцієнт підсилення за напругою при розімкненні зворотного зв’язку.
Детальніший розрахунок операційного підсилювача подається далі.
Розрахунок підсилювача потужності
Принципова схема підсилювача потужності зображена на рис.4
Схема підсилювача потужності складається з кількох частин:
вхідний каскад – ОП DA1
схема зсуву рівня – опір R
вихідний каскад – опори R1–R4 і транзистори VT1–VT4
Дана схема реалізує велике підсилення за струмом, і не дає підсилення за напругою. Великого підсилення за напругою не потрібно, тому схему вихідного каскаду будуємо на основі емітерних повторювачів VT3, VT4 та схеми захисту від коротких замикань VT1, VT2, R3, R4. В такій реалізації схеми не потрібно зсуву рівня попереднього підсилювача.
Розрахунок вихідного каскаду.
Почнемо розрахунок з вибору напруги джерела живлення .
Для цього розрахуємо яку потужність потрібно мати в навантаженні:
Напруга джерела розраховується за формулою
.
Джерело вибираємо з номінального ряду на 40 В. Ця формула справедлива для схеми з однополярним джерелом. В нашій схемі джерело двополярне, тому напруга джерела зменшується в два рази:
.
. Після вибору джерела живлення починаємо вибір транзисторів VT3, VT4. транзистори повинні забезпечувати наступні умови:
;
розсіювана колектором потужність повинна бути більшою від
коефіцієнт підсилення за струмом повинен бути якомога вищим.
Розрахуємо, яка потужність розсіюється колектором. Для цього розрахуємо струм навантаження:
– амплітудне значення вихідної напруги.
Розрахуємо який максимальний струм протікатиме через навантаження:
. За даними параметрами вибираємо транзистори VT3 і VT4.
VT3: КТ815Б; VT4: КТ814Б. Транзистори компланарні , . Допустима потужність розсіювання цих транзисторів 5 Вт.
На (рис.5 а) зображено вихідну характеристику транзистора.
Транзистори VT3, VT4 працюють в режимі B, а вводячи діоди VD1 і VD2 ми переводимо їх в режим АВ, тому робоча на вхідній характеристиці VT3 матиме напругу .
Виберемо транзистори VT1 і VT2. транзистори застосовуються для захисту схеми від коротких замикань. Ці транзистори повинні забезпечувати .
Вибираємо транзистори VT1 : КТ503В; VT2 : КТ502В; .
Визначимо опір обмежувальних резисторів та :
, де .
Розрахуємо потужність, яка буде на них виділятися:
Виберемо резистори ,:
Визначимо опір резисторів ,. Опір резисторів визначається з умови забезпечення вихідної напруги ОП більшої від
.
Розрахуємо, яка потужність буде виділятися на цих резисторах:
Приймемо коефіцієнт передачі ОП . Обчислимо коефіцієнт передачі вихідного каскаду :
.
Обчислимо максимальний коефіцієнт підсилення підсилювача потужності: .
Виберемо діоди VD1, VD2, які використовуються у схемі підсилювача для того, щоб перевести транзистори з режиму В в режим АВ, що дозволить зменшити недоліки даної схеми: VD1, VD2 : 2Д217Б. Діоди витримують максимальну напругу 1.5 В і зворотну – 200 В.
Розрахуємо розділювальні ємності і . Вони вводяться для того, щоб зменшити вплив нелінійних спотворень, які зумовлені нелінійною ділянкою реальної частотної характеристики на нижніх частотах:
.
Приймемо
На цьому розрахунок підсилювача потужності закінчуємо.
Вибираємо ОП і розраховуємо схеми його включення. Операційні підсилювачі DA1 і DA2 вибирають за умови великої швидкодії і великого підсилення за напругою при розімкнутому зворотному зв’язку. Обчислимо швидкодію, яка повинна забезпечуватись в ОП:
.
