Генератор специального сигнала

метки: Сигнал, Генератор, Специальный, Схема, Напряжение, Мощность, Мультивибратор, Управление

Вторая половина ХХ века характеризуется усложнением электронной аппаратуры. В профессиональной аппаратуре начинают широко использоваться системы автоматического регулирования.

Электронная автоматика быстрыми темпами внедряется в промышленность, создаются автоматические системы управления технологическими процессами.

В конце века наблюдается стремительное развитие вычислительной техники. Такой рост был бы невозможен без микросхем с высокой степенью интеграции элементов. Рост вычислительных возможностей опережает рост программного обеспечения.

Генераторы сигналов специальной формы — это источники, вырабатывающие стабильные испытательные сигналы с известными параметрами: частотой, напряжением (мощностью и формой).

Генераторы обладают возможностью регулировки параметров выходного сигнала.

Генераторы характеризуются диапазоном генерируемых частот;

• точностью установки частоты и постоянства ее градуировки;
• стабильностью генерируемых сигналов по времени; зависимостью

параметров выходного сигнала от внешней нагрузки и пределами их регулирования.

тактовый генератор мультивибратор усилитель

1. Постановка задачи

Необходимо спроектировать генератор сигналов специальной формы с заданными параметрами:

Рис.1. Временная диаграмма выходного напряжения генератора

2. Разработка структурной схемы

Структурная схема функциональной части генератора представлена на рис. 2.

Рис.2. Структурная схема генератора

Рассмотрим назначение отдельных функциональных блоков.

ТГ — тактовый генератор, представляет собой мультивибратор, который запускает каждый период колебаний, генерируя импульсы определенной длительности.

Интегратор служит для получения наклонных участков выходного сигнала генератора.

Компараторы предназначены для отключения интегратора при достижении напряжением нулевого уровня или заданного U _max .

МВ — мультивибратор, который необходим для формирования импульсной части выходного напряжения генератора.

Ключи предназначены для отключения/подключения генератора прямоугольных сигналов и отключения интегратора при достижении выходным напряжением нулевого уровня.

ЛС — логическая схема, которая предназначена для управления ключами.

ОВ1, ОВ2, ОВ3 — одновибраторы, предназначены для задания временных интервалов , и соответственно.

Измерительные генераторы студент группы ивт

... измерительные генераторы (ИГ) можно по многим признакам: по форме выходного сигнала они могут быть подразделены на генераторы гармонических колебаний, генераторы прямоугольных импульсов, генераторы импульсов треугольной формы и др.; по назначению они делятся на генераторы: сигналов ...

Сумматор предназначен для получения выходного сигнала из его составляющих.

УМ — усилитель мощности.

Все элементы схемы питаются от блока питания БП, а изменение параметров выходного сигнала осуществляется посредством блока регулировок БР.

3. Разработка принципиальной схемы

3.1 Расчет тактового генератора

По заданию одним из регулируемых параметров выходного сигнала является период Т. В качестве устройства, задающего этот временной интервал, выступает тактовый генератор (мультивибратор), схема которого изображена на рис. 3.

Рис. 3 Схема тактового генератора

Данный мультивибратор имеет скважность, отличную от Q=2. Диод VD3 служит для предотвращения прохождения отрицательных фронтов в остальную часть схемы. Амплитуда выходных импульсов задается стабилитроном Ст.

Период данного мультивибратора вычисляется по формуле

Скважность мультивибратора определяется из соотношения

По заданию период импульсов должен изменяться в интервале . Для этого поставим на выходе мультивибратора счетчик-делитель на 10, а период мультивибратора будем варьировать в пределах путем изменения сопротивления R ₄ . При этом выберем постоянным сопротивление R₁ =100 кОм. Сопротивления R₂ и R₃ выберем равными кОм., кОм. Емкость выберем равной мкФ. Тогда значение сопротивления R₄ можно вычислить по формуле

Для Т=0,1 с кОм,

для Т=10 с МОм.

