Министерство образования Российской Федерации
Южно-уральскии Государственный Университет
Кафедра Автоматики и Управления
Пояснительная записка к курсовому проекту по курсу
“Электроника в приборостроении”
по теме “Генератор синусоидального напряжения”
Нормоконтролер: Руководитель:
Константинов В.И. Константинов В.И.
« » 2002г. « » 2002 г.
Автор проекта:
студент группы ПС-328
Горшенева А.П.
Проект защищен
с оценкой
«_____»__________2002 г
Челябинск2002 г.
Аннотация
Горшенева А.П. Генератор синусоидальногонапряжения: Пояснительная записка к курсовой работе по курсу «Электроника вприборостроении»
-Челябинск: ЮурГУ,2002.-
В курсовом проекте рассматриваетсяпостроение электронного устройства.
Помимо расчетов принципиальной схемы вданной работе также представлены принципиальная схема и корпус устройства.
Проект реализован в программной среде Word 97, моделирование схемы произведено в среде Electronics Workbench
Ил. , список лит.- назв.
Содержание
1. Введение
2. Обоснование и выбор функциональнойсхемы устройства
3. Выбор и расчет принципиальных схемузлов устройства
4. Моделирование на ЭВМ работыфункциональных узлов устройства
5. Заключение и выводы по соответствиюхарактеристик и параметров устройства требованиям технического задания
6. Список используемой литературы
Введение.
Генераторы гармонических колебаний представляют собой устройства,предназначенные для преобразования энергии источников питания постоянного токав энергию гармонического выходного сигнала напряжения (тока) требуемойамплитуды и частоты.
Так как генератор сам является источником сигнала, он не имеет входа.Генераторы строятся на основе усилителей с цепями положительной обратной связи,которые работают в режиме самовозбуждения на фиксированной частоте. В качествецепей обратной связи могут использоваться резонансные L-C или R-Cсхемычему соответствует два типа генераторов.
L-C генераторы обычноиспользуются для формирования радиочастотных сигналов, т.к весогабаритныехарактеристики элементов колебательных контуров в звуковом диапазоне частотстановятся неприемлемыми. В звуковом диапазоне генераторы строятся на базеиспользования резонансных R-Cсхем, и в качестве усилителей обычно применяются ОУ
Обоснование и выбор функциональной схемы устройства.
Генератор синусоидального напряжения состоит из задающего генератора иусилителя мощности.
/>
/>/>/>/>/>/> КЧЗЦ
РУ
ПУ
УМ
У
/>/>/>/>/>/>/> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
Uвых /> /> /> /> /> /> /> /> />
/>/>/>
Рис3.5. Функциональнаясхема генератора синусоидального напряжения (ГСН)
1) коммутируемая частотозадающая цепь (К.Ч.З.Ц.);
2) усилитель (У.);
3) цепь положительной обратной связи (П.О.С.);
4) стабилизатор амплитуды (С.А.);
5) регулятор уровня выходного напряжения (Р.У.);
6) предварительный усилитель (П.У.);
7) усилитель мощности (У.М.);
8) цепь отрицательной обратной связи (О.О.С.);
9) источник питания (И.П.).
От задающего генератора подается напряжение синусоидальной формы,стабильной амплитуды и частоты на вход усилителя. Обычно во время работы ГСНамплитуда выходного напряжения задающего генератора не меняется и для установкинужной величины напряжения на нагрузке в схему включен регулятор амплитуды.Перестройка частоты задающего генератора производится в пределах какого-либодиапазона плавно, а смена диапазонов производится дискретно.
Обычно плавная перестройка частоты производится в пределах декады, тоесть
/>
где Кп-коэффициент перестройки, />/>-максимальная частота вдиапазоне,/>-минимальная частота вдиапазоне.
Учитывая разброс параметров частотазадающих цепей, для гарантированногополучения любой частоты, из предусмотренных техническим заданием, вводяткоэффициент запаса, тогда
/>
Величина выходного напряжения задающего генератора в техническом задании неоговаривается и может выбираться любой в разумных пределах. Без затрудненийможно получить амплитудное значение этого напряжения в пределах 3…10 В.
Тогда при указанной на рис.3.5 структуре усилителя мощности глубинаобратной связи велика, а значит, он имеет хорошие качественные показатели вовсем частотном диапазоне (малые нелинейные искажения, стабильный коэффициентусиления, низкое выходное сопротивление и т.д.).
