У якості реалізації генератора трикутних напруги можна використовувати багато різних схем. Найбільш ефективними можна вважати схеми підключення на основі операційних підсилювачів, які можуть надають великий коефіцієнт підсилення, який у свою чергу забезпечує досить велику вихідну напругу. Також використання операційних підсилювачів генераторах дозволяє дозволяє забезпечити стабільної частоти від долі герц до сотні кілогерц. Як правило для реалізації генератора використовують схеми підключення під назвою «інтегратор» та «диференціатор», остання методика не є досить вдалою для забезпечення виходу трикутної напруги.
«Диференціатор» сигналу, побудований на операційному підсилювачі.
Являється підсилювачем на високих частотах (рисунок 2.1).
Рисунок 2.1 - Деференціатор
В такому підключенні здійснюється деференціювання вихідного сигналу.
, (1)
, (2)
, (3)
; (4)
В такому разі дане рівняння показує, що операційний підсилювач диференціює вхідний сигнал з постійною сталою .
«Інтегратор» - це метод який найкращим чином задовольняє умову реалізації виходу трикутних імпульсів, який ми і використаємо у даній задачі (рисунок 2.2).
Рисунок 2.1 - Інтегратор
Інтегратор являє собою самим простим пристроєм з реактивних елементів. Якщо на вхід інтегратора подати сигнал типу меандр , то на виході ми отримаємо трикутну напругу з сталою часу .
, (5)
За рахунок віртуального нуля
, , ,
Звідси:
; (6)
Оскільки на інтегратор необхідно подати прямокутну напругу, то для її генерації використаємо імпульсний генератор.
Імпульсні генератори - призначені для одержання сигналів, форма яких суттєво відрізняється від синусоїдальної. Такі сигнали характеризуються наявністю ділянок з відносно повільною зміною амплітуди і її стрибковою зміною. Імпульсні генератори мають внутрішній або зовнішній позитивний зворотній зв’язок.
Особливість роботи активних елементів: вони періодично, дуже швидко змінюють свій стан з одного крайнього положення в інше.
Основні режими імпульсних генераторів:
- автоколивальний - після збудження генерується послідовність імпульсів, характеристики яких визначаються лише параметрами елементів схеми;
- очікування - генератори імпульсів відбуваються лише за наявності зовнішнього сигналу запуску;
- синхронізації - частота вихідних імпульсів рівна чи кратна частоті зовнішнього синхронізуючого сигналу.
Формувачі імпульсів - пристрої, які виробляють імпульси необхідної тривалості з інших імпульсів чи з перепаду напруг (фронта).
Формувачі імпульсів бувають:
- на логічних елементах;
- з інтегруючим ланцюгом;
- з емітер ним повторювачем;
- на мікросхемах.
Для того щоб сформувати трикутну напругу на інтегратор необхідно подавати прямокутні імпульси. Це ми забезпечимо за допомогою автоколивального мультивібратора (рисунок 2.3).
Рисунок 2.3 - Автоколивальний мультивібратор
Для забезпечення підсилення амплітуди вихідного сигналу з автоколивального мультивібратора використаємо інвертуючий підсилювач (масштабний підсилювач)(рисунок 2.4).
Рисунок 2.4 - Інвертуючий підсилювач.
Тому за допомогою опорів R1 та R2 ми можемо підібрати необхідний коефіцієнт підсилення, який буде забезпечувати нормальну роботу інтегратора. Коефіцієнт передачі ідеального операційного підсилювача не залежить від параметрів операційного підсилювача, а визначається тільки зовнішніми елементами R1 та R2.
; (7)
Але в реальних умовах потрібно враховувати, що операційний підсилювач не ідельний тому накладає певні обмеження.
Для підсилення сигналу на вихід інтегратора використаємо каскад побудований по двотактній схемі на біполярних транзисторах різної провідності (комплементарна пара) (рисунок 2.5). Транзистори вихідного каскаду працюють в режимі класу В, з кутом відсічки .
Тобто,
; (8)
Рисунок 2.5 - Підсилювальний каскад на БТ
2.2 Розробка структурної схеми перетворювача
Спрощена структурна схема перетворювача наведена на рисунку 2.6.
