Розробка функціонального генератора

Міністерство науки і освіти України

Вінницькій національний технічний університет

Факультет автоматики і комп'ютерних систем управління

Кафедра метрології і промислової автоматики

Функціональний генератор

Пояснювальна записка до курсового проекту

з дисципліни «Електроніка та мікросхемотехніка»

Курсова робота допущена до захисту

Керівник Дрючин О.О.

Курсова робота захищена з оцінкою

Керівник Дрючин О.О.

Студент гр. MIT-06 Тульчій А.П.

Вінниця 2009

Анотація

В даному курсовому проекті розробляється функціональний генератор, який працює в діапазоні частот від 1кГц до 1МГц. Даний генератор виконаний на основі операційного підсилювача і генерує вихідну потужність до 12 Вт.

Проведене моделювання каскаду генератора трикутних імпульсів доводить, що даний функціональний генератор може практично використовуватись для рішення реальних задач.

Зміст

Технічне завдання

Вступ

1. Розробка технічного завдання

2. Розробка функціонального генератора

2.1. Визначення і класифікація функціональних генераторів

2.2. Вибір типу функціонального генератора

2.2. Розрахунок кількості діапазонів функціонального генератора

2.3. Вибір буферного підсилювача

2.4. Попередній розрахунок обмежувача

2.5. Попередній розрахунок каскаду підсилення потужності

3. Розробка детальної структури

4. Електричний розрахунок

4.1. Розрахунок кінцевого каскаду

4.2. Розрахунок підсилювача напруги

4.3 Розрахунок генератора трикутних імпульсів

5. Моделювання генератора трикутних імпульсів

6.Конструкторське креслення

Висновок

Література

Вступ

Електроніка являє собою стрімко розвиваючу галузь науки та техніки. За останні роки вона зазнала значних змін. Перш за все це пов'язано з стрімким розвитком мікроелектроніки. Поява нових схемних рішень як окремих підсилювачів, так і мікропроцесорних комплектів тощо, привело до оновлення елементної бази.

Електроніка вивчає принципи роботи і застосування різноманітних електронних приладів. До фізичної електроніки відносяться електронні та іонні процеси в вакуумі, газах і напівпровідниках. В технічній електроніці вивчається побудова електронних пристроїв і їх застосування в техніці. Область по призначенню електронних приборів в промисловості, називають промисловою електронікою.

Електронні пристрої дозволяють проводити різноманітні досліди і вимірювання, які безпосередньо не пов'язані з електронікою. Електронні підсилювачі, генератори, осцилографи та інші вимірювальні прибори стали потужним засобом для наукових досліджень, автоматизації та контролю промислових процесів. Методи електроніки значно покращили вивчення властивостей ряду елементів, що існують в природі, дозволили глибше пізнати будову матерії.

Розвиток електроніки та радіоелектроніки, підвищення вимог до них привело до необхідності використовувати велику кількість елементів для виготовлення апаратури. Зокрема, особливо багато їх вимагалося для електронно-вимірювальних машин (ЕОМ). Виготовлення таких машин з дискретних елементів, тобто елементів, що представляють собою самостійні вироби (діоди, транзистори, резистори, конденсатори тощо), стало практично неможливим. ЕОМ та інші радіоелектронні пристрої створюються в наш час на основі мікроелектроніки - з застосуванням інтегральних мікросхем.

Перехід до мікроелектроніки проходив поступово. Спочатку в радіоелектроніці на основі дискретних елементів стали застосовувати замість старого навісного (об'ємного) монтажу друковані схеми. Вони представляли собою нанесені на плату з діелектрика з'єднувальні проводи у вигляді металевих плівок, до яких припаювались дискретні елементи. Об'єм приладу при цьому значно зменшувався.

Великий крок вперед в створені найскладніших типів радіоелектронної апаратури дозволили зробити інтегральні мікросхеми. Інтегральними вони називаються, тому що тут всі елементи або їх частина та з'єднання між елементами нероздільно пов'язані і схема розглядається як єдине ціле.

Головною перевагою інтегральних схем - малі розміри та маса, мала споживана потужність, висока надійність за рахунок зменшення кількості паяних з'єднань, висока швидкодія, оскільки при дуже коротких з'єднану вальних лініях між елементами час пробігу сигналів по цих лініях зменшується, відносно низька собівартість.

