Генератор пилообразного напряжения. Генератор пилообразных импульсов схема

Курсовой проект выполнен в объеме 32 страниц, содержит двенадцать рисунков, использовано 4 источника. Разработанный генератор пилообразного напряжения может быть использован в контрольно-измерительной аппаратуре, в цифро-аналоговых преобразователях и т. п. При проектировании были разработаны и рассчитаны интегратор на ОУ, симметричный мультивибратор, ключевое устройство и эмиттерный повторитель. Полученные параметры выходных значений напряжения и тока удовлетворяют требованиям техническому заданию .

Введение

1 Основная часть

1 Выбор и обоснование структурной схемы устройства

2 Расчетная часть

2.1 Выбор и обоснование принципиальной схемы устройства

2.1.2 Классификация ГПН со стабилизаторами тока

2.1.3 Генераторы пилообразного напряжения на операционных усилителях. Содержание схемы разрабатываемого устройства

2.2 Расчет элементов устройства, выбор типов и номиналов.

2.2.1 Расчет токостабилизирующего элемента (ТСЭ)

2.2.2 Расчет симметричного мультивибратора на ОУ (СМВ)

2.2.3 Расчет ключевого устройства (КУ)

2.2.4 Расчет эмиттерного повторителя

2.2.5 Расчет коэффициента полезного действия КПД

3 Конструкторская часть

Заключение

Список используемых источников

Введение

Электроника является универсальным и исключительно эффективным средством при решении самых различных проблем в области сбора и преобразования информации, автоматического и автоматизированного управления, выработки и преобразования энергии. Знания в области электроники становятся необходимыми все более широкому кругу специалистов.


Сфера применения электроники постоянно расширяется. Практически каждая достаточно сложная техническая система оснащена электронными устройствами. Трудно назвать технологический процесс, управление которым осуществлялось бы без использования электроники. Функции устройств электроники становятся все более разнообразными. Роль электроники в настоящее время существенно возрастает с связи с применением микропроцессорной техники для обработки информационных сигналов и силовых полупроводниковых приборов для преобразования электрической энергии.

Электроника имеет короткую, но богатую событиями историю, которая составляет чуть более 100 лет. Путь пройденный от вакуумных приборов до сверхбольшой однокристальной микросхемы содержащей десятки миллионов транзисторов.

Основная часть

1. Выбор и обоснование структурной схемы устройства

1.1 Общая характеристика и принципы построения генераторов

Импульсы напряжения пилообразной формы могут быть как положительной, так и отрицательной полярности. На рисунке (1.1.1) показана реальная форма пилообразного импульса положительной полярности.

Рисунок 1.1.1

Важнейшим параметрами пилообразных импульсов являются: длительность прямого (рабочего) хода tпр, длительность обратного хода tобр, период повторения Т, амплитуда импульса Um. Поскольку строго линейный закон изменения напряжения U(t) получить невозможно, степень отклонения этого напряжения от линейного закона характеризует закон нелинейности:

ε= (1.1.1)

Где |u`(t)|t=0 и | u`(t)| t=tпр – соответственно скорость изменения напряжения в начале и в конце рабочего хода. В ждущем режиме имеется еще длительность паузы tп, в течение которой u(t)=const.

В практических схемах генераторов пилообразного напряжения tпр находятся в пределах от десятых долей микросекунды до десятков секунд, tобр – от 1 до 20% от tпр, Um – от единиц до тысяч вольт. Значение ε так же зависти от назначения схемы и допускается (например, в осциллографии) до 10%.

Параметром, характеризующим схему генератора импульсов, является коэффициент использования напряжения источника питания E, под которым понимают отношение:

Простейший принцип получения пилообразного напряжения основан на процессе заряда или разряда конденсатора C через резистор R (рис.1.1.1,б). Если ключ S разомкнут, то конденсатор заряжается от источника постоянного напряжения E. При этом напряжение на конденсаторе Uc (выходе схемы), стремясь к асимптотическому уровню E (см. рис.1.1,а), изменяется по экспоненциальному закону:

Uc=E(1-e - t/RC). (1.1.3)

Замыкание ключа S приводит к быстрому разряду конденсатора. Скорость разряда конденсатора зависит от сопротивления ключа в замкнутом состоянии. Затем процесс повторяется. Прямой ход пилообразного напряжения в этой схеме формируется при разомкнутом ключе, а обратный при – замкнутом. Таким образом, для реализации этого принципа генератор должен содержать зарядное или разрядное устройство, интегрирующий конденсатор или ключ.

Взяв производные d uc/d t выражения (1.1.3) при t = 0 и t = tпр и подставив их в формулу (1.1.1), для коэффициента нелинейности получаем:

ε = 1-e - tпр/RC. (1.1.4)

Так как при t = tпр, uc = Um, то, согласно равенству (1.1.3),


Um = E (1-e - tпр/RC),

или, с учетом выражения (1.1.2),

ε=Um/E=ξ. (1.1.5)

Следовательно, высокую степень линейности пилообразного напряжения (малое ε) можно получить при условии E >>Um. Это приводит к плохому использованию напряжения источника питания. Например, при Um = 10В и ε=1% E = 1000В.

Известно, что напряжение на конденсаторе Uc связано с протекающим через него током ic соотношением:

Если ic = I = const, то uc = It/C = kt изменяется во времени по линейному закону. Следовательно, для получения пилообразных напряжений, изменяющихся с отклонениями от линейного закона, которые во много раз меньше, чем аналогичные отклонения в схеме (рис.1.1.1,б), необходимо, чтобы зарядный ток конденсатора был постоянен. Для этих целей применяют токостабилизирующие элементы (ТСЭ), ток которых не зависит от приложенного напряжения. Схема получения пилообразного напряжения с зарядным ТСЭ показана на рис.1.1.1,в.

Реально не существует элементов или двухполюсников, которые обеспечивали бы идеальную зависимость uc=kt. Однако, если использовать в качестве ТСЭ коллекторно-эмиттерную цепь транзистора, коллекторный ток которого на рабочем участке характеристики почти не зависит от коллекторного напряжения, то напряжение на конденсаторе с определенной степенью приближения можно считать линейно изменяющимся.

Одним из способов стабилизации тока заряда или разряда конденсатора является применение в схеме генератора обратных связей.

1.2 Структурная схема генератора пилообразного напряжения

На основе проведенного анализа принципов построения генераторов выбрана структурная схема генератора в ждущем режиме, управляемый отдельным входным напряжением (импульсами). Такого рода выбор обусловлен, возможностью такого генератора достаточно просто регулировать длительность рабочего хода и частоты следования выходных импульсов путем изменения параметров управляющего сигнала не затрагивая схему самого формирователя ЛИН.

Согласно принципам построения генераторов пилообразного напряжения структурная схема должна состоять из следующих элементов:

1) Токостабилизирующий элемент (ТСЭ), обеспечивающий постоянный во времени ток заряда конденсатора C.

2) Конденсатор С, на котором формируется линейно изменяющиеся напряжение.

3) Ключевое устройство (КУ), с помощью которого осуществляется переключение формирования прямого и обратного хода выходного напряжения.

4) Формирователь импульсов (ФИ), обеспечивающий импульсные сигналы управления ключевым устройством (задающий длительность рабочего хода и частоту следования выходных импульсов пилообразного напряжения).

5) Эмиттерный повторитель, согласующий большое сопротивление нагрузки ОУ с малым сопротивлением нагрузки генератора.

Рисунок 1. Структурная схема устройства

2 Расчетная часть

2.1Выбор и обоснование принципиальной схемы генератора пилообразного напряжения

2.1.1 Простейший генератор пилообразного напряжения (ГПН)

В простейшем случае, когда не требуется высокая линейность рабочего участка выходного напряжения, применяют заряд (рисунок 2.1,а) или разряд конденсатора через резистор R. После размыкания ключа Кл конденсатор заряжается по закону

u=E(1-e - t/τ), где τ=RC.

