Розрахунок RC-автогенератора

1. Розрахунок RC-автогенератора.

Генераторами гармонійних коливань називають електронні пристрої, які перетворюють енергію джерела постійного струму в енергію синусоїдних коливань заданої частоти та потужності. До складу таких генераторів входять активний елемент, частотно - вибіркова система зворотного зв’язку, а в разі необхідності – підсилювач потужності. Як активний елемент в генераторах використовують тунельні діоди, які мають відрізок від’ємного опору; транзистори та інтегральні підсилювачі (особливо ОП).

Для покращення форми кривої вихідної напруги частотно – незалежну гілку від’ємного незалежного зв’язку (ВЗЗ) у мості Віна звичайно виконують інерційно – нелінійного. Необхідний характер не лінійності забезпечується тоді, коли з ростом амплітуди сигналу зменшується опір або збільшується опір резисторів. Тому в якості резисторів використовується напівпровідник терморезистора. У якості інерційно – нелінійного резистора застосовують перехід витік – стік польового транзистора, на затвор якого подають випрямлену та згладжену вихідну напругу генератора.

Автоколивання виникають за умови, що коефіцієнт підсилення ОП заданий співвідношенням опорів резисторів, більший ніж три.

Сталі автоколивання в замкненому ланцюзі можливі тільки за умови точної рівності одиниці одиничного коефіцієнта петльового підсилення на частоті f₀ . Після виникнення автоколивань їхня амплітуда стабілізується в кінцевому рахунку на рівні, при якому за рахунок нелінійного елемента в петлі коефіцієнт зменшується до 1. Якщо не вжити спеціальних заходів, то згадана нелінійність проявиться в амплітудній характеристиці ОП, а форма автоколивань у такому випадку буде помітно відрізнятися від синусоїди.

При побудові генераторів із частотно – залежними ланцюгами, що забезпечують на частоті автоколивань зсув фази, рівний 0, - зручно використовувати потенціально – струмові різновиди селективних ланцюгів. Такі ланцюги призначені для використання разом із ОП, що мають малі вхідні та вихідні опори.

Розрахунок таких генераторів зводиться до вибору номіналів опорів та конденсаторів.

У моєму варіанті для забезпечення автоколивань (квазірезонансу) з частотою f₀ =25 кГц згідно з формулою для частоти роботи RC – генератора вибираємо опір R=5kOм (із ряду E24) типу МЛТ 0,25. Виходячи з попередньої формули. отримуємо:

4. Розрахунок компаратора.

Компаратори – це елементи порівняння, які широко ви­користовуються в системах контролю та автоматичного керу­вання. З його допомогою можна встановити який із сигналів більший чи коли сигнал досягне максимального значення.

Найпростішим компаратором є диференціальний підсилювач з великим коефіцієнтом посилення, побудований на основі транзисторів або операційних підсилювачів.

Компа­ратор, виконаний на базі ОП, порівнює вимірювану напругу із опорною напругою (наперед заданою). Опорна напруга є незмінною в часі,незмінної полярності, а вхідна напруга – змінюється. Коли вихідна напруга ОП змінює свій знак на протилежний (з на чи навпаки). Компаратор має ще назву “нуль-орган”, оскільки зміна полярності вихідної напруги (перемикання) відбувається за умови, що u _вх – U _оп = 0, де U _оп – опорна напруга.

Якщо на інвертувальний вхід подається синусоїдний сиг­нал (u _вх), а на неінвертувальний – постійна напруга (U _оп) додатної полярності, то вхідна напруга ОП . До моменту часу від t ₁ до t ₂ , тому . В проміжку часу від t ₁ до t ₂ , тому .

Компаратори для порівняння напруг однієї полярності ви­пускають у вигляді мікросхеми.

Основним показником операційних підсилювачів, що працюють в імпульс­ному режимі, є їх швидкодія, яка оцінюється затримкою спрацьовування та ча­сом зростання вихідної напруги.

В дані роботі потрібно обирати компаратор відповідно до ОП, а саме, щоб напруги живлення відповідала ОП 140УД10. В даному випадку я вибрав компаратор LM301A.

Блок схема LM301A

Основні параметри:

VOS (тип.),мВ 7.5

IBIAS (тип.),нА 250

Полоса пропускання (тип.),МГц 1

Slew Rate (тип.),В/мкс 0.5

CMRR (тип.),дБ 96

Gain (тип.),дБ 100

Shutdown немає

VCC,В от 20 до 40

ICC на канал (макс.),мА 1.8

TA,°C от 0 до 70

Корпус DIP-8 SOIC-8

5.Диференціююче RC-коло.

Схеми формування та генерування імпульсів найчастіше мають лінійні RС–кола, які вводяться штучно (зарядно-розрядні кола, що хронометрують, кола, що диференціюють та ін.) або існують самостійно в схемі (ємності p – n­ –переходів, паразитні ємності і т. д.). Розглянемо найбільш широко застосовувані RС–кола, що диференціюють та інтегрують.

Диференціюючі ланцюжки – це кола, в яких напруга на виході пропор­ційна похідній напруги входу:

U _вих =а (U _вх /dt).

Диференціюючі ланцюжки застосовуються для диференціювання сигналів будь–якої форми, у тому числі й гармонічних. При цьому розв'язують дві основні зада­чі перетворювання сигналів; отримання імпульсів дуже малої тривалості (вкорочення імпульсів), які використовують для запуску керованих перетворювачів електроенергії, тригерів, одновібраторів та інших пристроїв; виконання математичної операції диференціювання (отримання похідної в часі) складних функцій, заданих у вигляді електричних сигналів, що часто зустрічається в обчислюваль­ній техніці, апаратурі авторегулювання та ін.

