Проектирование генератора гармонических колебаний на ОУ с мостом Вина

Вариант схемы:АРУ на ПТ;

Частота (диапазон частот) – 0.05-50 кГц;

Амплитуда – 0.1-0.2-0.5-1-5В.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КП.140400.62.ВТВ 310703 ЭиЭ 4.00.14

Генератор – это устройство, преобразующее энергию источника питания в электрические колебания заданной формы, частоты и амплитуды.

По форме импульсов условно различают генераторы прямоугольных или трапецеидальных; треугольных импульсов, синусоидального напряжения.

Электронные генераторы входят составной частью во многие электронные приборы и системы.

На низких и средних частотах хорошим источником синусоидальных колебаний с малым уровнем искажения служит мостовой генератор Вина.

Мостовой генератор Вина

Для получения синусоидальных колебаний существует несколько способов, но мы применим генератор с мостом Вина, т.к. он больше других подходит для реализации синусоидальных колебаний и обеспечивает необходимые параметры (двухполярное питание, малое искажение синусоидального сигнала (Кг<0,1%), плавная регулировка частоты).

Выбор операционного усилителя

Выбор операционного усилителя основывается на поиске усилителя общего применения с малым смещением нуля, малыми входными токами, незначительным температурным дрейфом и достаточной скоростью нарастания выходного напряжения

Выбираем операционный усилитель К154УД1, т.к. он подходит по скорости нарастания сигнала, напряжению питания. Основные характеристики приведены в таблице.

Тип ОУ	В		, мА	max, В	МГц		max В	min кОм	вх МОм	Ближайший зарубежный аналог
К154УД1			0,15							HA2700

Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист КП.140400.62.ВТВ 310703 ЭиЭ 4.00.14   Корпус 154УД1, К154УД1

корпус КР154УД1

Назначение выводов
Вывод	Назначение
	Регулировка смещения нуля
	Инвертирующий вход
	Неинвертирующий вход
	Отрицательное напряжение питания
5	Корпус Не используется
	Выход
	Положительное напряжение питания
	Регулировка смещения нуля

Предельно допустимые режимы и условия
Параметр	Мин.	Макс.
Напряжение между выв. 7 и 4, В
Дифференциальное входное напряжение, В	-11
Синфазное входное напряжение, В	-11
Выходной ток, мА	-5
Мощность рассеяния, мВт
Рабочая температура, °C 154УД1А, 154УД1Б К154УД1А, К154УД1Б, КР154УД1А, КР154УД1Б	-60 -40	125 85

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КП.140400.62.ВТВ 310703 ЭиЭ 4.00.14

Расчёт цепи ПОС

Идея моста Вина состоит в том, чтобы создать усилитель с обратной связью, имеющий сдвиг фазы 180⁰ на нужной частоте, а затем отрегулировать петлевое усиление так, чтобы возникли автоколебания на частоте

Для выполнения данного условия, задаемся значением одного из элементов моста в пределах, рекомендуемых значений:

определяем значение второго элемента для заданных частот:

для f=0.05кГц

Из стандартного ряда Е24 выбираем

R=3,3МОм

для f=50кГц

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КП.140400.62.ВТВ 310703 ЭиЭ 4.00.14

R= Ом

Проверяем обеспечение заданных диапазонов регулировки частоты по расчетной формуле при подстановке реальных значений:

для низкой частоты

для высокой частоты

Условия выполняются.

Расчёт ООС

Мост Вина представляет собой неинвертирующий усилитель с коэффициентом усиления

на неинвертирующий вход которого подается сигнал с моста. Так как фазовый сдвиг моста Вина равен нулю, в схеме обеспечивается баланс фаз. Для одинаковых значений R и C коэффициент усиления по напряжению выходного сигнала по отношению к сигналу на неинвертирующем входе ОУ должен быль 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 характеристики усилителя, т.е. не следует достигать колебаний полного размаха.

Рекомендуемое значение R1 + R2 находится в пределах десятков-сотен килоОм

Примем , тогда

Оба значения соответствуют стандартному ряду номиналов сопротивлений Е24.

