Проектирование генератора колебаний специальной формы

Курсовая работа

Неотъемлемой частью почти любого электронного устройства является генератор. Источник регулярных колебаний необходим в любом периодически действующем измерительном приборе, в устройствах инициирующих измерения или технологические процессы, и вообще в любом приборе, работа которого связана с периодическими состояниями или периодическими колебаниями. Они присутствуют практически везде.

Генераторы колебаний специальной формы используются в цифровых мультимерах, осциллографах, радиоприёмниках ЭВМ, в любом периферийном устройстве ЭВМ (накопители на магнитной ленте или магнитных дисках, устройства печати, алфавитно-цифровой терминал), почти в любом цифровом приборе (счётчики, таймеры, калькуляторы и любые приборы с «многократным отображением») и во множестве других устройств. Устройство без генератора либо вообще ни на что не способно, либо предназначено для подключения к другому (которое скорее всего содержит генератор).

В данной работе рассмотрена реализация функционального генератора. Приводятся функциональная и принципиальная схемы проектируемого устройства, описываются его основные характеристики, принцип построения и работы.

1. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

При проектировании функционального генератора был проведен обзор и анализ литературы. При обзоре были выбраны основные блоки устройства и элементы блоков, позволяющие реализовать требования проекта.

Из обзора информационных материалов были выделены аналоги разрабатываемого устройства, симметричный мультивибратор, генератор линейно изменяющегося напряжения и синусоидальных колебаний [1], которые выполняют схожие задачи.

Рассмотрим аналоги более подробно.

Симметричный мультивибратор [1] схема которого представлена на рисунке 1.1, предназначен для генерирования периодической последовательности импульсов напряжения прямоугольной формы с требуемыми параметрами (амплитудой, длительностью, частотой следования, и др.).

Мультивибратор выполняет функцию задающего (ведущего) генератора, формирующего запускающие входные импульсы для последующих узлов и блоков в системе импульсного или цифрового действия. Длительности импульса и паузы выходного сигнала такого мультивибратора равны между собой: tи = tи1 = tи2 (рисунок 1.2).

Преимуществом этого аналога является то, что он работает в режиме самовозбуждения, и для формирования импульсного сигнала не требуется внешнее воздействие, а процесс получения импульсного напряжения основывается на преобразовании энергии источника постоянного тока. Недостаток — отсутствие треугольных импульсов и гармонического сигнала на выходе генератора.

4 стр., 1929 слов

Разработка генератора сигнала специальной формы

... курсовом проекте был спроектирован генератор специальной формы. При этом были получены навыки проектирования электронных схем, изучены соответствующие методики и принципы их построения. В данной работе ... Расчет усилителя мощности генератор мультивибратор интегратор усилитель Усилитель мощности служит для усиления сигнала по мощности. В генераторе сигналов специальной формы используется следующий УМ ...

генератор колебание усилитель чебышев

Рисунок 1.1 — Схема симметричного мультивибратора

Рисунок 1.2 — Временные диаграммы работы симметричного мультивибратора

В генераторе линейно изменяющегося [1] напряжения используется начальный участок экспоненциального заряда конденсатора, а функцию элемента создающего цепь для быстрого разряда конденсатора выполняет транзистор. Цикл начинается с линейного нарастания опорного сигнала от нуля (рисунок 1.3).

Временной интервал формируется с начала цикла до момента совпадения преобразуемого и опорного сигнала. Достоинством этого аналога является то, что он генерирует треугольные импульсы, а недостатком — отсутствие прямоугольных импульсов и гармонического сигнала на выходе генератора.

Рисунок 1.3 — Временные диаграммы работы генератора линейно изменяющегося напряжения

Генератор синусоидальных колебаний [1] осуществляет преобразование энергии постоянного тока в переменный ток требуемой частоты. Для диапазона низких частот применяют RC генераторы. Они основаны на использовании частотно-зависимых цепей, составляемых из резисторов и конденсаторов. Достоинством этого аналога является то, что он генерирует гармонический сигнал, а недостатком — отсутствие прямоугольных и треугольных импульсов на выходе генератора. Обобщённая функциональная схема генератора представлена на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4 — Обобщённая функциональная схема генератора

Все указанные устройства схожи и частично выполняют требования технического задания.

