Генератор синусоидального напряжения

KORPUS.DWG

Схема электрическая принципиальная
Генератор синусоидального
Переключатель типа ТВ1
Регулятор уровня ПГ2
Трансформатор ТПП307
Переменный резистор типа СП2-2

Аннотация.doc

Хакимова А.Р. Генератор синусоидального напряжения:
Пояснительная записка к курсовому проекту по курсу «Аналоговые измерительные устройства». — Челябинск ЮУрГУ 2004. — 22 с.
В курсовом проекте рассматривается построение электронного устройства на основе знаний полученных в курсе электроники. Данный курсовой проект является одним из способов решения задачи конструирования генератора синусоидального напряжения. Многие решения реализации функциональных блоков заимствованы из уже существующих реальных схем на основе опытных данных. Данный проект возможно использовать в различных устройствах. Полученная система моделируется в программе «Electronic Workbench 4.1» и результаты моделирования удовлетворяют заданным требованиям.
Ил. 2Библиография 3 назв.

Alfa_shema.dwg

Генератор синусоидального напряжения. i-9
Схема электрическая принципиальная

мой курсач.doc

ОБОСНОВАНИЕ И ВЫБОР ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ3
РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ И РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ УЗЛОВ5 УСТРОЙСТВА
1 ЗАДАЮЩИЙ ГЕНЕРАТОР5
2 РЕГУЛЯТОР УРОВНЯ10
3 УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ10
4 ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ17
МОДЕЛИРОВАНИЕ ОСНОВНЫХ УЗЛОВ СХЕМЫ21
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ24
ПРИЛОЖЕНИЕ А: ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА УСТРОЙСТВА
ПРИЛОЖЕНИЕ Б: ПЕЧАТНАЯ ПЛАТА УСТРОЙСТВА
Существует множество способов получения переменного электрического сигнала с синусоидально изменяющимся напряжением. Устройства получающие на выходе такой сигнал могут быть реализованы на LC – контурах RC – цепях кварцевых резонаторах и др. Ввиду того что диапазон частот генерируемого сигнала приведенный в данных к курсовой работе низкочастотный (принадлежит диапазону звуковых частот) то LC – контур неприемлем (очень большие значения индуктивности). Кварцевый генератор используется в системах с очень высокой точностью и быстродействием. Более дешевая альтернатива – мост Вина который представляет собой две последовательно соединенные параллельную и последовательную RC – цепочки.
Используем мост Вина для разработки задающего генератора синусоидальных напряжений в соответствии с данными технического задания. Он позволяет легко реализовать генерируемый сигнал в широком частотном диапазоне (шириной более 100000 Гц).
При регулировании частоты на мосте Вина возникает задача стабилизации амплитуды выходного сигнала в соответствии с изменением частоты так чтобы на выходе она оставалась неизменной (заданного значения).
Одним из способов является применение звена усиления с нелинейно – зависящей от выходного сигнала отрицательной обратной связью таким образом чтобы при возрастании амплитуды выходного сигнала коэффициент усиления отрицательной обратной связи возрастал и тем самым уменьшал амплитуду генерируемого сигнала и наоборот при уменьшении входного сигнала коэффициент усиления отрицательной обратной связи уменьшался и тем самым увеличивал амплитуду генерируемого сигнала.
В курсовой работе для расчетов использовались следующие пакеты:
-MathCad 2001 Professional – для проведения расчетов пояснительной записки.
-Electronics WorkBench 4.1 – для моделирования рассчитанных узлов.
-OrCad 9.2 - для построения принципиальной схемы всего устройства
- для создания чертежей по соответствующим ГОСТам
- для построения печатной платы устройства.
-Microsoft Word 97 – для написания пояснительной записки.
ОБОСНОВАНИЕ И ВЫБОР ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ
Генератор синусоидального напряжения проектируется на основе задающего генератора (основан на использовании в цепи обратной связи моста Вина) предварительного усилителя и усилителя мощности. Задающий генератор обеспечивает удовлетворение всех требований по характеристикам генерируемого сигнала (частота амплитуда стабильность сигнала). Для обеспечения блоков аппаратуры выходными напряжениями (токами) заданного номинала и качества используется источник питания. Функциональная схема генератора синусоидального напряжения представлена на рис.1.
Рис.1 Функциональная схема генератора синусоидального
Обозначения на рис.1:
ПОС – цепь положительной обратной связи;
КЧЗЦ – коммутируемая частотозадающая цепь;
СА – стабилизатор амплитуды;
РУ – регулятор уровня выходного напряжения;
ПУ – предварительный усилитель;
УМ – усилитель мощности;
ООС – цепь отрицательной обратной связи;
От задающего генератора подается напряжение синусоидальной формы стабильной амплитуды и частоты на вход усилителя. Обычно в ходе работы ГСН амплитуда выходного напряжения задающего генератора не меняется и для установки нужной величины напряжения на нагрузке в схему включен регулятор амплитуды.
Источник питания является выпрямительным устройством и состоит из четырех узлов: трансформатора вентильного комплекта (диодная схема) сглаживающего фильтра и стабилизатора постоянного напряжения.
Трансформатор необходим для получения заданного напряжения.
Вентильный комплект необходим для выпрямления переменного напряжения. В качестве выпрямителя используют однофазную мостовую схему. Схема применяется на выходные мощности до 1кВт.
Преимущества схемы: повышенная частота пульсаций низкая величина обратного напряжения хорошее использование трансформатора.
Недостатки: необходимость в четырех вентилях повышенное падение напряжения на вентильном комплекте.
Сглаживающий фильтр используется для ослабления пульсаций.
РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ И РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ УЗЛОВ УСТРОЙСТВА
1. Задающий генератор
Рис. 1 Принципиальная схема задающего генератора
Генератор синусоидальных колебаний осуществляет преобразование энергии источника постоянного тока в переменный ток требуемой частоты. Он выполняется на основе усилителя со звеном положительной обратной связи обеспечивающей устойчивый режим самовозбуждения на требуемой частоте.
Входным сигналом для усилителя в схеме генератора является часть его выходного напряжения передаваемая звеном положительной обратной связи.