2.2.2 Расчет симметричного мультивибратора на ОУ (СМВ).

Исходя из формулы (2.1.9) находим частоту следования импульсов пилообразного напряжения

f = 1/T, T=2tпр,

где tпр – длительность рабочего хода равная длительности управляющего импульса. Период колебаний мультивибратора равен 2tпр т. к. мультивибратор симметричный, подставив значения получим:

Резистор ПОС R3 обычно выбирают порядка 100кОм, резистор ООС R2=R1=50кОм, тогда коэффициент ОС æ будет определяться по формуле

æ =0,33<< æдоп,

где æдоп – допустимый коэффициент обратной связи в СМВ;

æдоп≤ Uдиф/2Uвыхmax=11/24=0,45

Рассчитаем скорость нарастания сигнала на выходе ОУ. Приняв tф=0,1·tи, тогда

VU ВЫХ =2Uвыхmax/tф = 24/10=2,4В/мс=0,0024В/мкс

К рассчитанным параметрам выбираем ОУ К140УД6А параметры, которого даны в таблице 1.

Из формулы (2.1.13) найдем емкость конденсатора С1 времязадающей цепи

С1=0 " style="margin-left:14.75pt;border-collapse:collapse;border:none">

Максимальный ток коллектора Iкmax, мА

Максимальная рассеиваемая мощность Ркmaх, мВт

Структура

Коэффициент усиления потоку β

Подставив данные получим:

Iб нас=0,38/20=0,019мА.

R5≤(12-0,8)/0,019 =589 Ом.

Выберем номинал резистора R5=560 Ом.

PR 5 = I R52·R 5; I R5= UБ нас/R5;

I R5=0,7/560=0,00125А;

PR 5 = (0,00125)2·560 ≈0,88мВт.

Выбираем резистор R 5 типа МЛТ-0,125-560 Ом ± 10%.

2.2.4 Расчет эмиттерного повторителя (ЭП)

Транзистор VT2 включен по схеме с общим коллектором (ОК), имеющий коэффициент усиления по напряжению примерно равную единице, и значительно меньшее по сравнению со входным выходное сопротивление. Нагрузка повторителя R8=15 Ом включена в эмиттерную цепь VT2. Транзистор VT2 p-n-p структуры открывается он при отрицательном входном напряжении.

Входное сопротивление ЭП рассчитаем по формуле описанной в /1/

Rвх=(β+1)/(Rн+1/gm),

где β – коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ; gm – крутизна усилительной характеристики транзистора.

gm= Iэ/φт, где φт≈0,025В - изменение напряжения (не критично).

Определим ток эмиттера, имеем:

где γ – коэффициент усиление по току в схеме с ОК; β – коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ. При Uвых. max = 12В и Rн=15 Ом ток в нагрузке Iн=0,8А. Таким образом Iэ=Iн=0,8А. Отсюда находим необходимый коэффициент усиления по току γ в схеме с ОК:

коэффициент усиления потоку с ОЭ:

подставив значения получаем:

Rвх=(159+1)(15+1/(0,8/0,025))=2405Ом

т. е. входное сопротивление ЭП примерно равно сопротивлению нагрузки ОУ (R7).

Таблица 3 – Параметры транзистора КТ826А

Максимальный ток коллектора Iкmax, А

Максимальная рассеиваемая мощность Ркmaх, Вт

Структура

Напряжение коллектор-эмиттер Uкэ, В

Коэффициент усиления потоку β

Определим рассеиваемую мощность на резисторе PR 8

PR 8 = I R82·R 7;

PR 8 = (0,8)2·15 ≈ 9,6 Вт

Выбираем резистор R 8 типа ПЭВ-10-15 Ом ± 5%.

Мощность рассеиваемая на коллекторе VT2:

PVT2=Uкэ·Iк=(15-12)·0,795=2,385 Вт

Iк=αIэ; α=β/ β+1=0,993

Iк=0,993·0,8=0,795А

Параметры транзистора VT2 полностью подходят по рассчитанным величинам (таблица 3).

Определим коэффициент нелинейности по формуле:

ε=https://pandia.ru/text/78/419/images/image029_8.gif" width="100" height="45 src=">,

где iнач. – начальный ток; iконч.- конечный ток.

Подставив значения находим ε

При данных номиналах элементов получаются следующие параметры устройства: минус 12В; сопротивление нагрузки 15 Ом; коэффициент нелинейности около 2%; частота следования импульсов 5 Гц; длительность линейного участка импульса (фронта) 97·10-2 с; длительность спада (восстановления) 819·10-6с; КПД устройства 80%; напряжение питания двуполярное ±15В;

2.2.5 Расчет коэффициента полезного действия

Коэффициент полезного действия генератора пилообразного напряжения рассчитаем по формуле:

где Pпотр - мощность потребляемая всем устройством; Pвых - выходная мощность устройства.

Рассчитаем потребляемую мощность всего устройства. Потребляемы токи ОУ DA1 и DA2 возьмем из таблицы 1. Токи потребляемые ключевым устройством (КУ) и эмиттерным повторителем (ЭП) будут равны соответственно токам нагрузок этих каскадов.

Pпотр=https://pandia.ru/text/78/419/images/image032_7.gif" width="661" height="880">

Заключение

В данной курсовой работе разработано устройство генератора линейно спадающего напряжения имеющего следующие параметры: выходное напряжение около минус 12В; сопротивление нагрузки 15 Ом; коэффициент нелинейности около 2%; частота следования импульсов 5 Гц; длительность линейного участка импульса (фронта) 97·10-2 с; длительность спада (восстановления) 819·10-6с; КПД устройства 80%; напряжение питания двуполярное ±15В.

Достоинством данной схемы является возможность плавного изменения длительности фронта напряжения пилообразного сигнала с помощью СМВ частота управляющих импульсов, которого легко изменяема резистором ООС, например переменным резистором. Интегрирующий узел при этом остается неизменным.

Список использованных источников

1. Импульсные устройства ЭВМ, приборов и систем: Учеб. для техникумов.-М.: Энергоатомиздат, 1991.-248 с.

2. Аналоговые интегральные схемы: Справочник/, .-2-е изд., перераб. и доп.-Мн.: Беларусь, 1994.-382 с.

3. В помощь радиолюбителю: Сборник. Вып. 111/В80 Сост. .-М.: Патриот, 1991.-80 с.

4. Электроника: Учеб. пособие.- Ростов н/Д: изд-во «Феникс», 200с.

Кадровая развертка. Задающий генератор пилообразного напряжения (рис. 11.4) собран на транзисторах VT1 и VT2. При включения питающего напряжения конденсаторы С1 и С2 заряжа­ются. Через базовые цепи транзисторов протекают токи, которые выводят транзисторы в режим насыщения. Спустя некоторое время зарядный ток конденсаторов уменьшится и достигнет такого значе­ния, при котором один из транзисторов выйдет из насыщения. Изменение напряжения в цепи коллектора транзистора VT1 закроет транзистор VT2. В результате конденсатор С1, включенный в цепь ООС, будет медленно разряжаться через коллекторную цепь тран­зистора VT1. Так как отрицательно заряженная обкладка конден­сатора С1 подключена к базе транзистора VT1, при разряде конденсатора уменьшается ток базы и в результате автоматически уста­навливается такое соотношение между токами коллектора и базы, которое точно равно коэффициенту передачи тока транзистора. За все время разряда конденсатора ток базы и напряжение на базе меняются незначительно. Ток через резисторы R1 и R2 остается постоянным и не зависит от процессов, протекающих в устройстве. Таким образом, во время прямого хода в генераторе имеется глубо­кая ООС, поддерживающая постоянным ток разряда конденсатора С1, а следовательно, и высокую линейность пилообразного напря­жения. Поскольку коэффициент передачи тока транзистора меняет­ся в зависимости от приложенного напряжения (в первоначальный момент на 1 - 2%), то и нелинейность сигнала будет характеризо­ваться таким же значением. Процесс разряда конденсатора прекра­щается при таких напряжениях на коллекторе, которые требуют для управления током коллектора значительного увеличения тока базы. Коэффициент передачи тока транзистора резко падает. В этом слу­чае на базе транзистора VT2 значительно уменьшается закрываю­щий сигнал. Транзистор VT2 открывается. В его коллекторе появ­ляется положительное напряжение, открывающее транзистор. Воз­никает лавинообразный процесс. Оба транзистора открыты. Цикл работы повторяется.

