Размещено на http://www.allbest.ru/

Государственный комитет высшего и среднего образования

Российской Федерации

Белгородская Государственная Технологическая

Академия Строительных Материалов

Кафедра ТК

Курсовой проект

По электронике

Тема: «Разработка генератора сигнала специальной формы»

Выполнил:

студент группы АП-32

Майков М.Ю.

Принял: Коробкова Е.Н.

Белгород 2002

Содержание

Введение

1. Постановка задачи

2. Структурная схема генератора

3. Разработка принципиальной схемы

3.1 Выбор и расчет тактового генератора

3.2 Выбор и расчет интеграторов

3.3 Расчет делителей напряжений

3.4 Расчет сумматора

3.5 Расчет блока питания

3.6 Расчет усилителя мощности

Заключение

Список литературы

Введение

Неотъемлемой частью почти любого электронного устройства является генератор гармонических или каких-либо других колебаний. Кроме очевидных случаев автономных генераторов (а именно генераторы синусоидальных сигналов, генераторы каких-либо функций, импульсные генераторы) источник регулярных колебаний необходим почти в любом непрерывно действующем приборе, в устройствах, инициирующих измерения или технологические процессы, и вообще в любом приборе, работа которого связана с периодическими состояниями или периодическими колебаниями.

В зависимости от конкретного применения генератор может использоваться просто как источник регулярных импульсов; от него может потребоваться стабильность и точность, регулируемость, или способность генерировать колебания в точно заданной форме.

1. Постановка задачи

Разработать генератор сигнала специальной формы. Зависимость выходного напряжения от времени представлена на рис. 1.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1.1.

Условия:

t₁=t₂=10100mc

t₃=t₄=10100mc

T=1c

I_Hmax=1А

БП - трансформатор

2. Структурная схема генератора

БП - блок питания (трансформатор);

Выдает постоянное напряжение для питания схемы. Выходные номиналы питания: +5В, +15В, -5В, -10В, -15В (См. Расчет БП).

ТГ - тактовый генератор (мультивибратор).

Создает запускающие импульсы с периодом T=1c (См. расчет ТГ)

БУК - блок управления ключами;

УМ - усилитель мощности;

DA3,DA4 - интеграторы;

DA5-DA8 - компараторы напряжений;

R26,R27 - сопротивления.

Позволяют регулировать интервалы времени.

Сумматор - выполнен на основе ОУ;

U1-U9 - ключи коммутирующие сигнал.

Данная схема работает по следующей схеме:

Тактовый генератор вырабатывает импульсы с периодом 1с. Эти импульсы подаются в блок управления ключами. При срабатывании участка ключей DD2, закрываются ключи U1, U6, U7.

Происходит интегрирование входного сигнала +15В. Когда сигнал на выходе интегратора DA3 достигнет уровня +15В сработает компаратор DA5 и подаст импульс в БУК, участок ключей DD2 отключится и включит за собой DD3, который подключит ключи U1, U7, U9.

Что приведет к интегрированию входного сигнала с уровнем -10В. Когда сигнал на выходе интегратора DA3 достигнет уровня +5В сработает компаратор DA6 и подаст импульс в БУК, участок ключей DD3 отключится и включит за собой DD4, который подключит ключи U3, U5, U7.

На интеграторе DA3 останется постоянный сигнал уровнем +5В, на интеграторе DA4 начнется интегрирование входного сигнала +5В. При достижении уровня выходного сигнала интегратора DA4 +5В, сработает компаратор DA7, что приведет к переключению в цепи ключей с DD4 на DD5. Это повлечет за собой переключение на ключи U4, U5, U8.

Интегратор будет интегрировать входной сигнал уровнем в _10В, и при достижении уровня -5В, участок ключей DD5 отключится, и все ключи разомкнутся. Что приведет за собой подачу на выход нуля.

Далее процесс генерации повторится.

3. Разработка принципиальной схемы

3.1 Выбор и расчет тактового генератора

Рисунок 3.1

В качестве тактового генератора можно использовать автоколебательный мультивибратор.

Существует множество видов автоколебательных мультивибраторов (выполненных на разных элементах). Если рассмотреть некоторые из них, то можно увидеть их достоинства и недостатки. Например:

1. Автоколебательный мультивибратор с коллекторно-базовыми связями. Достоинствами этого мультивибратора являются: высокая стабильность амплитуды генерируемых импульсов и высокий коэффициент использования напряжения. Недостатки: мультивибратор имеет режим «жесткого» возникновения колебаний, сопротивление нагрузки существенно влияет на период колебаний мультивибратора, значительная длительность фронтов импульсов на коллекторах транзисторов (при их запирании).

2. Автоколебательный мультивибратор на ОУ. Достоинства: высокая нагрузочная способность и значительная амплитуда импульсов. Недостатки: сравнительно невысокое быстродействие, нестабильность частоты формируемого сигнала.

3. Автоколебательный мультивибратор на логических элементах. К достоинствам данного мультивибратора можно отнести: простоту конструкции и хорошо фиксированные уровни U⁰ и U¹. Недостатки: низкая стабильность частоты (из-за влияния внешних параметров: температура и д.р.), требуется индивидуальная подборка элементов времязадающей цепи.

В результате анализа приведенных выше достоинств и недостатков мультивибраторов я остановил свой выбор на автоколебательном мультивибраторе на логических элементах (рис. 3.1.1.).

Рассчитаем параметры время задающей цепи. Эти параметры задаются элементами: R28, R29, C10. Расчет ведется из одного из параметров технического задания, т.е. T=1c - период формирования выходного сигнала. Зададимся следующими значениями времязадающей цепи:

,

в результате чего получим:

где t1 и t2 - длительности квазиустойчивых состояний, т.е. t1 - соответствует моменту, когда на выходе логическая 1 (U¹=U_max), а t2 - соответствует моменту, когда на выходе логический 0 (U⁰=U_min). Получим период колебаний:

.

Рассчитаем выходные напряжения:

,

Отсюда видим, что выходная амплитуда тактового генератора равна:

.

I_потТГ= I_потDD1.1+ I_потDD1.2+ I_потDD1.3+ I_потDD1.4= 16 mA.

3.2 Выбор и расчет интеграторов

Интеграторы широко используются при построении аналоговых решающих и моделирующих устройств. Схема простейшего интегратора на ОУ представлена на рис.3.2.

Рисунок 3.2

Он создается введением по инвертирующему входу ОУ емкости С. Токи, текущие через емкость и через сопротивление равны. Тогда можно записать:



где U_{ВЫХ 0} - выходное напряжение при t=0. А так как отсчет времени ведут с момента поступления входного сигнала, причем обычно при t=0 U_вх=0 и U_вых=0. В связи с этим, U_{ВЫХ 0} можно принять равным нулю.

Интегратор DA3 выполнен на ОУ с емкостью C8 в ООС и сопротивлением R28 на входе (в интегратор), имеем:

Т.к. интеграторы имеют одинаковые постоянные интегрирования, то можно рассчитать только один из них, и применить результат ко второму интегратору.

Рассмотрим первый участок интегрирования от 0В до +15В., минимальное время интегрирования здесь равно 10 мс, а максимальное 100мс, рассчитаем для минимального времени:

Arctg(15/0,001)=RC, возьмем C=10пФ, получим:

R_пост.?100*10³ Ом. Для верхнего предела времени получим:

Arctg(15/0,01)=RC, при C=10пФ, получим:

R?1.27*10⁶ Ом. Изменяющаяся часть должна быть равна R_изм=1МОм.

В качестве ОУ возьмем ОУ следующего типа: К140УД7.

3.3 Расчет делителей напряжений

В данном курсовом проекте опорные напряжения задаются матрицей сопротивлений.

Рассчитаем делитель напряжения R6-R7. Его схема приведена на рисунке.

Рисунок 3.3

Выходное напряжение равно Uвых=5В. Напряжение питания равно Uп=15В. Все операционные усилители в данной работе запитываются от этого напряжения. Пусть R6=1кОм. Запишем формулу для нахождения Uвых, и, выразив из этого выражения R13, найдем это сопротивление:

, отсюда имеем

Рассчитаем делитель R13-R15 (рис. 3.4)



Рисунок 3.4

Находим значения сопротивлений аналогично предыдущему делителю. Зададимся R13=1kОм, получим:

R14=1kОм.

Аналогично получим R15=1kОм.

3.4 Расчет сумматора

При U0=0 напряжения на обоих входах равны и составляют

U_н=U_и=R1*U_вых/R1+R_ос.

При равенстве нулю тока по не инвертирующему входу, т.е. при равенстве входного сопротивления ОУ бесконечности имеем:



или

откуда имеем:

Схема сумматора представлена на рисунке.

Рисунок 3.5

Выбор параметров схемы производят, исходя из равенства единице второго сомножителя в правой части выражения:

Примем R33=R34=10кОм, тогда: R31=R32=20/2=10 кОм.

3.5 Расчет блока питания

Т.к. на выходе опорные напряжения равны -15В и +15В, то расчет трансформатором будет идентичен. Поэтому рассчитаем один из них.



Рисунок 3.6

В этой схеме Uвых регулируется с помощью R4.

Uвых=2.6(R4+R5)/R5 R4+R5=20kOm.

R2 необходимо для формирования Iогр,

R2=0,6/Iогр

VT1 является усилителем тока. Схема включения является базовой.

Диоды VD1-VD4:

Uвх=45B, т.е. Iпр=2A, Uобр=45/1.4=32B(~)

КД202В Iпр=5A, Uобр=70B

Возьмем C1=2200,0х68В, C3=0,15мкФ.

DA1 - K142ЕИ3А VT1 - КТ803А с параметрами

Iк_макс=10А, Pk_max=60Вт, Uкэ=70В, n_21э=30.

Выбираем ток защиты 3А, Iб_КТ1=3/30=0,1А

R2=0,6/0,1=6Ом, R3=3k+5% Е24 МТЛ 0,25В

Uвых=15В=2,6*20кОм/R5

R5=3448?3kОм+5% Е24 МЛТ 0,25В

R4=16kОм+5% Е24 МЛТ 0,25В

Значение одинаковых элементов равны между собой, а элементы идентичны.

3.6 Расчет усилителя мощности

генератор мультивибратор интегратор усилитель

Усилитель мощности служит для усиления сигнала по мощности. В генераторе сигналов специальной формы используется следующий УМ (принципиальная схема УМ показана на рисунке ниже):

Рисунок 3.7

Входной каскад реализован на ДК, выходной сигнал которого передается на предварительный усилитель VT4. Выходной каскад выполнен по схеме двухтактного эмиттерного повторителя. VT5 и VT6 работают в режиме АВ. Для увеличения стабильности работы УМ введена ООС по напряжению (R35).

Расчет по постоянной составляющей.

Пусть ток покоя выходного каскада VT5 и VT6 равен 60мА. Тогда для задания режима АВ сопротивления R36, R37 выберем из условия:

I_{вых п}=0.6/R37=60 мА

R37=R36=10 Ом

Ток покоя предварительного усилителя VT4 (КТ 316) примем равным I_{VT4 П}=10мА.

VD3,VD4,VD5 служат для создания падения напряжения между входами (базовыми) VT5 и VT6. В качестве диодов выберем КД 503 А. Учитывая, что схема запитывается напряжением +35В, выберем R38 из условия:

Падение напряжения на R38 равно

U_R38=-U_П+(U_R37+U^*),

где U^{* -} падение напряжения на эмиттерном переходе VT6 равно U^*=0.6В для КТ 819 А.

U_R38=-35+1,2=-33,8В;

R38=U_R38/I_{VT4 П}=33,8/10мА=3,38кОм.

