Уфимский государственный авиационный технический университет
Кафедра Информационно-измерительной техникиПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к расчетно-графической работе по курсу Электроника и ИИТ
Проектирование перестраиваемого генератора синусоидальногонапряжения с устройством индикации частоты и источником питания
ГруппаЭСиС-405сб
Студент РодионовЕ. Б.
Консультантка КипеловаЕ.Ю.
Приняла КипеловаЕ. Ю.
Уфа 2008 г.
Содержание
Техническое задание
Введение
Проектирование генератора синусоидальногонапряжения
1. Выбортипа схемы генератора
2. Проектированиегенератора
Проектирование частотомера
Проектирование блока питания
Заключение
Библиографический список
Техническое задание
Разработать перестраиваемый генератор синусоидального напряжения, систочником питания и устройством индикации частоты выходного сигнала.Параметры Значение Нижняя граница диапазона частот усилителя, Гц 1000 Верхняя граница диапазона частот усилителя, Гц 10000 Нестабильность частоты выходного напряжения, не более Гц
10-6 Максимальное выходное напряжение, В 15 Нестабильность амплитуды выходного напряжения в полосе рабочих частот на х.х. не более, % 2 Приведенный дрейф нуля, не более, мкВ/град 0,5 Минимальное сопротивление нагрузки, Ом 1500
Дополнительная погрешность амплитуды выходного напряжения при подключении RН min, не более, % 1,5
Рабочий диапазон температур, 0С 10-50 Погрешность дискретности встроенного цифрового частотомера, Гц 1 Время индикации частоты, с 5 Тип ячейки индикации Жидкокристаллическая Элементная база частотомера КМОП
Напряжение питания 220 В, частота 50 Гц.
Введение
Существует множество подходов к построениюаналоговых электронных устройств, с требуемыми в техническом задании характеристиками.Их можно реализовать при помощи: различных структурных схем,последовательностях расчёта, а также при других параметрах элементов видентичных схемах. При проектировании электронного аналогового устройства наиболеечасто приходится оценивать такие показатели, как степень сложности устройства,его стоимость, унификацию компонентов схемы и их количество.
Поэтому наша задача в данном проектесмоделировать устройство, которое отвечало бы требованиям технического задания,и было бы качественным, надёжным и экономически выгодным.
Проектирование генераторасинусоидального напряжения
1. Выбор типа схемы генератора
Генераторы синусоидального напряженияиспользуются в измерительной технике для исследования и настройки измерительнойаппаратуры.
Задающие генераторы с самовозбуждением повиду частотно-зависимой цепи обратной связи могут быть представлены тремяосновными группами: LC-генераторами, RC-генераторамии кварцевыми генераторами.
Наиболее стабильными из данных группгенераторов являются кварцевые генераторы, в которых энергия электрического поляпреобразуется в энергию механических колебаний. Температурный коэффициентизменения его резонансной частоты очень мал. Практически достижимые значениянестабильности частоты кварцевого генератора DF/F лежат в пределах от 10-6 до 10-10,т.е. для построения нашего генератора целесообразно выбрать именно эту группугенераторов.
2. Проектирование генератора
Генератор с кварцевым резонаторомпредназначен для получения по настоящему стабильных колебаний на высокойчастоте. В нем используется кусочек кварца (искусственного – двуокисьуглерода), вырезанный и отшлифованный таким образом, что он имеет определеннуючастоту колебаний (32768 Гц).
Высокая добротность Q(10000)и хорошая стабильность делают естественным его применение как задающегоэлемента в генераторах и фильтрах с улучшенными параметрами. В данном проекте,генератор выполнен на основе микросхемы К561ЛА7.
Так как данная частота (32768 Гц)превышает диапазон необходимых частот (30-500 Гц) после кварцевого генераторанеобходимо поставить перестраиваемый делитель частоты, так называемый счётчик спредварительной установкой.
Счётчик с предварительной установкойпредставляет собой устройство, которое формирует выходной сигнал тогда, когдачисло входных импульсов равно предварительно выбранному числу М. Выходнойсигнал может быть использован как сигнал запуска определённой операции. Приэтом останавливается процесс счета, для того чтобы счётчик не изменял своегосостояния или опять устанавливался в начальное состояние. Разрешая после сбросадальнейшую работу, получаем счётчик по модулю m, цикл счётакоторого определяется заранее выбранным числом.