Рис. 11.4

Приведенные на схеме номиналы элементов формируют на вы­ходе сигнал с амплитудой больше 10 В и с частотой 50 Гц. Для регулирования амплитуды выходного сигнала и его линейности служат резисторы R7 и R8 соответственно. Резистор R1 меняет ча­стоту задающего генератора.

Генератор двухполярного пилообразного сигнала. Генератор пилообразного сигнала с регулируемым наклоном (рис. 11.5) состо­ит из двух интегрирующих цепочек R5, С1 и R2, С2 и порогового элемента, построенного на транзисторах VT1 и VT2. При включении питания на базе транзистора VT2 возникает сигнал 10 В. По мере заряда конденсатора С1 напряжение уменьшается. В это время на­пряжение на базе транзистора VT1 увеличивается. На разных кон­цах потенциометра существуют сигналы с различными фронтами. Когда напряжение на базах транзисторов VT1 и VT2 сравняется, они откроются и произойдет разряд конденсаторов. После этого начнется новый цикл работы генератора. Наклон выходного пило­образного сигнала можно регулировать с помощью потенциометра в широких пределах.



Рис. 11.5

Рис. 11.6

Управляемый генератор. Генератор пилообразного сигнала (рис. 11.6, а) построен по схеме интегратора с большой постоянной времени, которая определяется выражением т = h 21 Э C 1 R 4 где h 21э - коэффициент передачи тока транзистора VT1. Транзистор VT1 медленно открывается: конденсатор С1 включен в цепь ООС. Напряжение в цепи коллектора уменьшается. В некоторый момент открывается диод VD2 и шунтирует вход транзистора VT2. Тран­зистор VT2 закрывается. Для ускорения процесса закрывания в его коллектор включена динамическая нагрузка - транзистор VT3. Через эмиттер транзистора VT3 конденсатор С1 быстро заряжается. В ре­зультате обратный ход пилообразного сигнала сведен к минимуму. Его длительность составляет менее 5 икс. Длительность пилообраз­ного сигнала можно регулировать с помощью базового тока тран­зистора VT1 (рис. 11.6,6).

Генератор пилообразного сигнала на интеграторе. В основу ге­нератора (рис. 11.7) положен интегратор на транзисторе. В качест­ве порогового и усилительного элементов используется интегральная микросхема К122УД1. Порог срабатывания микросхемы, равный 3 В, устанавливается делителем Rl, R2. При включении питания в коллекторе транзистора напряжение не может измениться скач­ком. Отрицательная обратная связь через конденсатор формирует на выходе линейно нарастающий сигнал. Постоянная времени равна т=h 21Э R 3 С 2 , где h 21Э - коэффициент передачи тока транзистора. Когда напряжение на коллекторе достигнет 3 В, интегральная мик­росхема переключится. Положительное напряжение на выводе 5 пройдет через диод и откроет транзистор. Произойдет разряд кон­денсатора С2. На коллекторе вновь появится нулевой потенциал.



Рис. 11.7

Схема начнет новый цикл работы. Схема с указанными номиналами элементов формирует выходной сигнал с амплитудой 3 В, частотой следования 100 Гц и длительностью заднего фронта 0,1 мс.

Запускаемый генератор двухполярного сигнала. Для получения высоковольтного сигнала пилообразной формы в генераторе (рис. 11.8) применяют два каскада, на выходах которых формиру­ются падающий и нарастающий сигналы. Каждый каскад состоит из двух транзисторов. Транзисторы VT2 и VT4 являются сбрасыва­ющими, a VT1 и VT3 - активными элементами, в коллекторах ко­торых формируются выходные сигналы. После включения питания напряжение на коллекторе транзистора VT3 не может скачком из­мениться. Этому препятствует ООС через конденсатор С2. Напря­жение на коллекторе будет медленно нарастать. Скорость увеличе­ния напряжения определяется постоянной времени т=Л 2 1Э Cz(Ru-{- +Rт), где hzi Э - коэффициент передачи тока транзистора. Рези­стор R7 является ограничивающим. В другом каскаде в первый мо­мент появляется напряжение 100 В. Далее напряжение уменьшается и стремится к нулю. Сброс напряжения в коллекторе транзистора VT1 происходит в тот момент, когда приходит входной импульс. В это время открывается транзистор VT4. Импульсный сигнал с конденсатора С4 проходит на базу транзистора VT2 и открывает его. Происходит одновременный сброс конденсаторов С1 и С2.

Рис. 11.8

Генератор пилообразного сигнала с регулируемой линейностью. В основу генератора (рис. 11.9) положен принцип заряда конденсатора С2 стабилизированным током. Стабилизатор тока построен на транзисторе VT2. Сигнал с конденсатора С2 поступает на вход эмиттерного повторителя. При формировании пилообразного сигнала напряжение на конденсаторе увеличивается. Одновременно с повы­шением напряжения на конденсаторе увеличивается ток базы тран­зистора VT3. В результате конденсатор заряжается не постоянным током, как того требует линейное нарастание напряжения, а током, уменьшающимся во времени. На заряд конденсатора влияет входное сопротивление эмиттерного повторителя. Для получения пилообраз­ного напряжения необходимо скомпенсировать ток базы транзисто­ра. Этого можно достигнуть цепью ОС, связывающей эмиттеры тран­зисторов VT2 и VT3. С увеличением выходного сигнала эмиттерного повторителя увеличивается эмнттерный ток транзистора VT2. Меняя сопротивление резистора R9 в цепи ОС, мы можем добиться возра­стающей или убывающей формы выходного сигнала.

Рис. 11.9

Для разряда конденсатора в схеме применяется блокинг-генера-тор. Во время заряда конденсатора диод закрыт питающим напря­жением. Когда транзистор VT1 открыт, конденсатор С2 разряжает­ся через диод VD1. Амплитуда выходного сигнала регулируется ре­зистором R5, а частота - резистором R1. Максимальная амплитуда равна 15 В.

УПРАВЛЯЕМЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

Генератор на полевом транзисторе. В основу генератора (рис. 11.10) положен заряд конденсатора-постоянным током, кото­рый задается полевым транзистором VT4. Скорость заряда конден­сатора определяется резистором R10. Нарастающее напряжение подается на базу транзистора эмиттерного повторителя, выход ко­торого подключен к триггеру - транзисторы VT1 и VT2. Выходной сигнал триггера поступает на базу транзистора VT3 для сброса напряжения на конденсаторе.

В исходном состоянии транзисторы VT2 и VT3 закрыты. Как только напряжение на конденсаторе достигнет б В, срабатывает триггер и открывается транзистор VT3. Конденсатор разряжается через открытый транзистор. При уменьшении напряжения на кон­денсаторе до 1 В триггер возвращается в исходное состояние. На­чинается новый цикл заряда конденсатора.

Приведенные на схеме номиналы элементов позволяют регули­ровать частоту выходного сигнала от 15 до 30 кГц. Если поставить конденсатор емкостью 0,033 мкФ, то частота выходного сигнала рав­на 1 кГц.

