Генератор синусоидального напряжения
Министерство образования Российской Федерации
Южно-уральскии Государственный Университет
Кафедра Автоматики и Управления
Пояснительная записка к курсовому проекту по курсу
“Электроника в приборостроении”
по теме “Генератор синусоидального напряжения”
Нормоконтролер: Руководитель:
Константинов В.И. Константинов В.И.
« » 2002 г. « » 2002 г.
Автор проекта:
студент группы ПС-328
Горшенева А.П.
Проект защищен
с оценкой
«_____»__________2002 г
Челябинск
2002 г.
Аннотация
Горшенева А.П. Генератор синусоидального напряжения: Пояснительная записка к курсовой работе по курсу «Электроника в приборостроении»
-Челябинск: ЮурГУ,2002.-
В курсовом проекте рассматривается построение электронного устройства.
Помимо расчетов принципиальной схемы в данной работе также представлены принципиальная схема и корпус устройства.
Проект реализован в программной среде Word 97, моделирование схемы произведено в среде Electronics Workbench
Ил. , список лит.- назв.
Содержание
Введение
Обоснование и выбор функциональной схемы устройства
Выбор и расчет принципиальных схем узлов устройства
Моделирование на ЭВМ работы функциональных узлов устройства
Заключение и выводы по соответствию характеристик и параметров устройства требованиям технического задания
Список используемой литературы
Введение.
Генераторы гармонических колебаний представляют собой устройства, предназначенные для преобразования энергии источников питания постоянного тока в энергию гармонического выходного сигнала напряжения (тока) требуемой амплитуды и частоты.
Так как генератор сам является источником сигнала, он не имеет входа. Генераторы строятся на основе усилителей с цепями положительной обратной связи, которые работают в режиме самовозбуждения на фиксированной частоте. В качестве цепей обратной связи могут использоваться резонансные L-C или R-Cсхемы чему соответствует два типа генераторов.
L-C генераторы обычно используются для формирования радиочастотных сигналов, т.к весогабаритные характеристики элементов колебательных контуров в звуковом диапазоне частот становятся неприемлемыми. В звуковом диапазоне генераторы строятся на базе использования резонансных R-C схем, и в качестве усилителей обычно применяются ОУ
Обоснование и выбор функциональной схемы устройства.
Генератор синусоидального напряжения состоит из задающего генератора и усилителя мощности.
ПОС.
КЧЗЦ
У
РУ
ПУ
УМ
Uвых
СА
ООС
Rн
Рис3.5. Функциональная схема генератора синусоидального напряжения (ГСН)
коммутируемая частотозадающая цепь (К.Ч.З.Ц.);
усилитель (У.);
цепь положительной обратной связи (П.О.С.);
стабилизатор амплитуды (С.А.);
регулятор уровня выходного напряжения (Р.У.);
предварительный усилитель (П.У.);
усилитель мощности (У.М.);
цепь отрицательной обратной связи (О.О.С.);
источник питания (И.П.).
От задающего генератора подается напряжение синусоидальной формы, стабильной амплитуды и частоты на вход усилителя. Обычно во время работы ГСН амплитуда выходного напряжения задающего генератора не меняется и для установки нужной величины напряжения на нагрузке в схему включен регулятор амплитуды. Перестройка частоты задающего генератора производится в пределах какого-либо диапазона плавно, а смена диапазонов производится дискретно.
Обычно плавная перестройка частоты производится в пределах декады, то есть
где Кп-коэффициент перестройки,
-максимальная
частота в диапазоне,
-минимальная
частота в диапазоне.
Учитывая разброс параметров частотазадающих цепей, для гарантированного получения любой частоты, из предусмотренных техническим заданием, вводят коэффициент запаса, тогда
Величина выходного напряжения задающего генератора в техническом задании не оговаривается и может выбираться любой в разумных пределах. Без затруднений можно получить амплитудное значение этого напряжения в пределах 3…10 В.
Тогда при указанной на рис.3.5 структуре усилителя мощности глубина обратной связи велика, а значит, он имеет хорошие качественные показатели во всем частотном диапазоне (малые нелинейные искажения, стабильный коэффициент усиления, низкое выходное сопротивление и т.д.).
Выбор и расчет принципиальных схем узлов устройства
Расчет задающего генератора.
По стабильности частоты и ширине частотного диапазона генерируемого сигнала на практике наиболее подходящим является генератор с мостом Вина
Получили 4 декады с учетом коэффициента запаса:
20Гц-200Гц
200Гц-2000ГЦ
2000Гц-20000Гц
20000Гц-200000Гц
С учетом коэффициента запаса:
1) 18Гц-220Гц
2) 180Гц-2200Гц
3) 1800Гц-22000Гц
18000Гц-220000Гц
При использовании моста Вина в качестве частотно-задающей цепи генератора для выполнения условий самовозбуждения необходимо:1 чтобы мост Вина включался в цепь положительной обратной связи.
2 чтобы коэффициент передачи усилителя на частоте резонанса моста Вина был не <3
Для управления частотой выходного напряжения в качестве резисторов могут использоваться сдвоенные потенциометры. Учитывая, что динамический диапазон регулировки редко >20 дБ для его расширения помимо переменных резисторов могут использоваться наборы конденсаторов с декадно-переключаемым номиналом, т.о может быть осуществлено широкополосное регулирование.
Резонансная частота моста Вина
Зададимся С=1000пФ тогда R=1/(2*3.14*200000*0.1*1000*10^-12)=7957Ом
Тогда 0,1R=795.7Ом, 0,9R=7161.9Ом
В цепи отрицательной обратной связи могут использоваться полевые транзисторы, работающие на начальных участках выходных характеристик.
Выбираем полевой транзистор с n-каналом, так чтобы Rк.>1кОм при Uзи=-1В.
В качестве такого транзистора берем КП323А-2 (см.приложение), у которого Rк=5В/2,5mA=2кОм при Uзи=-1В
Кu=1/Кuоос=1/3. Следовательно, R2||Rк/(R2||Rк+R3)
Получаем R2=2кОм, R3=2кОм
Зададимся. С=10мкФ, тогда R*=1МОм R4=1000кОм/100=10кОм
Выбираем диод, работающий на Д101
В качестве ОУ берем 140УД23
Расчет регулятора уровня
Регулятор уровня выбираем исходя из следующих условий: регулятор является выходным сопротивлением ОУ, т.е должно быть больше либо равно 2кОм,с другой стороны сопротивление регулятора уровня должно быть на порядок меньше, чем входное сопротивление усилителя мощности, т.е меньше чем 50кОм.Т.к уровень регулировки сигнала составляет 50%,то номиналы сопротивлений будут одинаковы.
Uвых=Uвх*R2/(R1+R2)
Uвых/Uвх=1/2
R1=R2=2кОм
Расчет усилителя мощности
Усилитель мощности состоит из предварительного усилителя, оконечного каскада и цепи общей обратной связи.
Предварительный усилитель выполняем на операционном усилителе.
Коэффициент усиления усилителя мощности определяется как Ки=Uвых/Uвх=20/3=6, Uвх принимаем 3В.
Коэффициент усиления оконечного каскада определяем как Киок=Uвых/10=2, где 10 это выходное напряжение операционного усилителя.
Получаем коэффициент усиления ОУ без обратной связи Ки/Киок=6/2=3
Операционный усилитель выбираем по частотной характеристике при наличии обратной связи и скорости нарастания выходного напряжения во времени
Скорость нарастания выходного
напряжения
=2*3,14*200000*10=12,5В/мкс
Глубина обратной связи
Ки=0,166
Коэффициент усиления усилителя мощности с отрицательной обратной связью
К=
,
где Кf=10%, коэффициент
нелинейных искажений без обратной
связи,
-коэффициент
нелинейных искажений с учетом отрицательной
обратной связи. К=(10/0,2-1)/0,166=295,тогда
коэффициент усиления операционного
усилителя с учетом ООС Коу=295/2=147,5
Т.о на частоте 200000 коэффициент усиления ОУ Коу>43дБ
Частота среза f1>fm*Ки=1,2МГц
Данным требованиям отвечает 140УД23 с параметрами
Uп=15В, Rн=2кОм, Uвых.макс=10В, входной ток Iвх=0,2нА, частота единичного усиления f1=10МГц, Vuвых.макс=30В/мкс.
Зависимость коэффициента усиления от частоты приведена в приложении.
Для питания ОУ устанавливаем стабилизаторы на стабилитронах КС515 с
Uст=15В при токе стабилизации Iст=5мА, в этом случае падение напряжения на резисторах R будет определяться как UR=22-15=7В
IR=Iоу+Iст=10+5=15мА
R=7/15=466.6Ом
P=U*I=7*15*10^-3=0.105Вт
Расчет оконечного каскада
Выходной каскад может быть выполнен по трансформаторной и бестрансформаторной схеме. Критерием для принятия решения может служить соотношение между остаточным напряжением на транзисторе при максимальном токе нагрузки и амплитудой напряжения на нагрузке.
При
следует отдавать предпочтение
трансформаторному каскаду.
Выбор транзисторов для выходного каскада усилителя мощности производят по рассеиваемой в нем мощности, граничной частоте усиления и допустимым напряжениям и токам.
Для выходного каскада усилителя, работающего с двумя источниками питания, напряжение каждого источника выбирается из условия Ек=Uвых.макс+Uост
Ек=20+2=22В
Наибольшее напряжение на транзисторе в таком каскаде примерно равно удвоенному напряжению питания:Uкэюмакс=2*22=44В
Наибольшая мощность, выделяемая в каждом
транзисторе выходного каскада для
синусоидального сигнала равна
Определяем Rн
Ом.
Тогда Рк.макс=
=7,85Вт
Выбор транзисторов по току
А
Частотные свойства выходных транзисторов должны соответствовать требуемой полосе пропускания всего усилителя. Граничная частота усилителя
fгр.=2…4fмакс=4*200000=800кГц
Выбираем пару комплиментарных транзисторов
КТ 853-КТ829, которые имеют параметры
Uкэм=45-100В, Iк=8А,
Рк=60Вт,
Уточняем Uост=1,5В, тогда,
Следовательно, стоит отдать предпочтение
бестрансформаторному каскаду.
По полученной мощности рассчитываем площадь радиатора по формуле
=123,045кв.см
где Кт-коэффициент теплоотдачи, зависящий от материала, конструкции и способа обработки теплоотвода.
Для черненого ребристого алюминиевого теплоотвода обычно принимают Кт=0,8*10^-3Вт/С*кв.см
tп-температура перехода, обычно ее принимают на 5…10 градусов ниже предельно допустимой
tc-температура среды, максимальная температура по заданию
Rпп-тепловое сопротивление переход-корпус
Rкк-тепловое сопротивление корпус-теплоотвод.
Выбираем Iко=0,05Iк.макс=0,08А
Ток базы определяем следующим образом
Iб.макс=Iк.макс/
=2мА
Напряжение база-эмиттер максимальное определяет по входным характеристикам транзисторов.Uбэ=1,7В (см.приложение)
Номинальные значения резисторов базовых
цепей выходных транзисторов определяем
по формуле:
=752Ом,
где Uбэ.откр=1В
Мощность, рассеиваемая на резисторе
Р=
=3,61мВт
Транзисторы для предоконечного каскада усилителя мощности должны иметь следующие параметры:
Uкэ.макс=32В,
Iк.VT1.макс=Iб.VT3.макс=Iк.VT3.макс/=2мА,
Рк.макс=Uкэ.макс*Iк.макс=0,064Вт
Этим требованиям отвечает пара
комплиментарных транзисторов
КТ3102-КТ3107, имеющих:Uкэ.макс=40В,
Iк=100мА, Рк=150мВт,
Резисторы R8 и R9 определяют коэффициент усиления, поэтому R9/(R8+R9)=1/Киок=1/2
R9=R8
Ток через резисторы R9 и R8 должен быть на порядок больше чем ток базы выходного транзистора IR8,R9 >10Iб.ок
Uвых/(R8+R9)>10Iб.ок
Uвых/10Iб.ок>R8+R9
1кОм>R8+R9
R8=R9=500Ом
Цепь смещения рассчитываем из условия покоя каскада
Iко=0,08А
Iб.п.ок=
Iко/=100мА/750=130мкА,
(берем ток покоя коллектора примерно
равным 100мА)
Ток базы покоя оконечного каскада является током покоя коллектора предоконечных транзисторов, т.е. Iк.VT1.п.=Iб.VT3+IR7
IR7=Uб.э.п.ок/R7=1.1/820=1.3мА(напряжение база-эмиттер покоя оконечного каскада находим по входным характеристикам транзистора VT3)
Iк.VT1.п.=1,4мА
Iб.VT1.п=
Iк.п.VT1/=1.4*0.001/60=23мкА
По входной характеристике транзистора VT1 определяем напряжение база-эмиттер покоя, которое равное прямому падению напряжения на диодах.