Поряд з численними перевагами інтегральні схеми мають деякі недоліки. Перш за все вони є малопотужними. Проблеми виникають також при створені великих ємностей та індуктивностей.

Що ж стосується функціональних генераторів, то останнім часом користувачі все частіше зупиняють свій вибір на замкнутій релаксаційній системі, що складається з інтегратора і компаратора. Пояснюється це тим, що такі генератори, як правило, простіше у виготовленні, чим генератори синусоїдального сигналу, а їхні можливості набагато ширше.

У пропонованому увазі приладі як інтегратор застосований операційний підсилювач К574УД1 (швидкість наростання вихідної напруги - 50 В/мкс, частота одиничного підсилення - 10 МГц), а компаратор виконаний на елементах мікросхеми К561ЛА7. Це дозволило розширити діапазон генеруючи частот до 1 МГц. Генератор виробляє напруги прямокутної, трикутної та підтримує потужність на виході 12 Вт. Вихідна напруга можна змінювати в межах 1...10 В, що здійснюється за допомогою підсилювача потужності.

1. Розробка технічного завдання

Розробці підлягає функціональний генератор.

Який має діапазон частот від 1 кГц до 1 МГц. Виходячи з стабільності 10^-3 генератор відноситься до генераторів з невисокою стабільністю, тому додаткова стабілізація частоти не потрібна і може бути виконаний на основі RС-генератора. Амплітуда сигналу може змінюватись від 1В до 10 В, що забезпечує потужність в діапазоні 0,125...12 Вт. Також даний функціональний генератор має опір навантаження 8 Ом.

Згідно ДСТУ 2681-94 „Метрологія. Терміни та визначення” та ДСТУ 2682-94 „Метрологія. Метрологічне забезпечення” розроблений даний функціональний генератор відноситься до первинних вимірювальних перетворювачів.

2. Розробка функціонального генератора

2.1. Визначення і класифікація функціональних генераторів

Функціональними генераторами називають пристрої, що перетворять енергію джерел постійної напруги в енергію електричних імпульсів. На відміну від інших імпульсних пристроїв імпульсні генератори є пристроями, що не перетворять електричні імпульси, а створюють їх.

Для класифікації імпульсних генераторів можна використовувати ряд різних ознак. У залежності від форми створюваних імпульсів можна виділити генератори прямокутних імпульсів, трикутних імпульсів, генератори лінійно оцінюючої напруги і генератори спеціальної форми.

Генератори прямокутних імпульсів формують сигнали, за формою близькі до прямокутного. Такі генератори є релаксаційними. Вихідний сигнал генераторів має ділянки з швидкістю зміни напруги, яка різко змінюється: ділянки з дуже малою (рівні „0” і „1” на рисунку 1) і ділянки з дуже великою (переходи напруги від рівня „0” до рівня „1” і від рівня „1” до рівня „0”) швидкістю зміни напруги. Стани, що відповідають інтервалам формування вихідних рівнів „0” до „1” називають рівноважними. Характеристика рівноважного стану є одною із критеріїв класифікації генераторів прямокутних імпульсів. Рівноважні стани можуть бути довгостійкими і квазистійкими (майже стійкими).

Рисунок 1. Вихідний сигнал генератора.

У довгостійкому стані пристрій може знаходитися дуже довго. Вивести його з цього стану рівноваги і перевести в інший може тільки зовнішній вплив, наприклад поданий ззовні сигнал, який називається запускаючим.

Квазистійкий стан може існувати тільки кінцевий час, що визначається внутрішніми параметрами і структурою генератора. Після закінчення зазначеного часу пристрій самостійний, без використання яких-небудь зовнішніх сигналів, переходить в інший стан рівноваги. У залежності від характеру стійких станів генератори прямокутних імпульсів поділяються на бістабільні, моностабільні й астабільні.