Рис. 11.10 Рис. 11.11

Генератор сигнала треугольной формы на ОУ. В схеме рис. 11.11 на конденсаторе С формируется сигнал треугольной фор­мы с амплитудой 0,6 В. Заряд и разряд конденсатора осуществля­ются выходным сигналом ОУ, который автоматически меняется в тот момент, когда напряжение на конденсаторе достигает порога открывания. Порог открывания устанавливается делителем R2 и R3. Частота следования выходного сигнала определяется выражени­ем f=l/4R 1 C. Для выравнивания наклонов фронта и спада выход­ного сигнала служит резистор R6.

Формирователь треугольного сигнала. Формирователь рис. 11.12 позволяет получить на выходе сигнал треугольной формы. Амплиту­да сигнала достигает 90% напряжения питания при достаточно вы­сокой линейности фронтов.

В основу формирователя положен принцип заряда и разряда конденсатора через генераторы тока, построенные на транзисторах. Коллекторные токи транзисторов определяются опорными напряже­ниями стабилитронов и эмиттерными резисторами. При отсутствии входного сигнала через транзисторы должны протекать равные токи. Если равенство токов не выполняется из-за разброса номиналов стабилитронов и резисторов, то следует подстроить резистор R4. Появление входного сигнала с амплитудой больше напряжения про­боя стабилитронов вызовет разбаланс коллекторных токов. Поло­жительная полуволна входного сигнала уменьшит ток транзистора VT2. Ток транзистора VT1 останется без изменения. Разностный коллекторный ток будет заряжать конденсатор. С приходом отри­цательной полуволны уменьшится коллекторный ток транзистора VT1. Ток транзистора VT2 установится номинальным. Конденсатор будет разряжаться током транзистора VT2. Если амплитуда вход­ного сигнала меньше напряжения питания, то наблюдается прямая зависимость между амплитудами входного и выходного сигналов, а если больше напряжения питания, то амплитуда выходного сиг­нала постоянна.

Емкость конденсатора рассчитывается по формуле С= 10 3 I/2fU m ах (мкФ), где I - ток транзистора; f - частота вход­ного сигнала; U max - амплитуда выходного сигнала.

Рис. 11.12 Рис. 11.13 Рис. 11.14

Рис. 11.15

Широкодиапазонный генератор сигнала треугольной формы. Ге­нератор сигнала треугольной формы (рис. 11.13) позволяет полу­чить частоту от 0,01 Гц до 0,1 МГц. Выходной сигнал 20 В формируeтся на конденсаторе С4 коллекторными токами транзисторов VT4, VT6. При заряде конденсатора транзисторы VT4 и VT5 откры­ты, а транзисторы VT3 и VT6 закрыты. Когда напряжение на кон-денсаторе возрастет до уровня, определяемого делителем R1 - R3 транзистор VT1 откроется. Следом за ним откроются транзисторы VT3 и VT6, которые закрывают транзисторы VT4 и VT5 Начнется процесс разряда конденсатора через транзистор VT6 По достиже­нии нижнего уровня откроется транзистор VT2. Этот процесс воз-вращает схему в первоначальное состояние. Вновь начинается заряд конденсатора. Частота выходного сигнала может линейно меняться с помощью резистора R5 с перекрытием в 20 раз. Для конденсатора емкостью 1 нФ и при R5 = 510 кОм частота равна 001 Гц

Формирователь ступенчатого сигнала. В исходном состоянии (рис. 11 14) конденсатор заряжен до напряжения питания Все тран­зисторы закрыты. Входной импульс положительной полярности от­крывает транзистор VT1. Через этот транзистор протекает ток ко­торый разряжает конденсатор. Напряжение на конденсаторе умень­шается. Второй входной импульс также разрядит конденсатор на дискретное значение напряжения. В результате этого каждый им­пульс будет ступеньками уменьшать напряжение на конденсаторе Как только напряжение на конденсаторе сравняется с напряжением на делителе R4, R5, открывается транзистор VT2 и наступает ре­лаксационный процесс в составном каскаде. Транзисторы VT2 и VT3 открываются. Происходит процесс заряда конденсатора После этого начинается новый цикл разряда конденсатора.

Генератор трапецеидального сигнала с регулируемой длитель­ностью фронта. В основу генератора (рис. 11.15) положен мульти­вибратор который управляет работой токозадающих транзисторов VT3 и VT4. Когда транзистор VT2 открыт, через транзистор VT3 протекает зарядный ток конденсатора СЗ. Скорость нарастания на­пряжения на конденсаторе (или фронт выходного сигнала) зависит от зарядного тока, который регулируется резистором R12 Макси­мальное напряжение на конденсаторе ограничено стабилитроном VD2. При переключении транзисторов мультивибратора в другое состояние начинается процесс разряда конденсатора. Транзистор VT3 закрывается, а транзистор VT4 открывается. Разрядный ток транзистора VT4 регулируется с помощью резистора R15. Значение этого тока определяет спад выходного сигнала. Частота и скваж­ность выходного сигнала регулируются резисторами R2 и R4. Гене­ратор может работать в широком диапазоне частот, вплоть до 1 МГц. При больших изменениях частоты выходного сигнала необ­ходимо менять номиналы емкостей конденсаторов С1 и С2.

ГЕНЕРАТОРЫ НА ОУ

Управляемый генератор сигнала пилообразной формы. Ге­нератор (рис. 11.16) состоит из порогового устройства и интегра­тора. Выходное напряжение отрицательной полярности порогового устройства, построенного на ОУ DA1, подается на вход интегратора. Конденсатор С, включенный в цепь ООС, постепенно заряжается. На выходе ОУ DA2 формируется линейно нарастающий сигнал. Когда на неинвертирующем входе ОУ DA1 будет нулевой потенци­ал, произойдет ее переключение. Выходной сигнал положительной полярности проходит через диод и разряжает конденсатор. Когда конденсатор полностью разрядится, ОУ DA1 вновь вернется в ис­ходное состояние и начнется новый цикл формирования выходного сигнала. Частота следования выходного сигнала определяется вы­ражением f = 3/C(R 3 + R 4).

Генератор на ОУ К153УД1. Генератор треугольных импульсов (рис. 11.17, а) построен на двух ОУ. Первый ОУ выполняет функции интегратора, а второй является пороговым элементом. Напряжение на выходе ОУ DA1 линейно возрастает (убывает). Когда оно срав­няется по абсолютному значению с выходным напряжением ОУ DA2, переключится второй ОУ и на делителе R5, R6 изменится полярность напряжения. В этом случае выходной сигнал ОУ DA1 будет линейно убывать (возрастать). В последующий момент про­изойдет сравнение выходного сигнала ОУ DA1 с порогом закрыва­ния ОУ DA2. Произойдет вторичное переключение ОУ DA2. Зави­симость периода сигнала треугольной формы от коэффициента передачи ОУ DA2 показана на рис. 11.17,6.

Генератор на однопереходном транзисторе с усилителем. Гене­ратор пилообразного сигнала (рис. 11.18, а) построен на ОУ, кото­рый выполняет функции интегратора. Скорость нарастания выход­ного сигнала зависит от входного напряжения. Когда напряжение на выходе ОУ достигнет 8 В, открывается однопереходный транзи­стор. Положительный импульс на резисторе R2 проходит через диод, и разряжается интегрирующий конденсатор. Зависимость ча­стоты выходного сигнала от на­пряжения на входе показана на рис. 11.18, б.