Расчёт цепи АРУ.

Выбираем высокочастотный (универсальный) диод VD1 с наименьшим прямым падением напряжения (германиевый). Амплитуда выходного напряжения ОУ без цепи АРУ равна максимальному выходному напряжению операционного усилителя.

Схема АРУ обеспечивает:

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КП.140400.62.ВТВ 310703 ЭиЭ 4.00.14

. U_m = 0.7│ ± U_2m│

Выпрямленное диодом напряжение составит:

.

В цепи, C играет роль фильтра, значения этих элементов выбирают из условия

, задавшись значением одного из элементов.

Принимаем с фильтра 1 нФ

По выходным ВАХ полевого транзистора с управляющим p-n переходом при малых напряжениях U_си определяем зависимость сопротивления канала от напряжения U_зи и выбираем такое значение напряжения на затворе, при котором R_си будет больше выбранного ранее R1 или изменить выбранные ранее значения резисторов цепи ООС.

I0	0,5	0,25	0,75
R	2.5	1.6	7.5
Uз	0.2	0.4	0.1

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КП.140400.62.ВТВ 310703 ЭиЭ 4.00.14

Так как выбранные значения R1 много больше R_си то принимаем значения:

R1=2.5кОм

R2=7.5кОм

После выбора полевого транзистора, в зависимости от типа его канала (p или n ) необходимо проверить правильность включения выпрямительного диода.

Так как выпрямленноенапряжение U_d больше допустимого напряженияна затворе U_зи выбранного транзистора, применяется резистивный делитель.

R4=8кОм

R5=7кОм

2.2.Моделирование генератора.

Рассмотрим сигнал при расчетных параметрах.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КП.140400.62.ВТВ 310703 ЭиЭ 4.00.14

Запуск:

Подключим частотометр:

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КП.140400.62.ВТВ 310703 ЭиЭ 4.00.14

Подключим измеритель нелинейных искажений:

Заявленная частота 50 кГц ( достигнута.

Выведем регулировочный резистор в крайнее нижнее положение:

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КП.140400.62.ВТВ 310703 ЭиЭ 4.00.14

Запуск:

Подключим частотомер:

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КП.140400.62.ВТВ 310703 ЭиЭ 4.00.14

Подключим измеритель нелинейных искажений

Вывод: При моделировании генератора возникла сложность, так как получилась большая величина нелинейных искажений на высокой частоте, обусловленная недостаточной скоростью нарастания. При низкой частоте появилась необходимость использовать потанциометры для достижения наилучшего результата. Заявленную частоту получили, амплитуда изменяется от 1 до 47,3 В.

Раздел 3

3.1.Расчет источника питания для генератора.

ИП – источник питания

Устройство, предназначенное для преобразования однофазного напряжения 220В с частотой 50 Гц, в постоянное напряжение с заданными параметрами.

Рис.1 Структурная схема источника питания

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КП.140400.62.ВТВ 310703 ЭиЭ 4.00.14

Структурная схема ИП рис.1 включает в себя четыре следующих блоков:

· трансформатор понижает напряжение 220В до требуемого значения и обеспечивает гальваническую развязку электронного устройства от сети;

· блок вентилей преобразует двухполярное напряжение в пульсирующее однополярное;

· сглаживающий фильтр обеспечивает сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения;

· стабилизатор предназначен для поддержания постоянного напряжения на нагрузке при изменении напряжения питания и сопротивления нагрузки.

Микросхемы представляют собой двухполярные стабилизаторы напряжения с фиксированным значением выходного напряжения +15 В и максимальным током нагрузки до 100 мА (КР142ЕН15А) и до 200 мА (КР142ЕН15Б). Предусмотрена возможность регулировки выходного напряжения в пределах ±(8...23)В и имеется встроенная тепловая защита и защита по току. Выполнены по планарно-эпитаксиальной технологии на биполярных транзисторах с изоляцией элементов обратносмещенным р-n переходом и содержат 63 интегральных элемента.