Рисунок 2.6 - Спрощена структурна схема
На рисунку 2.6 - спрощена структурна схема, на якій :
АМВ - автоколивальний мультивібратор на операційному підсилювачі, використовується для того, щоб сформувати прямокутні імпульси вхідного сигналу з певною частотою. Межі частоти формуються опором Rx.
П - перетворювач, який призначений для формування трикутного імпульсу на виході даної схеми.
ПН - підсилювач напруги, призначений для підсилення величини вихідного сигналу по напрузі до заданого в умові
ПП - підсилювач потужності, використовується для забезпечення потужності на навантаженні.
2.3 Попередній розрахунок АМВ
Даний каскад використовується для генерування імпульсів зі сталою напругою та змінною частотою. Особливих вимог до даного генератора не висувається.
Розрахуємо діапазони зміни Rx для для зміни тривалості імпульсу на виході автоколивального мультивібратора
Наведемо можливі межі опору:
кГц,
Розрахуємо динамічний діапазон.
D= , (9)
D=.
Оскільки заданий діапазон є більшим за 10, то виконаємо його розбиття на під діапазони:
D= , (10)
D==2,
D=, (11)
D==5.
D=, (12)
D==1.
Таким чином при проведенні подальших розрахунків необхідно врахувати ці під діапазони при виборі елементів даного вузла схеми.
Для такого ОМВ тривалість сформованого імпульсу:
, (13)
Для зручності оберемо напругу на виході 5В. Період повтору лежить в межах 10мс до 10мкс.
Тому напруга на виході генератора не повинна бути висока для зменшення похибки. Нехай Uвих=5(В), тоді =(1,2...1,4) Uвих =(6..7)(В)
Задамося =(В).
Визначимо напругу живлення за заданою амплітудою вихідних імпульсів гранична частота лежить в межах , а :
,
;
Виберемо ОП К574УД1
Основні параметри:
(нА) вхідний струм
(В) максимальна вихідна напруга
(Ом) вихідний опір
(МГц) гранична частота
Діапазон робочих температур = (45-70)С
2.4 Попередній розрахунок підсилювача потужності
В якості підсилювача потужності використаємо підсилювальний двотактний каскад на біполярних транзисторах.
Розрахуємо потужність на виході даного каскаду.
Початкові дані:
10(В), =4 (Ом)
Іmax =, (14)
Іmax = ;
Розрахуємо максимальну вихідну потужність:
Рmax=Umax Imax , (15)
Рmax ==25 (Вт)
Оскільки використовуємо комплементарне включення то потужність на виході одного транзистора зменшується у двічі. Таким чином для транзистора:
Рmax=Umax Imax/ 2,
Рmax =12,5 (Вт)
За даними параметрами з довідника оберемо два транзистори КТ819А типу NPN, і КТ 818А типу PNP.
Таблиця 2.1 - Основні параметри транзистора
Тип
Pкmax,Вт
Ікmax, A
Uкеmax, B
h21e min/max
fгр, МГц
КТ819А КТ 818А
60
10
40
>15
3
2.5 Попередній розрахунок підсилювача напруги
ПН використовується для стабілізації рівня вихідної напруги на перед кінцевому каскаді. Для визначення параметрів проведемо наступні розрахунки.
Визначимо коефіцієнт підсилення по напрузі:
, (16)
.
Оскільки попередній каскад перетворює прямокутну напругу в трикутну, то хоч попередній каскад варто стабілізувати рівень вихідної напруги та підсилити його до рівня 10 В. Це і буде виконувати даний каскад.
Виберемо активний елемент підсилювача потужності спираючись на наступні дані:
Оскільки коефіцієнти підсилення транзисторів VT2 та VT3 Кпр=25дб=300,
то :
Рвх=, (17)
Рвх , , Ікмах =.
Заданим параметрам відповідає транзистор n-p-n КТ3107А
Основні параметри транзисторів:
КТ3107А:
=300(мВт) - максимальна колекторна потужність.
=100(мА) - максимальний колекторний струм.
=380/800 - коефіцієнт підсилення.
=200(МГц) - гранична частота, T=-60...+125С - робоча температура.
2.6 Попередній розрахунок первинного перетворювача
Для первинного перетворювача в даному випадку - інтегратора, виберемо такий операційний підсилювач:
Нехай Uвх=5(В), тоді =(1,2...1,4) Uвих =(6..7)(В).