Бістабільний генератор характеризується тим, що кожне з двох станів рівноваги в ньому є довгостроково стійким. Після включення джерел живлення такий генератор з однаковою імовірністю може виявитися в кожнім із двох можливих станів рівноваги. Переключення з одного стану в інше роблять за допомогою зовнішніх імпульсів напруги u_вх1(t) і u_вх2(t). Після припинення надходження зовнішніх імпульсів генератор залишається в тому стані, в який перевів його останній запущений імпульс, тобто здійснює запам'ятовування цього стану (рисунку 2). Представником імпульсних генераторів даного класу є тригери.

Моностабільний генератор має один тривалий стійкий стан рівноваги. Другий можливий стан рівноваги є квазистійким. Після включення джерел напруги генератор виявляється у відомому довгостійкому стані рівноваги (стану „0” на рисунок 3).

Рисунок 2. Запам'ятовуючий стан генератора Рисунок 3. Довгостійкий стан рівноваги.

Імпульс, що запускається, переводить генератор у квазістійкий стан рівноваги „1”.

Однак у цьому стані генератор може знаходитися тільки кінцевий час , після чого автоматично повертається в стан „0”. Моностабільний генератор називають також ждучим («чекає» приходу запускаючого імпульсу) або загальмованим. Прикладом таких генераторів може бути ждучий мультивібратор і ждучий блокінг-генератор.

Астабільний генератор не має довгостійкого стану рівноваги.

Кожний з двох можливих станів рівноваги є квазистійким. Після включення джерел живлення ці стани періодично чергуються (рисунок 4).

Рисунок 4. Квазистійкий стан астабільного генератора.

Період коливань

,

де-- час перебування генератора в першому і другому станах рівноваги.

Такий генератор є автоколивальним. Для його роботи не потрібно надходження зовнішніх запускаючи імпульсів. Зовнішні імпульси можуть подаватися тільки в особливому режимі, який називається режимом синхронізації, коли запускаючий імпульс викликає щоразу передчасне перекидання генератора.

Генератори прямокутних імпульсів, як і інші типи генераторів електричних сигналів, є системами з позитивно-зворотнім зв'язком. В залежності від способу створення позитивно-зворотного зв'язку розрізняють двокаскадні генератори з RC-ланцюгами зворотного зв'язку і генератори з трансформаторним зворотнім зв'язком. Прикладами перших є мультивібратори, других -- блокінг-генератори. Окремим різновидом розглянутих генератором є генератори, виконані на приладах з негативним опором. У цих пристроях зворотний зв'язок є „внутрішнім”, визначається особливостями ВАХ використаного приладу з негативним опором.

По типу використовуваних активних елементів імпульсні генератори можуть бути транзисторними, ламповими, виконуватися на напівпровідникових приладах з негативним опором, на інтегральних мікросхемах різних типів і т.д.

Схемотехнічні принципи побудови генераторів коливань трикутної форми збігаються з описаними вище методами - побудови генераторів прямокутних коливань. Відмінність полягає в тому, що в даному випадку використовується менш глибока позитивна ОС.

2.2. Вибір типу функціонального генератора

При побудові функціонального генератора використовують дві основні структури:

1)послідовне включення генератора симетричних прямокутних імпульсів і інтегратора;

2)послідовне включення генератора трикутних імпульсів та підсилювача-обмежувача.

Недоліком першого включення є залежність амплітуди вихідних імпульсів інтегратора від частоти повтору прямокутних імпульсів. Тому віддамо перевагу другому включенню (рисунок 5 ).

Рисунок 5. Блок схема функціонального генератора.

Для створення симетричних прямокутних імпульсів коефіцієнт підсилення має бути високим, а рівень спрацювання - як можна ближчим до 0. У зв'язку з тим, що прямокутні імпульси повинні мати тільки доданню

полярність потрібно ввести зміщення порогу спрацювання на рівні 0.

Враховуючи частотний діапазон, який вказаний у завданні, від 1кГц до 1МГц, в якості активного елементу генератора трикутних імпульсів вибираємо ОП типу К574УД1, який має такі параметри:

f1(fсрз), МГц	Vumax, В/мкс	Івихmax., мА	RHmin, кОм	Іпот. , мА	Uсм, мВ	Стр.
15	100	5	2	8	50	30

Для підсилювального обмежувача доцільно використовувати ключову інтегральну схему на базі логічних елементів І-НІ, в якості якої використовуємо мікросхему К561ЛА7.