Uпр.=Uбэ.п.=0,6В(при Iпр.>10Iб.п.VT1, Iпр.=0,23мА)
Подбираем диод КД228, имеющий следующие характеристики:
Iпр.макс=7,5А
Uпр.макс=0,65В
Рассчитаем резисторы R5 и R6
IR5=Iб.п.VT1+Iд.=0,25мА
UR5=Eк-Uб.э.п.VT1=22-0.6=21.4В
R5=21.4/0.25мА=85,6кОм
РR5=21.4*21.4/85600=0.00535Вт
Сопротивление R1 определяет входное сопротивление усилителя мощности, и должно составлять порядка 10кОм. Берем R1=47кОм, т.к. это сопротивление рекомендовано для большинства усилительных устройств.
R3=47кОм (для того чтобы не было разбаланса)
РR1=Uвх^2/Rн=0,1914мВт
PR3=6.148мВт
Сопротивление R2 определяет коэффициент передачи УМ в целом,
мы задались
=1/Ки=0,15
R2/(R2+R3)=0.15
R2=8294Ом
Напряжение на инвертирующем входе равно напряжению на неинвертирующем и равно 3В
Р=U^2/R=0.001Вт
Конденсатор С1 выбираем из условия, что
C1 и R1
высокочастотный фильтр первого порядка,
=R1*C1>1/2*
*fн
С1=0,17мкФ
2=C2*R2>1/2**fн
С2=6мкФ
Расчет источника питания
VT1
VD1-VD4
TS1
C1
C2
+
+
R1
R6
VD3
VD4
R2
R3
R4
R5
R7
R8
R9
R10
VT2
VT3
VT5
VT6
VT7
Напряжение на выходе выпрямителя Uвых.выпрям=Uост+Uвых.макс. Выбираем Uост=2В, тогда Uвых.выпрям.=22+2=24В
Напряжение пульсаций на
конденсаторе фильтра берется в пределах
10% от рабочего напряжения, и равно
Тогда С=
=2560мкФ
С учетом напряжения
пульсаций
Uвых.выпр=24+4=28В
Т.о. мы получили напряжение на выходе выпрямителя при самом низком напряжении в сети (-15%), тогда на уровне 220В мы будем иметь напряжение
28/0,85=33В
а при максимальном напряжении сети (при +10%)
33*1.1=36.3В
Т.о. рабочее напряжение мы выбрали правильно.
Сформируем требования к трансформатору:
Выбираем трансформатор ТПП259 с габаритной мощностью Р=31Вт
Выбираем диоды для мостового выпрямителя по следующим параметрам
Данным параметрам удовлетворяем диод Д202 с параметрами
Проведем расчет стабилизатора напряжения
В качестве транзистора VT1 берем мощный транзистор, который должен иметь параметры:
Выбираем те же транзисторы что и для усилителя мощности, КТ853,КТ829.
Транзисторы для дифференциального каскада стабилизатора должны иметь следующие параметры:
Берем транзисторы КТ3102,КТ3107, которые имеют следующие характеристики
В
качестве элемента, задающего опорное
напряжение стабилизатора, выбираем
стабилитрон КС191Ж с напряжением
стабилизации
Рассчитаем значения резисторов, входящих в каскад.
Рассчитаем значеня резисторов делителя напряжения. Ток делителя на порядок выше чем ток базы транзистора VT3
Резистор R4 позволяет подстроить номинал напряжения, т.е. из 220кОм 10% уйдет на подстройку, т.о. R4=22кОм
R5+R3=198кОм
R3/R5=1/2
R3=66кОм
R5=132кОм
Список литературы
1 Гудилин А.Е. Руководство к курсовому проектированию по электронным устройствам автоматики. Методические указания.Челябинск.1985
2 Гендин Г.С. Все о резисторах.-М.:Телеком,2000
3 Перельман Б.Л. Полупроводниковые приборы. Справочник.- М.:Микротех.1996