В качестве регулируемого сопротивления выбираем оптопару ОЭП1.

3.2 Расчет одновибраторов

В данной системе используется три одновибратора для задания интервалов времени , и . Схема используемых одновибраторов приведена на рис. 4.

Рис.4 Схема одновибратора

Для данной схемы длительность импульса вычисляется по следующей формуле:

где — выходное сопротивление ЛЭ при . В дальнейшем при расчетах полагаем 74 Ом (по сравнению с R для инженерных расчетов этим сопротивлением можно пренебречь).

Таким образом, значение сопротивления, которое необходимо включить в схему для получения импульса заданной длительности, можно рассчитать по следующей формуле:

Для первого одновибратора (ОВ1) пусть максимальная длительность импульса с. Приняв С=1 мкФ, получим R=60 МОм.

Для второго одновибратора (ОВ2) пусть максимальная длительность с. Приняв С=1 мкФ, получим R=20 МОм.

Для третьего одновибратора (ОВ3) пусть максимальная длительность с. Приняв С=1 мкФ, получим R=20 МОм.

В качестве регулируемого сопротивления выбираем оптопару ОЭП1.

3.3 Расчет интегратора

Наклонные участки заданного сигнала формируются при помощи интегратора, так как при подаче на его вход положительного или отрицательного постоянного сигнала выходной сигнал представляет собой прямую с положительным или отрицательным наклоном. Схема используемого интегратора представлена на рис. 5.

Рис. 5 Схема интегратора

Напряжение на выходе интегратора равно

При получим

Отсюда зависимость сопротивления R от времени нарастания фронта будет иметь вид

Так как на вход мы подаем постоянное напряжение, которое определяется выходным напряжением коммутатора, то можем принять, что В. Выходное напряжение также принимаем постоянным, равным В .

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 ... генератор мультивибратор интегратор усилитель Усилитель мощности служит для усиления сигнала по мощности. В генераторе сигналов специальной формы используется следующий УМ (принципиальная схема ...

Тогда для максимального значения времени нарастания фронта с, приняв С=1 мкФ, получим

МОм.

Регуляция напряжения осуществляется путем подачи напряжения с выхода интегратора на схему, представленную на рис. 6. Коэффициент усиления определяется следующей зависимостью

Таким образом, путем изменения сопротивлений R ₁ и R₂ можно добиться как усиления выходного сигнала интегратора В, так и ослабления. Выберем сопротивление R₂ постоянным, равным кОм. Тогда считая, что получим пределы изменения R₁ :

Рис. 6 Схема усилителя

В качестве регулируемого сопротивления выбираем оптопару ОЭП1.

При прекращении подачи напряжения на вход интегратора на выходе будем иметь постоянный уровень, поэтому для получения требуемого выходного сигнала генератора остается только прибавить к выходному напряжению интегратора напряжение с выхода генератора прямоугольных сигналов.

3.4 Расчет мультивибратора

Для получения прямоугольных импульсов воспользуемся автоколебательным мультивибратором, схема которого представлена на рис. 7.

Рис. 7 Схема мультивибратора

Данный мультивибратор имеет скважность Q=2. Амплитуда выходных импульсов задается стабилитроном Ст.

Период данного мультивибратора вычисляется по формуле

При кОм получим

Приняв С=4,5 пФ, получим

для МГц R ₁ =100 кОм,

для 0МГц R ₁ =10 кОм.

На выходе получаем колебания с амплитудой 0,7В. По заданию амплитуда должна варьироваться в пределах , а если учесть, что напряжение будет усилено, то получим следующие пределы изменения . Для того чтобы получить такое напряжение, на выходе мультивибратора необходимо поставить делитель

3.5 Расчет сумматора

Сумматор необходим для получения выходного сигнала генератора путем сложения напряжений с выхода интегратора и выхода генератора прямоугольных сигналов. Схема используемого сумматора представлена на рис. 9.