Выбор и расчет принципиальных схем узлов устройства
Расчет задающего генератора.
По стабильности частоты и ширине частотного диапазона генерируемогосигнала на практике наиболее подходящим является генератор с мостом Вина
/>
/>
/>
Получили 4 декады с учетом коэффициента запаса:
1) 20Гц-200Гц
2) 200Гц-2000ГЦ
3) 2000Гц-20000Гц
4) 20000Гц-200000Гц
С учетом коэффициента запаса:
1) 18Гц-220Гц
2) 180Гц-2200Гц
3) 1800Гц-22000Гц
5) 18000Гц-220000Гц
При использовании моста Вина в качестве частотно-задающей цепи генераторадля выполнения условий самовозбуждения необходимо:1 чтобы мост Вина включался вцепь положительной обратной связи.
2 чтобы коэффициент передачи усилителя на частоте резонанса моста Винабыл не
Для управления частотой выходного напряжения в качестве резисторов могутиспользоваться сдвоенные потенциометры. Учитывая, что динамический диапазонрегулировки редко >20 дБ для его расширения помимо переменныхрезисторов могут использоваться наборы конденсаторов с декадно-переключаемымноминалом, т.о может быть осуществлено широкополосное регулирование.
Резонансная частота моста Вина />
Зададимся С=1000пФ тогда R=1/(2*3.14*200000*0.1*1000*10^-12)=7957Ом
Тогда 0,1R=795.7Ом, 0,9R=7161.9Ом
В цепи отрицательной обратной связи могут использоваться полевыетранзисторы, работающие на начальных участках выходных характеристик.
Выбираем полевой транзистор с n-каналом, такчтобы Rк.>1кОм при Uзи=-1В.
В качестве такого транзистора берем КП323А-2 (см.приложение), у которого Rк=5В/2,5mA=2кОм при Uзи=-1В
Кu=1/Кuоос=1/3.Следовательно, R2||Rк/(R2||Rк+R3)
Получаем R2=2кОм, R3=2кОм
Зададимся. С=10мкФ, тогда R*=1МОм R4=1000кОм/100=10кОм
Выбираем диод, работающий на Д101
В качестве ОУ берем 140УД23
Расчет регулятора уровня
Регулятор уровня выбираем исходя из следующих условий: регулятор являетсявыходным сопротивлением ОУ, т.е должно быть больше либо равно 2кОм, с другойстороны сопротивление регулятора уровня должно быть на порядок меньше, чемвходное сопротивление усилителя мощности, т.е меньше чем 50кОм.Т.к уровеньрегулировки сигнала составляет 50%, то номиналы сопротивлений будут одинаковы.
Uвых=Uвх*R2/(R1+R2)
Uвых/Uвх=1/2
R1=R2=2кОм
Расчет усилителя мощности
Усилитель мощности состоит из предварительного усилителя, оконечногокаскада и цепи общей обратной связи.
Предварительный усилитель выполняем на операционном усилителе.
Коэффициент усиления усилителя мощности определяется как Ки=Uвых/Uвх=20/3=6, Uвхпринимаем 3В.
Коэффициент усиления оконечного каскада определяем как Киок=Uвых/10=2, где 10 это выходное напряжение операционногоусилителя.
Получаем коэффициент усиления ОУ без обратной связи Ки/Киок=6/2=3
Операционный усилитель выбираем по частотной характеристике при наличииобратной связи и скорости нарастания выходного напряжения во времени
Скорость нарастания выходного напряжения/>=2*3,14*200000*10=12,5В/мкс
Глубина обратной связи />Ки=0,166
Коэффициент усиления усилителя мощности с отрицательной обратной связью
К=/>, где Кf=10%, коэффициент нелинейных искажений без обратнойсвязи, />-коэффициент нелинейныхискажений с учетом отрицательной обратной связи. К=(10/0,2-1)/0,166=295, тогдакоэффициент усиления операционного усилителя с учетом ООС Коу=295/2=147,5
Т.о на частоте 200000 коэффициент усиления ОУ Коу>43дБ
Частота среза f1>fm*Ки=1,2МГц
Данным требованиям отвечает 140УД23 с параметрами
Uп=15В, Rн=2кОм, Uвых.макс=10В, входной ток Iвх=0,2нА,частота единичного усиления f1=10МГц, Vuвых.макс=30В/мкс.