К574УД2Б
Розрахуємо діапазони зміни Rx для для зміни амплітуди імпульсу на виході первинного перетворювача.
Наведемо можливі межі напруг:
(В),
D= , D=.
D= , D==2,
D=, D==5.
D=, D==10.
2.7 Розробка детальної структури схеми
Детальна структура схеми представлена на рисунку 2.7.
Рисунок 2.7 - Детальна структурна схема
На рисунку 2.7 - детальна структурна схема, в якій:
АМВ - автоколивальний мультивібратор, використовується для того, щоб сформувати прямокутні імпульси з напругою 5(В). Використовується в подальшому для формування трикутної напруги на виході.
П -перетворювач, призначений для перетворення прямокутної напруги в трикутну. В якості перетворювача використовується інтегратор на ОП моделі К574УД2Б.
ПН - підсилювач напруги, призначений для підсилення величини вихідного сигналу по напрузі до 10(В). Таким чином на виході даного каскаду отримуємо напругу 0...10(В).
ПП - підсилювач потужності, використовується для забезпечення потужності на навантаженні. Оснований на БТ КТ802А і КТ 805А P.
Закінчивши попередню розробку структурної схеми, маємо схему, розбиту на декілька каскадів, внаслідок чого, для кожного з каскадів зроблений попередній розрахунок. Тобто визначені динамічні діапазони, коефіцієнти підсилення, максимальні значення струмів, напруг,
потужностей, вибрані згідно розрахункам операційні підсилювачі, транзистори.
Принцип роботи перетворювача заключається у наступному. АМВ проводить генерацію імпульсів з напругою 5(В). Згенеровані імпульси потрапляють інтегратор, на виході якого формуються трикутні імпульси, тривалість яких може формуватись за допомогою змінних резисторів. Дана напруга є досить низькою і виникає необхідність її підсилення по напрузі та стабілізації та підсилення по потужності, саме тому у схемі і використовуємо підсилювачі напруги та потужності.
3 Електричні розрахунки
3.1 Електричний розрахунок підсилювача потужності
Електричний розрахунок виконуємо за допомогою електричної принципової схеми , яка зображена на (рисунку 3.1).
Рисунок 3.1 - Схема ПП електрична принципова
Вхідні дані:
Транзистори КТ802А і КТ 805А.
=60(Вт)
=10(А)
=40(В)
Uмах =10(В)
Рвх=300(мВт)
Рвих=80(Вт)
Оберемо напругу живлення
З вихідних характеристик транзисторів:
при
З вхідних характеристик:
при та ,
Задамося ,
тому
Проведемо розрахунок опорів вхідного подільника R18 R16
(18) (19)
Оберемо стандартні опори:
R9 С2-23-10Ом, Р=0,125Вт, 1%
R10 С2-23-10Ом, Р=0,125Вт, 1%
Розрахуємо вхідний опір цього каскаду:
(20)
Ом - додатковий опір.
R11 С2-23-100Ом, Р=0,125Вт, 1%
3.2 Розрахунок підсилювача напруги
На рисунку 3.2 зображена схема ПН електрична принципова.
Рисунок 3.2 - Схема ПН електрична принципова
Транзистор КТ3107А
=300(мВт)
=100(мА)
=45(В)
Задаємося .
Обираємо з вихідної характеристики транзистора:
, при .
при .
Задамося .
Розрахуємо R7:
(21)
R7 С2-23-1кОм, Р=0,125Вт, 1%
Розрахуємо R9 :
(22)
R8 С2-23-100Ом, Р=0,125Вт, 1%
тому ,
Проведемо розрахунок опорів вхідного подільника R5 R6
(23)
(24)
R5 С2-23-2,2кОм, Р=0,125Вт, 1%
R6 С2-23-22кОм, Р=0,125Вт, 1%
(25)
Проведемо розрахунок конденсаторів.
- розділові конденсатори.
- блокувальний конденсатор.
; (26)
; (27)
(28)
К21-7-2мкФ ,10%
Аналогічно розрахуємо
(29)
КМ6М47-360нФ ,20%
3.3 Електричний розрахунок первинного перетворювача
Проведемо розрахунок первинного перетворювача за допомогою схеми електричної принципової первинного перетворювача (рисунок 3.3).