Рис. 11.16 Рис. 11.17

Генератор с двойной ПОС. Ге­нератор (рис. 11.19, а) состоит из интегратора, выполненного на ОУ DA2. Когда ОУ DA2 переключа­ется, на его неинвертирующий вход подается напряжение ПОС, которое определяет порог срабатывания схемы. С потенциометра R4 на неинвертирующий вход ОУ DA1 действует вторая ПОС. Если величина этой связи меньше порога открывания ОУ DA2, то передний фронт импульсного сигнала на выходе ОУ DA1 пройдет через конденсатор С1 на инвертирующий его вход. С этого момента начинается про­цесс заряда конденсатора С1. Напряжение на выходе ОУ DA1 мед­ленно увеличивается. Когда оно достигнет порога открывания ОУ DA2, происходит переключение ОУ DA2. Начинается процесс разряда конденсатора С1. Частота следования импульсов выходно­го сигнала определяется выражением f=K 2 /4RC(K 1 -K 2);

Рис. 11.18

Рис. 11.19

Рис. 11.20

K 1 = R 2 /(R 2 +R 3); K 2 = R" 4 /(R" 4 +R" 4). В зависимости от уровня сиг­нала ПОС в ОУ DA1 можно регулировать ступеньку выходного сигнала. Максимальное значение, ДE определяется напряжением на делителе R2, R3. На рис. 11.19,6 приведены эпюры напряжения в гонках схемы.

Запускаемый генератор сигнала. Выходное напряжение (рис. 11.20, а), формируемое на конденсаторе СЗ, равно U 3 = = (t/C 3)I 2 . Конденсатор заряжается линейно возрастающим током I 2 = U 2 /R 5 транзистора VT2. Управление коллекторным током тран­зистора VT2 осуществляется напряжением на конденсаторе С2 (U 2 = (t/С 2)I 3). Это напряжение зависит от тока транзистора VT3 (l 3 =U Б /R 4). В результате U 3 = U б t 2 /C 2 C 3 R 4 R 5 . Для указанных на схеме номиналов элементов частота выходного сигнала равна 5 кГц. Сброс конденсаторов С2 и СЗ осуществляется внешним сиг­налом через транзисторы VT4 и VT1. На рис. 11.20,6 приведены эпюры напряжения в разных точках схемы.

Формирователь сигнала вида sec x . Формирование функции secx осуществляется от входного гармонического сигнала. Схема (рис. 11.21, а) может работать от единиц герц до сотен килогерц. В первом транзисторе происходит ограничение входного сигнала с амплитудой 2,5 В. Второй транзистор увеличивает крутизну фронтов прямоугольного сигнала и меняет его фазу. Сигнал на коллекторе транзистора VT2 суммируется с входным сигналом на резисторе R6. Выходной сигнал выбирается в определенной точке потенциометра так, чтобы можно было установить определенное значение глубины впадины функции sec я. Следует заметить, что эта схема формирования может давать погрешность в некоторых точках до 10%. При увеличении амплитуд меандрового и гармонического сиг­налов погрешность уменьшается. Для увеличения точности форми­рования функции sec а; можно поставить на входе схему диодного ограничения (рис. 11.21,6). Роль этой схемы заключается в том, чтобы сгладить вершины гармонического сигнала. С пом-ощью до­полнительной схемы точность моделирования может быть повыше­на до 5%.

Рис. 11.21

ГЕНЕРАТОРЫ СЛОЖНЫХ СИГНАЛОВ

Диодный генератор сложных сигналов. Сигналы сложной формы образуются (рис. 11.22) в результате изменения коэффици­ента усиления дифференциального усилителя. При малых входных сигналах все диоды закрыты. Коэффициент усиления, определяемый резисторами R2, R3 и R11, R12, близок к единице. С увеличением уровня входного сигнала начинают проводить диоды в эмиттерных цепях транзисторов. Это приводит к увеличению коэффициента уси­ления. Выходной сигнал становится более крутым. Три уровня из­менения коэффициента усиления используются как для положитель­ной, так и для отрицательной полярностей входного сигнала. Каждая цепь, состоящая из диодов и потенциометра, определяет разный порог открывания. Точная форма выходного сигнала под­страивается соответствующим потенциометром.

Дискретный формирователь сигналов специальных форм. В ос­нове генератора (рис. 11.23) лежит многофазный мультивибратор, который запускается импульсом положительной полярности. В схе­ме поочередно будут открываться транзисторы VT3. В открытом состоянии находится лишь один транзистор. В проводящее состоя­ние перейдет транзистор VT2, который в эмиттер транзистора VT1 направит ток, определяемый рези­стором R5. Если сопротивления резисторов меняются по опреде­ленному закону, то амплитуда выходного сигнала меняется по этому же закону. С помощью ре­зисторов R5 можно получить лю­бой закон изменения выходного сигнала. Частота переключения каналов определяется постоянной времени R 6 C 2 .

Рис. 11.22 Рис. 11.23

Рис. 11.24

Генератор функций. На вход генератора (рис. 11.24) подается импульсный сигнал положительной полярности. Логическая схема 2И - НЕ интегральной микросхе­мы К133ЛАЗ закрывается. На вы­ходе 1 появляется сигнал отрица­тельной полярности с длитель­ностью, равной длительности вход­ного сигнала. Этот сигнал на RС-цепочке дифференцируется, и положительный импульс закрывает вторую логическую схему. На выходе этой схемы появляется импульс отрицательной полярности длительностью 5 мкс. Все последующие цепочки работают аналогичным образом. На выходах 1 - 7 последовательно друг за другом воз­никают импульсные сигналы. Все эти сигналы суммируются через определенные весовые резисторы на входе ОУ. В зависимости от по­следовательности принятых сопротивлений весовых резисторов на выходе ОУ можно сформировать сигнал любой сложности. Амплиту­да выходного сигнала определяется сопротивлением резистора R4. Для балансировки ОУ сопротивление резистора R3 подбирается под суммарное сопротивление весовых резисторов.

  • Генераторы могут работать в режиме самовозбуждения или ждущем режиме, когда период следования импульсов пилообразного напряжения определяется запускающими импульсами.

    Пилообразным напряжением называют электрические колебания (импульсы), которые вырабатываются посредством преобразования энергии источника постоянного тока в энергию электрических колебаний.

    Напряжение пилообразной формы - это напряжение, которое в течение определенного времени нарастает или убывает пропорционально времени (линейно), а затем возвращается к исходному уровню (рис. 1).

  • Рис. 1. Параметры ПН

    Пилообразное напряжение может быть линейно нарастающим или линейно падающим и характеризуется основными параметрами:

    Длительностями прямого (рабочего) и обратного хода

    Амплитудой выходного напряжения

    Период повторения Т

    Начальный уровень U 0

    Коэффициент нелинейности E, характеризующий степень отклонения реального пилообразного напряжения, от напряжения изменяющегося по линейному закону.

  • V max = при t=0 и V min = при t= t пр – скорости изменения пилообразного напряжения соответственно в начале и в конце прямого хода.

    Независимо от практической реализации все типы ГПН можно представить в виде единой эквивалентной схемы (рис.2)

    В нее входит источник питания E, зарядный резистор R, который можно рассматривать как внутреннее сопротивление источника питании, конденсатор С – накопитель энергии, электронный ключ К и разрядный резистор r сопротивлением, равным внутреннему сопротивлению замкнутого ключа.

  • Рис. 2. Эквивалентная схема ГПН

  • В исходном состоянии ключ К замкнут и на конденсаторе устанавливается начальный уровень напряжения

  • При размыкании ключа конденсатор начинает разряжаться через разрядный резистор r и напряжение на нем меняется по экспоненциальному закону

    ,

    где
    - постоянная времени цепи зарядки конденсатора.

    В настоящее время ГПН с малым значением коэффициента нелинейности и его незначительной зависимостью от сопротивления нагрузки создают на основе интегральных усилителей.

    Генератор на основе ОУ как правило строятся по схеме интегратора (для малых коэффициентов нелинейности и низкоомной нагрузкой).

    Предлагаемая схема и диаграммы ее работы имеют вид рис.2:

  • В этой схеме выходное напряжение представляет собой усиленное операционным усилителем напряжение на конденсаторе С. ОУ охвачен как (R1, R2, источник Е 0), так и (R3, R4, источник Е 3). Управление работой ГПН осуществляется с помощью транзистора VT1

    Управление работой ГПН осуществляется при помощи ключевого устройства (КУ) на транзисторе VT 1 .

