Разработка генератора с мостом Вина

2

Введение

Разрабатываемый в данной курсовой работе прибор предназначен выполнять функцию генерации синусоидальных колебаний. В генераторе обеспечена автоматическая регулировка уровня усиления колебаний. Применение высокоточного (прецизионного) усилителя обеспечивает высокую точность и хорошую стабильность работы схемы генератора. Большое внимание уделено описанию принципа работы схемы генератора синусоидальных колебания с мостом Вина. Разработка подобных генераторов на современной элементной базе является весьма перспективным направлением в электронике.

Эти генераторы отличаются от релаксационных тем, что в их состав входят электрические цепи или компоненты, обладающие резонансными свойствами. Благодаря им условие возникновения автоколебаний (к_у1, ) выполняется только в узкой полосе частот. Компоненты с резонансными свойствами или соответствующие резонансные цепи могут быть установлены в межкаскадных цепях усилителя или в цепях, создающих положительную или отрицательную обратную связь. Причем параметры выбирают так, чтобы условия возникновения выполнялись только в узкой полосе частот при всех колебания усилителя и цепи ООС.

В диапазонах низких, звуковых и радиочастот в качестве резонансных цепей и компонентов применяют RC-цепи, LC-контуры, кварцевые резонаторы, электромеханические колебательные системы (например, камертоны и др.)

Избирательные RC-цепи имеют сравнительно пологие фазо- и амплитудно-частотные характеристики петлевого усиления. Поэтому, если коэффициент усиления больше единицы, даже на небольшую величину, условия возникновения автоколебаний выполняются в сравнительно широкой полосе частот . При этом форма выходного сигнала существенно отличается от синусоидальной. Поэтому у автогенераторов с резонансными RC-цепями (RC-генераторов) приходится вводить дополнительные цепи автоматического регулирования коэффициента усиления.

В RC-генераторах выходное напряжение практически повторяет форму тока, создаваемого усилителем.

Для RC-генераторов характерны:

1. Простота реализации.

2. Дешевизна.

3. Низкие массо-габаритные показатели.

4. Диапазон частот автоколебаний от долей герц до нескольких сотен килогерц.

Недостатки:

1. Невысокая стабильность частоты.

2 Существенные искажения формы автоколебаний (К_г>10.5%).

1. Техническое задание

1.1 Наименование разработки:

Разработка генератора с мостом Вина

1.2 Основание для создания:

Материалы научно-методических разработок.

1.3 Назначение и цель

1.3.1 Назначение

Прибор предназначен выполнять функцию генерации синусоидальных колебаний. В генераторе обеспечена автоматическая регулировка уровня усиления колебаний. Применение высокоточного усилителя обеспечивает высокую точность и хорошую стабильность работы схемы генератора

Прибор соответствует требованиям ГОСТ. 222SI-76 и ГОСТ 9781-78

Прибор относится по условиям применения к группе 4 ГОСТ 22261-76;

Прибор относится по точности измерения к классу 1,0 ГОСТ 9781-78.

Нормальные значения влияющих величин должны соответствовать стандартным параметрам по умолчанию.

1.5 Электрические параметры прибора

Напряжение смещения -25 мкВ

Разность входных токов -35 нА

Входной ток -+40 нА

Входное сопротивление для диф. сигналов- 6 Мом

Диапазон входных напряжений -+ 110 мкВ

Размах входного напряжения -+10 В

Потребляемая 40 мВ

.

2. Выбор, обоснование и описание работы схемы электрической принципиальной генератора с мостом Вина

Как известно, частота автоколебаний в таком генераторе определяется формулой

(1),

а затухание в частотно-зависимой ветви обратной связи на частоте

₀ .

Для улучшения формы кривой выходного напряжения частотно-независимую ветвь ООС в мосте Вина обычно выполняют инерционно-нелинейной. [4]

Нужный характер нелинейности обеспечивается тогда, когда с ростом амплитуды сигнала уменьшается сопротивление R₃ или увеличивается сопротивление R₄. Поэтому в качестве R₃ используется полупроводниковый терморезистор. В качестве инерционно-нелинейного резистора применяют переход сток-исток полевого транзистора, на затвор которого подают выпрямленное и сглаженное выходное напряжение генератора.

В устройстве реализована двухступенчатая цепь ООС. Первая ступень: резистор R₃ и полевой транзистор, вторая ступень: резисторы R₄, R₅.

При в устройстве возникают автоколебания, частота которых определяется формулой

.

Обычно используют в частотно-зависимой ветви моста Вина R₁=R₂=R, C₁=C₂=C, а частоту автоколебаний:

,

причем автоколебания возникают при условии, что коэффициент усиления усилителя, состоящего из ОУ и резисторов R3, R4, больше чем три, иначе говоря, должно быть выполнено условие

Установившиеся автоколебания в замкнутой цепи возможны только при условии точного равенства единице единичного коэффициента петлевого усиления на частоте f₀. Но, для возникновения автоколебаний нужно, чтобы в начале коэффициент петлевого усиления был более 1. После возникновения автоколебаний их амплитуда стабилизируется в конечном счете на таком уровне, при котором за счет нелинейного элемента в петле коэффициент уменьшается до 1. Если не предпринимать специальных мер, то упомянутая нелинейность проявится в амплитудной характеристике ОУ, в этом случае форма автоколебаний может заметно отличаться от синусоиды.