Зависимость коэффициента усиления от частоты приведена в приложении.
Для питания ОУ устанавливаем стабилизаторы на стабилитронах КС515 с
Uст=15В при токе стабилизации Iст=5мА,в этом случае падение напряжения на резисторах R будетопределяться как UR=22-15=7В
IR=Iоу+Iст=10+5=15мА
R=7/15=466.6Ом
P=U*I=7*15*10^-3=0.105Вт
Расчет оконечного каскада
/>
Выходной каскад может быть выполнен по трансформаторной ибестрансформаторной схеме. Критерием для принятия решения может служитьсоотношение между остаточным напряжением на транзисторе при максимальном токенагрузки и амплитудой напряжения на нагрузке.
При /> следует отдаватьпредпочтение трансформаторному каскаду.
Выбор транзисторов для выходного каскада усилителя мощности производят порассеиваемой в нем мощности, граничной частоте усиления и допустимымнапряжениям и токам.
Для выходного каскада усилителя, работающего с двумя источниками питания,напряжение каждого источника выбирается из условия Ек=Uвых.макс+Uост
Ек=20+2=22В
Наибольшее напряжение на транзисторе в таком каскаде примерно равноудвоенному напряжению питания:Uкэюмакс=2*22=44В
Наибольшая мощность, выделяемая в каждом транзисторе выходного каскададля синусоидального сигнала равна/>
Определяем Rн
/>Ом. Тогда Рк.макс=/>=7,85Вт
Выбор транзисторов по току
/>А
Частотные свойства выходных транзисторов должны соответствовать требуемойполосе пропускания всего усилителя. Граничная частота усилителя
fгр.=2…4fмакс=4*200000=800кГц
Выбираем пару комплиментарных транзисторов КТ 853-КТ829, которые имеютпараметры Uкэм=45-100В, Iк=8А,Рк=60Вт, />
Уточняем Uост=1,5В, тогда, /> Следовательно, стоитотдать предпочтение бестрансформаторному каскаду.
По полученной мощности рассчитываем площадь радиатора по формуле
/>=123,045кв.см
где Кт-коэффициент теплоотдачи, зависящий от материала, конструкции испособа обработки теплоотвода.
Для черненого ребристого алюминиевого теплоотвода обычно принимаютКт=0,8*10^-3Вт/С*кв.см
tп-температура перехода, обычно ее принимают на5…10 градусов ниже предельно допустимой
tc-температура среды, максимальная температура позаданию
Rпп-тепловое сопротивление переход-корпус
Rкк-тепловое сопротивление корпус-теплоотвод.
Выбираем Iко=0,05Iк.макс=0,08А
Ток базы определяем следующим образом Iб.макс=Iк.макс//>=2мА
Напряжение база-эмиттер максимальное определяет по входнымхарактеристикам транзисторов.Uбэ=1,7В (см.приложение)
Номинальные значения резисторов базовых цепей выходных транзисторовопределяем по формуле:/>=752Ом,где Uбэ.откр=1В
Мощность, рассеиваемая на резисторе Р=/>=3,61мВт
Транзисторы для предоконечного каскада усилителя мощности должны иметьследующие параметры:
Uкэ.макс=32В, Iк.VT1.макс=Iб.VT3.макс=Iк.VT3.макс//>=2мА, Рк.макс=Uкэ.макс*Iк.макс=0,064Вт
Этим требованиям отвечает пара комплиментарных транзисторовКТ3102-КТ3107, имеющих:Uкэ.макс=40В, Iк=100мА, Рк=150мВт, />
Резисторы R8 и R9определяют коэффициент усиления, поэтому R9/(R8+R9)=1/Киок=1/2
R9=R8
Ток через резисторы R9 и R8должен быть на порядок больше чем ток базы выходного транзистора IR8,R9 >10Iб.ок
Uвых/(R8+R9)>10Iб.ок
Uвых/10Iб.ок>R8+R9
1кОм>R8+R9
R8=R9=500Ом
Цепь смещения рассчитываем из условия покоя каскада
Iко=0,08А
Iб.п.ок=Iко//>=100мА/750=130мкА, (беремток покоя коллектора примерно равным 100мА)
Ток базы покоя оконечного каскада является током покоя коллекторапредоконечных транзисторов, т.е. Iк.VT1.п.=Iб.VT3+IR7
IR7=Uб.э.п.ок/R7=1.1/820=1.3мА(напряжение база-эмиттер покоя оконечногокаскада находим по входным характеристикам транзистора VT3)
Iк.VT1.п.=1,4мА
Iб.VT1.п= Iк.п.VT1//>=1.4*0.001/60=23мкА
По входной характеристике транзистора VT1определяем напряжение база-эмиттер покоя, которое равное прямому падениюнапряжения на диодах.