Большинство синхронных счётчиков имеютдополнительные входы с помощью которых реализуется параллельная работа. Приэтом можно легко осуществить описанную функцию предварительной установки.Введём в счётчик число Р=ZМАКС-М,установив для этого на входе разрешения L=1, и подадимтактовый импульс Ф. Для двоичного сигнала число ZМАКС-М вычислить особенно легко: оно равно обратномудвоичному коду числа М. После прохождения М тактовых сигналов будет достигнутосостояние ZМАКС. Обэтом можно узнать без дополнительного дешифратора, так как на выходе переносаСЕ появляется 1, которая может служить признаком начала выполнения желаемойоперации.
Если управляемая схема не синхронизированас тактовым сигналом Ф, нежно преобразовать СЕ в переменную Сф=СЕ∙Фи осуществлять управление так, чтобы избежать ошибочного запуска из-за неустановившегосяпереходного состояния.
Если счётчик должен продолжать работу в циклическомрежиме, то достаточно соединить L-вход с 1. Тогда счётчикустанавливается М+1-м тактовым импульсом в исходное состояние.
В качестве такого счётчика будемиспользовать микросхему 564ИЕ15 с делением частоты на N=M*(1000P1+100P2+10P3+P4)+P5; M – модульуст. вх. Ка, Кб, Кс. Р1, Р2, Р3, Р4 – умножители уст. вх. J1-J4; J13-J16; J9-J12; J5-J8; P5 –остаток уст. вх. J2-J4.
Согласно техническому заданию необходимоспроектировать генератор синусоидального напряжения в диапазоне частот:(30-500) Гц, следовательно после кварцевого генератора необходимо поставитьсглаживающий перестраиваемый на частоты R-Cфильтр.
Данная схема представляет собой активныйфильтр, выполненный на операционном усилителе К140УД26А с коэффициентом усиленияК=1.
По техническому заданию необходимоусиливать сигналы имеющие частоту от 30 до 500 Гц. Примем частоту срезы равной FСР=1000 Гц и произведем расчёт фильтра.
Выберем резисторы R11 и R9. Так какОУ (К140Уд26А) не может работать на нагрузку менее 2 кОм, то резисторы возьмёмравными R11 = R9=10 кОм.
Произведем расчёт g:
/>
Произведем расчёт m:
/>
Коэффициенты усиления усилителя на низшихчастотах и fср=100 Гц:
/>
/>
Коэффициент частотных искажений:
/>.
Рассчитаем относительную мультипликативнуюпогрешность, определяемую неточностью используемых резисторов:
/>
Рассчитаем погрешность вызваннуюнапряжением смещения и входными токами ОУ, так называемую приведеннуюаддитивную погрешность:
/>
Резистор R10 вводится в ОУ с целью уменьшения погрешности отвходных токов операционного усилителя. Полная коррекция погрешностей от этихтоков достигается при равенстве сопротивления резистора R10 сопротивлению параллельно включенных резисторов R11 и R9:
/>(Ом).
/>
Рис.1 RC-фильтр
Рассчитаем относительную мультипликативнуюпогрешность, определяемую неточностью используемых резисторов:
/>
Рассчитаем погрешность вызваннуюнапряжением смещения и входными токами ОУ, так называемую приведеннуюаддитивную погрешность:
/>
Резистор R10 вводится в ОУ с целью уменьшения погрешности отвходных токов операционного усилителя. Полная коррекция погрешностей от этихтоков достигается при равенстве сопротивления резистора R10 сопротивлению параллельно включенных резисторов R11 и R9:
/>(Ом).
Определившись с резисторами находимёмкость конденсатора С5. Из формулы для данного фильтра: />. Получаем искомое значениеемкости, по ряду Е192 выбираем конденсатор С5=160 нФ.
Перестройка фильтра на другие частотысреза обеспечивается включение шунтирующих конденсаторов. Схема состоит из пятипределов измерения. На пределе измерения 1 подключается емкость С5,на пределе измерения 2 подключается С4, емкость которого примерно ва раз меньше С5. Аналогично рассчитываются остальные емкости.
Частота среза данного фильтра определяетсявыражением fСР=1/(2pR11C5).
Расчёт производим по следующей формуле:
/>.
Получаем:
1) fСР4= 200 Гц., С4 = 800 нФ.
2) fСР3= 300 Гц., С3 = 533 нФ.
3) fСР2= 400 Гц., С2 = 400 нФ.
4) fСР1= 550 Гц., С1 = 290 нФ.
Для обеспечения требуемого в ТЗ выходногонапряжения данного генератора необходимо поставить усилитель.
Для уменьшения нелинейных искаженийсигнала и уменьшения коэффициента частотных искажений усилитель целесообразноохватить глубокой ОС. Поэтому коэффициент усиления по напряжению небольшой.
