Министерство образования РФ
Тольяттинский государственный университет
Кафедра «Промышленная электроника»
Пояснительная записка к курсовой работе
Генератор прямоугольных импульсов
по дисциплине “Микроэлектроника"
Руководитель: Певчев В.П.
Исполнитель: студент Кудашев С.А.
Группа: ПЭ — 401
Вариант №16
Тольятти 2007
Содержание
Задание на расчет
1. Описание работы схемы
2. Расчет схемы
3. Принципиальная схема
4. Выбор элементов схемы
4.1 Расчет соответствия предельных параметров эксплуатацииОУ выбранному режиму работы схемы
5. Составление схем замещения
Заключение
Список использованных источников
Задание на расчет
Построить генератор прямоугольных импульсов (ГПИ) с видомхарактеристики типа «меандр». Амплитуда сигнала стандартная длятранзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). Установленная частота ступенями: 100Гц; 1 000 Гц; 10 000 Гц. Ток нагрузки 10мА.
1. Функциональная схема устройства
При построении ГПИ за основу взята схема симметричногомультивибратора реализованная на интегральном операционном усилителе (ОУ) [1].Функциональная схема ГПИ приведена на рисунке 1.1
Принципиальная схема мультивибратора приведена на рисунке 1.2
Период переключений такого мультивибратора определяетсяпостоянной времени tинтегрирующей RC-цепи, глубиной положительной обратной связи, входными ивыходными сопротивлениями усилителя, его полосой пропускания и коэффициентомусиления. Если допустить, что вышеперечисленные параметры ОУ, такие как входноесопротивление, выходное сопротивление, коэффициент усиления (без обратнойсвязи) и полоса пропускания приближаются к следующим величинам
/> Rвых ® ¥;/> и />,
то для принципиальной схемы рисунок 1.2
/> (1)
причем для получения прямоугольных импульсов необходимо,чтобы глубина положительной обратной связи bудовлетворяла условию
/> (2)
при выполнении которого переключение ОУ происходит лавинообразноза доли-единицы микросекунды [1].
/>
Рисунок 1.1 — Функциональная схема устройства.
/>
Рисунок 1.2 — Принципиальная схема.
1. Описание работы схемы
При включении питания напряжение на выходе усилителявследствие неидеальной балансировки отличается от нуля. Это напряжение (напримерположительное) с выхода усилителя через цепь положительной обратной связи (ПОС),образованной резисторами R1 и R2 подается на неинвертирующий вход ОУ,усиливается им, снова подается на вход и т.д., пока усилитель не переключится всостояние насыщения и напряжение на его выходе не станет максимально возможным.К инвертирующему входу ОУ подключен конденсатор С, напряжение на которомв начальный момент равно нулю. После переключения конденсатор начинаетзаряжаться через сопротивление R, подключенное к выходу ОУ и напряжениена нем начинает возрастать.
/>, (3)
где Uнас — напряжение насыщения усилителя,близкое к напряжению питания.
На инвертирующем и неинвертирующем входах действуютположительные напряжения — постоянное Uпос и изменяющееся Uс(t) и выходное напряжение определяется как
Uвых (t) = Ко [Uпос — Uс(t)], (4)
где Ко ³103 ¸ 106 — коэффициент усиления.
Это напряжение постоянно и равно Uнас до тех пор,пока разность входных напряжений положительна. Как только напряжениясравняются: Uпос = Uс (t), напряжение на выходе мгновенностановится равным нулю, что влечет за собой и равенство нулю напряженияобратной связи Uпос = 0. Но напряжение на конденсаторе остается и неможет мгновенно изменится, поэтому выходное напряжение, равное усиленномунапряжению на инвертирующем входе, становится отрицательным и равным напряжениюнасыщения:
Uвых = — Ко Uс (t) = — Uнас.(5)
При этом напряжение положительной обратной связи Uпос такжестановится отрицательным. Отрицательное напряжение с выхода через резистор Rподается на конденсатор С, ранее заряженный положительно, и начинает егоперезаряжать. Процесс перезарядки длится до тех пор, пока напряжения наинвертирующем и неинвертирующем входах не сравняются, вследствие чего в схемеснова происходит переключение.
Для получения в нагрузке импульсов напряжения толькоположительного уровня на выходе усилителя подключен диод.
2. Расчет схемы
Параметры элементов схемы обеспечивающей заданные частотыимпульсов на выходе мультивибратора рассчитаем для принципиальной схемы рисунок1.2
Из условия (2) следует, что R1 » 10R2. Примем R1 = 12 000 Ом и R2 = 1 500 Ом, тогда
/>
из (1) выражение под логарифмом будет
/>
Подставив найденное значение в (1) получим следующуюзависимость периода T от параметров времязадающей RC цепи. /> (6)
Для заданных частот выберем общий конденсатор такой емкостьючтобы наименьшее сопротивление резистора R (длянаивысшей заданной частоты) обеспечивало облегченный режим работы ОУ по токунагрузки, например 1 мА. Сопротивление резистора будет
R = 5/1*10-3 = 5000Ом
Напряжение 5 В соответствует моменту переключения ОУ иявляется суммой выходного напряжении ОУ 2,5 В и заряженного конденсатора -2,5 В.