Коэффициент усиления усилителя охваченного положительной обратной связью:
- коэффициент усиления усилителя не охваченного обратной связью
- коэффициент положительной обратной связи.
Физический смысл неравенства (2.2) заключается в том что сигнал усиленный усилителем в раз и ослабленный звеном обратной связи в раз возникает вновь на входе усилителя в той же фазе но с большей амплитудой. Неравенство (2.2) определяет необходимое условие для самовозбуждения генератора. Равенство соответствует переходу генератора к установившемуся режиму работы когда по мере увеличения амплитуды колебаний происходит уменьшения коэффициента усиления усилителя из – за появления нелинейности характеристик транзистора при больших амплитудах сигнала. В стационарных режимах сигналы на входе и выходе генератора соответствуют некоторым установившимся значениям благодаря компенсации усилителем ослабления сигнала создаваемого звеном обратной связи.
Задачу стабилизации амплитуды решают введением в схему генератора стабилизирующих нелинейных элементов включенных в цепь отрицательной обратной связи.
Из RC-цепей не осуществляющих сдвига по фазе передаваемого сигнала на резонансной частоте наибольшее распространение получила схема моста Вина. Поскольку на частоте генерации ¦ коэффициент передачи звена частотно-зависимой обратной связи типа моста Вина g=13 самовозбуждение генератора возможно при K>3.
В цепи положительной обратной связи генератора используется мост Вина (элементы R1 R2 C1 R3 R5 C2). Стабилизация амплитуды в генераторе осуществляется с помощью полевого транзистора VT1. Выходное напряжение генератора выпрямляется фильтруется и подается в виде управляющего сигнала на затвор полевого транзистора.
Частота генерации в схеме определяется как:
По заданному диапазону изменения частоты можно определить номиналы элементов .
Частота регулируется плавно в пределах одной декады при помощи изменения сопротивления резисторов R1 R3. Смена поддиапазона осуществляется дискретно выбором соответствующей емкости из магазина конденсаторов.
Задавшись значением емкости для первого частотного поддиапазона C=0.1 нФ из (2.3) определим значения сопротивлений:
Данные значения сопротивлений были получены при условии что переменные резисторы отсутствуют т.е. а . Включая в цепь переменные сопротивления и варьируя их значения от 0 до 100% возможна настройка частоты в пределах выбранной декады тогда сопротивление вычислим следующим образом
Тогда сопротивление на переменных резисторах
Выберем их из рядов номиналов Е24 и Е12 для постоянных и переменных резисторов соответственно:
Мощность рассеваемая на них:
Имеем следующие частотные поддиапазоны:
f = 20000÷200000 Гц.
На операционном усилителе DA1 реализован неинвертирующий усилитель коэффициент усиления которого можно определить по формуле:
К – коэффициент усиления операционного усилителя.
Rк – сопротивление канала полевого транзистора VT1.
Выберем полевой транзистор КП303И. Его параметры [1]:
Электрические параметры при Uси = 10 В. Uзи = 0 В.
Крутизна характеристики
Предельные эксплуатационные данные
Напряжение сток – исток
Напряжение затвор – исток
Напряжение затвор – сток
По справочнику имея входные и выходные характеристики данного транзистора легко определить значения сопротивления канала при различных значениях управляющего напряжения Uзи. Таким образом получим Rк.раб. = 2400 Ом. Транзистор работает при напряжении Uзи близком к напряжению отсечки равному Uзи.отс. = 2 В.
Выберем равным сопротивлению канала транзистора VT1 т.е. Ом. Из формулы (2.9) получим
Для обеспечения регулирования коэффициента передачи цепи обратной связи при настройке устройства используем подстроечный резистор номинал которого должен составлять 10% от найденного в выражении (2.10) т.е. кОм. Тогда сопротивление вычислим следующим образом
Определим номиналы сопротивлений и из ряда Е24 и сопротивление из ряда Е12
Определим мощность рассеиваемую на каждом из резисторов
Элементы образуют двухполупериодный выпрямитель формирующий управляющее напряжение на затворе полевого транзистора. В течение периода выходного напряжения возможны некоторые изменения коэффициента усиления в схеме за счет конечного времени разряда фильтрующего конденсатора через резисторы и . Постоянную времени выбираем исходя из соотношения:
Задаваясь значением емкости = 1 мкФ найдем значение
Мощность рассеиваемая на резисторе
Диод играет роль выпрямителя переменного напряжения работающий на частотах гораздо больших . Выберем по справочнику [2] диод КД243В. Напряжение прямо смещенного p-n перехода для этого диода Uд = 075 В. Выберем резистор . Предварительно найдем напряжение на
Напряжение на выходе операционного усилителя следует брать таким чтобы генерируемый сигнал не превышал порога насыщения. Таким образом = 9 - 075 - 2 = 625 В. Номинал резистора определим следующим образом
В схеме задающего генератора будем использовать операционный усилитель 544УД2А. Его параметры [3] выглядят следующим образом
Коэффициент усиления
Выходное сопротивление
Максимальное выходное напряжение
Частота единичного усиления
Скорость нарастания выходного напряжения
2. Регулятор уровня
Преобразователь сигнала необходим чтобы обеспечить заданную величину выходного напряжения при разбросе выходного напряжения задающего генератора. Переменным резистором R12 который является делителем напряжения регулируется уровень выходного напряжения задающего генератора. Т.к. необходимо обеспечить диапазон регулирования выходной величины -100 % от максимального значения то достаточно одного подстроечного резистора номиналом больше или равным выходному сопротивлению операционного усилителя DA1. Выберем R12=22 кОм.
Мощность рассеваемая на нем:
3. Усилитель мощности
Рис.2 Усилитель мощности
При выборе типа оконечного каскада следует отдавать предпочтение каскадам с возможно большим КПД и требуемыми качественными показателями. Основным качественным показателем зависящим от типа выходного каскада является коэффициент нелинейных искажений . Снижение и увеличение КПД – противоречивые требования. В литературе рекомендуют для этого использовать двухтактные усилительные каскады работающие в классе АВ.
Снижение коэффициента нелинейных искажений достигается выбором тока покоя выходных транзисторов (класс АВ близкий к В) и применением ООС охватывающей непосредственно выходной каскад.
