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.
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.