Рисунок 3.3 - Схема первинного перетворювача електрична принципова
Проведемо розрахунок опорів інтегратора, тобто ОП з який інтегрує на виході. Такий інтегратор повинен формувати трикутні напруги на виході схеми.
Визначимо напругу живлення за заданою амплітудою вихідних імпульсів:
=(1,2…1,4), (30)
=12 (В).
Оскільки даний каскад повинен лише формувати трикутні імпульси, а не підсилювати сигнал по напрузі, то виберемо номінали елементів так, щоб коефіцієнт підсилення по напрузі даного каскаду
, (31)
Оскільки , тоді
Задавшись =1кОм, знаючи межі, в яких змінюється опір проведемо розрахунок ємності конденсатора.
Таким чином задавшись R4 =1(кОм) проведено вибір усіх елементів
схеми.
R4 С2-23-1кОм, Р=0,125Вт, 1%
Тоді значення опору R4 буде приймати значення
(кОм) ,
(Ом),
(Ом) ,
Виберемо, значення опорів:
С2-23-10кОм, Р=0,125Вт, 1%
С2-23-5кОм, Р=0,125Вт, 1%
С2-23-100Ом, Р=0,125Вт, 1%
3.4 Електричний розрахунок АМВ
На рисунку 3.5 зображена схема АМВ електрична принципова.
Рисунок 3.5 - Схема АМВ електрична принципова
Розрахуємо опір.
Вхідні данні:
Частота модуляції fmax= 100(кГц)
Umax=5(В)
=(1,2…1,4)=6…7(В).
Оберемо =12(В).
Оскільки частота f = 100(кГц), задавшись ємністю конденсатора С1=1000(пФ) розрахуємо значення резистора R1:
(36)
R1 С2-23-7,1 кОм, Р=0,125Вт,
А також конденсатор:
С1 КМ6М47-1000пФ ,20%
Знаючи, які значення опорів приймають в діапазонах опір визначимо коефіцієнт підсилення по напрузі для формування прямокутних імпульсів. Задамося опором R3 =1(кОм)
R3 С2-23-1Ом, Р=0,125Вт, 1%
(кОм),
Проведемо розрахунок опорів ,,:
С2-23-4кОм, Р=0,125Вт, 1%
С2-23-1Ом, Р=0,125Вт, 1%
4. Моделювання одного з вузлів
Проведемо моделювання одного з вузлів перетворювача з метою впевнитись у його працездатності. Проведемо моделювання автоколивального мультивібратора (рисунок 4.1). Підставимо всі обрані вище номінали.
Рисунок 4.1 - Автоколивальний мультивібратор
Рисунок 4.1 - Амплітуда вихідної напруги
Висновки
В даному курсовому проекті докладно були описані головна мета, основне призначення та області застосування генератора трикутних напруг. Також була розглянута поетапна розробка та розрахунок кожного з елементів схеми, приведені структурні схеми окремих каскадів.
В результаті проведених розрахунків була розроблена структура перетворювача, проведено розрахунок опорів та ємностей, ОП та транзисторів, підібрані елементи та їх номінали, проведено моделювання одного з вузлів схеми електричної принципової, визначені метрологічні характеристики і вирахувано, що похибка перетворення не перевищує 1%.
Графічна частина містить схему електричну принципову, створену згідно стандартів.
Література
1. Терещук Р.М. Полупроводниковые приемно-усилительные устройства.- Киев: Наук.думка, 1988.- 800с.
2. Степененко И.П. Основи мікроелектроніки.- М.: Сов. Радио, 1980 - 456 с.
3. Харовіц П. Н. Мистецтво схемотехніки.- М.: Мир. 1986. - 55 с.
4. Довідник. Вживання інтегральних мікросхем в електронній обчислювальній техніці.- М.: Радіо і зв'язок, 1987. -400 с.
5. Наумов Ю.Е. Інтегральні схеми.- М.:Сов.радио, 1970. -112 с.
6. Никитин В.А. Книга начинающего радиолюбителя.-М.: Патриот, 1991.-464с.
7. Бокуняев А.А. Справочная книга радиолюбителя-конструктора.-М.: Радио и связь,1990. - 624 с.
Додаток А
Генератор трикутних напруг. Схема електрична принципова
Страницы: 1, 2