    Ключевое устройство может быть реализовано на биполярном транзисторе, управляемый импульсами положительной полярности.

    Транзистор (КУ) насыщен (открыт) при положительных полупериодах U вх, а при отрицательных находится в режиме отсечки (закрыт), при этом фронт пилообразных напряжений будет формироваться в момент времени действие отрицательного импульса на входе (КУ). В паузах между входными импульсами транзистор закрыт, и конденсатор заряжается током от источникаE. и резистор R3.

    Напряжение , образуемое на конденсаторе, поступает на неинвертирующий вход операционного усилителя, работающего в линейном режиме с коэффициентом усиления по неинвертирующему входу

    В результате на выходе усилителя создается напряжение
    , а на резистореR4 – напряжение, равное

    ,

    которое создает ток , протекающий через конденсатор в том же направлении, что и ток.

    Следовательно, ток зарядки конденсатора в паузах между входными импульсами равен

    .

    По мере зарядки конденсатора ток уменьшается, а напряжение на конденсаторе и на входе операционного усилителя увеличиваются. Если коэффициент усиления по инвертирующему входу больше единицы, то напряжение на резистореR4 и протекающий через него ток также увеличиваются. При подборе коэффициента усиления можно обеспечить высокую линейность пилообразного напряжения.

  • Работа гпн.

  • Рассмотрим работу ГПН на примере нашей схемы для формирования требуемой длительности обратного хода дополним эммитерную цепь транзистора VT 1 сопротивлением R6. Сопротивление R5 ограничивает ток базы транзистора в режиме насыщения. Рассмотрим процессы происходящие в данной схеме. Пусть на входе действует импульс длительности , приводящий к отпиранию транзистора. При условии, незначительного падения напряжения на открытых переходах транзистора, напряжение на конденсаторе в начальный момент времени, приближенно равно падению на сопротивленииR6

    . (1)

    В силу обратной связи, ток коллектора транзистора равен

    . (2)

  • В свою очередь, токи через соответствующие сопротивления определяются выражениями

    ,
    . (3)

    Амплитуда управляющего импульса должна быть больше величины

    . (4)

    При этом на выходе схемы имеется постоянный уровень напряжения равный

    . (5)

    В момент времени транзистор запирается, и конденсатор начинает заряжаться. Процессы, протекающие в схеме, описываются следующими уравнениями

    ,

    ,

    . (6)

    Из (6) получаем

  • Введем обозначения
    ,
    ,
    , тогда полученное уравнение можно переписать в виде

    . (7)

    Это неоднородное дифференциальное уравнение первого порядка, решение которого имеет вид

    . (8)

    Постоянную интегрирования найдем из начальных условий (1). Т.к. в начальный момент времени
    , то
    , следовательно, (8) можно записать, как

    .

      Тогда напряжение на выходе будет меняться по закону

      (9)

      Здесь
      имеет тот же смысл, что и ранее.

      Поскольку напряжение на выходе системы через время рабочего хода должно равняться величине
      , где
      - амплитуда пилообразного напряжения, то, решая (9) относительно времени, получим

      . (10)

      Аналогично для цепи разряда, принимая во внимание что
      и
      .

    2. Расчет схемы.

      3. Для правильной работы схемы требуется, чтобы коэффициент усиления по инвертирующему входу был больше единицы. Пусть
      , выберем резисторR2 на номинал 20 кОм, тогда R1= 10 кОм.

      Рассчитаем коэффициент усиления по неинвертирующему входу .

      Требуется обеспечить коэффициент нелинейность 0,3 % , тогда постоянная времени заряда конденсатора должна быть не меньше величины

    3. Тогда напряжение на выходе будет менятся по закону:

    4. ,

      Так если задать
      В, то
      = 1067

      тогда К = = = 0,014 при условии напряжения питания в цепи транзистора 15 В.

      Принимая во внимание полученные ранее обозначения, рассчитаем сопротивление соотношение сопротивлений R3 и R4

      .

      Зададимся сопротивлением в цепи коллектора транзистора R3 = 10 кОм, тогда получаем, что R4 = 20 кОм.

      В свою очередь с, следовательно, емкость конденсатора составит порядка 224 пФ, выбираем 220 пФ.

      Перейдем к расчету цепи разряда. Для цепи разряда справедливо

      . (13)

      Подставим в (13) формулы из (11), разрешим относительно R6, получим

      .

      Откуда следует, при подстановке численных значений, что R6 = 2 мОм.

      Получим выражение для времени обратного хода

      , (11)

      где
      ,
      ,
      .

      Если выражение (9) продифференцировать по времени и умножить на С1, то коэффициент нелинейности напряжения, будет определяться формулой

      t p /,где =RC

      Исходя из проведенных исследований, перейдем к расчету параметров и выбору элементов схемы.

      Ток, протекающий в момент, когда транзистор открывается, через сопротивление R6 оценим исходя из следующих рассуждений. В момент переключения все напряжение на конденсаторе приложено к сопротивлению, поэтому через него потечет ток
      мкА.

      В качестве ключа можно использовать транзистор с подходящими параметрами типа КТ342Б. Резистор R5, ограничивающий ток базы, выберем порядка 1 кОм. Поскольку максимальный ток коллектора 50 мА, а коэффициент усиления по току 200, то ток насыщения базы будет равен 250 мкА, следовательно на резисторе напряжение составит 0,25 В. Примем напряжение насыщения база-эммитер – 1 В. Падение напряжения на сопротивлении R6, при максимальном токе протекающем через R3 и R4 добавленному к R6 составит 6,08 В. Таким образом, для надежного отпирания транзистора и его удержания в открытом состоянии требуется импульс амплитудой 8 В.


    Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

    Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

    Размещено на http://www.allbest.ru/

    Департамент образования, науки и молодежной политики

    Воронежской области

    ГОБУ СПО ВО «Борисоглебский техникум промышленных и информационных технологий»

    Курсовой проект

    по дисциплине: «Проектирование цифровых устройств»

    Тема: «Генератор пилообразного напряжения»

    Борисоглебск 2015.

    Введение

    В наши дни большое место в мире радиоэлектронной аппаратуры занимают телевизионные приемники. Телевидение самая широкая область радиоэлектроники. Сейчас в каждом доме есть телевизор, и он является самым основным источником информации. При конструировании телевизионного приемника согласуются с десятками наук и тем радиоэлектроники. А одной из основных наук является «Импульсная техника» и тема: «Генераторы пилообразного напряжения или тока». В телевизоре это блоки развертки - строчной и кадровой. Генераторы пилообразного напряжения (ГПН) используются также в развертывающих устройствах осциллографа. Генераторы данного вида используются также при ремонте настройке и наладке различного оборудования оргтехники. Тема курсового проекта «Генератор пилообразного напряжения» крайне важна и актуальна, так как данное устройство необходимо на каждом рабочем месте наладчика электронной аппаратуры.

    1 . Анализ аналогов генератора пилообразного напряжения.

    1.1 Анализ аналога генератора пилообразного напряжения 1

    1.1.1 Принципиальная схема

    В качестве первого аналога рассмотрим генератор пилообразного напряжения на транзисторах

    Рис. 1 - Принципиальная схема ГПН

    Генератор (см. рис 1) обеспечивает получение пилообразного напряжения с хорошей линейностью. Пилообразное напряжение снимают непосредственно с конденсатора С2. На резисторе R2 в моменты разряда конденсатора возникают импульсы, которые могут быть использованы для синхронизации.

    1.1.2 Принцип работы схемы ГПН

    Транзистор Т1 генератора с резистором R1 в цепи эмиттера представляет собой источник тока с выходным сопротивлением, равным нескольким мегомам. Током этого источника заряжается конденсатор С2.