В целом, за прототип можно принять симметричный мультивибратор [1], удовлетворяющий основным требованиям технического задания, и затем добавить фильтр нижних частот [2,3] для получения на выходе гармонического сигнала. А так как прототип работает только с положительным напряжением, дополнительно введём интегратор, чтобы, используя сигнал индикации полярности выбирать с помощью аналогового мультиплексора [2] выходной сигнал этого интегратора, или другой сигнал на его входе. Для обеспечения возможности изменения частоты выходного сигнала за счёт внешнего управляющего напряжения, на вход аналогового мультиплексора поставим варикап [4].

2. РАСЧЁТ НА СТРУКТУРНОМ УРОВНЕ

Функциональная схема проектируемого генератора приведена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 — Функциональная схема

Рассмотрим каждый блок данной схемы более подробно.

Мультивибраторы служат для создания периодической последовательности импульсов различной формы. В данной работе будет использован симметричный мультивибратор для генерации прямоугольных импульсов.

Варикап необходим для обеспечения возможности изменения частоты выходного сигнала за счёт внешнего управляющего напряжения.

Интегратор используется для выполнения операций интегрирования. В данной работе он используется для преобразования импульса прямоугольной формы в треугольную.

Фильтры применяются для выделения или подавления определенных колебаний, разделения частотных каналов, формирования спектра сигналов. В данной работе будет использоваться фильтр нижних частот для преобразования прямоугольного сигнала в гармонический.

Мультиплексор — функциональный узел ЭВМ, осуществляющий микрооперацию передачи сигнала с одного из своих входов на один выход. В данной работе будет использован аналоговый мультиплексор 590КН19, имеющий встроенный регистр памяти, куда подаётся двузначный код соответствующего сигнала выхода.

В данном проекте для мультивибратора и интегратора будут использованы операционные усилители 140УД18 [5].

Они выбирались по параметрам, представленным в таблице 2.1.

Таблица 2.1 — Параметры операционного усилителя 140УД18

Параметр

Обозначение

Не менее

Не более

Напряжение питания

Uп

13,5

16,5

Максимальное выходное напряжение

Uвых.макс

10

Согласно представленному обзору, была составлена таблица 2.2, в которой показаны основные требования к узлам схемы функционального генератора.

Таблица 2.2 — Требования к основным узлам

Наименование параметров

Обозначение

Единицы измерения

Значение параметров узлов схемы

Мультивибратор

Интегратор

ФНЧ

Мультиплексор

Входные

Uвх мах

В

10

10

5

10

Выходные

Uвых мах

В

10

8

5

10

Временные и частотные

длительность импульса

мс

0,5

частота

кГц

10 ±10 %

3. ВЫБОР И РАСЧЁТ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ

3.1 Симметричный мультивибратор

На рисунке 3.1 приведена схема симметричного мультивибратора.

Рисунок 3.1 — Симметричный мультивибратор

Частота выходного сигнала определяется следующим образом:

(1)

(2)

Где ? — постоянная времени.

Примем R1 = 100 кОм, R2 = 230 кОм, R3 = 1 кОм, R4 = 1 кОм и найдём сопротивление С2 при частоте формируемого сигнала (10 кГц ± 10 %), т.е. при кГц.

С2 (f = 9 кГц) = 222 пФ,

С2 (f = 11 кГц) = 91 пФ,

По графику зависимости ёмкости варикапа от напряжения [4] (рисунок 3.2) определим управляющее напряжение.

Uупр1 = 1 В, Uупр2 = 3,3 В.

Рисунок 3.2 — График зависимости ёмкости варикапа от напряжения

(3)

Где tи — длительность импульса,

tи = 0,5 мс.

3.2 Интегратор

На рисунке 3.3 приведена схема интегратора.

Рисунок 3.3 — Интегратор

Зная UВХ = 10 В, UВЫХ = 9 В, примем С = 1 мкФ, найдём R:

(4)

(5)

R5 = 1,1 Мом

3.3 Фильтр нижних частот

На рисунке 3.4 приведена схема фильтра нижних частот.

Рисунок 3.4 — Фильтр нижних частот

Рассчитаем коэффициент передачи резистивного делителя:

(6)

(7)

Для получения выходного напряжения 5 В коэффициент усиления равен ? = 0,5. Для данного резистивного делителя коэффициент усиления определяется по формуле (7) [1].

Пусть R6 = 100 Ом, тогда R7 = 90 — 110 Ом, учитывая что потенциометр обеспечивает регулировку напряжения ±10 %.