Рис. 9 Схема сумматора

Выходное напряжение такого сумматора имеет вид

где — коэффициент передачи i-го входного сигнала.

В данном случае необходимо просуммировать сигналы с единичными коэффициентами передачи, поэтому . Выберем R=10 кОм.

Чтобы исключить влияние входного тока ОУ на точность суммирования, необходимо неинвертирующий вход ОУ заземлить через резистор R ₁ , сопротивление которого вычисляется из уравнения

В данном случае =3,3 кОм.

3.6 Расчет логической схемы

Для получения на выходе генератора сигнала заданной формы необходимо определенное логическое управление работой отдельных функциональных блоков генератора. Эту функцию выполняет логическая схема, которая управляет ключами. Рассмотрим отдельно управление каждым ключом.

Схема управления К ₁ приведена на рис. 10.

Рис. 10 Схема управления ключом К ₁

Управление производится на основании сигналов от тактового генератора и компаратора 2 в соответствии со следующей таблицей истинности:

U ТГ	U 2	U к1	U к1
1	0	1	0
0	1	0	1
0	0	0	1

Схема управления ключом К ₂ приведена на рис. 11.

Рис. 11 Схема управления ключом К ₂

Управление производится на основании сигналов от RS-триггера, управляющего одновибраторами и ключа К ₁ в соответствии со следующей таблицей истинности:

U т	U К1	U К2
0	1	0
1	0	0
0	0	0
1	1	1

В качестве ключа используется аналоговый ключ КР 590 КН 2. Нумерация входов соответствует нумерации выходов при наличии сигнала управления.

3.7 Расчет усилителя мощности

Для достижения заданных параметров выходного сигнала сигнал, поступающий с выхода сумматора, необходимо усилить в 20 раз по напряжению и в 98 раз по току. Для этого используется усилитель мощности, схема которого представлена на рис. 14.

Рис. 14 Схема усилителя мощности

Мощность, рассеиваемая на транзисторах VT3, VT4:

Выберем транзисторы VT3, VT4 из условия:

Выбраны транзисторы КТ809А, КТ812А.

Ток базы этих транзисторов

Ток коллектора транзисторов VT1, VT2

Мощность, рассеиваемая на транзисторах VT1, VT2:

Выберем транзисторы КТ315А, КТ361А.

Примем .

Отсюда номиналы резисторов R ₁₁ , R₁₂

Отсюда номиналы резисторов R ₉ , R₁₀

Примем, что выходной ток и напряжение операционного усилителя .

Ток делителя R ₄ — R₅

Напряжение на этих резисторах R ₅ , R₇ равно 0,6В. Отсюда можем найти их номиналы

Напряжение на резисторах R ₄ , R₈

Отсюда

Коэффициент усиления без обратной связи равен

где ,

Таким образом, коэффициент усиления без обратной связи

Коэффициент усиления с обратной связью вычисляется по формуле

Отсюда

С другой стороны

Примем R ₁ =1 кОм.

Чтобы не происходило смещения нуля ОУ, выбираем R ₂ =R₁ =1 кОм.

3.8 Расчет блока питания

Напряжение питания, необходимое для элементов схемы, получаем при помощи импульсного блока питания, схема которого приведена на рис. 15.

Для питания элементов схемы необходимо получить двухполярное напряжение , .

Импульсный блок питания состоит из мультивибратора (генератора прямоугольных импульсов), импульсного трансформатора, выпрямителя и стабилизаторов.

Мультивибратор строится по схеме, аналогичной на рис. 7. Импульсный трансформатор имеет одну первичную и четыре вторичные обмотки.

Рис. 15 Схема блока питания

• Расчет мультивибратора.

Выберем R ₁ =10 кОм, R₂ =R₃ =510 Ом, С₁ =450 пФ. Тогда

Расчет стабилизаторов.