Отже, загальна структура функціонального генератора буде мати вигляд:

Рисунок 6. Структурна схема функціонального генератора.

Опис кожного блоку.

1.Генератор трикутних імпульсів генерує імпульси потрібної форми та амплітуди.

2.Еміторний повторювач призначений для зменшення впливу обмежувача на генератор.

3.Подільник регулює рівень спрацювання компаратора.

4.Підсилювач-обмежувач (компаратор з рівнем „0”) використовується для перетворення трикутного імпульсу в прямокутний імпульс.

5.Стабілізатор напруги забезпечує стабільний рівень компаратора.

6. Підсилювач напруги призначений для підсилення напруги на виході.

7. Підсилювач потужності призначений для надання потрібного рівня потужності.

2.2. Розрахунок кількості діапазонів функціонального генератора

Розрахунок частотного діапазону (коефіцієнту перекриття по частоті) проводиться за такою формулою:

.

Підставляючи дані значення, отримуємо, що загальний діапазон дорівнює . Але в техніці заведено, що коефіцієнту перекриття має бути не більше 10 - . Тому розбиваємо даний діапазон відповідно на три піддіапазони:

1. , ;

2. , ;

3. МГц, МГц.

2.3. Вибір буферного підсилювача

В зв'язку з тим, що генератор трикутних імпульсів працює на обмежувачі, вхідний опір якого залежить від вхідної напруги, необхідно зменшити вплив обмежувача на генератор трикутних імпульсів. Це можна зробити за допомогою буферного каскаду, який має великий вхідний опір і малий вихідний.

Рисунок 7. Схема буферного підсилювача.

В якості такого каскаду використовуємо еміторний повторював. Визначимо І_вих , щоб вибрати потрібний тип транзистора:

(мА).

Оскільки транзистори завжди потрібно вибирати з певним завищенням характеристик, то для еміторного каскаду використовуємо транзистор типу КТ503Б з такими параметрами:

Pk max, Вт	Ікmax, мА	Uke max, B	Ікбоmax, мкА	h21e min/max	fгр, МГц	Ukeнасmax, B	Ік, мА
0,35	150	25	1	80/240	25,0	0,6	10

2.4. Попередній розрахунок обмежувача.

Рисунок 8. Схема підсилювача-обмежувача.

Для підсилювача-обмежувача використовуємо інтегральну мікросхему К561ЛА7 (рис.2.4), поріг спрацювання якої складає 0,5...1В. Для стабілізації порогового спрацювання необхідно забезпечити зміщення, тобто використати стабілізатор напруги, який фіксує нижній рівень живлення 12В.

Щоб стабілізувати значення порогу обмеження використовуємо резисторний подільник напруги і стабілізованого джерела -12В (рисунок 9).

Рисунок 9. Схема резисторного подільника.

2.5. Попередній розрахунок каскаду підсилення потужності

Вихідний каскад може працювати в ключовому режимі, якщо призначений для підсилення імпульсів постійної амплітуди і в лінійному режимі, якщо напруга на виході має складну форму і амплітуда її може змінюватись.

При підсиленні однополярних напруг доцільно використовувати однотактні каскади, які для збільшення коефіцієнту корисної дії працюють в режимі класу Б. В такому режимі мінімальному рівню сигналу відповідає режим відсічки, а максимальному - режим насичення.

Для узгодження перетворювача з низькоомним навантаженням, вихідний каскад будується по схемі еміторного повторювача (спільний колектор).

Рисунок 10. Схема підсилювача напруги.

Визначаємо максимальний струм навантаження:

.

Визначаємо вихідну потужність :

.

Знаходимо граничну частоту транзистора:

Для вибору типу транзистора в даному каскаді зробимо ще деякі розрахунки:

.

Отже, для даного еміторного повторювача будемо використовувати транзистор типу КТ805АМ, який має такі характеристики:

Pk max, Вт	Ікmax, А	Uke max, B	h21e min/max	fгр, МГц	Ukeнасmax, B	Ік, А
30	5,0	160	15/60	20	2,5	5,0

3. Розробка детальної структури

Генератор виробляє напругу трикутної та прямокутної форми, а вихідну напругу можна регулювати в межах 0...10.

Рисунок 11. Схема детальної структури функціонального генератора.