Выходные каскады в классе АВ могут быть выполнены по трансформаторной и бестрансформаторной схемам включения нагрузки. В трансформаторном усилительном каскаде всегда имеются некоторые потери мощности и дополнительные искажения формы выходного сигнала за счет трансформатора поэтому в последнее время предпочтение отдают бестрансформаторным каскадам.
Кроме того критерием для принятия решения в пользу бестрансформаторного варианта УМ является соотношение:
- остаточное напряжение коллектор-эмиттер транзистора при максимальном токе нагрузки;
- амплитуда выходного сигнала.
Для мощных транзисторов рекомендуемых для работы в усилителях .
Проверим соотношение (2.22):
Выбор транзисторов для выходного каскада усилителя мощности производят по следующим параметрам:
- рассеиваемой в нем мощности
- граничной частоте усиления
- допустимым напряжениям
Для выходного каскада усилителя работающего в классе АВ с двумя источниками питания напряжение каждого источника выбирается из условия: .
Величина в дальнейшем уточняется по характеристикам окончательно выбранного транзистора.
Наибольшее напряжение на транзисторе в таком каскаде примерно равно удвоенному напряжению питания. Поэтому транзисторы VT1 VT4 по напряжению будем выбирать из условия:
Мощность выделяемая в транзисторах выходных каскадов зависит от заданного режима покоя и формы усиливаемых сигналов. Для предварительного расчета примем что каскад работает в классе В. Наибольшая мощность выделяемая в каждом транзисторе выходного каскада работающего в классе В для синусоидального сигнала при активном сопротивлении нагрузки равна:
Сопротивление определим из выражения Ом
Выбор транзисторов по току для бестрансформаторных схем определяется выражением:
Частотные свойства выходных транзисторов должны соответствовать требуемой полосе пропускания всего усилителя. Так как верхняя граничная частота усилителя то граничная частота усиления транзисторов должна быть не менее:МГц.
Для работы в двухтактных усилительных каскадах применяют пары комплиментарных транзисторов то есть биполярных транзисторов разной проводимости имеющих близкие параметры. Выберем комплиментарную пару: КТ829А и КТ853А.
Максимально допустимые параметры транзисторов КТ829А и КТ853А [1]:
Граничное напряжение:
Максимальный ток коллектора:
Мощность рассеивания коллектора:
Статический коэффициент передачи тока:
Т.е. все необходимые параметры у этих транзисторов выше расчетных поэтому применяем в выходном каскаде УМ транзисторы КТ829А и КТ853А.
Одной из главных задач при конструировании радиоэлектронной аппаратуры является отвод тепла от полупроводниковых приборов. Повышение температуры окружающей среды или корпуса транзистора вызывает существенное искажение основных параметров и эксплуатационных характеристик приборов. Снижаются значения допустимой рассеиваемой мощности и напряжения на электродах возрастают обратные токи и т.п. Поэтому возникает задача расчета теплоотводов для выбранных транзисторов. Рассчитаем площадь теплоотвода используя следующие соотношения:
- максимальная рассеиваемая мощность на транзисторе Вт;
- коэффициент теплоотдачи зависящий от материала конструкции и способа обработки теплоотвода. Для черненого ребристого алюминиевого теплоотвода обычно принимают ;
- температура перехода обычно ее принимают на ниже предельно допустимой;
- температура среды максимальная температура по заданию;
- тепловое сопротивление переход-корпус;
- тепловое сопротивление корпус-теплоотвод.
Для получения нужных коэффициентов усиления по току и по напряжению в усилитель мощности вводится предоконечный каскад. Транзисторы для предоконечного каскада усилителя мощности должны иметь следующие параметры:
Исходя из перечисленных условий выбираем транзисторы 2Т214Г – I (p-n-p) и 2Т215Г – I (n-p-n). Параметры транзисторов [1]:
максимальное напряжение коллектор – эмиттер:
статический коэффициент передачи тока:
максимальная рассеиваемая мощность:
максимальный ток коллектора:
рабочие напряжение транзистора:
Номинальные значения резисторов базовых цепей выходных транзисторов определяем по формуле:
= 07 В. = 1мА = 05 В. – значения параметров транзисторов найденные по входным статическим характеристикам. - обратный ток коллектора (найденный из справочника [1]). Тогда получим
Выбираем ближайшее значение из ряда Е24: = 470 Ом.
Мощность рассеиваемая на каждом из резисторов:
Возьмем сопротивления мощностью 0125 Вт.
Коэффициент усиления по напряжению возьмем равным . Тогда отношение значений резисторов и определяющих коэффициент усиления каскада находится по формуле:
Ток через делитель напряжения на резисторах должен быть не менее чем на порядок больше чем транзистора оконечного каскада тогда
Выбираем ближайшее значение из ряда Е24: = = 1 кОм.
Напряжение смещения и температурную стабильность каскадов УМ обеспечивают диоды в базовых цепях предвыходных транзисторов.
Ток оконечных транзисторов является током покоя коллектора предоконечных транзисторов т. е. . Ток базы покоя предоконечных транзисторов равен:
Для транзистора КТ315Д такой ток обеспечивается при напряжении база-эмиттер . Такое смещение может обеспечить диод Д310.
Ток для этих диодов берется более чем на порядок больше . Выбираем ток смещения диодов Д310 . Ток через диоды задается резисторами R18 и R19:
Выбираем значения резисторов .
Мощность рассеиваемая на резисторе .
Берем мощностью 0125 Вт
Напряжение на выходе усилителя мощности . Предположим что напряжение на входе усилителя мощности равно 2 В. Тогда коэффициент усиления по напряжению УМ охваченного отрицательной связью будет равен:
- коэффициент усиления усилителя мощности без ОС;
- коэффициент петлевого усиления.
Обычно тогда из выражения (2.44) получим
Найдем из следующего выражения:
- коэффициент нелинейных искажений с учетом ООС (он задан в ТЗ).
- коэффициент нелинейных искажений без ОС.
Для двухтактной схемы примем . Подставим в (2.46) и выразим :
- коэффициент усиления предварительного усилителя;
- коэффициент усиления оконечного каскада.
