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

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.

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:

1) 20Гц-200Гц

2) 200Гц-2000ГЦ

3) 2000Гц-20 000Гц

4) 20 000Гц-200 000Гц С учетом коэффициента запаса:

1) 18Гц-220Гц

2) 180Гц-2200Гц

3) 1800Гц-22 000Гц

5) 18 000Гц-220 000Гц 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*200 000*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=-1 В.

В качестве такого транзистора берем КП323А-2 (см.приложение), у которого Rк=5В/2,5mA=2кОм при Uзи=-1 В 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=½

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 3 В.

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*200 000*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 200 000 коэффициент усиления ОУ Коу>43дБ Частота среза f1>fm*Ки=1,2МГц Данным требованиям отвечает 140УД23 с параметрами

Uп=15 В, Rн=2кОм, Uвых. макс=10 В, 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=15 В 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=22 В Наибольшее напряжение на транзисторе в таком каскаде примерно равно удвоенному напряжению питания:Uкэюмакс=2*22=44 В 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*200 000=800кГц

Выбираем пару комплиментарных транзисторов КТ 853-КТ829, которые имеют параметры Uкэм=45−100 В, Iк=8А, Рк=60Вт,

Уточняем Uост=1,5 В, 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=1,7 В (см.приложение) Номинальные значения резисторов базовых цепей выходных транзисторов определяем по формуле:=752Ом, где Uбэ.откр=1 В Мощность, рассеиваемая на резисторе Р==3,61мВт Транзисторы для предоконечного каскада усилителя мощности должны иметь следующие параметры:

Uкэ.макс=32 В, 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=40 В, Iк=100мА, Рк=150мВт,

Резисторы R8 и R9 определяют коэффициент усиления, поэтому R9/(R8+R9)=1/Киок=½

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.=0,6 В (при Iпр.>10Iб.п.VT1, Iпр.=0,23мА) Подбираем диод КД228, имеющий следующие характеристики:

Iпр.макс=7,5А

Uпр.макс=0,65 В 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*21.4/85 600=0.535Вт 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=Uвх²/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 3 В Р=U²/R=0.001Вт Конденсатор С1 выбираем из условия, что C1 и R1 высокочастотный фильтр первого порядка, =R1*C1>½**fн

С1=0,17мкФ

2=C2*R2>½**fн С2=6мкФ

Расчет источника питания Напряжение на выходе выпрямителя Uвых. выпрям=Uост+Uвых.макс. Выбираем Uост=2 В, тогда Uвых.выпрям.=22+2=24 В 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=28 В Т.о. мы получили напряжение на выходе выпрямителя при самом низком напряжении в сети (-15%), тогда на уровне 220 В мы будем иметь напряжение

28/0,85=33 В, а при максимальном напряжении сети (при +10%)

33*1.1=36.3 В 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=½

R3=66кОм

R5=132кОм

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