Необходимое входное напряжение вычисляется по формуле

где 3 — минимальное напряжение между коллектором и эмиттером транзистора.

Максимальная рассеиваемая мощность

Тип транзистора выбирается из условия:

Максимальный ток базы

Стабилитрон выбирается из условия:

Номинал сопротивления вычисляется по формуле

Результаты расчета приведены в таблице 1.

Таблица 1

Cтабилизатор	U вх , В	I н , А	P max , Вт	Тип транзистора	I Б max , мА	Тип стабилитрона	R, Ом
	218	0,2	0,78	КТ812А	20	КС650А	56
	18	0,1	0,39	КТ617А	33	КС515А	75

Расчет трансформатора.

Исходные данные:

Мощность, потребляемая нагрузкой .

Используемая мощность трансформатора

В качестве магнитопровода применим кольцо типоразмера К20126 из феррита марки 2000НН (В _max =0,25 Тл).

Площадь сечения магнитопровода

Площадь окна магнитопровода

Габаритная мощность трансформатора

Условие выполняется.

Максимальный ток первичной обмотки

Число витков для каждой обмотки

Диаметр провода для каждой обмотки

Результаты вычислений приведены в таблице 2.

Таблица 2

Номер обмотки	Число витков w	Диаметр провода d
I	2	1,9
II, III	31	0,3
IV, V	3	0,2

4. Анализ метрологических характеристик

Погрешности данной схемы обусловлены:

• отклонениями реальных значений элементов от номинальных (для стандартного ряда Е24 это отклонение составляет 5%);
• нестабильностью источника питания (в данном случае конструкция блока питания предусматривает стабилизаторы напряжения, так что отклонение напряжения питания от номинального составляет не более 10%);
• искажение формы сигнала вследствие неидеальности отдельных функциональных блоков (явление адсорбции при интегрировании;
• наличие граничных частот усилителя мощности;
• уже указанные отклонения номиналов элементов);

— погрешности регулирования параметров выходного сигнала вследствие нелинейности передаточной характеристики оптопары, которая используется в качестве регулируемого сопротивления (существуют также временные задержки, связанные с инерционностью различных функциональных блоков, но в данном случае по сравнению с периодом выходного сигнала ими можно пренебречь).

Заключение

В процессе работы над данным курсовым проектом был спроектирован генератор специальных сигналов соответствующий заданию. Были получены практические навыки по расчету трансформатора, блока питания, усилителя мощности и других функциональных элементов. В процессе проектирования были исследованы возможные схемотехнические решения того или иного аспекта проблемы, что позволило нам расширить свой кругозор в этой области.

Список литературы

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

Грязнов Н. М. Трансформаторы и дроссели в импульсных устройствах. — М: Радио и связь, 1986.

Интегральные микросхемы. Операционные усилители. — М: ДОДЕКА, 1994.

Перельман Б. Л. Полупроводниковые приборы. — М: СОЛОН, 1996.

Портала О. Н. Радиокомпоненты и материалы. — М: КУБК-А, 1998.

Терещук Р. М., Терещук К. М., Седов С. А. Полупроводниковые приемно-усилительные устройства: справочник радиолюбителя. — Киев: Наукова думка, 1982.

Хоровиц Б., Хилл У. Искусство схемотехники. — М: Мир, 1984.

Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы/ под ред. Якубовского С. В. — М: Радио и связь, 1989.

Шило В. Л. Популярные цифровые микросхемы. — М: Радио и связь, 1988.