Электрическиепараметры:
Выходное напряжение при U_вх=20 В, I_вых=2 мА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ±(14,5…15,5) В
Минимальное падение напряжения:
КР142ЕН15А при U_вх=U_вых+3 В, I_вых=1 мА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ≤ 3 В
КР142ЕН15Б при U_вх=U_вых+3,5 В, I_вых=1 мА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .≤ 3,5 В
Нестабильность по напряжению при U_вх=±20 В, I_вых=1 мА, U_вх-=±10 В . . . . . . ≤ 0,01 %/В
Нестабильность по току при U_вх-=±20 В, I_вых=1 мА, I_вых-=50 мА . . . . . . . . . . . ≤ 4,0 %/А
Коэффициент сглаживания пульсаций при f=100 кГц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .≥ 70 дБ
Ток потребления на положительном выходе при U_вх=+30 В, I_вых=0 . . . . . . . . .≤ 5 мА
Ток потребления на отрицательном выходе при U_вх=-30 В, I_вых=0 . . . . . . . . . .≤ 6 мА
Температурный коэффициент напряжения при U_вх=±20 В, I_вых=1 мА . . . . . . . ≤ 0,01 %/°C
Температура окружающей среды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .-10…+70°C

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КП.140400.62.ВТВ 310703 ЭиЭ 4.00.14

Конденсаторы

С1-­С2 , С3-­С4 ≥ 0.01мкФ

С5-­С6 ≥ 1мкФ

Емкость конденсаторов С1-­С2 и С3-­С4 выбирается из соотношения:

Определяем суммарный ток схемы генератора и источника питания:

;

где I_ОУ – ток потребления операционного усилителя,

I_СТ – ток потребления стабилизатора напряжения.

Найдем емкость конденсаторов сглаживающего фильтра:

Коэффициент сглаживания емкостного фильтра ,

где f_п – частота пульсаций 100Гц,

R_н – сопротивление нагрузки:

Коэффициент сглаживания пульсаций не менее 700

Отсюда найдем С_ф:

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КП.140400.62.ВТВ 310703 ЭиЭ 4.00.14

Принимаем из стандартного ряда конденсатор

По паспортным данным стабилизатора емкости конденсаторов фильтра должна быть не менее 1мкФ

Исходя из коэффициентов для мостовой схемы выпрямителя

Ток вентилей расчетный:

Ток вентилей прямой:

Ток вентилей прямой берется на 20% больше расчетного, т.к. приходится учитывать броски тока при первоначальном заряде конденсаторов.

Обратное напряжение вентилей:

Диодный мост выбираем по обратному напряжению:

Диод	Uобр, В	Iпр, А
КД521А		0.05

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

Электрические параметры:

Постоянное прямое напряжение при Iпр. = 50 мА:
при T = +25 и +125 °С, не более	1 В
при T = -60 °С, не более	1,5 В

Импульсное прямое напряжение при Iпр. имп.= 50 мА:
не более	1,75 В

Постоянный обратный ток при Uобр. = Uобр,макс:
при T=-60 и +25°С	1 мкА
при T = +125 °С	100 мкА

Заряд переключения:
при Iпр.= 10 мА, Uобр.и = 10 В, и Iпр.= 1 мА, не более	200 пКл

Время обратного восстановления:
при Iпр.=10 мА, Uобр.,и =10 В и Iпр. = 1 мА, не более	4* нс

Общая емкость диода:
при Uобр. = 0, не более	4 пФ

Напряжение во вторичной обмотке трансформатора:

Ток во вторичной обмотке трансформатора:

R1-R2 ­– датчики тока системы защиты микросхемы от перегрузки и аварийного замыкания выходной цепи.

Раздел 4

4.1 Проектирование комбинационной схемы

Дешифратор.

Спроектировать комбинационную логическую схему четырех аргументов Х₀, Х₁, Х₂, Х₃, реализующую функцию заданную в таблице, используя элементы

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КП.140400.62.ВТВ 310703 ЭиЭ 4.00.14

И, ИЛИ, НЕ с любым количеством входов. Провести минимизацию на основе карт Карно. Для минимизированной схемы подобрать интегральные микросхемы серии 155 или 176.