Нужный характер нелинейности обеспечивается тогда, когда с ростом амплитуды сигнала падает сопротивление R₃ или растет сопротивление R₄.

При построении генераторов с частотно-зависимыми цепями, обеспечивающими на частоте автоколебаний сдвиг фазы, равный , удобно использовать потенциально-токовые разновидности избирательных цепей. Такие цепи предназначены для использования совместно с усилителями, имеющими малые входное и выходное сопротивление. [2]

3. Описание схемы операционного усилителя и его параметры

ОУ 140УД26 [3]

К140УД26 - широкополосный прецизионный операционный усилитель со сверхнизким значением входного напряжения шума, высоким коэффициентом усиления напряжения. Внутренняя частотная коррекция отсутствует.

Рис. 1 Принципиальная схема операционного усилителя 140УД26

Таблица 1

Электрические параметры (при U_п=15 В, R_Н=2 кОм, Т=+35С)

Малошумящий быстродействующий прецизионный операционный усилитель ОР-37А

Рис.3 Схема электрическая принципиальная операционного усилителя ОР-37А

Таблица 2

Электрические параметры (при V_s=15В, Т_А=25С)

Электрические параметры

4. Стабилизированный источник питания

Стабилизированный источник питания вырабатывают два равных выходных напряжения противоположной полярности с малым уровнем пульсаций. Точное равенство положительного и отрицательного выходных напряжений обеспечивается общим источником опорного напряжения и цепью следящей обратной связи. Два операционных усилителя, входящие в состав стабилизатора, питаются его же выходными напряжениями. Выходной ток стабилизатора ограничен максимально допустимыми токами коллекторов транзисторов VT4, VT5.

Верхняя часть схемы представляет собой обычный последовательный стабилизатор, формирующий выходное напряжение +15 В. Источником опорного напряжения, поданного на неинвертирующий вход операционного усилителя DА2, является стабилитрон, питающийся выходным стабилизированным напряжением. На инвертирующий вход ОУ DА2 через делитель R6-- R8 поступает выходное напряжение стабилизатора. Разностный сигнал ошибки на выходе DА2 управляет составным транзистором VT2, VT4 таким образом, чтобы минимизировать величину ошибки.

Резистор R1 обеспечивает начальное смещение регулирующего составного транзистора VT1, VT4, а конденсатор С1 предотвращает возникновение паразитной генерации. Для обеспечения заданного выходного тока P составного транзистора VT1, VT4 должно быть не менее 400 Вт. Защитный резистор R3 ограничивает выходной ток ОУ в случае короткого замыкания на выходе. Снижение уровня пульсаций выходного напряжения обеспечивается конденсатором С₃.

В другой части стабилизатора, вырабатывающей выходное напряжение -15 В, операционный усилитель DА3 работает как инвертирующий усилитель с единичным коэффициентом усиления: резистор R15 является входным, а резистор R16 включен в цепь обратной связи. Поскольку на вход такого усилителя поступает стабилизированное напряжение +15 В, то опорное напряжение, формируемое стабилитроном VD6, используется для обеих частей стабилизатора. Благодаря единственному источнику опорного напряжения обеспечивается хорошее слежение за равенством положительного и отрицательного выходных напряжений стабилизатора. Назначение остальных схемных элементов то же, что и в стабилизаторе положительного напряжения.

Выходные напряжения стабилизатора устанавливают при помощи потенциометра (резистор R12).

Точность установки выходного напряжения -15В относительно выходного напряжения +15 В определяется соотношением номиналов сопротивлений резисторов R15, R16 и напряжением смещения операционного усилителя DА3. Для уменьшения разности между абсолютными значениями выходных напряжений стабилизатора можно подобрать сопротивления резистора R15 или R16 или же включить между резисторами R15, R16 потенциометр, движок которого должен быть соединен с инвертирующим входом операционного усилителя DА3. Этим же потенциометром при необходимости можно установить нужную асимметрию выходных напряжений. Сохранение равенства выходных напряжений при изменении температуры окружающей среды достигается установкой резисторов R15, R16 с низким или равным температурными коэффициентами (ТКС), например сопротивления типа ВС.

Для обеспечения нормального теплового режима транзисторов VT4, VT5 при максимальных токах нагрузки их необходимо устанавливать на радиаторы.

Стабилизированный источник питания обеспечивает выходные напряжения от ± 12В до ± 15В при выходном токе до 500 мА с уровнем пульсаций выходного напряжения не более 10 мВ.