Приложение 1. Список элементов

Резисторы

Обозначение на схеме	Тип элемента
R1	100 кОм МЛТ Рн=0.25 Вт
R2	100 кОм МЛТ Рн=0.25 Вт
R3	200 кОм МЛТ Рн=0.25 Вт
R4	200 кОм МЛТ Рн=0.25 Вт
R5	100 кОм МЛТ Рн=0.25 Вт
R6	200 кОм МЛТ Рн=0.25 Вт
R7	100 кОм МЛТ Рн=0.25 Вт
R8	100 кОм МЛТ Рн=0.25 Вт
R9	200 кОм МЛТ Рн=0.25 Вт
R10	100 кОм МЛТ Рн=0.25 Вт
R11	100 кОм МЛТ Рн=0.25 Вт
R12	220 кОм МЛТ Рн=0.25 Вт
R13	5 кОм МЛТ Рн=0.25 Вт
R14	5 кОм МЛТ Рн=0.25 Вт
R15	10 кОм МЛТ Рн=0.25 Вт
R16	10 кОм МЛТ Рн=0.25 Вт
R17	10 кОм МЛТ Рн=0.25 Вт
R18	3,3 кОм МЛТ Рн=0.25 Вт
R19	1 кОм МЛТ Рн=0.25 Вт
R20	1 кОм МЛТ Рн=0.25 Вт
R21	20 кОм МЛТ Рн=0.25 Вт
R22	2 МОм МЛТ Рн=0.25 Вт
R23	6 кОм МЛТ Рн=0.25 Вт
R24	680 кОм МЛТ Рн=0.25 Вт
R25	6 кОм МЛТ Рн=0.25 Вт
R26	2 МОм МЛТ Рн=0.25 Вт
R27	320 Ом МЛТ Рн=0.25 Вт
R28	320 Ом МЛТ Рн=0.25 Вт
R29	10 Ом МЛТ Рн=0.25 Вт
R30	10 Ом МЛТ Рн=0.25 Вт
R31	2 кОм МЛТ Рн=0.25 Вт
R32	10 кОм МЛТ Рн=0.25 Вт
R33	510 Ом МЛТ Рн=0.25 Вт
R34	510 Ом МЛТ Рн=0.25 Вт
R35	56 Ом МЛТ Рн=0.25 Вт
R36	56 Ом МЛТ Рн=0.25 Вт
R37	75 Ом МЛТ Рн=0.25 Вт
R38	75 Ом МЛТ Рн=0.25 Вт

Обозначение на схеме	Тип элемента
R39	10 Ом МЛТ Рн=0.25 Вт
R40	2 кОм МЛТ Рн=0.25 Вт
R41	10 кОм МЛТ Рн=0.25 Вт
R42	510 Ом МЛТ Рн=0.25 Вт
R43	510 Ом МЛТ Рн=0.25 Вт
R44	56 Ом МЛТ Рн=0.25 Вт
R45	56 Ом МЛТ Рн=0.25 Вт
R46	75 Ом МЛТ Рн=0.25 Вт
R47	75 Ом МЛТ Рн=0.25 Вт

Конденсаторы

Обозначение на схеме	Тип элемента
С1	0,1 мкФ
С2	1 мкФ
С3	4,5 пФ
С4	1 мкФ
С5	1 мкФ
С6	1 мкФ
С7	450 пФ
С8	24 мкФ
С9	24 мкФ
С10	150 мкФ
С11	150 мкФ

Диоды, стабилитроны

Обозначение на схеме	Тип элемента
VD1	КД103А
VD2	КД103А
VD3	КД103А
VD4	КД103А
VD5	2С107А
VD6	КД109Б
VD7	КД109Б
VD8	КД109Б
VD9	КД109Б
VD10	КС650А
VD11	КС650А
VD12	КД109Б
VD13	КД109Б
VD14	КД109Б
VD15	КД109Б
VD16	КС650А
VD17	КС650А
VD18	КД109А
VD19	КД109А
VD20	КД109А
VD21	КД109А
VD22	КС515А
VD23	КД109А
VD24	КД109А
VD25	КД109А
VD26	КД109А
VD27	КС515А

Транзисторы

Обозначение на схеме	Тип элемента
VT1	КТ315А
VT2	КТ361А
VT3	КТ809А
VT4	КТ812А
VT5	КТ812А
VT6	КТ812А
VT7	КТ617А
VT8	КТ617А