Налагодження генератора починають з встановлення відповідного діапазону. У даному випадку вибирається один з трьох піддіапазонів:

від 1 до 10 кГц,

від 10 до 100 кГц,

від 0,1 до 1 МГц.

Описуємо роботу кожного блоку:

1.Генератор трикутних імпульсів генерує імпульси потрібної форми та амплітуди та оснований на операційному підсилювача К574УД1. Для забезпечення лінійності обмежуємо амплітуду генератора на рівні 5В

2.Подільник регулює рівень спрацювання компаратора, який побудований на двох інтегральних мікросхемах типу К561ЛА7.

5. Підсилювач напруги призначений для підсилення напруги на виході та оснований на операційному підсилювача К574УД1 і транзисторі типу КТ503Б. При підсиленні одно полярних напруг доцільно використовувати однотактні каскади, які для збільшення коефіцієнту корисної дії працюють в режимі класу Б. В такому режимі мінімальному рівню сигналу (0) відповідає режим відсічки.

6. Підсилювач потужності, побудований на транзисторі типу КТ805АМ, призначений для надання потрібного рівня потужності.

4. Електричний розрахунок

4.1. Розрахунок кінцевого каскаду

З попередніх розрахунків кінцевого каскаду (еміторний повторювач) ми отримали такі данні:

Р_вих.=12,5 Вт,

І_мах=1,25 А,

.

Рисунок 12. Схема підсилювача потужності.

Розраховуємо потужність на колекторі транзистора VT4:

Розраховуємо потужність розсіювання на колекторі:

Визначаємо коефіцієнт корисної дії даного каскаду:

Розраховуємо струм на базі даного транзистора VT4:

- такий І_Б ОП забезпечити не може тому використовуємо складений ЕП, тобто Отже, додаємо в розрахунки ще один транзистор VT3.

Рисунок 13. Розширена схема підсилювача потужності.

Тому отримуємо, що

.

Визначаємо додатковий опір R_д, R_д >> R_н з нерівності видно, що додатковий опір має бути значно більший ніж опір навантаження тому:

(Ом).

Отже вхідний опір даного еміторного повторювача буде таким:

(Ом)

.

Коефіцієнт підсилення за напругою отримали такий:

.

4.2. Розрахунок підсилювача напруги

З попередніх розрахунків та даного технічного завдання ми отримали такі данні:

,

,

.

Значення елементів коректую чого каскаду (R₁₇, C₆) стандартні і задаються відповідно з параметрами операційного підсилювача.

Рисунок 14. Схема підсилювача напруги.

При максимальному підсиленні, К_U визначається за формулою

,

оскільки даний каскад має підсилювати напругу на виході в 2 рази. Вибираємо R₁₄=100 кОм, то відповідно вищевказаній формулі R₁₅=200 кОм. Згідно правилам розрахунку R₂₀ має бути не меншим ніж 0,1R₁₄ , отож верхня межа даного резистора R₂₀=10 кОм. Визначаємо нижню межу R₂₀, яка дорівнює (кОм).

Розраховуємо R₁₆, що повинен відповідати таким вимогам:

(кОм).

Оскільки опір має бути більше ніж зазначене значення, то вибираємо R₂₀=2,2 кОм .

4.3 Розрахунок генератора трикутних імпульсів.

З завдання і попередніх розрахунків ми дізналися, що на вході генератора трикутних імпульсів вибирається один з трьох піддіапазонів частот :

від 1 до 10 кГц,

від 10 до 100 кГц,

від 0,1 до 1 МГц.

Рисунок 15. Схема генератора трикутних імпульсів.

А напруга на виході генератора становить 5 В. В свою чергу напруга на вході визначатися за формулою:

В.

Отож розраховуємо резисторний подільник (R₁R₂) та R₃. Для цього задаємо значення конденсатора С₁=2200пФ, який підтримує частоту сигналу в межах від 1 кГц до 10 кГц. Визначаємо період:

(с).

З формули визначаємо суму потрібних нам опорів:

(Ом).

Тепер, знаючи максимальну частоту - 1МГц, можна визначити R₃ :

,

Отже, R₃=44,55 Ом. Тоді (А). Враховуючи, що , то (В). З цього можна зробити висновок, що R₁=8 Ом.

