Генератор синусоидальных колебаний

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

Глава 1. Расчёт параметров моста Вина

Глава 2. Расчёт генератора синусоидальных колебаний

2.1 Расчёт параметров моста Вина

2.2 Расчет цепи ООС и АРУ

2.4 Расчет цепи выпрямителя

2.4 Оценка влияния отклонения выходного напряжения на ±10% от установившегося значения

2.5 Расчет усилителя мощности

2.6 Определение точностных параметров

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Неотъемлемой частью почти любого электронного устройства являются генераторы. Генератором синусоидальных колебаний называется устройство, с помощью которого энергия источника постоянного тока преобразуется в энергию переменного тока, изменяющегося во времени по гармоническому закону. В зависимости от области применения такого генератора, к нему могут быть предъявлены различные требования, скажем, высокая монохроматичность и стабильность заданной частоты, точность.

Генератор обычно содержит усилительный элемент и цепь частотно-зависимой положительной обратной связи. Усилитель может быть реализован на дискретных транзисторах или на базе интегральной микросхемы - операционного усилителя. В настоящее время в качестве усилительного элемента наиболее широкое применение нашли интегральные операционные усилители (ОУ). Использование ОУ позволяет построить стабильные генераторы с хорошим воспроизведением формы выходного сигнала. В цепях обратной связи могут быть применены фазосдвигающие RC-цепочки, резонансные элементы, такие как мост Вина, двойной Т-образный мост.

На низких и средних частотах хорошим источником синусоидальных колебаний с малым уровнем искажений служит мостовой генератор Вина. Идея его состоит в том, чтобы создать усилитель с обратной связью, имеющий сдвиг фазы 180° на нужной частоте, а затем отрегулировать петлевое усиление таким образом, чтобы возникли автоколебания. Создается положительная обратная связь ОУ на RC-цепи, в которой возбуждаются синусоидальные колебания.

Для одинаковых значений R и С коэффициент усиления по напряжению выходного сигнала по отношению к сигналу на неинвертирующем входе ОУ должен быть точно равен 3. При меньшем усилении колебания затухают, при большем -- выходной сигнал будет достигать насыщения. Искажение будет малым, пока амплитуда колебаний не выходит за пределы линейного участка характеристик усилителя, то есть не следует допускать колебаний полного размаха. Если не применить некоторые приемы для управления усилением, то выходной сигнал усилителя будет возрастать до уровня, при котором эффективный коэффициент насыщения вследствие насыщения упадет до 3,0. Поэтому необходимо ввести цепь, корректирующую коэффициент усиления ОУ (АРУ).

Для согласования генератора с нагрузкой необходимо использовать выходной усилительный каскад, который также был рассчитан в работе.

Глава 1. Расчёт параметров моста Вина

В данной работе будет реализован генератор синусоидальных колебаний, выполненный на ОУ в цепь ПОС которого включен мост Вина:

частота генерируемых колебаний f = 0,16 кГц

выходное амплитудное напряжение U_вых = 3 В

выходное сопротивление R_вых= 15 Ом

абсолютная погрешность установления частоты = 2%.

Базовая схема, по которой строится генератор:

Рисунок 1 - Базовая схема генератора

Здесь R₁ -- термозависимое сопротивление, необходимое для стабильности самовозбуждения генератора. Поскольку применение термозависимого сопротивления или маломощной лампы накаливания в качестве R₁ не является практичным, то вместо этого будем использовать систему автоматического регулирования усиления (АРУ).

Принципиальная схема генератора с мостом Вина показана на рисунке 2:

Рисунок 2 - Принципиальная схема генератора с мостом Вина

Глава 2. Расчёт генератора синусоидальных колебаний

2.1 Расчёт параметров моста Вина

Пусть вследствие различных причин коэффициент усиления и, значит, U_вых меняются в пределах ±10%. Транзистор VT1 и VT2 работают как линейное сопротивление, т.е. работают на линейном крутом участке выходной ВАХ, причем необходимо, чтобы выполнялось условие |U_си| < |U_зи|. В установившемся режиме генерации сопротивление канала должно составлять единицы - десятки кОм.