При выбранном сопротивлении проведем расчет емкости длячастоты 10 000 Гц по (6)
С = T /0,446R = 4,48*10-8Ф
Тогда для частоты 1000 Гц, также по (6) получим
R’= 1/ (0,446*1000*4,48*10-8)= 50 кОм
и для частоты 100 Гц
R" = 1/ (0,446*100*4,48*10-8)= 500 кОм
Выбрали значение емкости из стандартного ряда, С = 4500 пФ,и провели пересчет значений сопротивлений для получения заданных частот
R = 4 982 Ом; R’=49 825 Ом; R" = 498 256 Ом.
3. Принципиальная схема
Составим принципиальную схему устройства, где для устраненияразброса параметров элементов схемы включим подстроечные резисторы, авычисленные значения сопротивлений получим путем параллельного подключениярезисторов к R”.
Из стандартного ряда выбрали следующие номиналы резисторовдля принципиальной схемы
R3 = 510 кОм; R4= 47 кОм и R5 = 4,5 кОм.
Подстроечные резисторы выберем с учетом превышениявычисленных значений сопротивлений и включим последовательно с R3, R4, R5.Так
R6 = 50 кОм; R7= 4,7 кОм и R8 = 1 кОм.
4. Выбор элементов схемы
В качестве ОУ выберем микросхему К140УД14, для которойнапряжение питания можно выбирать в диапазоне ±5-20 В. Это позволяет при выборе Uпит ±5Вполучить на выходе ГПИ положительные импульсы уровня ТТЛ т.е. U1 =2,4В. Технические характеристики ОУ приведены в таблице 4.1
Таблица 4.1 — Технические характеристики ОУ.Параметр Значение Входной ток 5 нА Разность входных токов 1 нА Напряжение смещения нуля 5 мВ Коэффициент усиления 50 000 Максимальное выходное напряжение 12 В Максимальное входное дифференциальное напряжение 13 В Напряжение питания 5…20 В Входное сопротивление 30 МОм Выходное сопротивление 10 кОм
Конденсатор выберем типа К21-9 (стеклокерамический)с ТКЕ группы МП0 т.е. с емкостью независящей от температуры.
Сопротивления возьмем типа МЛТ сноминальной мощностью 0,125 Вт. Подстроечные типа СП3 — 38 также номинальноймощностью 0,125 Вт. Максимальный ток пропускаемый резисторами
Imax= Pном/Umax=0,125/3,2 = 39 мА
позволяет применять резисторывыбранной номинальной мощности в схеме.
Подключение нагрузки, произведемпоследовательно с диодом типа Д9Б, рассчитанным на ток (прямой, постоянный)40мА, для получения на выходе только положительных импульсов.
Для выбора частоты генератораключи SА1 и SА2 выполнили на клавишном переключателе типа П 2 КЛ с 2-яклавишами.4.1 Расчет соответствия предельных параметровэксплуатации ОУ выбранному режиму работы схемы
4.1.1 Максимальное входноедифференциальное напряжение присутствует на входе ОУ во время перезарядкиконденсатора, когда напряжение на неинвертирующем входе суммируется снапряжением обратной полярности н-а конденсаторе подключенном к инвертирующемувходу и величина этого напряжения равна удвоенному значению на неинвертирующемвходе
/>
4.1.2 Максимальный ток на выходеОУ является суммой токов нагрузки Iн=10 мА, ПОС
Iпос= /> =0,23 мА
и тока RC цепи. Максимальный ток RC протекает вмомент переключения схемы т.е. когда происходит перезарядка конденсатора суровня Uc. max=Uпос=Uвых*b = 0,35Ввыходным напряжением ОС обратной полярности 3,2В через минимальноесопротивление RC цепи.
/>
После суммирования токовнагружающих выход ОУ получим
Iвых. макс = 10 +0,23 + 0,71 = 10,94 мА
После проведенных расчетовследует, что в схеме можно применить ОУ К 140 УД 14 параметры которой превышаютмаксимально возможные режимы работы схемы.
Макс. входное диф. напряжение, ± В =13 > 0,74, Максимальный выходной ток, мА = 12 > 10,94.
5. Составление схем замещения
При составлении схем замещения необходимо знать значениесопротивления которое дают в сумме резисторы R3 — R8. Воспользовавшись правилами сложения последовательно ипараллельно подключенных сопротивлений, получили Rэкв= 4929 Ом. Следовательно на месте входного сопротивления ОУ будет разрыв, т.коно на порядок превышает Rэкв, а выходноесопротивление остается, т.к оно соизмеримо с R1 и R2.
/>
Рисунок 5.1 — Схема замещения при положительном напряжениина выходе.
/>
Рисунок 5.2 — Схема замещения при отрицательном напряжениина выходе.
Заключение
В ходе проделанной курсовой работы был разработан генератормеандра с уровнями ТТЛ со ступенчатой установкой частоты от 100 до 10 000 Гц итоком нагрузки 50 мА, что полностью соответствует заданию на проектирование.
Список использованных источников
1. Бобровников Л.З. Радиотехника и электроника; Учебник для ВУЗов. -М.;Недра, 1990. — 374с.; с ил.
2. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. — Л;Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1988. — 304 с.; ил.
3. Терещук Р.М. и др. Полупроводниковые приемно-усилительные устройства;Справочник радиолюбителя — Киев; Наук. думка. 1989. — 800 с.; ил.