Тогда в качестве предварительного усилителя надо взять такой операционный усилитель чтобы у него на единичной частоте усиления коэффициент был:
Тогда требования к ОУ определим следующим образом:
Частота единичного усиления:
Скорость нарастания выходного напряжения:
Выберем ОУ К544УД2А. Его параметры [2]:
Выходное напряжение:
Частота единичного усиления:
Обычно сопротивление R17 выбирают равным входному сопротивлению УМ R15 а его в свою очередь делают достаточно большим по отношению к максимальному сопротивлению регулятора уровня. Выберем кОм. Из ряда Е24 выберем сопротивления номиналом 100 кОм.
Усилитель мощности охваченный ООС должен обеспечивать коэффициент усиления по напряжению равный 10 (2.43). Таким образом .
Для развязки выхода регулятора уровня и входа ПУ по постоянному току а также для предотвращения возникновения ООС в УМ по постоянному сигналу включаем емкости С9 и С10 соответственно. Их величины определим из выражений:
Получим = 3 нФ = 28 нФ. Выберем значения емкостей из ряда Е12: = 33 нФ = 33 нФ.
Питание усилителя мощности осуществляется от источников с напряжением поэтому для питания операционных усилителей задающего генератора и предварительного усилителя устанавливаем параметрические стабилизаторы на стабилитронах КС515А:
Ток стабилизации номинальный:
Напряжение стабилизации при :
Гасящие резисторы в цепи стабилитрона рассчитаем по формуле:
Выберем резисторы из ряда Е24: .
Рассчитаем мощность рассеиваемую на каждом резисторе:
Выберем резисторы мощностью 0125 Вт.
Системы электропитания представляет собой комплекс элементов необходимых для преобразования электрической энергии к виду который обеспечивает нормальную работу устройства. Для питания устройства требуется постоянный ток для этого применяют выпрямительное устройство.
В общем случаи выпрямитель состоит из четырёх основных узлов – трансформатора вентильного комплекта сглаживающего фильтра и стабилизатора напряжений. Трансформатор предназначен для преобразования напряжения сети переменного тока в напряжение необходимое для питания устройства а также для гальванической развязки цепи выпрямленного тока с питающей сетью. Вентили преобразуют напряжение переменного тока в пульсирующее пропуская ток только в одном направление. Сглаживающий фильтр уменьшает пульсации выпрямленного напряжения.
Напряжение промышленных сетей переменного тока питающих выпрямительные установки изменяется в пределах от номинального значения. А для нормальной работы устройств изменение напряжения электропитания не должно превышать своего номинального значения. Для уменьшения влияния дестабилизирующих факторов применяют стабилизаторы.
Общая схема источника питания приведена на рисунке 4.
Рис. 3. Принципиальная схема источника питания
Выберем остаточное напряжение коллектор – эмиттер регулирующего транзистора . Тогда напряжение на выходе выпрямителя .
Найдем амплитуду пульсаций выпрямленного напряжения. Напряжение пульсаций на конденсаторе фильтра выпрямителя берется в пределах 5 – 10 % от т.е. . Определим емкость фильтрующего конденсатора:
- среднее значение тока на нагрузке;
- амплитуда пульсаций выпрямленного напряжения.
Таким образом получим
Выберем конденсаторы по стандартному ряду Е6: = 680 мкФ.
Рассчитаем минимальное напряжение на вторичной обмотке трансформатора:
В. - выходное напряжение источника питания;
= 14 В. – падение напряжения на диодном выпрямительном мосте;
= 2 В. – остаточное напряжение на стабилизаторе;
= 24 В. – амплитуда пульсаций выпрямленного напряжения.
Номинальное напряжение на вторичной обмотке:
Максимальное напряжение на вторичной обмотке:
Напряжение вторичной обмотки:
Ток вторичной обмотки А. Мощность выделяемая во вторичной обмотке: Вт.
По полученным данным выберем трансформатор ТПП270 [5]:
Тип и размеры сердечника:
Ток первичной обмотки:
Ток вторичной обмотки:
Напряжение вторичных обмоток 11-12 и 13-14
Напряжение вторичных обмоток 15-16 и 17-18
Напряжение вторичных обмоток 19-20 и 21-22
Выберем выпрямительный мост:
Для расчета выпрямителя работающего на емкостной фильтр вычислим номинальное выпрямленное напряжение В.
Ток нагрузки А. Выбор моста осуществляется по среднему выпрямленному току и амплитуде обратного напряжения . Для однофазной мостовой схемы выпрямления:
Выберем выпрямительный мост КЦ410Б. Его параметры
Максимальное обратное напряжение:
Максимальный прямой ток:
Выберем стабилизатор напряжения:
В качестве стабилизатора напряжения выбираем микросхему К142ЕН15А это регулируемый двуполярный стабилизатор напряжения. Для увеличения выходного тока источника питания используем стандартную схему включения стабилизатора К142ЕН15А с использованием биполярных транзисторов (схему с увеличением выходной мощности).
Параметры микросхемы:
Мощность рассеивания:
Схема включения микросхемы изображена на рисунке 4:
где - резистор регулировки выходного напряжения - резистор балансировки выходного напряжения. - сопротивления обеспечивающие режим х.х. микросхемы.
Рассчитаем параметры схемы включения стабилизатора. По умолчанию данная схема имеет следующие параметры:
В качестве резисторов и выбираем резисторы мощностью 0.125 Вт. Также выберем конденсаторы нФ и мкФ.
Выбираем мощный транзистор для стабилизатора. По расчету транзистор должен иметь параметры:
Выбираем в выходных каскадах стабилизаторов те же транзисторы что и в усилителе мощности т. е. КТ853А КТ829А. Площадь теплоотвода найдем по методике описанной ранее тогда кв.см. Выберем теплоотвод площадью 12 кв.см.
Предохранитель FU1 должен сохранять свою работоспособность при токе в 2 раза превышающем ток первичной обмотки трансформатора. Такому условию будет удовлетворять предохранитель на 05 А.