    Ввиду большого выходного сопротивления источника тока обеспечивается хорошая линейность напряжения заряда.

    Когда напряжение на конденсаторе С2 достигает величины, при которой открывается однопереходный транзистор Т2, происходит быстрый разряд конденсатора.

    Частота повторения колебаний регулируется резистором R3 (регулировкой тока заряда конденсатора С2). Эта частота не зависит от колебаний напряжения питания, поскольку и напряжение, при котором открывается транзистор Т2, и ток заряда при этом изменяются пропорционально, компенсируя влияние друг друга на частоту повторения.

    Пилообразное напряжение снимают непосредственно с конденсатора С2. На резисторе R2 в моменты разряда конденсатора возникают импульсы, которые могут быть использованы для синхронизации.

    При номиналах деталей, указанных на схеме, частота повторения может изменяться в пределах 0,1--4 кГц; размах пилообразного напряжения составляет 10 В, амплитуда синхронизирующих импульсов -- 5 В.

    1.1.3 Функциональная схема ГПН

    Анализируя принципиальную схему, функционально ее можно разбить на 3 основные части.

    Рис. 2 - Части принципиальной схемы

    Рис. 3 - Функциональная схема ГПН

    РЧК - Регулировка частоты колебаний

    ИТ - Источник тока с вых. сопротивлением несколько МОм

    1.2 Анализ аналога генератора пилообразного напряжения на микроконтроллере

    1.2.1 Принципиальная схема ГПН

    Принципиальная схема индикатора выглядит следующим образом:

    Рис. 4 - Принципиальная схема ГПН

    1.2.2 Принцип работы ГПН

    Формирование пилообразного напряжения происходит на конденсаторе C1, зарядный ток которого определяется резисторами R1-R2 и (в гораздо меньшей степени) параметрами транзисторов токового зеркала VT1-VT2. Довольно большое внутреннее сопротивление источника зарядного тока позволяет получить высокую линейность выходного напряжения (фото ниже; масштаб по вертикали 10В/дел).

    Основной технической проблемой в таких схемах является цепь разряда конденсатора C1. Обычно для этой цели используются однопереходные транзисторы, туннельные диоды и пр. В приведенной схеме разряд производится... микроконтроллером. Этим достигается простота налаживания устройства и изменения логики его работы, т.к. подбор элементов схемы заменяется адаптацией программы микроконтроллера.

    Рис. 5 - Осциллограммы импульсов ГПН

    Напряжение на C1 наблюдается компаратором, встроенным в микроконтроллер DD1. Инвертирующий вход компаратора подключен к C1, а не инвертирующий к источнику опорного напряжения на R6-VD1. По достижении напряжения на C1 значения опорного (примерно 3.8В) напряжение на выходе компаратора скачком изменяется от 5В до 0.

    Этот момент отслеживается программно и приводит к переконфигурированию порта GP1 микроконтроллера с входа на выход и подачи на него уровня логического 0. В результате конденсатор C1 оказывается замкнутым на землю через открытый транзистор порта и достаточно быстро разряжается. По окончании разряда C1 в начале следующего цикла вывод GP1 вновь конфигурируется на вход и производится формирование короткого прямоугольного синхроимпульса на выводе GP2 амплитудой 5В.

    Рис. 6 - Печатная плата ГПН обр. сторона

    Длительность разрядного и синхронизирующего импульсов устанавливается программно и моет изменяться в широких пределах, т.к. микроконтроллер тактируется внутренним генератором на частоте 4 МГц. При варьировании сопротивления R1+R2 в пределах 1К - 1М частота выходных импульсов при указанной емкости C1 меняется примерно от 1 кГц до 1 Гц.

    Пилообразное напряжение на C1 усиливается ОУ DA1 вплоть до уровня напряжения его питания. Желаемая амплитуда выходного напряжения устанавливается резистором R5. Выбор типа ОУ обусловлен возможностью его работы от источника 44В.

    Напряжение 40В для питания ОУ получается из 5В с помощью импульсного преобразователя на микросхеме DA2 включенной по стандартной схеме из ее даташита. Рабочая частота преобразователя 1.3 мГц.

    Генератор собран на плате размером 32х36 мм.

    Все резисторы и большинство конденсаторов типоразмера 0603. Исключение составляют C4 (0805), C3 (1206), и C5 (танталовый, типоразмер А). Резисторы R2, R5 и разъем J1 установлены на обратной стороне платы (рис 6).

    Рис. 7 - Печатная плата ГПН лиц. сторона

    Верхний предел частоты в данной схеме ограничен временем разряда C1, что в свою очередь определяется внутренним сопротивлением выходных транзисторов порта. Для ускорения процесса разряда желательно разряжать C1 через отдельный МОП транзистор с малым сопротивлением открытого канала.

    При этом можно значительно уменьшить время программной задержки для разряда, которая необходима для обеспечения полной разрядки конденсатора и, соответственно, падения выходного напряжения пилы практически до 0В.

    Для терм стабилизации работы генератора желательно в качестве VT1-VT2 применить сборку из двух PNP транзисторов в одном корпусе. При низкой частоте генерируемых импульсов (менее 1 Гц) начинает сказываться конечное сопротивление генератора тока, что приводит к ухудшению линейности пилообразного напряжения. Ситуация может быть улучшена путем установки резисторов в эмиттеры VT1 и VT2.

    1.2.3 Функциональная схема ГПН

    Анализируя принципиальную схему, функционально ее можно разбить на 4 основные части.

    Рис. 8 - Функциональные части принципиальной схемы ГПН

    генератор напряжение микроконтроллер индикатор

    Исходя из анализа схемы (ГПН) можем составить функциональную схему устройства.

    Рис. 9 - Функциональная схема ГПН

    ФПН - Формирователь пилообразного напряжения

    М - Микроконтроллер

    УН - Усилитель напряжения

    ИП - Импульсный преобразователь

    2 . Разработка структурной функциональной схемы цифрового устройства

    2.1 Построение функциональной схемы

    На основание анализа существующих приборов, составим собственную схему. Функциональная схема будет выглядеть следующим образом

    Рис. 10 - Функциональная схема ГПН

    ДН - Делитель напряжения

    ТГ - Триггер Шмита

    ДЦ - Диодно-резисторная цепь

    ИТ - Интегратор

    2.2 Ф ункциональные части устройства

    Делитель напряжения

    Рис. 11 - Делитель напряжения

    Делить напряжения состоит из 2 резисторов R1 и R2. На инвертирующий вход ОУ DA1 и прямой вход ОУ DA2 подаётся половина напряжения питания с делителя напряжения. Благодаря нему не требуется дополнительный источник питания

    Триггер Шмита

    Триггер Шмита собран на операционном усилителе. И играет роль формирователя пилообразного напряжения

    Рис. 12 - Триггер Шмита

    Диодно-резисторная цепь

    С помощью Диодно-резисторной цепи можно задать нужную форму и частоту импульсов.

    Рис. 13 - Диодно-резисторная цепь

    Интегратор собран на операционном усилителе

    Рис. 14 - Интегратор

    3 . Принципиальная схема генератора пилообразного напряжения

    3.1 Принципиальная схема генератора ГПН

    Исходя из рассмотренных выше функциональных узлов можно составить принципиальную схему генератора ГПН.

    Рис. 15 - Принципиальная схема ГПН

    Элементы на схеме

    R1, R2 - Делитель напряжения

    R4, R5, D1, D2 - Диодно-резисторная цепь

    R6 - С помощью него схема охвачена обратной связью

    C1 - Конденсатор обратной связи

    C2 - Фильтр

    3.2 Описание схемы ГПН

    Этот генератор пилообразного напряжения может найти применение в различных схемах, например, в ШИМ, в качестве генератора развёртки, в устройствах сравнения напряжений, временной задержки и расширения импульсов.