Так как ОУ обеспечивает получениетребуемой амплитуды напряжения (10 В), и не позволяет получить нужное значениетока (0,01 А), то на выходе целесообразно установить усилитель мощности. Егоможно выполнить на основе эмиттерных или истоковых повторителей.
/>мА, />мА.
Для получения в нагрузке тока 10 мАкоэффициент усиления по току у выходного каскада должен быть равен />.
Выбор оконечных транзисторов VT2 иVT4.
Их следует выбирать так, чтобы ониудовлетворяли следующим неравенствам:
/>, E=15В, для плеча /> В;
/>, токколлектора /> А;
/>, следовательно, /> Вт;
/>, следовательно, /> Вт;
/> Вт.
/>
Рис. 2 Принципиальная схема усилителя
По полученным данным в качестве VT2 иVT4 необходимо использовать транзисторы среднеймощности: VT2 – KT970A (n-p-n), VT4 – KT971A (p-n-p): h21Э1= h21Э2=150, r=2 Ом.
Токи транзисторов VT1 и VT3 в20-50 раз меньше токов VT2 и VT4. Частотные искажения транзисторов VT1 иVT3 можно пренебречь ввиду их малости. Эти транзисторыобычно бывают малой мощности. VT1 –KT817A, VT3 – KT816A, h21Э3= 3 h21Э2=4, r=0.2 Ом.
Коэффициент усиления по напряжению возьмём– KU=3. Отсюда />, R12=0.4кОм, тогда R13 = 1.2кОм. Найдём КОС:
/>.
Резистор R14 защищает ОУ от короткого замыкания на выходе: R14=0.78 кОм.
Резисторы R19 и R20 введеныдля защиты выходного каскада от короткого замыкания выходных зажимов. Ихследует выбирать из следующих условий: при RH=0 VT2, VT4: Iк2
/>/>
/>R19=7.5 Ом, R20 = 18.75 Ом.
Резисторы R17 и R18необходимы для того, чтобы создать путь для протекания обратных токов базытранзисторов VT2 и VT4 в тот полупериод, в который соответствующийтранзистор заперт. Их выбираем из условия UБэпор>IКБОmax*R; UБэпор – пороговое напряжение, при котором отпираетсяэммитерный переход транзистора. IКБОmax – максимальный обратный ток коллекторного перехода при наибольшей температуререзистора. R= R17 = R18.
Характеристика КТ973А: UБэпор>0,6 В, IКБОmax = 40 мА, тогда />Ом. Из [E192]R18=R17=R=13 Ом.
Резисторы R15 и R16 иколичество диодов VD в каждом плече выбирается по следующему принципу. Набазы транзисторов VT1 и VT3 подаём небольшое постоянное UСМ (должно открывать транзисторы VT1 иVT3 и устранять нелинейные искажения. Они исчезают при15-20 мА). Следует Iпокоятранзисторов VT1 и VT3 зададим 0,2-1 мА. Пусть IКо=0,3 мА. />мА. Повыходной характеристике транзисторов КТ819А находим, что при IБО=0,1 мА UБЭ=2,68 В.
Ток транзистора VT1 создает насопротивлении в эмиттерной цепи падение напряжения U»IКо∙R6=0.3∙13=3.9 В. Напряжение смещения натранзисторах
Ток транзистора VT1 создает насопротивлении в эмиттерной цепи падение напряжения U»IКоR6=0.3∙13=3,9 В. Напряжение смещения натранзисторах VT1 и VT3 Uсм=UБЭ+U=6,58 В.
В качестве диодов VD1 и VD2используются маломощные диоды КД209А. Ток цепи, обеспечивающий напряжениесмещения, обычно выбирается в 5-10 раз больше тока базы IБО. Эти цифры определяют приближенное значение токачерез резисторы R15 и R16 (10 мА). Ориентируясь на это значение тока, выбираемданный тип диода по справочнику. UСМ=nUd, где n – количество последовательно включенных диодов, Ud – падение напряжения на диоде. При этом следует использовать диоды изтого же материала, из которого выполнены транзисторы, ток чтобы p-nпереходы транзисторы были по возможности идентичными. IД=10 мкА, падение напряжения равно 4 В. Отсюда следует,что в каждое плечо вводим по 2 диода.
Значения резисторов R15 иR16 находятся из следующего уравнения:
/>кОм.
Оценим погрешность />при включении RНmin.
Для этого представим генератор в виде:
/>
/>;U=I∙RВЫХ; />Ом.