Ключ в схеме используется для включения и выключения прибора. По размерам он должен быть сопоставим с самим прибором и должен коммутировать переменные токи превышающие ток первичной обмотки. Таким требованиям соответствует кнопочный переключатель ПКн43. Его параметры следующие [5]:
коммутируемая мощность Вт;
диапазон коммутируемых токов: постоянный переменный ;
диапазон коммутируемых напряжений: постоянное переменное .
максимальное число коммутаций .
МОДЕЛИРОВАНИЕ ОСНОВНЫХ УЗЛОВ УСТРОЙСТВА
Моделирование полученной расчетным путем схемы будем осуществлять с помощью программного пакета Electronic Workbench 4.1. Данный продукт специально предназначен для проектирования электрических схем на ЭВМ.
В качестве моделируемого узла выберем рассчитанный нами выше усилитель мощности. Зададим амплитуду входного сигнала 2 В. с помощью функционального генератора. Осциллограф снимает сигналы с выхода операционного усилителя и нагрузки.
Рис. 4 Схема – макет усилителя мощности
Рис. 5 Осциллограмма сигналов
Так как параметры элементов полученные расчетным путем носят приближенный характер то для моделирования схемы возникла необходимость в уточнении некоторых из них. Так для резисторов R17 и R15 были рассчитаны номиналы 100 кОм. Однако если изменить номиналы данных резисторов на 120 кОм то результат моделирования окажется более точным.
В результате выполнения данного курсового проекта на практике освоили и закрепили теоретический материал по курсу электроники. На практики освоили расчет и выбор элементов схемы разработанной в данной работе. В ходе поиска и подбора элементов усвоили новые тонкости некоторых понятий и приборов. Результатом полученных знаний является данный курсовой проект. С помощью вспомогательных программ увидели работу модели данной схемы и получили распечатку элементов так как они должны выглядеть на печатной плате.
Перечень используемых источников:
Аронов В.Л. Баюков А.В. Полупроводниковые приборы: транзисторы. Справочник. –М.: Энергоатомиздат 1985.
Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - Л.: Этергоатомиздат. Ленинградское отделение 1988.
Пейтон А.Дж. Волш В. Аналоговая электроника на операционных усилителях. - М.: Бином 1994.
Гудилин А.Е. Казьмин О.Н. Руководство к курсовому проектированию по электронным устройствам автоматики. Методические указания. - Челябинск.1985
Акимов Н.Н. Ващуков Е.П. Прохроненко В.А Ходоренко А.А. Резисторы конденсаторы трансформаторы дроссели коммутационные устройства РЭА. Справочник . Минск Беларусь1994.
Алексенко А.Г. Коломбет Е.А Стародуб Г.И. Применение прецизионных аналоговых ИС. - М.: Радио и связь 1981.
Проектирование печатной платы было произведено в программном пакете OrCad 9.2. Были использованы стандартные корпуса из приведенных выше справочников. Плата была разведена в программе Smart Route которая включена в пакет OrCad 9.2. На рис. 6 7 8 приведены результаты проделанной работы.
Рис. 6 Печатная плата. Вид сверху.
Рис.7 Печатная плата. Вид снизу.
Рис.7 Печатная плата. Размещение элементов на схеме

Альфиза.doc

Обоснование и выбор функциональной схемы 3
Разработка принципиальной схемы устройства 5
1 Задающий генератор 5
2 Регулятор Уровня 9
3 Усилитель мощности 10
Расчет источника питания 17
Моделирование основных узлов схемы 20
Приложение А: Принципиальная схема устройства
Приложение Б: Корпус устройства
Существует множество способов получения переменного электрического сигнала с синусоидально изменяющимся напряжением. Устройства получающие на выходе такой сигнал могут быть реализованы на LC-контурах RC-цепях кварцевого резонатора и др. Ввиду того что частоты которые необходимо генерировать низкие (принадлежат диапазону звуковых) LC-контур неприемлем (очень большие значения индуктивности). Кварцевый генератор используется в системах с очень высокой точностью и быстродействием. Более дешевая альтернатива – мост Вина который представляет собой две последовательно соединенные параллельную и последовательную RC-цепочки.
Используем мост Вина для разработки задающего генератора синусоидальных напряжений в соответствии с данными технического задания. Он позволяет легко реализовать генерируемый сигнал в широком частотном диапазоне (шириной более 100000 Гц).
При регулировании частоты на мосте Вина возникает задача стабилизации амплитуды выходного сигнала в соответствии с изменением частоты так чтобы на выходе она оставалась неизменной (заданного значения).
Одним из способов является применение звена усиления с нелинейно – зависящей от выходного сигнала отрицательной обратной связью таким образом чтобы при возрастании амплитуды выходного сигнала коэффициент усиления отрицательной обратной связи возрастал и тем самым уменьшал амплитуду генерируемого сигнала и наоборот при уменьшении входного сигнала коэффициент усиления отрицательной обратной связи уменьшался и тем самым увеличивал амплитуду генерируемого сигнала.
В курсовой работе для расчетов использовались следующие пакеты:
-MathCad 2000 Professional – для проведения расчетов пояснительной записки.
-Electronics WorkBench 4.1 – для моделирования рассчитанных узлов.
-AutoCad 2004 - для построения принципиальной схемы всего устройства;
- для создания чертежей по соответствующим ГОСТам;
- для построения корпуса устройства.
-Microsoft Word 97 – для написания пояснительной записки.
ОБОСНОВАНИЕ И ВЫБОР ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА
Генератор синусоидального напряжения проектируется на основе задающего генератора (основан на использовании в цепи обратной связи моста Вина) предварительного усилителя и усилителя мощности. Задающий генератор обеспечивает удовлетворение всех требований по характеристикам генерируемого сигнала (частота амплитуда стабильность сигнала). Для обеспечения блоков аппаратуры выходными напряжениями (токами) заданного номинала и качества используется источник питания. Функциональная схема генератора синусоидального напряжения представлена на рис.1.
