Генератор специального сигнала

Курсовая работа

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.

19 стр., 9086 слов

Генераторы ВЧ фирм «Rohde&Sсhwarz», «Agilent Technology»

... частоты. Ниже этого значения выходной сигнал генерируется встроенным синтезатором DDS. В отличие от используемого в приборе подхода традиционные генераторы на частотах ниже 250 ... и USB можно отключать и защищать паролем. Генератор ВЧ, Генератор ВЧ Генератор сигналов R&S SM300 обладает всеми чертами, присущими генератору сигналов общего назначения: широким динамическим диапазоном, большим набором ...

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

7 стр., 3153 слов

Проектирование генератора колебаний специальной формы

... сигнала на выходе генератора. генератор колебание усилитель чебышев Рисунок 1.1 - Схема симметричного мультивибратора Рисунок 1.2 - Временные диаграммы работы симметричного мультивибратора В генераторе ... сигнала за счёт внешнего управляющего напряжения. Интегратор используется для выполнения операций интегрирования. В данной работе он используется для преобразования импульса прямоугольной формы ...

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 .

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