Виберемо ОП DA1 і DA2 : КР140УД7. Коефіцієнт підсилення за напругою при розімкненому зворотному зв’язку рівний значенню: . Ємності і (по ) збільшують швидкодію ОП до .
Виберемо конденсатори
і : .
Підналагоджувальні резистори і під’єднуються до ОП для балансування і вони рівні по .
Виберемо резистори і :
,:
Резистор , який стоїть на вході ПП задає його вихідний опір, тому його потрібно вибирати так, щоб при розрахунку регулятора-атенюатора виконувались усі умови.
Приймемо опір резистора . Виберемо його
.
Розрахунок регулятора-атенюатора
Регулятор-атенюатор вводять для забезпечення плавного і дискретного регулювання вихідної напруги.
Розрахунок регулятора-атенюатора починають із заданого , який приблизно рівний
Приймаємо
Коефіцієнт ділення (зменшує вхідну напругу):
, звідки
, звідки
Обчислимо значення опіру резистора
.
Обчислимо опори резисторів і, за допомогою співвідношень:
; ;
; ;
.
Виберемо типи резисторів ,,. Для цього обчислимо, яка потужність буде виділятися на кожному з резисторів:
Виберемо резистори і . – підналагоджувальний, – змінний, який виводиться на передню панель. Визначимо потужність, яка виділятиметься на цих резисторах:
Розрахуємо розділюючі ємності , . Для розрахунку введемо наполовину , вихідним опором задаючого генератора порівнято з опором регулятора-атенюатора можна знехтувати.
Перемикач вибираємо на три положення і один напрямок:
Розрахунок схеми індикаторного пристрою
На схему ІП подається напруга . Задамо струм, який протікатиме через схему – . Тоді опір схеми буде рівним:
Нехай на резисторі падає напруга , тоді у решті схеми падає напруга . Обчислимо опір резистора :
Визначимо потужність
Виберемо тип резистора:
Уточнимо еквівалентний опір індикаторної схеми без :
Через еквівалентний опір протікає струм . Задамо максимальний струм, який протікатиме через амперметр – . Тоді . Опори резистора , амперметра і діода до уваги не беремо, бо визначаємо граничний струм, який протікає через амперметр. . Для уникнення перевищення значення струму, що протікає через амперметр виберемо із запасом й ввімкнемо додатковий підналагоджувальний опір (до 100 Ом). З номінального ряду виберемо опір резистора:.
Уточнимо вибрані значення:
Уточнимо струм .
Обчислимо максимальний струм, який протікатиме через амперметр:
.
Виберемо типи резисторів ,,. Визначимо, яка потужність на них розсіюється:
Обчислимо розділювальну ємність :
:
Розрахуємо ємність
– коефіцієнт згладжування
– число основних пульсацій випрямленої напруги за період вхідної напруги ()
:
Виберемо тип амперметра. Амперметр вибираємо із умови забезпечення верхньої межі за максимальним струмом:
; .
Виберемо діоди VD1, VD2 : , ;
Обчислення коефіцієнта гармонік
№
точки
IК,
А
ІБ,
мА
UБЕ,
В
Едж=UБЕ+ІБRдж,
В
1
0,02
0,5
0,69
1,14
2
0,075
2,0
0,81
2,61
3
0,13
4,0
0,88
4,48
4
0,185
6,0
0,92
6,32
5
0,245
8,0
0,95
8,15
6
0,280
10,0
0,98
9,98
.
За цією таблицею будуємо наскрізну характеристику
Рис. Наскрізна характеристика вихідного каскаду підсилення потужності
З наскрізної характеристики знаходимо значення струмів:
;;; .
Розраховуємо амплітудні значення струмів гармонік вихідного сигналу:
Розраховуємо значення коефіцієнта гармонік
Крутизна вихідних транзисторів
.