По расчету выходного каскада усилителя мощности необходимо обеспечить U_вых = 3B, I_вых = 0,6А, то есть нужно, чтобы напряжение на выходе ОУ было равным U_{вых ген} = 3,6В. Поскольку напряжение на инвертирующим входе U_n ОУ равно напряжению U_R4 (на резисторе R₄) или напряжению U_си+U_R3 или

Исходя из сказанного выше о выборе полевого транзистора, остановимся на транзисторе КП103И /4/.

Пусть в установившемся режиме работы генератора U_си = 0,75 В, тогда ток стока (при U_зи = 1 В) будет равен I_с =0,175 мА, в свою очередь сопротивление канала

Теперь определим величину R₅:

Выбирается из списка Е192.

2.3 Расчет цепи выпрямителя

Выпрямительные диоды VD1 и VD2 должны обеспечивать ток в прямосмещенном состоянии порядка единиц мА (лимитируется максимально возможным током операционного усилителя, отдаваемым в нагрузку), падение напряжения в открытом состоянии не более 1В, частоту, при которой ещё сохраняются заявленные параметры, большую, чем частота генерации.

Используем диод Д2Б /5/.

Пусть ток I_VDпр = 5 мА.

Напряжение на U_зи снимается с фильтрующего конденсатора С₃, следовательно, он должен зарядиться за полупериод выходного сигнала до значения 1,2 В.

То есть:

=1,113 мкФ

Постоянная времени разрядки конденсатора = должна быть много больше периода генерируемых колебаний

.

2.4 Оценка влияния отклонения выходного напряжения на ±10% от установившегося значения

При оценке используется ВАХ полевого транзистора КП103И. Для удобства факт изменения U_вых на ±10% будет отображаться верхними индексами +10% и -10% для всех меняющихся при этом величинах.

Так как активные элементы работают на линейных участках своих ВАХ, то будем считать, что изменение выходного напряжения на ±10% вызовет линейное изменение токов или напряжений в цепи АРУ.

А) Рассмотрим увеличение U_{вых ген} на 10%.

Тогда 3,96В. Следовательно прямой ток диода мА и напряжение на открытом диоде .

Напряжение затвор-исток на полевом транзисторе станет равным:

При этом напряжение сток-исток полевого транзистора составит По ВАХ определяется ток стока: Тогда сопротивление канала полевого транзистора составит R_к=6,111кОм.

Следовательно, коэффициент усиления снизится:

Происходит уменьшение коэффициента усиления на 8,3%.

Б) Рассмотрим уменьшение нa 10%.

Тогда . Прямой ток диода и напряжение на открытом диоде .

Напряжение затвор-исток на полевом транзисторе станет равным:

Напряжение сток-исток полевого транзистора составит . По ВАХ определяется ток стока: =0,21875 мА. Тогда сопротивление канала полевого транзистора составит R_к2=3,09 кОм.

Следовательно, коэффициент усиления снизится:

Происходит уменьшение коэффициента усиления на 8,3%.

Расчеты показывают, что изменение выходного напряжения на 10% не вызывает изменения коэффициента усиления на 10%.

Погрешность объясняется округлением номиналов сопротивлений до ближайших подходящих из ряда Е192. Кроме того, графоаналитический метод расчета не может дать большой точности, так как нет данных о работе элементов при интересующих условиях.

2.5 Расчет усилителя мощности

Каскад усилителя мощности будет строиться по двухтактной схеме на комплементарных транзисторах, работающих в режиме АВ.

Пусть необходимо получить максимальный ток в нагрузке 0,6 A, U_вых = 3 В.

Поскольку , составляет единицы вольт, то от предварительных каскадов усиления можно отказаться - необходимо лишь добиться усиления по току, а значит, необходимы большие значения коэффициента передачи по току h_21э (I_вых ОУ - сотни мкА - десятки мА, а ток нагрузки I_н=1 А).

Для обеспечения большого коэффициента передачи по току будут использованы составные транзисторы.

Схема верхнего плеча усилителя мощности изображена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 - Схема верхнего плеча усилителя мощности.

В качестве VT3 используется КТ503Е (h_2lэmin=40, h_2lэmax= 120), в качестве VT5-KT815B(h_2lэmin=40) - /4/.

Исходя из того, какой выходной ток и напряжение необходимо получить, определяем положение рабочей точки на входной и выходной ВАХ.

Все токи и напряжения, относящиеся к транзистору VT3, обозначены индексом 1, а относящиеся к VT5 - индексом 2.

А) Определяем положение рабочей точки, максимальные значения токов и напряжений для VT5:

напряжение покоя

;

источник питания выбирается из условия, тогда Е_п=10В;

ток покоя базы =0,5мА (I_ко2=20мА), тогда 0,7B;

максимальный ток коллектора I_к2m=0,6A, тогда максимальный ток базы

,

Б) Для транзистора VT3 проводятся те же операции, но с учетом результатов пункта А:

Ток базы тогда максимальный ток резистора VT3 равен

Напряжение покоя , ток коллектора где ток покоя базы берем равным

.

Напряжение покоя , по выходной ВАХ определяем при значение .

Максимальное входное напряжение:

сопротивление термостабилизации, величина которого берется равной (0,01?0,1)R_H (выходной каскад будем считать нагруженным на сопротивление R_H равное 5Ом).

Поскольку ВАХ-и для транзисторов снимаются для среднего значения коэффициента передачи по току, то можно пересчитать максимальный ток базы:

Определим входное сопротивление транзистора по переменному току:

А) для схемы включения с ОЭ с ООС - R_э:

Б) Для схемы с общим коллектором:

Определим значение R₈ и R₉ [3]: для полностью симметричной схемы и комплиментарных транзисторов,

 R₈ = R₉ ? , где I_дел должен превосходить ток покоя базы на несколько порядков, I_дел=1 мА, тогда R₈ = R₉ = 10 кОм.

Определим входное сопротивление усилительного каскада:

Тогда

Таким образом можно определить, какая часть выходного тока ОУ ответвляется в усилитель мощности:

Часть этого тока ответвляется в делитель

Остальная часть входного тока составляет ток базы VT3:

Напряжение

смещения

Для термостабилизации будут использоваться два транзистора КТ503Е. Результат использования транзисторов для термостабилизации намного превышает результат использования диодов.

2.6 Определение точностных параметров

Оценим точностные параметры установления заданной частоты:

- генерируемая частота в наихудшем случае.

С учетом выбранных элементов (по допустимому разбросу параметров)
f_мин=157,917Гц;

=(160-157.917)/160=0.013=1.3%, что меньше требуемых 2%.

Оценим точностные параметры генерации при изменении температуры на +30^оС.

Выбранным резисторам соответствует ТКС=+100ppm/^oC=+100, а выбранным конденсаторам соответствует ТКЕ=-75ppm/^oC=-75.

Тогда f_min=161,2202 Гц;

=(160-161.22)/160=0.0076=0.76%, что меньше требуемых 2%.

Заключение

В соответствии с заданием, в данной курсовой работе был разработан генератор синусоидальных колебаний с мостом Вина. Так же была рассчитана система АРУ для обеспечения уверенного запуска и автоматической корректировки уровня выходного сигнала.

Для обеспечения требуемой выходной мощности, был спроектирован усилитель мощности, выполненный по двухтактной схеме (режим АВ) на комплиментарных транзисторах, включенных в схему с общим коллектором. Питание схемы осуществляется от источника стабильного напряжения ±10В.

Спроектированный генератор, несмотря на разброс параметров элементов схемы, а так же на температурные изменения (резисторов и конденсаторов моста Вина), обеспечивает отклонение генерируемой частоты от заданной не более 2%.

Список использованной литературы

1. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника и микропроцессорная техника -М.: Высшая школа, 2ОО4.-787с.

2. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых
электронных устройств-М.: Додека-ХХI, 2005.-528с.

3. Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем-
М.: Энергия, 1973.-608с.

4. Транзисторы для аппаратуры широкого применения: Справочник/ Под
ред. Б.Л. Перельмана,-М.: Радио и связь, 1981.-656с.

5. Полупроводниковые приборы: диоды, тиристоры, оптоэлектронные
приборы: Справочник/ Под ред. Н.Н. Горюнова,-М.: Энергоатомиздат, 1987.-
744с.

6. Полупроводниковые приборы: транзисторы средней и большой
мощности: Справочник/Под ред. А.В. Голомедова,-М.: КУБКа, 1995.-510с.

Размещено на Allbest.ru