рис.1 Функциональная схема генератора синусоидального напряжения
Обозначения на рис.1:
КЧЗЦ – коммутируемая частотозадающая цепь;
ПОС – цепь положительной обратной связи;
СА – стабилизатор амплитуды;
РУ – регулятор уровня выходного напряжения;
ПУ – предварительный усилитель;
УМ – усилитель мощности;
ООС – цепь отрицательной обратной связи;
ИП – источник питания;
Задающий генератор (ЗГ) генерирует синусоидальный сигнал стабильной амплитуды и предусматривает регулировку его частоты в заданных пределах. Для регулирования величины выходного напряжения задающего генератора сигнал поступает на регулятор уровня (РУ). Качественные показатели выходного сигнала обеспечиваются с помощью глубокой отрицательной обратной связью в двух каскадах (УМ и ПУ). К выходу УМ подключена нагрузка (Rн). Питание схемы осуществляется источником питания.
2. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА
1. Задающий генератор
Рис. 2 Принципиальная схема задающего генератора
Генератор синусоидальных колебаний осуществляет преобразование энергии источника постоянного тока в переменный ток требуемой частоты. Он выполняется на основе усилителя со звеном положительной обратной связи обеспечивающей устойчивый режим самовозбуждения на требуемой частоте.
Входным сигналом для усилителя в схеме генератора является часть его выходного напряжения передаваемая звеном положительной обратной связи.
Коэффициент усиления усилителя охваченного положительной обратной связью:
где - коэффициент усиления усилителя не охваченного обратной связью - коэффициент положительной обратной связи.
Физический смысл неравенства (2.2) заключается в том что сигнал усиленный усилителем в раз и ослабленный звеном обратной связи в раз возникает вновь на входе усилителя в той же фазе но с большей амплитудой. Неравенство (2.2) определяет необходимое условие для самовозбуждения генератора. Равенство соответствует переходу генератора к установившемуся режиму работы когда по мере увеличения амплитуды колебаний происходит уменьшение коэффициента усиления усилителя из-за появления нелинейности характеристик транзистора при больших амплитудах сигнала. В стационарных режимах сигналы на входе и выходе генератора соответствуют некоторым установившимся значениям благодаря компенсации усилителем ослабления сигнала создаваемого звеном обратной связи.
Задачу стабилизации амплитуды решают введением в схему генератора стабилизирующих нелинейных элементов включенных в цепь отрицательной обратной связи.
Из RC-цепей не осуществляющих сдвига по фазе передаваемого сигнала на резонансной частоте наибольшее распространение получила схема моста Вина. Поскольку на частоте генерации ¦ коэффициент передачи звена частотно-зависимой обратной связи типа моста Вина g=13 самовозбуждение генератора возможно при K>3.
В цепи положительной обратной связи генератора используется мост Вина (элементы R6 R7 C1 R8 R9 C2). Стабилизация амплитуды в генераторе осуществляется с помощью полевого транзистора VT1. Выходное напряжение генератора выпрямляется фильтруется и подается в виде управляющего сигнала на затвор полевого транзистора.
Частота генерации в схеме определяется как:
По заданному диапазону изменения частоты можно определить номиналы элементов
Частота регулируется плавно в пределах одной декады при помощи изменения сопротивления резисторов R6 R8. Рассчитаем коэффициент перестройки:
Тогда коэффициент запаса:
Смена поддиапазона осуществляется дискретно выбором соответствующей емкости С1=С2 из магазина емкостей.
Задавшись значением емкости для первого частотного поддиапазона C=01 нФ из (2.3) определим значения сопротивлений:
Соотношения между Rпост и Rпер 110 отсюда:
Выберем их из рядов номиналов Е24 и Е12 для постоянных и переменных резисторов соответственно:
Мощность рассеваемая на них:
Имеем следующие частотные поддиапазоны:
f = 20000÷200000 Гц.
На операционном усилителе DA1 реализован неинвертирующий усилитель коэффициент усиления которого можно определить по формуле:
где Rк - сопротивление канала полевого транзистора VT1.
В цепи отрицательной обратной связи могут использоваться полевые транзисторы работающие на начальных участках выходных характеристик.
В качестве такого транзистора берем КП303И.
По справочнику имея входные и выходные характеристики данного транзистора определим значения сопротивления канала при различных значениях управляющего напряжения Uзи. Итак
Транзистор работает при напряжении Uзи близком к Uзиотс = 2В.
Резисторы в цепи обратной связи рассчитываются следующим образом:
Выберем R1 равным 2 кОм тогда мощность рассеиваемая на нем будет:
Из формулы (2.6) подставляя R1 определим R3:
Из ряда Е24 выберем номинал резистора R2=39 кОм
Мощность рассеиваемая на резисторе R2:
Для того чтобы генератор обеспечивал устойчивые колебания коэффициент усиления операционного усилителя должен быть чуть больше 3. Из уравнения (2.2) :
Отсюда найдем значение резистора R3:
Выберем из ряда Е24 номинал резистора R3:
Мощность рассеиваемая на нем:
Элементы R4 R5 VD1 и C9 образуют однополупериодный выпрямитель формирующий управляющее напряжение на затворе полевого транзистора. В течение периода выходного напряжения возможны некоторые изменения коэффициента усиления в схеме за счет конечного времени разряда фильтрующего конденсатора C9 через резисторы R4 и R5. Постоянную времени выбираем исходя из соотношения (2.8) в 10 раз:
Задаваясь значением емкости C9 = 10 мкФ найдем значение R5:
Выберем резистор R4 номиналом 5÷10 % от и R5 то есть:
R4=01*7960 Ом=760 Ом.
Из ряда Е24 выбираем номиналы резисторов R5 R4.
Мощность рассеиваемая на них:
В схеме задающего генератора будем использовать операционный усилитель DA1 СА3033 имеющий максимальное выходное напряжение ±18В. Для однополупериодного выпрямителя будем использовать диод Д101А для которого прямое напряжение составляет UД ПР=1 В а обратный ток диода равен IД ОБР=10 мкА.
1.2.2. Регулятор уровня
Рис. 3 Регулятор уровня
Преобразователь сигнала необходим чтобы обеспечить заданную величину выходного напряжения при разбросе выходного напряжения задающего генератора.
Т.к. уровень регулировки сигнала составляет 50%то номиналы сопротивлений будут одинаковы.
(R11+R12)= выходному сопротивлению усилителя мощности R13.