Розраховуємо значення коефіцієнта гармонік з врахуванням внутрішнього зворотного зв’язку
Конструкторсько-технологічна частина
Опис приладу
Корпус приладу складається із передньої та задньої алюмінієвих кришок (1 та 8 відповідно), які за допомогою гвинтів 4 і гайок 3 кріпляться до рами приладу, до якої методом холодного зварювання приварені права, ліва (2), верхня та нижня стінки корпусу, зроблених із литого під тиском алюмінію. В кришках приладу зроблено відповідні вентиляційні отвори. До нижньої кришки корпусу за допомогою гвинтів 4 і різьби (нарізаної в ніжках) кріпляться чотири ніжки 17.
Друкована плата 5 кріпиться за допомогою гвинтів 4 і гайок 3 до спеціальних кутників 6, приварених до рами.
На передню панель винесено: мережний вимикач 7, гнізда: “Земля”, “Вихід” (13), “-15 В”, “+15 В” (14) ; “регулятор частоти”, з рукояткою 9, “регулятор виходу”, перемикачі “масштабування напруги” та зміни частотного діапазону (зліва направо), з рукоятками 10, 11, 12 (різного кольору). Для налаштування потрібної частоти використовується шкала 16 із покажчиком, який переміщається за допомогою ручки “регулятор частоти” 9. Для контролю вихідної напруги на передній панелі встановлено вольтметр 15, прикріплений гвинтами 4 і гайками 3.
Література
Бондаренко В.І. RC-генератори синусоїдних коливань на транзисторах. – М.: Связь, 1976.
Герасимов С.М. Расчет полупроводникових усилителей и генераторов. К.:1961.
Лабутин В.К. Полупроводниковые диоды. М.: Энергия, 1967
Гершунский Б.С. Справочник по основам электронной техники. К.: “Вища Школа” 1978.
Градиль В.П., Дорошенко А.В. Краткий справочник радио монтажника. Харьков.: Прапор, 1974.
Терещук Р.М. Справочник радиолюбителя. К.: Техника, 1974.
Бродский М.А. Справочник радиомеханика. Минск, 1974.
Додатки
Перелік елементів
Позначення
Назва
Кількість
Примітка
R1
1
R2
1
R3
1
R4
1
R5
1
R6
СП5-16А-0,25-1,5 кОм.
1
R7
1
R8
1
R9
С2-23-0,125-1,38 кОм
1
R10
1
R11
1
R12
1
R13
1
R14
1
R15
1
R16
1
R17
1
R18
1
R19
1
R20
1
R21
1
R22
1
Термістор
Rt
1
Перемикачі
S1
1
S2
1
S3
1
Діоди
VD1
1
VD2
1
VD3
1
VD4
1
X
Гніздо
4
C1
1
C2
1
C3
1
C4
1
C5
1
C6
1
C7
1
C8
1
C9
1
C10
1
C11
1
C12
1
C13
1
C14
1
C15
1
C16
1
C17
1
C18
1
C19
1
C20
1
C21
1
C22
1
Транзистори
VT1
VT1 : КТ503В
1
VT2
VT2 : КТ503В
1
VT3
VT3: КТ801Б
1
VT4
VT4: КТ801Б
1
Мікросхеми
DA1,DA2
КР140УД7
2
Документація
Складальне креслення
Електрична принципова схема
Друкована плата
Перелік елементів
Складальні одиниці
1
Передня панель
1
18
Рама
1
8
Задня кришка
1
17
Ніжка
4
Шасі
2
5
Плата
1
Стандартні вироби
Гвинти
18
Гайки
10
Шайби
10
Інші вироби
7
Тумблер
1
13,14
Гнізда
4
15
Вимірювальний прилад
1
16
Шкала
Додаток 2. Характеристики вихідного підсилювача потужності
Рис.1.д. Вихідна динамічна характеристика підсилювача потужності
Рис.2.д. Вхідна характеристика транзистора типу КТ801Б
06.02.2014 19:02-
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора