RC-генератор синусоидального сигнала на операционном усилителе

Размещено на http: //www. allbest. ru/

RC-генератор синусоидального сигнала на операционном усилителе



Содержание

• Введение
• 1. Выбор и обоснование схемы построения RC - генератора
• 2. Расчет генератора
• 2.1 Принципиальная схема генератора
• 2.2 Расчет генератора синусоидальных колебаний
• 2.2.1 Расчет цепи ПОС моста Вина
• 2.2.2 Расчет цепи ООС и цепи АРУ
• Список использованных источников и литературы
• Приложение А


Введение

Задание 3

Разработать устройство, выполняющее заданную функцию формирования или преобразования сигнала.

Вариант 12 для задания 3 приведен в приложении Г.

Разработать RC генератор синусоидального сигнала на операционном усилителе с параметрами f=10 кгц, U_m= 10 В, U_пит= ± 15 В. Амплитуда должна быть стабилизирована.

Решение к Заданию 3, вариант 12

Введение

Современное развитие средств вычислительной техники во всех областях человеческой деятельности невозможно без электроники и микроэлектроники, поскольку они позволяют создавать быстродействующие, надежные, дешевые, имеющие минимальные весогабаритные показатели, элементы и устройства.

Одним из важнейших направлений в современной электронике является разработка автогенераторов, позволяющих получить синусоидальное, пилообразное, прямоугольное и другие виды напряжений на их выходе. Генератором синусоидальных колебаний называется электронное устройство, преобразующее электрическую энергию источника постоянного тока в энергию незатухающих синусоидальных колебаний заданной частоты и мощности. В устройствах промышленной электроники используются, в основном, низкочастотные (0,01…100 КГц) и высокочастотные (0,1…100 МГц) генераторы, которые применяются в измерительных и регулирующих устройствах, в устройствах питания технологических установок ультразвуковой обработки материалов, а также в качестве задающих генераторов.



1. Выбор и обоснование схемы построения RC - генератора

Для получения сигнала синусоидальной формы сигнала с малыми искажениями на операционных усилителях (ОУ), вообще говоря, подходит большое количество описанных в литературе схем построения [2…11]. Хотя в большинстве функциональных генераторов на широкий диапазон частот используется «размывание» колебаний треугольной формы и с помощью диодных ограничителей, в конце концов уровень искажений редко удается снизить до значений, меньших 1%. Для сравнения: большинство высококачественных звуковых колонок требуют усилителей с уровнем искажении не больше 0,1%. Для испытаний подобной звуковоспроизводящей аппаратуры требуются источники чистого синусоидального сигнала с остаточным искажением не больше 0,05%.

На низких и средних частотах хорошим источником синусоидальных колебаний с малым уровнем искажении служит мостовой генератор Вина (рис.1 и рис.2) [4,5]. 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. Для одинаковых значений R и С коэффициент усиления по напряжению выходного сигнала по отношению к сигналу на неинвертирующем входе ОУ должен быть точно равен +3,0. При меньшем усилении колебания затухают, при большем - выходной сигнал будет достигать насыщения.

Искажение будет малым, пока амплитуда колебаний не выходит за пределы линейного участка характеристики усилителя, т. е. не следует допускать колебаний полного размаха. Если не применить некоторых приемов для управления усилением, то именно это и произойдет - выходной сигнал усилителя будет возрастать до уровня, при котором эффективный коэффициент усиления вследствие насыщения упадет до 3,0. Эти приемы включают в себя некую управляющую усилением обратную связь с большой постоянной времени.

Рисунок 1 Мостовой RC-генератор Вина и со стабилизацией амплитуды лампой накаливания

Рисунок 2 Мостовой RC- генератор Вина и со стабилизацией амплитуды с помощью полевого транзистора

В первой схеме на рис.1 в качестве элемента обратной связи с переменным сопротивлением используется лампа накаливания. При повышении уровня выходного сигнала нагревается нить лампы, уменьшая коэффициент неинвертирующего усиления. Искажения гармонического сигнала в показанной схеме для диапазона звуковых частот (выше 1 кГц) не превышают 0,003%. Во второй схеме рис.2 амплитудный детектор, состоящий из диодов и RС-цепи, регулирует усиление по переменному току, меняя сопротивление полевого транзистора, который при малых напряжениях ведет себя как нелинейное сопротивление. Следует отметить, что используется большая постоянная времени (2с). Для исключения искажений это существенно, поскольку быстродействующая обратная связь исказила бы генерируемую синусоидальную волну, пытаясь регулировать её амплитуду в пределах одного периода.

Поэтому выберем для построения RC - генератора на ОУ (далее просто генератора) - схему генератора Вина со стабилизацией выходной амплитуды с полевым транзистором.



2. Расчет генератора

сигнал синусоидальный колебание амплитуда

2.1 Принципиальная схема генератора

Как мы определили генератором называется автоколебательная система, в которой энергия источника питания преобразуется в энергию колебаний [2…11].

Схема генератора содержит ОУ с коэффициентом усиления К, охваченный ПОС с коэффициентом передачи . Условие самовозбуждения генератора распадается на два: условие баланса амплитуд:

K·=1,3

определяющее амплитуду стационарных колебаний генератора, и условие баланса фаз

цК + ц= 2·р·N, N=0,1,2…,

являющееся условием положительной обратной связи и определяющее частоту колебаний автогенератора. При выполнении этих условий случайное изменение напряжения на входе усилителя усиливается в К-раз, затем ослабляется в -раз и снова появляется на входе усилителя в той же фазе и той же или большей величины. Если условия самовозбуждения будут выполняться для одной частоты или узкой полосы частот, то колебания будут синусоидальными.

Перейдем к проектированию принципиальной схемы нашего устройства. В качестве усилительного элемента используется операционный усилитель, который в схеме будет охвачен глубокой ООС по напряжению, поэтому его собственный коэффициент гармоник можно считать равным нулю. Усилитель подключим двухполярно. Выберем операционный усилитель типа КР140УД18 со следующими параметрами [7]:

Таблица 1 Параметры ОУ КР140УД18

Кu	50000
f, МГц	1
Rвх, нОм	10
Rвых, мОм	0,5
Rн, кОм	2
Vu вых, В/мкс	2
Uвых макс, В	12
Iвых макс, мА	6
Uпит,B	15
Iпот, мА	4

Частотно-избирательные цепи в генераторах синусоидальных колебаний применяются двух типов - LC и RC, содержащие соответственно только индуктивности и емкости или только емкости и сопротивления. Применение частотно-избирательных цепей типа LC в генераторах низких частот становится весьма затруднительным, так как увеличиваются геометрические размеры элементов контура, уменьшается добротность колебательной системы, становится невозможной плавная перестройка контура в широком интервале частот. Поэтому для генераторов низких частот применяют частотно-избирательные цепи типа RC.

Резонансные RC цепи делятся на фазосдвигающие и мост Вина (рис.3). В генераторах с мостом Вина достигается наименьший коэффициент нелинейных искажений, в общем случае, от долей до нескольких процентов. Такие схемы имеют гораздо меньшее затухание сигнала (коэффициент передачи равен 1/3) и не поворачивают фазу выходного сигнала. Последнее обстоятельство позволит включить ОУ по схеме неинвертирующего усилителя, благодаря чему резко увеличивается его входное сопротивление и уменьшается выходное. К недостаткам генераторов с мостом Вина (рис.3) можно отнести низкий коэффициент полезного действия, который не превышает 50%.

Рисунок 3 Сема проектируемого генератора с мостом Вина

Условие баланса для моста Вина может быть выполнено, если фазовый сдвиг в цепи равен нулю или кратен 2р. Для этого коэффициент передачи моста Вина должен быть равен:

(1)

U1 -вход цепи ОС, выход для ОУ;

U2 -выход цепи обратной связи, неинвертирующий вход для ОУ;

-коэффициент усиления ОУ;

-коэффициент передачи.

Чтобы привести полученное комплексное число к вещественному виду необходимо равенство фаз ц1=ц2, где

(условие баланса фаз).

Следовательно:

(2)

Если C1=C2=С и R1=R2=R, тогда

,

т.е. для самовозбуждения на частоте щ₀ сигнал необходимо усилить не менее чем в 3 раза. Следовательно, для выполнения условия баланса амплитуд (К·=1) необходимо чтобы коэффициент неинвертирующего усиления был равен трем, т.е.

(3)

Коэффициент передачи цепи ООС =1/3 будет обеспечиваться при R3=2R4.

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 автоматической регулировки усиления (АРУ). Применим АРУ на основе полевого транзистора, используя свойство его канала изменять свое сопротивление в широких пределах в зависимости от напряжения на затворе, когда оно не превышает напряжения отсечки. Цепь АРУ функционирует следующим образом: продетектированное и выпрямленное с помощью диода и RC-фильтра выходное напряжение подается на затвор полевого транзистора и управляет сопротивлением его канала, включенного непосредственно в цепь ООС операционного усилителя.

Окончательно схема генератора синусоидальных колебаний будет иметь вид, представленный на рис.4.

Рисунок 4 Схема RC - генератора Вина синусоидальных колебаний со стабилизацией амплитуды

2.2 Расчет генератора синусоидальных колебаний

2.2.1 Расчет цепи ПОС моста Вина

Определим ток I_пос. Резисторы R5=R6=R, емкости C2=C3=C; частота



f=1/(2рRC), отсюда:

Зададим емкость конденсатору С=510 пФ и вычислим сопротивление R:

Определим ток I_пос:

0,21 мА.

Вычислим входное сопротивление моста Вина:

Выберем номиналы резисторов R5 = R6 = 31,2 кОм.

Вычислять мощности резисторов R5 и R6 при протекании тока I_пос не будем ввиду очень малого тока.

Подберем модели резисторов и конденсаторов из стандартного ряда Е192

R5, R6: С2-23 - 0,125 - 31,2кОм 1%;

C2, C3:КМ5 - П33 - 510пФ 50 В ± 5%.

2.2.2 Расчет цепи ООС и цепи АРУ

Для возникновения самовозбуждения в схеме генератора необходимый коэффициент усиления ОУ должен быть равен трем.

Зададим значение R3=20 кОм. Обычно [2…11] схема должна обеспечивать регулировку коэффициента усиления в пределах Ku=10%. Обозначим через Rк сопротивление канала полевого транзистора, сопротивление

Rп=R4||(R2+Rк)

Тогда коэффициент усиления ОУ можно найти по формуле:

Обозначим максимальное значение этого сопротивления через R_пмакс, тогда значение R_пмакс можно найти так:

Минимальный коэффициент усиления обеспечивается, когда сопротивление R_п максимально (т.е. максимально значение R_к).

Максимальный же коэффициент усиления обеспечивается, когда сопротивление R_п минимально (значение R_к минимально).



Обозначим минимальное значение этого сопротивления через R_пмин и найдем его:

Последовательное соединение сопротивления канала полевого транзистора и резистора R2:

R*=R2+Rк.

Запишем выражения для максимального и минимального значений сопротивления R*:

Изменение сопротивления R* линейно зависит от сопротивления канала полевого транзистора Rк. Обозначим границы изменения сопротивления R*:

Обозначим через k диапазон изменения сопротивления канала полевого транзистора. Используя полученные выражения, получим следующую формулу для k:



Зададимся значением k = 15кОм и решим уравнение относительно R4. Получим два решения: 6795 Ом и 18929 Ом. Но первое из них отбрасываем, так как имеется ограничение: сопротивление R4 > R_пмакс, иначе сопротивление канала должно было бы быть меньше нуля, чего не может быть. Итак, выбираем номинал резистора R4 = 19,1 кОм.

Теперь запишем, например, выражение для R_пмин:

Для АРУ выберем полевой транзистор типа КП303А - табл.3.

Таблица 2 Параметры транзистора КП303А

Uотс, В	3
С11, пФ	6
С12, пФ	2
Uзимакс, В	30
Uсимакс, В	25
Uзсмакс,В	30
Iсмакс,мА	20

Минимальное сопротивление канала rk₀ = 150 Ом.

Подставив в формулу , находим значение сопротивления R2 по формуле:



Выбираем номинал резистора R2 =16 кОм.

В рабочем режиме значение коэффициента усиления Ku = 3. Найдем сопротивление ветви Rп в рабочем режиме:

Зная значение Rп, находим сопротивление канала полевого транзистора в рабочем режиме:

Определяем максимальное сопротивление канала полевого транзистора при R_пмакс:

С другой стороны, это сопротивление можно вычислить по формуле:

где

Uотс -напряжение отсечки;

U_ЗИ - напряжение между затвором и истоком в рабочем режиме.

Его можно выразить и найти из формулы:



Определим максимальное напряжение между затвором и истоком Uзимакс:

Из расчетов видно, что для того, чтобы изменить коэффициент усиления на +10% необходимо изменить напряжение на затворе транзистора менее, чем на 60 мВ.

Параметры фильтра АРУ обычно выбирают таким образом, чтобы:

Пользуясь выражением можно вывести модуль сопротивления фильтра:

Из соображений стабильности обычно выбирают значение R1” = 1 МОм. Тогда из выражения вычисляем R_ф = 50 кОм.

И далее находим:



Выбираем номинальное значение емкости конденсатора С1 = 320 пФ. Выбираем конденсатор С1 типа КМ5 - П33 - 320пФ 50 В ± 5%.

Выберем тип диода VD1 по возможности с как можно меньшими значениями падения напряжения на открытом диоде, с малым временем обратного восстановления и обратным током. Например, КД522А со следующими параметрами []:

Таблица 3 Параметры диода КД522А

Uпр, В	0,4
Uобр, В	30
Iпр, мА	100
Iобр, мкА	2

В предыдущих расчетах мы принимали амплитуду выходного напряжения ОУ относительно общей шины U_выхОУ = 10 В. Значит, на резисторе R1 в рабочем режиме должно падать напряжение:

Сопротивление R1 вычисляем по формуле:

Выбираем номинал резистора R1 = 101 кОм.

Выбираем резистор R1 из ряда Е96 типа МЛТ - 0,125 - 100кОм ± 5%.

Выбираем резистор R1” из ряда Е24 типа МЛТ - 0,125 - 1 М ± 1%.

Подстроечный резистор R1 представляет собой 2 резистора R1 и R1” со средним выводом:



R1=R1+R1”.

Выберем подстроечный резистор R1 типа СП5 - 1ВА - 0,25 - 1,1 МОм ± 5%.

Выбираем резистор R3 из ряда Е24 типа МЛТ - 0,125 - 20 к ± 1%.

Сопротивление R_кмин при этом составляет 150 Ом.

Выбираем резистор R4 из ряда Е96 типа МЛТ - 0,125 - 19,1 к ± 1%.

Выбираем тип резистора R2 из ряда Е24: МЛТ - 0,125 - 16 к ± 1%.

Полная электрическая принципиальная схема генератора и перечень элементов приведены в Приложении А.



Список использованных источников и литературы

1. Геллер Б. Л. Судовая электроника: учебно-методическое пособие по курсовой работе для студентов специальности «Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики» / Б.Л. Геллер. - Калининград: ФГБОУ ВПО «КГТУ», 2014. - 33 с.

2. Кофлин Р., Дрискол Ф. Операционные усилители и линейные интегральные схемы / Пер. с англ. под ред. Б. Н. Гальперина. - М.: Мир, 1979. - 356 с.

3. Рутковски Дж. Интегральные операционные усилители. - М.: Мир, 1978. - 323 с.

4. Бойко В. И. Схемотехника электронных систем. Аналоговые и импульсные устройства. - СПб.: БХВ - Петербург, 2004. - 496 с.

5. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: Пер. с англ. - Изд. 2-е. - М.: Издательство БИНОМ. - 2014. - 704 с.

6. Хоровиц П. Искусство схемотехники / П. Хоровиц, У. Хилл - М.: Мир, 1983 - 1993. - Т. 1, 2, 3.

7. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник Под ред. С. В. Якубовского. - М.: Радио и связь, 1989. - 496 с.

8. Нефедов А. В. Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги. Справочник.Т.1…12. - М.: ИП РадиоСофт, 2000.

9. Геллер Б. Л. Судовая электроника: учеб. пособие. Калининград: ФГОУ ВПО «КГТУ», 2011.

10. Опадчий Ю. Ф. Аналоговая и цифровая электроника (полный курс): учебник для вузов. М.: Горячая линия - Телеком, 2007.

11. Проектирование генераторов синусоидальных колебаний. Реферат. - [Электронный ресурс] - http://revolution.allbest.ru/radio/00469909_0.html.

12. Конденсаторы: справочник / под ред. И. И. Четверткова, М. Н. Дьяконова. М.: Радио и связь, 1993.

13. Резисторы: справочник / под ред. И. И. Четверткова и В. М. Терехова. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Радио и связь, 1991.

14. Полупроводниковые приборы. Диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы: справочник / А. В. Баюков [и др.]; под общ. ред.

Н. Н.. Горюнова. 2-е изд., перераб. М.: Энергоатомиздат, 1985.

15. ГОСТ Р 7.0.5-2008. Библиографическая ссылка. Общие требования и правила составления.

16. Усатенко С. Г., Каченюк Т. К., Терехова М. В. Выполнение электрических схем по ЕСКД: справочник. М.: Издательство стандартов, 1989.

17. Александров К. К., Кузьмина Е. Г. Электротехнические чертежи и схемы. М.: Энергоатомиздат, 1990.



Приложение А

Размещено на Allbest.ru