Знаходимо значення двох інших конденсаторів С₂ і С₃:

(с),

(Ф).

Аналогічно знаходимо С₃:

(с),

(Ф).

5. Моделювання генератора трикутних імпульсів

Моделювання генератора трикутних імпульсів проводимо за допомогою пакету програм Electronics Workbench 5.12.

На рисунку 16 наведено вигляд схеми у вікні даної програми .

Даний генератор повинен генерувати трикутні імпульси, частота який задається в діапазоні частот від 1 кГц до 10кГц, а напруга на вході підтримується на рівні 12В.

Рисунок 16. Структурна схема генератора трикутних імпульсів.

На екрані осцилографа (рисунок 17) видно, що на виході генератора отримуємо імпульси трикутної форми і вхідну напругу у 5 В.

Рисунок 17. Осцилограф

Отже, з результатів моделювання видно, що всі проведені нами розрахунки, що стосувалися вибору елементів схеми були правильні. Тому можна стверджувати, що дана схема може працювати для вирішення реальних задач.

Висновок

В даному курсовому проекті я розробила функціональний генератор на основі операційних підсилювачів з використанням сучасної елементної бази. Даний генератор генерує імпульси прямокутної і трикутної форми.

Можна відмітити, що цей функціональний є найбільш дешевим засобом генерування сигналів відповідної форми. ФГ має такі переваги: велика точність і простота у використанні, оскільки він розроблявся для широкого вжитку користувачами, що навіть не мають початкових знань електроніки, низька вартість, тому що використовуються досить прості і загальнодоступні елементи, висока завадостійкість, мала чутливість до змін напруги живлення.

У першому розділі курсової проводимо розробку технічного завдання курсового проекту згідно держстандартам та нормативним документам.

У другому розділі вказані визначення та класифікація генераторів, базові складові даних пристроїв, детально описано загальну структуру функціонального генератора. Також розробляється кожний каскад пристрою: генератор трикутних імпульсів, буферний підсилювач, підсилювач-обмежувач, підсилювач напруги та підсилювач потужності. Також були вибрані типи операційних підсилювачів, транзистора.

У третьому розділі здійснено розробку детальної структури функціонального генератора, послідовно описано принцип роботи кожного блоку схеми з попередньо обраними базовими елементами.

В четвертому розділі проводяться розрахунки трьох каскадів: підсилювача потужності, підсилювач напруги та генератора трикутних імпульсів. А також були розраховані номінали та типи резисторів, конденсаторів та діодів.

У п'ятому розділі здійснено моделювання одного з каскадів схеми, а саме генератора трикутних імпульсів.

Література

1. И.П. Жеребцов. Основы электроники. - Ленинград «Энергоатомиздат», 1989. - 352 с.

2. М.В. Поліщук. Методичні вказівки до виконання розрахункових завдань з курсів „Електронні пристрої автоматики”.-В.: ВПІ,1993.-60с.

3. Б.С. Гершунский. Довідник по розрахунку електронних схем.-М.: вид. об'єдн. „Вища школа”, 1988.-235с.

4. Г.С.Остапенко. Усилительные устройства. - М. «Радио и связь», 1989. - 400 с.

5. Розрахунок електронних схем: Приклади і задачі: Навчальний посібник/ Г.В. Корольов, В.А. Терехов.-М.: „Вища школа”,1987.-335с.

6. Д.В. Игумнов, Г.П. Костюнина - “Полупроводниковые устройства непрерывного действия “ - М: “Радио и связь”, 1990 г.

7. В.П. Бабенко, Г.И. Изъюрова - “Основы радиоэлектроники”. Пособие по курсовому проектированию - М: МИРЭА, 1985 г.

8. Н.Н. Горюнов - “ Полупроводниковые приборы: транзисторы” Справочник - М: “Энергоатомиздат”, 1985 г.

9. А.А. Новацкий, В.І. Сенько. Електроніка і мікросхемотехніка.- К.: вид. об'єдн. „Вища школа”, - 279с

10. Жемеров Г.Г. Тиристорные преобразователи частоты с непосредственной связью. - М: «Энергия», 1977 г.

11.Держстандарти України та нормативні документи з метрології