/>/>%.
Значение погрешности равно 0,00024%, чтоменьше заданного в ТЗ 2%.
Проектирование частотомера
Необходимо разработать частотомер,измеряющий частоту выходного напряжения генератора в диапазоне от 30 Гц до 500Гц с погрешностью 10 Гц и временем индикации 1 с, построенного на элементах имеющихТТЛ структуру. В качестве частотомера будет использоваться электронно-счётныйчастотомер, работа которого основана на подсчёте числа импульсов измеряемогосигнала в течение заданного интервала.
Описание принципа работы и компонентовэлектронно-счётного частотомера.
Исходя из предложенной структурной схемыданный частотомер разбит на следующие блоки:
1) Мультивибратор.
2) Формирователь.
3) Генератор с кварцевым резонатором.
4) Формирователь времени измерения.
5) Логического элемента И.
6) Преобразователи фронта и среза вимпульс.
7) СД элемент.
8) Светодиодный индикатор.
9) Т-RS-триггер.
Мультивибратор собран на микросхемеК1006ВИ1 (DD1), служит для генерации задающих прямоугольныхимпульсов. Для повышения точности, корректировки работы мультивибратора игенератора в схему включен формирователь времени измерения. Он позволяетполучить чёткие задающие импульсы с длительностью логической единицы 1 с идлительностью логического нуля 1 с. Формирователь времени измерения реализованна 5-ти счётчиках делителях на 8 530ИЕ14 (DD10, DD11,DD12, DD13, DD14).
Генератор с кварцевым резонаторомпредназначен для получения по настоящему стабильных колебаний на высокойчастоте. В нем используется кусочек кварца (искусственного – двуокисьуглерода), вырезанный и отшлифованный таким образом, что он имеет определеннуючастоту колебаний (32768 Гц).
Высокая добротность Q(10000)и хорошая стабильность делают естественным его применение как задающегоэлемента в генераторах и фильтрах с улучшенными параметрами. В данном частотомере,генератор выполнен на основе микросхемы 530ЛА3.
T-RS-триггер – 530ТМ2. Триггеры широко используются вомногих узлах электронной аппаратуры в виде самостоятельных изделий и в качествебазовых элементов для построения других более сложных устройств (счётчиков,регистров, запоминающих устройств).
Они представляют собой простейшиепоследовательные устройства, общим свойством которых является способностьдлительно оставаться в одном из двух возможных состояний, который распознаютсяпо значению их входных сигналов. В простейшем случае триггер представляет собойсимметричную структуру из двух логических элементов ИЛИ-НЕ или И-НЕ, охваченныхперекрестной положительной обратной связью.
Формирователь служит для преобразованиявходных сигналов, имеющих синусоидальную форму, в прямоугольные импульсы, которыезатем считываются счётчиком-дешифратором элементом 133ПП4, в течении первой 1 спроисходит подсчёт количества импульсов, а в течении следующей 1 с – вывод наиндикаторы АЛС333Б (HG1 – HG4) результата подсчёта.
Формирователь основан на операционномусилителе К140УД26А (DA1), в обратную связь которого установлены диод и стабилитрон.Диод служит для отсечения отрицательной составляющей входного сигнала, астабилитрон ограничивает положительную составляющую. Таким образом, на выходеоперационного усилителя сигнал представляет собой практически прямоугольные импульсы.
В техническом задании указана погрешностьдискретности равная 10 Гц, поэтому к микросхеме СД нужно подключить 4индикатора (HG1 – HG4).
После вывода результата измерения припомощи преобразователя фронта (среза) в импульс происходит сброс счётчиков итриггера. Он представляет собой либо R-C цепочку, либоструктуру из 3-х инверторов 530ЛН1 и элемента И(ИЛИ)-НЕ, на которой происходиткратковременная генерация логической «1», которая, поступая на вход «reset»,сбрасывает либо счётчик, либо триггер.
Элемент «И» совместно с T-RS-триггером обеспечивает прохождение сигнала с выхода формирователя на вход СДИэлемента в течение заданного времени счёта, он реализован в схеме двумя элементами2И-НЕ – микросхема 530ЛА3. (DD9.2, DD9.3).
Расчёт мультивибратора.
Длительность стадии зарядки T1 и разрядки T2 конденсатора можно оценить с помощью уравнений:
T1=0,7(R1+R2)∙C1;
T2=0,7R2∙C1,
Где T1=1 с – время индикации частоты, T2=1,1 с – время счёта.
Зададим С1=10 мкФ, тогда
/>Ом,
/>кОм [E192].