Маломощный блок питания предназначен для питания от сети портативных транзисторных устройств, измерительных приборов и других маломощных устройств. Трансформатор Т1 имеет коэффициент трансформации равный 1 и служит только как разделительный для создания безопасности пользования блоком питания. Ограничителем сетевого напряжения служит цепочка R1С1. В табл. 3 приведены данные для варианта исполнения блока питания. В первом из них на выходе блока при напряжении 9 В можно питать нагрузку, потребляющую 50 мА; во втором варианте при том же напряжении на выходе можно получить ток до 20 мА. В первом варианте блока сердечник трансформатора стержневой, его набирают из Г-образных пластин. Обмотки - размещают на противоположных стержнях. Если при приеме мощных станций будет прослушиваться фон переменного тока, следует перевернуть вилку XI в сетевой розетке либо заземлить общий плюсовой провод блока.

Таблица 3.

Основные параметры

Стабилизатор выпрямителя защищен от перегрузок вовремя короткого замыкания на выходе или в нагрузке. Для уменьшения габаритов трансформатор Т1 выполнен на сердечнике из пластин Ш6 при толщине набора 40 мм. Обмотка/ содержит 3200 витков провода ПЭВ-1 -- 0,1 с прокладками из конденсаторной бумаги через каждые 500 витков, обмотка // имеет 150 витков ПЭВ-1 - 0,2. Между обмотками / и // намотан один слой провода ПЭВ-1 - 0,1, служащий экраном. Максимальный ток нагрузки (до 120 мА) можно увеличить, если вместо транзистора МП16 (VT6) установить П213, резисторы R₁, R₂ и R₃ заменить соответственно на резисторы сопротивлением 220 0м, 2,2 кОм

Маломощный блок питания [20] предназначен для питания от сети портативных транзисторных приемников, измерительных приборов и других маломощных устройств. Трансформатор имеет коэффициент трансформации равный ) и служит только как разделительный для создания безопасности пользования блоком питания. Ограничителем сетевого напряжения служит щепочка R1С1. В табл. 4 приведены данные для блока питания. На выходе блока при напряжении 9 В можно питать нагрузку, потребляющую 50 мА; Блок сердечник трансформатора стержневой, его набирают из Г-образных пластин. Обмотки размещают на противоположных стержнях. Если при приеме мощных станций будет прослушиваться фон переменного тока, следует перевернуть вилку X1 в сетевой розетке либо заземлить общий плюсовой провод блока.

5. Выбор элементной базы

Для обеспечения заданной частоты квазирезонанса (=2 кГц) (согласно формуле для частоты квазирезонанса RC-генератора

- R₁=R₂, C₁=C₂)

выбираем, резистор R₁=820 Ом (из ряда Е24) типа МЛТ-0.25. Исходя из формулы (1)

типа К53-30.

6. Расчет погрешности прибора

6.1 Расчет неинвертирующего ОУ и анализ его погрешностей

Исходные данные

1) К_u=70

2) _{Uвх.ном.}=450 mV

3) R_вх.=6 МОм

4) _прив.=1 %

5) Диапазон рабочих температур: t=(2010C)

Проанализируем погрешность, для чего примем исходную мультипликативную и аддитивную погрешности равными по величине.

(1)

1. Проанализируем аддитивную составляющую погрешности проектируемого ОУ:

1.1 Вычислим погрешность от ЭДС_см.:

е_см.=1010^-6 mV

(2)

Следовательно нет необходимости проводить дополнительную корректировку дрейфа нуля, обусловленную ЭДС смещения.

2. Анализ составляющей погрешности от входных токов.

2.1 Примем погрешность от входных токов равную 0.01%, определим по выражению:

(3)

Из этой формулы определим допустимую величину R₂, для чего в формулу (3) подставим значение

i=7510^-9 А и

- коэффициент усиления по неинвертирующему входу:

(4)

2.2 Определим суммарную погрешность от дрейфа нуля (аддитивную погрешность)

(5)

2.3 Определим величину сопротивления

(6)

2. Проанализируем мультипликативную составляющую погрешности

2.1 Вычислим погрешности обусловленные неточностью подгонки резисторов R₃, R₄. Тогда погрешность от нестабильности сопротивлений резисторов может быть определена:

Пусть R₁=5% от R₁ и равна 2100 Ом тогда:

Проанализируем вторую составляющую мультипликативной составляющей погрешности от нестабильности коэффициента усиления ОУ, принимая отношениеи в соответствии с формулой:

(*)

Как видно из формулы (*) изменения к_u будет вносить тем меньшую погрешность, чем большее усиление по замкнутому контуру к (петлевое усиление).

Глубина ООС: 1+к =

Спецификация

Заключение

На основе тщательного анализа литературы по данной теме я разработал генератор синусоидальных колебаний с мостом Вина с использованием современной элементной базы. Данный тип генераторов позволяет получить синусоидальные колебания в относительно узкой полосе частот. Особым достоинством, которое хотелось бы отметить, является простота и дешевизна изготовления таких генераторов, наряду с хорошими техническими и метрологическими характеристиками.

Литература

1. Руденко В.С. Основы промышленной электроники, - М., 1985, - 640 с.

2. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах, - М., 1988, - 380 с.

3. В.Н. Михальченко Операционные Усилители, - М., 1993, - 240 с.

4. Гутников В.С. Применение Операционных Усилителей в измерительной технике, - М., 1975, - 180 с.