Генератор синосоидальных колебаний

Чертеж.cdw

Курсач Илдар.doc

Расчёт параметров моста Вина . .. ..8
Расчет цепи ООС и АРУ 11
Расчет цепи выпрямителя . 14
Оценка влияния отклонения выходного напряжения на ±10% от установившегося значения 15
Расчет усилителя мощности 17
Определение точностных параметров 23
Список использованной литературы ..25
Неотъемлемой частью почти любого электронного устройства являются генераторы. Генератором синусоидальных (гармонических) 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 30. Поэтому необходимо ввести цепь корректирующую коэффициент усиления ОУ (АРУ).
Для согласования генератора с нагрузкой необходимо использовать выходной усилительный каскад который так же был рассчитан в работе.
В данной работе будет реализован генератор синусоидальных колебаний выполненный на ОУ в цепь ПОС которого включен мост Вина частота генерируемых колебаний
выходное амплитудное напряжение Uвых = 3 В
выходное сопротивление Rвых= 3 Ом
абсолютная погрешность установления частоты -2%.
Базовая схема по которой строится генератор приводится в 2:
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 системой АРУ и мостом Вина показана на рисунке 2:
Рисунок 2 - Принципиальная схема генератора с системой АРУ и мостом Вина.
Расчёт генератора синусоидальных колебаний
Расчёт параметров моста Вина
Рисунок 1.1.1 - Принципиальная схема генератора с системой АРУ и
Определим номиналы емкостей и сопротивлений составляющих мост Вина.
Потенциал Up равен напряжению падающему на параллельно
соединенных элементах R5 и С2. Пусть R5=R7=R и С2=С3=С тогда
коэффициент передачи моста определится как:
аналогичный результат можно найти в 1.
Комплексный коэффициент передачи будет действительной величиной (то есть частотно независимым) только когда мнимая часть =0 то есть при
- в этом случае где частота w- есть частота колебаний генерируемых генератором.
Из условия баланса амплитуд коэффициент усиления который должен обеспечить усилитель должен составлять 3.
Коэффициент усиления по неинвертирующему входу равен 3 то есть:
значит что где -сопротивление канала полевого транзистора VT1.
С другой стороны потенциал точки Vn можно определить как
Для идеального ОУ разность потенциалов Vn-Vp=0 то есть Vn=Vp 2 тогда
получим . В режиме установившейся генерации а значит .
Уучитывая что КUООС=2 и неидеальность ОУ (то есть конечность значений коэффициента усиления ОУ не охваченного обратными связями КUОУ конечность входного и выходного сопротивления ОУ - RBXoy RВЫХоу) рассчитаем
значения емкостей и сопротивлений входящих в мост Вина:
Выбор микросхемы ОУ осуществляем по значениям параметров: RвхОУ RвыхОУ КUOC Iвхmax Rвыхmax Iпотр Uпит fгр.
Для современных и не очень ОУ характерны высокие показатели приведенных выше параметров. Среди найденных микросхем останавливаемся на микросхеме фирмы Analog Devices - AD 820 имеющей следующие характеристики:
напряжение питания Uпит В однополярное 3-36;
двуполярное ±1.5- ±18;
дифференциальный коэффициент усиления КUOУ 106;
максимальный входной ток Iвхma
максимальный выходной ток Iвыхma
ток потребления Iпотр мА 062;
входное сопротивление RвхОУ МОм 107;
выходное сопротивление RвыхОУ Ом 400;
максимальная частота fгр МГц 18;
По приведенным данным рассчитываем R и С:
Расчет цепи ООС и АРУ
Пусть вследствие различных причин коэффициент усиления и значит Uвых меняются в пределах ±10%. Резистор R6 рекомендуется выбирать из диапазона 1÷50 кОм.
Транзистор VT1 работает как линейное сопротивление т.е. работает на линейном крутом участке выходной ВАХ причем необходимо чтобы выполнялось условие Uси Uзи. В установившемся режиме генерации сопротивление канала должно составлять единицы-десятки кОм.
По расчету выходного каскада усилителя мощности необходимо обеспечить Uвых=3B Iвых=06А то есть нужно чтобы напряжение на выходе ОУ было равным Uвых ген=36В. Поскольку напряжение на инвертирующим входе Un ОУ равно напряжению UR4 (на резисторе R4) или напряжению Uси+UR3 или
Исходя из сказанного выше о выборе полевого транзистора остановимся на транзисторе КП103И 4.
Увеличенная выходная ВАХ взята из 4:
Рисунок 1.2.1 – Увеличенная выходная ВАХ полевого транзистора КП103И
Пусть в установившемся режиме работы генератора Uси = 075 В тогда ток стока (при Uзи = 1 В) будет равен Iс =0175 мА в свою очередь сопротивление канала
Теперь определим величину R3:
Выбирается кОм из списка Е192.
Величина R4 может быть определена из того что где известны а R6=8кОм выбирается в соответствии рекомендациямтогда R4=9556 кОм (выбирается R4=953 кОм )
Расчет цепи выпрямителя
Выпрямительный диод VD1 должен 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 IVDпр=5 мА тогда UVDпр=09 В.
Тогда с учетом заданного Uзи IVDnp UVDпр определим величину сопротивления R2 :
Напряжение на Uзи снимается с фильтрующего конденсатора С1 следовательно он должен зарядиться за полупериод выходного сигнала до значения 12 В.
Постоянная времени разрядки конденсатора должна быть много
больше периода генерируемых колебаний . Например при R1=100 кОм получим
Оценка влияния отклонения выходного напряжения на ±10% от установившегося значения
При оценке используется ВАХ полевого транзистора КП103И изображенная на рисунке 1.2.1. Для удобства факт изменения Uвых 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 Uвых ген на 10%.
Тогда 396В. 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 Rк=6111кОм.
Следовательно коэффициент усиления снизится:
Происходит уменьшение коэффициента усиления на 83%.
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: =021875 мА. Тогда сопротивление канала полевого транзистора составит Rк2=309 кОм.
Следовательно коэффициент усиления снизится:
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.
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 06 A Uвых=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 h21э (Iвых ОУ - сотни мкА - десятки мА а ток нагрузки Iн=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 (h2lэmin=40 h2lэmax= 120) в качестве VT5-KT815B(h2lэmin=40) - 4.
Входная и выходная ВАХ КТ503Е:
Рисунок 2.2 – Входная ВАХ транзистора КТ503Е
Рисунок 2.3 – Выходная ВАХ транзистора КТ 503В.
Входная и выходная ВАХ КТ815В:
Рисунок 2.2 – Входная ВАХ транзистора КТ 815В
Рисунок 2.5 – Выходная ВАХ транзистора КТ815В
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:
источник питания выбирается из условия тогда Еп=10В;
ток покоя базы =05мА (Iко2=20мА) тогда 07B;
максимальный ток коллектора Iк2m=06A 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 (001÷01)RH (выходной каскад будем считать нагруженным на сопротивление RH 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 – Rэ:
Б) Для схемы с общим коллектором:
Определим значение R8 и R9 [3]: для полностью симметричной схемы и комплиментарных транзисторов R8 = R9 где Iдел должен превосходить ток покоя базы на несколько порядков Iдел=1 мА тогда R8 = R9 = 10 кОм.
Определим входное сопротивление усилительного каскада:
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.
Определение точностных параметров
Оценим точностные параметры установления заданной частоты:
- генерируемая частота в наихудшем случае.
С учетом выбранных элементов (по допустимому разбросу параметров)
что меньше требуемых 2%.
Оценим точностные параметры генерации при изменении температуры на +30оС.
Выбранным резисторам соответствует ТКС=+100ppmoC=+100 а выбранным конденсаторам соответствует ТКЕ=-75ppmoC=-75.
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
Гусев В.Г. Гусев Ю.М. Электроника и микропроцессорная техника -М.: Высшая школа 2ОО4.-787с.
Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых
электронных устройств-М.: Додека-ХХI 2005.-528с.
Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем-
М.: Энергия 1973.-608с.
Транзисторы для аппаратуры широкого применения: Справочник Под
ред. Б.Л. Перельмана-М.: Радио и связь 1981.-656с.
Полупроводниковые приборы: диоды тиристоры оптоэлектронные
приборы: Справочник Под ред. Н.Н. Горюнова-М.: Энергоатомиздат 1987.-
Полупроводниковые приборы: транзисторы средней и большой
мощности: СправочникПод ред. А.В. Голомедова-М.: КУБКа 1995.-510с.

Приложение Б.doc

К53-1А-50 В-113 мкФ ±10%
К50-7 500 мкФ х 160 В ±5 15%
Генератор синусоидальных колебаний