Uпр.=Uбэ.п.=0,6В(приIпр.>10Iб.п.VT1, Iпр.=0,23мА)
Подбираем диод КД228, имеющий следующие характеристики:
Iпр.макс=7,5А
Uпр.макс=0,65В
Рассчитаем резисторы R5 и R6
IR5=Iб.п.VT1+Iд.=0,25мА
UR5=Eк-Uб.э.п.VT1=22-0.6=21.4В
R5=21.4/0.25мА=85,6кОм
РR5=21.4*21.4/85600=0.00535Вт
Сопротивление R1 определяет входное сопротивлениеусилителя мощности, и должно составлять порядка 10кОм. Берем R1=47кОм,т.к. это сопротивление рекомендовано для большинства усилительных устройств.
R3=47кОм (для того чтобы не было разбаланса)
РR1=Uвх^2/Rн=0,1914мВт
PR3=6.148мВт/>
Сопротивление R2 определяет коэффициент передачиУМ в целом,
мы задались />=1/Ки=0,15
R2/(R2+R3)=0.15
R2=8294Ом
Напряжение на инвертирующем входе равно напряжению на неинвертирующем иравно 3В
Р=U^2/R=0.001Вт
Конденсатор С1 выбираем из условия, что C1 и R1 высокочастотный фильтр первого порядка, />=R1*C1>1/2*/>*fн
С1=0,17мкФ
/> 2=C2*R2>1/2*/>*fн
С2=6мкФ
Расчет источника питания/> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
VT1 /> />
VD1-VD4 /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
Напряжение на выходе выпрямителяUвых.выпрям=Uост+Uвых.макс.Выбираем Uост=2В, тогда Uвых.выпрям.=22+2=24В
Напряжение пульсаций наконденсаторе фильтра берется в пределах 10% от рабочего напряжения, и равно />
Тогда С=/>=2560мкФ
С учетом напряженияпульсаций />Uвых.выпр=24+4=28В
Т.о. мы получили напряжение на выходевыпрямителя при самом низком напряжении в сети (-15%), тогда на уровне 220В мыбудем иметь напряжение
28/0,85=33В
а при максимальном напряжении сети (при+10%)
33*1.1=36.3В
Т.о. рабочее напряжение мы выбралиправильно.
Сформируем требования к трансформатору:
/>
/>
Выбираем трансформатор ТПП259 с габаритноймощностью Р=31Вт
Выбираем диоды для мостового выпрямителяпо следующим параметрам
/>
/>
Данным параметрам удовлетворяем диод Д202с параметрами
/>
Проведем расчет стабилизатора напряжения
В качестве транзистора VT1берем мощный транзистор, который должен иметь параметры:
/>
Выбираем те же транзисторы что и дляусилителя мощности, КТ853, КТ829.
Транзисторы для дифференциального каскадастабилизатора должны иметь следующие параметры:
/>
Берем транзисторы КТ3102, КТ3107, которыеимеют следующие характеристики
/>
В качестве элемента, задающего опорноенапряжение стабилизатора, выбираем стабилитрон КС191Ж с напряжениемстабилизации />
Рассчитаем значения резисторов, входящих вкаскад.
/>
/>
Рассчитаем значеня резисторов делителянапряжения. Ток делителя на порядок выше чем ток базы транзистора VT3
/>
Резистор R4позволяет подстроить номинал напряжения, т.е. из 220кОм 10% уйдет наподстройку, т.о. R4=22кОм
R5+R3=198кОм
R3/R5=1/2
R3=66кОм
R5=132кОм />
Список литературы
1 Гудилин А.Е. Руководство к курсовомупроектированию по электронным устройствам автоматики. Методическиеуказания.Челябинск.1985
2 Гендин Г.С. Все орезисторах.-М.: Телеком,2000
3 Перельман Б.Л. Полупроводниковыеприборы. Справочник.- М.: Микротех.1996