R11(R11+R12)=05 (2.10)
Из ряда Е24 выбираем номиналы резисторов: R11=R12=24кОм
Мощности рассеиваемые на этих резисторах:
2. 2.3. Усилитель мощности. Рис.4 Усилитель мощности
Задачей усилителя является обеспечение в нагрузке максимального напряжении 20В при максимальной мощности в нагрузке 16 Вт. Для нахождения сопротивления в нагрузке используем формулу:
Максимальный ток в нагрузке определим по формуле:
Требуемый коэффициент усиления по напряжению усилителя равен:
Напряжение питания выходного каскада выберем по наибольшей амплитуде выходного напряжения так чтобы транзисторы не входили в насыщение при любых режимах работы. Будем использовать два разнополярных источника питания. Напряжение питания выбирается из условия:
где Uост = 2 В. Наибольшее напряжение на транзисторах VT24 в таком каскаде равно примерно удвоенному напряжению питания т.е.
Для синусоидального входного сигнала при активном сопротивлении нагрузки наибольшая выделяемая в транзисторах мощность: (2.15)
Отсюда мощность рассеиваемая на одном транзисторе:
Максимальное значение тока транзистора:
Рассчитаем среднее значение тока:
Частотные свойства выходных транзисторов должны соответствовать требуемой полосе пропускания всего усилителя. Граничная частота усилителя
fгр.=2 4fмакс=4*200000=800кГц
Выберем в качестве VT24 комплиментарную пару кремниевых биполярных транзисторов КТ829А (n-p-n) и КТ853А (p-n-p) соответственно. Максимально допустимые параметры транзисторов КТ829А и КТ853А:
Т.е. все необходимые параметры у этих транзисторов выше расчетных поэтому применяем в выходном каскаде УМ транзисторы КТ829А и КТ853А.
Одной из главных задач при конструировании радиоэлектронной аппаратуры является отвод тепла от полупроводниковых приборов. Повышение температуры окружающей среды или корпуса транзистора вызывает существенное искажение основных параметров и эксплуатационных характеристик приборов. Снижаются значения допустимой рассеиваемой мощности и напряжения на электродах возрастают обратные токи и т.п. Поэтому возникает задача расчета теплоотводов для выбранных транзисторов. Рассчитаем площадь теплоотвода используя следующие соотношения:
- максимальная рассеиваемая мощность на транзисторе Вт;
- коэффициент теплоотдачи зависящий от материала конструкции и способа обработки теплоотвода. Для черненого ребристого алюминиевого теплоотвода обычно принимают ;
- температура перехода обычно ее принимают на ниже предельно допустимой;
- температура среды максимальная температура по заданию;
- тепловое сопротивление переход-корпус;
- тепловое сопротивление корпус - теплоотвод.
Номинальные значения резисторов базовых цепей выходных транзисторов определяем по формуле:
= 07 В. = 1мА = 05 В. – значения параметров транзисторов найденные по входным статическим характеристикам. - обратный ток коллектора (найденный из справочника [1]). Тогда получим
Выбираем ближайшее значение из ряда Е24: = 510 Ом.
Мощность рассеиваемая на каждом из резисторов:
Для получения нужных коэффициентов усиления по току и по напряжению в усилитель мощности вводится предоконечный каскад. Транзисторы для предоконечного каскада усилителя мощности должны иметь следующие параметры:
Этим параметрам отвечает пара комплиментарных транзисторов КТ3102А (n-p-n) и КТ3107А (p-n-p) которые мы выберем в качестве VT53 соответственно. Справочные характеристики берём со справочника по транзисторам:
В качестве предварительного усилителя выберем операционный усилитель в интегральном исполнении. Данный операционный усилитель должен удовлетворять следующим требованиям:
) выходное напряжение больше или равно ±10 В;
) минимальная частота единичного усиления
) высокий коэффициент усиления по напряжению.
В качестве операционного усилителя будем использовать операционный усилитель СА3033 имеющий следующие параметры:
) Максимальное выходное напряжение Uвых = ±18 В;
) Коэффициент усиления по напряжению Коу = 90дБ;
) Частота единичного усиления по напряжению f1m
) Малый коэффициент нелинейных искажений;
) Ток потребления равный 350 нА.
ОУ включим по неинвертирующей схеме включения.
Резисторы R22 и R23 определяют коэффициент усиления. Коэффициент усиления по напряжению возьмем равным . Тогда отношение значений резисторов и определяющих коэффициент усиления каскада находится по формуле:
Ток через делитель напряжения на резисторах должен быть не менее чем на порядок больше чем транзистора оконечного каскада тогда
Выбираем ближайшее значение из ряда Е24:
Напряжение смещения и температурную стабильность каскадов УМ обеспечивают диоды в базовых цепях предвыходных транзисторов. Выберем двухтактный усилительный каскад на биполярных транзисторах в схеме включения с ОК работающий в классе АВ. Диоды VD4 VD5 VD6 VD7 вместе с токозадающими резисторами R20 R21 образуют источники напряжения смещения ликвидирующие зону нечувствительности на входных характеристиках транзисторов VT5 VT3. Это уменьшает нелинейные искажения в выходном каскаде.
Рассчитаем цепь обеспечивающую режим покоя. Ток оконечных транзисторов является током покоя коллектора предоконечных транзисторов т.е. . Ток базы покоя предоконечных транзисторов равен:
По выходной характеристике из справочника определяем:
Найдем ток на резисторе R20 :
По выходной характеристике из справочника определяем:
Выбираем диоды КДС525А с параметрами Uоб=15В Iпр=20мА Uпр=09В Iо=2мА
Выбор сопротивлений R1819:
Ток на этих резисторах определяется по формуле:
Выбираем из ряда Е24 номиналы резисторов R1819=75 кОм.
Мощность рассеиваемая на этих резисторах:
Рассчитаем элементы стабилизирующей цепи:
Напряжение питания ОУ СА3033 равно 15 В отсюда выберем стабилитроны КС515 напряжением стабилизации 15 В.
Номиналы резисторов R1716 выбираем исходя из токов и напряжения на них.
Iпотребл. ОУ=350 нА.
Напряжение питания ОУ равно 15 В а Ек равно 22 В отсюда:
U1716=Ек-UVD2=22-15=7 В.