N	a(	b(	c	d( )	F

1. Составляем уравнение СДНФ:

2.Составим карту «Карно»

	ab			a

Записываем минимизированное уравнение МДНФ:

Из уравнения мы видим, что нам нужно:

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КП.140400.62.ВТВ 310703 ЭиЭ 4.00.14

Подключим генератор слов на устройство и проверим его работу в соответствии с таблицей.

Для построения схемы воспользуемся микросхемами:

155ЛН1 с шестью логическими элементами "НЕ"

155ЛИ1 с четырьмя логическими элементами "2И"

155ЛЕ4 с тремя логическими элементами "3ИЛИ-НЕ"

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КП.140400.62.ВТВ 310703 ЭиЭ 4.00.14

Т.к в промышленной электронике отсутсутствует элемент «3 ИЛИ»,мы выбрали микросхему 155ЛЕ4 с элементами «3ИЛИ-НЕ».Для получения нужного нам результата воспользовались свободным входом микросхемы, для инвертирования выхода логических элементов «НЕ».

4.1 Моделирование комбинационной схемы

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КП.140400.62.ВТВ 310703 ЭиЭ 4.00.14

Вывод: На рисунках наглядно видно как данная схема преобразует значения генератора слов в необходимую нам функцию F : 0010011100. Поставленная задача выполнена.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КП.140400.62.ВТВ 310703 ЭиЭ 4.00.14

Заключение.

В курсовом проекте разработаны принципиальные схемы усилителя, генератора гармонических колебаний, источника питания и дешифратора.

При проектировании усилии теля мы ознакомились с методами расчетов параметров биполярного транзистора с использованием справочных данных, а также проектированию модели рассчитанного усилителя.

В качестве усилительного каскада использовали биполярный транзистор КТ363А. Также построили графоаналитическим методом ВАХ транзистора.

Для построения генератора мы использовали операционный усилитель К154УД1. Для получения нужной формы сигнала принудительно занизил резистор R6 и R7 до значения 1.6 кОм. Использовал АРУ на диодах, с плавным переключением по частоте и ступенчатой регулировкой по амплитуде. Основной сложностью оказались проблемы при получении модели генератора, так как возникла большая величина нелинейных искажений на высокой частоте.

Для спроектированного генератора необходим источник питания удовлетворяющий потребление тока. Реализацию источника питания произвели интегральным стабилизатором К142ЕН15А, диодную сборку выбрали КД521А серии.

Дешифратор спроектировал на микросхемах серии К155,так как это позволит нам экономически выгодно подойти к таким вопросом как:

Уменьшить габариты и естественные размеры, удишивить, а также сократить количество потребляемой энергии.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КП.140400.62.ВТВ 310703 ЭиЭ 4.00.14

Библиографический список.

1. Основы промышленной электроники/ Под ред. В. Г. Герасимова. М.: Высшая школа, 1987. 336 с.

2. Сборник задач по электротехнике и основам электроники/ под ред. В. Г. Герасимова. М.: Высшая школа, 1986. 288 с.

3. Морозов А. Г. Электротехника, электроника и импульсная техника. М.: Высшая школа, 1987. 448 с.

4. Степаненко И. П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. 4-е. изд. перераб. и доп. М.: Энергия, 1977. 672 с.

5. Жеребцов И. П. Основы электроники. 4-е изд. перераб. и доп. Л.: Энергоатомиздат, 1985. 352 с.

6. Бочаров Л. Н. и др. Расчет электронных устройств на транзисторах/ Л. Н. Бочаров, С. К. Жебряков, И. Ф. Колесников. М.: Энергия, 1978. 208 с.

7. Полупроводниковые приборы: транзисторы. Справочник/Под ред. Н. Н. Горюнова,-М.: Энергоатомиздат, 1983.

8. Лавриненко В. Ю. Справочник по полупроводниковым приборам. Киев: Техника, 1980.

9. Справочник радиолюбителя-конструктора, – М.: Энергия, 1977.

10. Транзисторы для аппаратуры широкого применения. Справочник/Под ред. Б, Л. Перельмана, – М.: Радио и связь, 1981.