    Схема генератора изображена на рисунке 15. Он состоит из триггера Шмита на операционном усилителе DA1, и из интегратора, собранного на операционном усилителе DA2. Оба ОУ соединены последовательно через диодно-резисторные цепи D1, D2, R4, R5 и с помощью резистора R6 схема охвачена обратной связью.

    На инвертирующий вход ОУ DA1 и прямой вход ОУ DA2 подаётся половина напряжения питания с делителя напряжения, собранного на резисторах R1, R2, что позволяет обойтись одним источником питания.

    Номиналы элементов

    3.3 Принцип работы ГПН

    При включении питания конденсатор С1 разряжен, он начинает заряжаться через цепочку D2R5 и выход усилителя DA1, на котором установилось низкое напряжение, другой вывод конденсатора С1 подключён к выходу ОУ DA2, на котором напряжение растёт. Как только это напряжение достигнет порога переключения триггера Шмита DA1, то триггер переключится и на его выходе установится некоторое напряжение, которое через диод D1 и резистор R4 будут вначале разряжать, а затем заряжать до другой полярности конденсатор С1. Далее процесс повторяется, и схема переходит в автоколебательный режим.

    Поскольку резисторы R4 и R5, через которые происходит заряд и разряд конденсатора С1 имеют разный номинал, то и время заряда и разряда конденсатора будет разным, соответственно пилообразное напряжение на выходе ОУ DA1 будет долго нарастать и быстро спадать.

    Расчет частоты колебаний

    Частота пилообразного сигнала на выходе генератора определяется по формуле

    где F - частота в Герцах;

    R3, R6, R4, R5 - сопротивления в Омах;

    C1 - ёмкость в Фарадах.

    Заключение

    В соответствии с заданием был разработан проект устройства: «Генератор пилообразного напряжения», который полностью удовлетворяет требуемым параметрам.

    Данный прибор состоит из:

    ДН - Делитель напряжения.

    ТГ - Триггер Шмита.

    ДЦ - Диодно-резисторная цепь.

    ИТ - Интегратор.

    В одном из узлов произведен расчет частоты RC контура.

    Целью курсового проекта на тему «Генератор пилообразного.

    напряжения» достигнута путём решения поставленных задач, а именно:

    Анализ существующих аналогов.

    Разработка структурной схемы.

    Разработка принципиальной схемы устройства.

    Решение поставленных задач достигалась с использованием технической и справочной литературы, а также интернет ресурсов.

    Список литературы

    1. Справочник. «Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги». Под редакцией Нефёдова А.В. - М. Радиософт. 1994 г.

    2. Справочник. «Диоды, тиристоры, транзисторы и микросхемы общего назначения». Воронеж. 1994г.

    3. «Электроника» В.И. Лачин, Н.С. Савёлов. Феникс 2000 г.

    4. Жмурин Д.Н. Математические основы теории систем: уч. пос. - Новочеркасск, 1998.

    5. Генерация и генераторы сигналов. Дьяконов В.А.

    Размещено на Allbest.ru

    Подобные документы

      Устройство и механизм действия простейшего генератора пилообразного напряжения. Принципиальная схема простейшего ГПН. Классификация устройств со стабилизаторами тока. Разработка принципиальной схемы генератора. Алгоритм и программа функционирования.

      курсовая работа , добавлен 09.06.2011

      Характеристика, параметры и принципы построения генераторов пилообразного напряжения с зарядным транзистором и стабилизатором тока. Исследование зависимости амплитуды выходного сигнала от напряжения питания для схем с биполярным и полевым транзисторами.

      курсовая работа , добавлен 27.02.2012

      Принципы построения генераторов. Выбор и обоснование принципиальной схемы генератора пилообразного напряжения (ГПН). Расчёт элементов устройства, выбор типов и номиналов. Классификация ГПН со стабилизаторами тока, применение дискретных элементов.

      курсовая работа , добавлен 29.06.2012

      Основные характеристики импульса. Генераторы линейно изменяющегося (пилообразного) напряжения, их назначение и область применения. Методы линеаризации пилообразного напряжения. Требования к устройству. Основные характеристики и принцип построения ГПН.

      курсовая работа , добавлен 07.08.2013

      Электронная вычислительная техника. Описание схемы устройства, расчет фантастронного генератора пилообразного напряжения. Генераторы прямоугольных импульсов, линейно-изменяющегося напряжения, ступенчато-изменяющегося напряжения, синусоидальных колебаний.

      дипломная работа , добавлен 17.04.2009

      Проектирование цифрового генератора аналоговых сигналов. Разработка структурной, электрической и функциональной схемы устройства, блок-схемы опроса кнопок и работы генератора. Схема делителя с выходом в виде напряжения на инверсной резистивной матрице.

      курсовая работа , добавлен 05.08.2011

      Разработка структурной схемы свип-генератора. Схема генератора качающейся частоты. Основные характеристики и параметры усилителей. Нелинейные искажения усилителя. Входное и выходное напряжения. Расчёт коэффициента усиления по мощности усилителя.

      курсовая работа , добавлен 28.12.2014

      Схема генератора сигнала треугольной формы. Принципиальная схема устройства. Описание работы программного обеспечения. Внутренний тактовый генератор, работающий от внешнего кварцевого резонатора. Фильтр низких частот. Внешняя цепь тактового генератора.

      курсовая работа , добавлен 19.01.2012

      Методика проектирования генератора на основе микроконтроллера, его технические характеристики. Выбор и обоснование технического решения. Разработка принципиальной и электрической схемы устройства. Эмуляция программы в пакете VMLAB, оценка погрешностей.

      курсовая работа , добавлен 13.06.2010

      Расчет сетевого выпрямителя, силовой части, выбор элементов однотактного конвертора. Расчет предварительного усилителя, генератора пилообразного напряжения. Схема сравнения и усиления сигнала ошибки. Вспомогательный источник питания, емкость конденсатора.

    Пилообразным называют напряжение, нарастающее пропорционально времени и убывающее скачкообразно. На рис. 46, а показано идеальное пилообразное напряжение, имеющее время нарастания t нар и время спада t сп, равное нулю. Очевидно, что период такого напряжения Т равен времени нарастания. Реальные генераторы пилообразного напряжения имеют не совсем линейно нарастающее напряжение и не равное нулю время его спада (рис. 46, б ).

    Пилообразное напряжение применяют для разверстки электронного луча в электронно-лучевых приборах.

    Рис. 46. Кривые изменения идеального (а) и реального (б) пилообразного напряжения

    Рассмотрим работу управляемого транзисторного генератора пилообразного напряжения с емкостной обратной связью (рис. 47).

    Рис. 47. Схема генератора пилообразного напряжения

    Генератор управляется импульсами отрицательной полярности через диод VDI. В исходном состоянии транзистор VT1 заперт положительным напряжением, подаваемым от источника э.д.с. Е бэ через резистор R 2 ,диод VDI и резистор R 1 .Конденсатор С заряжается через R K , R 1 , VDI и R 2 приблизительно до напряжения Е кэ .При подаче управляющего импульса диод VD1 запирается. Транзистор VTI открывается, так как напряжение на его базу подается теперь через резистор R. Начинается разряд конденсатора через открытый транзистор. Потенциалы базы и коллектора в момент отпирания транзистора скачком уменьшаются. Емкостная обратная связь между коллектором и базой поддерживает ток разряда конденсатора почти неизменным.

    В момент окончания управляющего импульса диод отпирается, транзистор закрывается напряжением источника э.д.с. Е бэ, и начинается заряд конденсатора С .

    Для обеспечения полного разряда конденсатора и получения максимальной амплитуды пилообразного напряжения длительность управляющих импульсов выбирают исходя из соотношения

    τ = (1,1 – 1,2) t разр

    где t разр - время разряда конденсатора.

    Частота пилообразного напряжения определяется параметрами разрядной цепи и ограничивается частотными свойствами транзистора.