VT5 выберем КТ 818 А

Ток покоя через VT2 равен 1мА. R32 задает режим VT4, следовательно, падение напряжения на R32=0,6В. отсюда

R32=0,6В/1мА=0,6кОм

VT2 выберем 1159 НТ1Б.

Ток покоя через VT3=2*I_{VT2 П}=2мА. VT3 выберем КТ 639 Б.

I_{Б VT3}= I_{К VT3}/= I _{VT3 П}/={при =250 для КТ 639 Б }=0,04 I _{VT3 П}

U_{Б VT3}=1+0.6=1.6В

I_ДЕЛ=35/(R33'+R33'') I_R33'=1.6В/R33'

I_ДЕЛ=1мА R33'=1.6/1мА=1,6кОм

R33''=(35-I_ДЕЛ*R33')/I_ДЕЛ=33,4кОм

R34=34/ I _{VT3 П}=34/2мА=17кОм

U_{Б VT2}=-35+34,6=-0,4В

I_{Б VT2 П}= I _{VT2 П}/={ при =250 для 1159НТ 1Б }=0,004мА

I_R30=10мА U_{Б VT2}=-0.4В

R30=0.4/1мА=40Ом R31=(35-0,4)/10мА=3,46кОм

Расчет по переменной составляющей.

Коэффициент усиления УМ по напряжению без учета ООС.

K_U=K1*K2*K3

K1=R_K/R_{Э -} Коэффициент усиления ДК

R_K=R32r_ЭVT4 r_ЭVT4=_t/(I_Э)_VT4=2.6Ом

R_K=(600*250*2*6)/(600+250*2*6)=312

K1=312/52=6

K2= R_K/R_Э=r_{ВХ VT5} r_{ВХ VT6}R38/ r_ЭVT4 - к.у.VT4

r_{ВХ VT5}= r_{ВХ VT6}= r_ЭVT5=40*26/60=17.3

R_K= r_{ВХ VT5}*R38/(r_{ВХ VT5}+2*R38)=8.62Ом

R_Э= r_ЭVT4=_t/I_{VT4 П}=26/10=2,6Ом

K2=6.65*R38/(17.3+2*R38)=3.31

K3=1, так как эмитерный повторитель

K_U=K1*K2*K3=6*3,31*120

С учетом ООС по коэффициенту усиления УМ

K= K_U/(1+ K_U* K_OC)

K_OC=R35'/(R35'+R35'')

Т.к. необходимо К выбрать равным 10, то

R35'/(R35'+R35'')= (K_U-10)/10* K_U

или R35'+R35''= R35'*10* K_U/ (K_U-10)

Приняв R35'=10кОм

R35''= R35'*10* K_U/ (K_U-10)- R35'=190кОм

K_OC=R35'/(R35'+R35'')=0,05

K= K_U/(1+ K_U* K_OC)=10

Заключение

В данном курсовом проекте был спроектирован генератор специальной формы. При этом были получены навыки проектирования электронных схем, изучены соответствующие методики и принципы их построения.

В данной работе за счет упрощения структуры генератора сигнала специальной формы повышается надежность схемы, т.к. чем больше функциональных элементов, тем система более уязвимая по отношению к различного рода воздействиям.

Спроектированная схема может использоваться в качестве учебного пособия для студентов, изучающих принципы построения сигналов специальной формы.

Список литературы

П. Хоровиц, У. Хилл. Искусство схемотехники.-М.: Мир, 1993.

У. Титце, К. Шенк. Полупроводниковая схемотехника.-М.: Мир, 1986.

Интегральные микросхемы. - М.: Радио и связь,1990.

Аналоговые интегральные микросхемы. - М.: Изд-во МЭИ,1993.

Н. И. Воробьев. Проектирование электронных устройств.-М.: Высшая школа, 1989.

Полупроводниковые оптоэлектронные приборы. - М.:Энергоиздат,1998.

Ю. С. Забродин. Промышленная электроника.-М.: Высшая школа, 1982.

8. Полупроводниковые приборы. - Минск: Беларусь, 1987.

Размещено на Allbest.ru