Таким образом, R1=14,3 кОм. Частота генерируемых сигналов в данномслучае равна:
/>с-1.
Поскольку операционные усилители не могутработать без нагрузки, то выбираем R3=50,5 кОм и R4=50,5 кОм.
Расчёт RC-цепи
Зададим резистор R5=50,5 кОм.
Вычислим значение конденсатора С2из условий:
t=R5∙C2, где />, />t=10-4.
/>нФ.
Проектирование блока питания
Источник питания должен обеспечить питаниечастотомера и генератора, а именно:
Операционному усилителю К140УД26А снапряжением питания Uпит= ±15 В, мультивибратору К1006ВИ1 с напряжением питания Uпит= +9 В, микросхеме 530ИЕ14 напряжением питания Uпит= +5 В, микросхеме 530ЛА3 с напряжением питания +5 В,микросхеме 133ПП4, индикатору АЛС333Б с напряжением питания +9 В, микросхеме530ЛЕ1 с напряжением питания Uпит= +5 В,микросхеме 530ЛН1 с напряжением питания Uпит= +5 В, микросхеме 530ТМ2 с напряжением питания Uпит= +5 В.
Суммарный потребляемый ток данныхмикросхем, нагрузки усилителя равен
Iпот= Iпот.ген+ Iпот.част+ Iнагр=8∙10-3+190∙10-3+10∙10-3=0,208А.
Исходя из этого, выбираем трансформатор Т1ТП–112-9с током номинальной нагрузки 0,35 А, имеющий 2 вторичные обмотки с номинальнымнапряжением Uном=17 В.
Для выпрямленного напряжение на вторичныхобмотках трансформатора используем 2 диодных моста VD1, VD2серии КЦ419А с Iпр. max=1,5 А.
Для стабилизации напряжения будемиспользовать:
для напряжения питания Uпит1= +15 В – микросхему DA1 K142EH8,
для напряжения питания Uпит2= -15 В – микросхему DA2 K142EH11,
для напряжения питания Uпит3= +9 В – стабилитрон СТ1 KС191С с Iст1=10 мА,
для напряжения питания Uпит4= +5 В – стабилитрон СТ3 KС156А с Iст3=10 мА.
Определим номиналы сопротивлений R1, R2:
/>Ом.
/>Ом.
Конденсаторы С1, С2,С3, С4 возьмём по 100 мкФ.
Для защиты от перегрузок включаем плавкийпредохранитель.
/>
Заключение
генератор кварцевыйрезонатор частотомер
В данной курсовой работе разработанперестраиваемый генератор синусоидального напряжения с источником питания иустройством индикации частоты выходного сигнала. Все параметры данногогенератора соответствуют изложенным в техническом задании.
Данное устройство качественно, надежно иэкономично.
Библиографический список
1.Гусев В Г., Гусев Ю. М., Электроника. -2 изд., перераб., допол., М.: Высшаяшкола, 1991.
2.Гутников Интегральная электроника в измерительных устройствах, М
3. В.Л. Шило «Популярные цифровые микросхемы» М. 1989 г.
4.Хоровиц, Хилл. Искусство схемотехники.-М.: «Мир», 1983, 1985, 1992.
5.Пратт. Практическая электроника.
6.Титце, Шенк. Полупроводниковая схемотехника.-М.: «Мир», 1983.
7.Достал. Операционные усилители
8.Гусев В. Г., Мулик А. В. Проектирование электронных аналоговых измерительных устройств.
9.Иванов и др. Оптоэлектронные приборы.
10.Н. Н. Васерин «Применение полупроводниковых индикаторов» М. 1991 г.
11.Ю. И. Степанов «Справочник по ЕСКД» К. 1975 г.
12.А Уильямс «Применение интегральных схем» М. 1987 г.
13.С. А. Бирюков «Цифровые устройства на интегральных микросхемах» М. 1991 г.
14.Барсуков Ф. И. Генераторы и селективные усилители низкой частоты. -М.: Энергия, 1964 г.
15.Виноградов Ю. В. Основы электронной и полупроводниковой техники. -2 изд.допол., М.: Энергия, 1972 г.
16.Войшвилло Г. В. Усилительные устройства. -2 изд. перераб., допол.,- М.: Радио исвязь, 1983 г.
17.Горюнова Н. Н. Транзисторы: справочник. -2 изд., перераб. –М.: Энергоатомиздат,1986г.
18.Славский Г. Н. Активные RC и RLC фильтры и избирательные усилители. –М.: Связь, 1966 г.