В соответствие с рядом Е24 R17 16=24 кОм.
Сопротивления в цепи обратной связи определим из выражения:
Зададимся R13=47 кОм выберем R15 » R13 так как для работы операционного усилителя в режиме со смещением нуля приведенные сопротивления ко входу должны быть одинаковыми откуда получим R15 =R13 = 47 кОм. По формуле (2.17) рассчитаем
Выбираем номиналы резисторов из ряда Е24:
За счет С9 и С10 не пропускающих постоянный ток обеспечиваются частотные характеристики.
Формируем ФВЧ первого порядка с постоянной времени:
Из ряда Е6 выбираем номиналы конденсаторов С10 и С11:
3. РАСЧЕТ ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ
Системы электропитания представляет собой комплекс элементов необходимых для преобразования электрической энергии к виду который обеспечивает нормальную работу устройства. Для питания устройства требуется постоянный ток для этого применяют выпрямительное устройство.
В общем случае выпрямитель состоит из четырёх основных узлов – трансформатора вентильного комплекта сглаживающего фильтра и стабилизатора напряжений. Трансформатор предназначен для преобразования напряжения сети переменного тока в напряжение необходимое для питания устройства а также для гальванической развязки цепи выпрямленного тока с питающей сетью. Вентили преобразуют напряжение переменного тока в пульсирующее пропуская ток только в одном направление. Сглаживающий фильтр уменьшает пульсации выпрямленного напряжения.
Напряжение промышленных сетей переменного тока питающих выпрямительные установки изменяется в пределах от номинального значения. А для нормальной работы устройств изменение напряжения электропитания не должно превышать своего номинального значения. Для уменьшения влияния дестабилизирующих факторов применяют стабилизаторы.
Общая схема источника питания приведена на рисунке 4.
Рис. 4 Схема источника питания
Выберем остаточное напряжение коллектор – эмиттер регулирующего транзистора . Тогда напряжение на выходе выпрямителя:
=102А - среднее значение тока на нагрузке;
Из ряда Е6 выбираем номинал С1312=3900 мкФ.
Тогда амплитуду пульсации:
С учетом напряжения пульсаций:
=24+167=2567 В (3.3)
Т.о. мы получили напряжение на выходе выпрямителя при самом низком напряжении в сети (-15%) тогда на уровне 220В мы будем иметь напряжение:
а при максимальном напряжении сети (при +10%):
Определяем амплитуду напряжения на вторичной обмотке трансформатора оно отличается на величину падения напряжения на выпрямительном диоде:
Ток вторичной обмотки:
Мощность выделяемая во вторичной обмотке:
Выбираем трансформатор ТПП 307-220-50:
)допустимый ток вторичных обмоток - 3 А;
)напряжение вторичных обмоток – 2249 В;
)ток первичной обмотки – 079 А.
Выбираем диоды для мостового выпрямителя по следующим параметрам:
Данным параметрам удовлетворяет диодный мост КЦ410Б с параметрами:
)максимальное обратное напряжение – 100В;
) прямой максимальный ток – 3А.
Для стабилизации выпрямленного тока будем использовать две комплиментарные микросхемы 141ЕН12 и 142ЕН18 которые допускают стабилизацию тока до 15 А напряжения – 12 37В.
Выбираем резисторы R2425=10 ОмR2829=240 Ом.
Резисторы R2627 выберем исходя из соотношения:
Из ряда Е12 выбираем ближайший номинал резистора R2627=39 кОм.
Выбираем транзисторы для микросхем. По расчету транзисторы должны иметь параметры:
Выбираем в выходных каскадах стабилизаторов те же транзисторы что и в усилителе мощности т. е. КТ818В КТ819В с параметрами: Iбм=3А P=60Вт Uкэ=40В.
Площадь радиатора найдем по методике описанной ранее тогда S≥5132 см2. Выберем радиатор площадью 52 см2.Предохранители FU1 FU2 должны сохранять свою работоспособность при токе соответствующем току первичной обмотки трансформатора. Такому условию будет удовлетворять предохранители на 10 А.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ОСНОВНЫХ УЗЛОВ УСТРОЙСТВА
Моделирование полученной расчетным путем схемы будем осуществлять с помощью программного пакета Electronic Workbench 4.1. предназначенной специально для проектирования электрических схем на ЭВМ.
В качестве моделируемого узла выберем рассчитанный нами выше усилитель мощности. Зададим амплитуду входного сигнала 2 В. с помощью функционального генератора. Осциллограф снимает сигналы с выхода операционного усилителя и нагрузки.
Рис. 4 Схема – макет усилителя мощности
Рис. 5 Осциллограмма сигналов
В результате выполнения данного курсового проекта на практике освоили и закрепили теоретический материал по курсу электроники. На практике освоили расчет и выбор элементов схемы разработанной в данной работе. В ходе поиска и подбора элементов усвоили новые тонкости некоторых понятий и приборов. Результатом полученных знаний является данный курсовой проект. С помощью вспомогательных программ увидели работу модели данной схемы.
Акимов Н.Н. Ващуков Е.П. Прохроненко В.А Ходоренко А.А. Резисторы конденсаторы трансформаторы дроссели коммутационные устройства РЭА. Справочник . Минск Беларусь1994.
Гудилин А.Е. Руководство к курсовому проектированию по электронным устройствам автоматики. Методические указания.Челябинск.1985.
Гендин Г.С. Все о резисторах.-М.:Телеком2000.
Перельман Б.Л.Полупроводниковые приборы. Справочник.М.:Микротех.1996

Титульник.doc

Министерство высшего образования Российской Федерации
Южно-Уральский государственный университет
Приборостроительный факультет
Кафедра автоматики и управления
Пояснительная записка к курсовому проекту по курсу:
«Аналоговые измерительные устройства»
Вариант 4459 274 021399995999 971
Тема курсового проекта:
«ГЕНЕРАТОР СИНУСОИДАЛЬНОГО
Нормоконтролер Руководитель
студент группы ПС-303
Работа защищена с оценкой

Ведомость проекта.doc

Пояснительная записка
ПС – 303.034.001 ПЭЗ
Графические документы
Схема электрическая принципиальная