Нормированные значения элементов для фильтра Чебышева [3], имеющего неравномерность затухания 0,28 Дб и сопротивление нагрузки R8 = 1000 Ом, приведены в таблице 3.1. Требуемые значения переменных получаются в результате умножения нормированных значений на постоянную преобразования:

Таблица 3.1 -Значения элементов фильтра Чебышева

n

C 1

L 1

C2

3

1,3451

1,1412

1,3451

(8)

Где K — постоянная преобразования;

  • R — сопротивление нагрузки;
  • fc — частота среза;
  • В результате вычислений, получим: С1 = 21407,93 пФ, С2 = 21407,93 пФ, L1 = 19775 мкГн.

Результат работы фильтра с рассчитанными параметрами приведен в разделе «Электрическое моделирование» данной пояснительной записки.

3.4 Аналоговый мультиплексор

В данной работе предполагается использование мультиплексора с двумя адресными и тремя коммутирующими входами. Лучше всего для этой цели подходит аналоговый мультиплексор КН19 [5].

Схема мультиплексора показана на рисунке 3.5.

Рисунок 3.5 — Аналоговый мультиплексор

На адресные входы А0, А1 с встроенного регистра поступает двоичный код. В таблице 3.1 приведено соответствие кода виду выходного сигнала.

Таблица 3.1. — Последовательность управляющих сигналов

Вид сигнала

INn

A0

A1

Прямоугольный

IN1

«1»

«0»

Треугольный

IN2

«0»

«1»

Импульсный

IN3

«1»

«1»

4. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Для моделирования был выбран фильтр нижних частот, с целью проверки правильности его работы. В качестве среды моделирования был выбран ППП Micro-Cap 5. Схема цепи, смоделированной в MCAP, представлена на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1 — Схема ФНЧ

На рисунке 4.2 приведена амплитудно-частотная характеристика фильтра.

Рисунок 4.2 — АЧХ фильтра

Из рисунка 4.2 видно, что фильтр нижних частот соответствует поставленной задаче, т.е. на уровне минус 3 Дб частота среза равна 10 кГц.

5. АНАЛИЗ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

Для подтверждения работоспособности проекта функционального генератора и соответствия его требованиям технического задания приведем его основные характеристики.

Частота формируемого сигнала (10 кГц ± 10 %), скважность последовательности 2 и амплитуда прямоугольного импульса 10 В обеспечиваются параметрами симметричного мультивибратора.

Изменение частоты выходного сигнала за счёт внешнего управляющего напряжения обеспечивается варикапом и рассматривается в разделе 3.1 Симметричный мультивибратор.

Амплитуда треугольного импульса 8 В обеспечивается параметрами интегратора. Амплитуда гармонического сигнала 5 В обеспечивается коэффициентом передачи резистивного делителя.

Нестабильность частоты выходного сигнала не более 10-3 обеспечивается пассивными элементами электрической цепи.

Погрешность установки напряжения выходного сигнала не более 10 % обеспечивается потенциометром R8.

заключение

В ходе выполнения курсового проекта был разработан функциональный генератор, соответствующий требованиям технического задания.

Был проведен анализ справочной литературы, в ходе которого были найдены аналоги и прототип, на основе которого и был разработан данный генератор.

Опираясь на [6] и [7] были составлены функциональная и принципиальная схемы функционального генератора.

С помощью ППП Micro Cap 5 был проведен анализ одного из узлов схемы — ФНЧ, подтвердивший правильность подбора отдельного компонента данного устройства.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/kursovaya/generatoryi-kolebaniy-spetsialnoy-formyi/

1. Забродин Ю.С. Промышленная электроника: Учебник для вузов.- М.: Высш. школа, 1982. — 496 с.

2. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 3-х томах: Т.1. Пер. с англ. — 4-е изд. перераб. и доп.- М.: Мир, 1998. -413 с.

3. Справочник по расчёту фильтров: Справочник / Ханзел Г.; М.: Советское радио, 1974.- 288 с.

4. Полупроводниковые приборы: Диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы: Справочник/ А.В. Баюков, А.Б. Титцевич, А.А. Зайцев и др. ; Под общ. ред. Н.Н. Горгонова .- 3-е изд., перераб. .-М.: Энергоатомиздат, 1987.-744 с.

5. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник / Якубовский С.В., Ниссельсон Л.И., Кулешова В.И. и др.; Под ред Якубовского С.В. ?М.: Радио и связь, 1989. ? 496 с.

6. Александров К.К., Кузьмина Е.Г. Электрические чертежи и схемы. — М.: Энергоатомиздат, 1990. — 288 с.

7. Говердовская З.Г. Правила выполнения схем: Единая система конструкторской документации. — М.: Изд-во стандартов, 1987. — 136 с.