Рис. Схема ємнісного диференціюючого кола

Вхідна на­пруга U _вх прикладається до всього кола, а вихідна знімається з резистора R. Струм, що протікає через конденсатор, зв'язаний з напругою на ньому відомим співвідношенням і_С = С (dU_C / dt). Враховуючи, що той же самий струм протікає через резистор R, запишемо вихідну напругу:

Якщо U _вих << U _вх,що справедливо,коли спад напруги на резисторі R на­багато менший за напругу U_C, то рівність можна записати у наближе­ному вигляді:

Для імпульсів напруги має виконуватися нерівність RC << t_івх , де t_івх – тривалість вхідного імпульсу.

У початковий момент напруга на конденсаторі дорівнює нулю, а напруга на виході стрибком досягає максимального значення, яке дорівнює амплітуді вхідного сигналу.

Зразу ж починається зарядження конденсатора зі сталою часу τ = RC.

Через час t = τ напруга на виході дорівнюватиме:

Тобто напруга на виході зменшується в «е» разів та досягне рівня:

U _вих =0,37 U _вх

Напруга на конденсаторі:

U _с =U _вих - U _вх

U _с =0,63 U _вх

Через час t= 2τ напруга на виході зменшується до рівня:

Через час t= 3τ перехідні процеси практично закінчуються.

Тривалість перехідних процесів визначають як час зміни напруги U _вих від 0,05 до 0,95, або на рівнях 0,1 та 0,9, що відбуваються приблизно за 3τ.

Тривалість імпульсу на виході RC-кола буде становити

τ _імп= 3RC.

Враховуючи вище зазначене, обраховуємо опір резистора та ємність конденсатора:

Звідси R= , а С=()

Вибираю резистор для RC-кола 4кОм, тоді:

С= /R= =0,25* =250 pF

6. Логічний елемент «І».

Комбінаційними логічними елементами (ЛЕ) називають функціональні вузли електронної техніки, реалізуючи функції алгебри логіки так, що стан із виходів однозначно визначається комбінацією вхідних сигналів і не залежить від попереднього стану елементу.З точки зору схемотехніки ЛЕ описуються двома множинами параметрів і характеристик: логічними і електричними. До логічних елементів відносять реалізовану ЛЕ функцію алгебри логік, рівні нуля і одиниці на виході і на виході ЛЕ., тривалість затримки розповсюдження сигналу, тривалості фронту наростання і спаду вихідного сигналу. До електричних характеристик ЛЕ відносять сім’ї вхідних, передатних і вихідних характеристик з урахуванням впливу напруги джерела живлення і температури, а також енергетичні параметри ЛЕ: споживану енергію в стані «логічного 0» і «логічної 1» на виході.

Логічна схема на основі ключів з двома або більше входами й одним виходом виконує операцію логічного множення, якщо сигнал зі значенням 1 з’являється на виході лише тоді, коли на всі входи одночасно подають сигнали логічної 1; у противному разі (навіть за наявності на входах одного 0) вихідний сигнал відсутній (дорівнює логічному 0).

Згідно свого варіанту я вибираю тип логіки КМДН, також вибираю відповідний логічний елемент, який не потребуватиме додаткового блоку живлення,напруга живлення співпадатиме з напругою живлення ОП 140УД10.

Мікросхеми виділяються серед інших найнижчим споживанням потужності від джерела живлення. Основу таких мікросхем складає ключовий каскад.Елементи на КМДН-ключах характеризуються підвищеною завадостійкістю: допустима напруга статичної завади рівна половині напруги живлення. Однак такі ІМС вирізняються підвищеною чутливістю до статичної

напруги, через високий вхідний опір. Для захисту від впливу статичної напруги в структуру ІМС вводяться діодно-резистивні кола. Основна область застосування мікросхем КМОН типу - це цифрові пристрої невисокої швидкодії з обмеженим енергоресурсом. Швидкодія КМДН мікросхем характеризується частотою перемикання до 3МГц.

Найповніший функціональний склад мають серії К561 564-К176. Перші дві серії близькі за складом та параметрами. Мікросхеми вказаних серій працездатні при напругах живлення від 3 до 15В. Ця особливість вказаних ІМС дозволяє суттєво знизити вимоги до джерел живлення по відношенню до їх потужності та якості фільтрації і за рахунок цього отримати значний виграш в масі та розмірах цифрових пристроїв. Деякі серії, наприклад, 164К176, вимагають напруги живлення 9В, але вони також спроможні працювати при зміні напруги живлення в значних межах.

7. Розрахунок мультивібратора.

Мультивібратори – це генератори релаксаційного типу з прямокутною формою імпульсів, які широко використовуються як задавальні генератори в системах керування.

Діоди VD1 і VD2 виконують функцію порогових елементів й використовують для покращення форми вихідної напруги мультивібратора.

Параметри резистора і визначають тривалість імпульсу (додатне значення вихідної напруги)

= =10,9кOм;

а резистора - тривалість паузи (від’ємне значення вихідної напруги)

= = 7,6МОм;

Розрахунок мультивібратора починають з вибору типу операційного підсилювача DA1 (можна вибирати підсилювач середнього класу точності). Враховуючи, що вхідні напруги спів мірні, опори вхідних кіл ОП повинні бути в межах 10 кОм (для ОП із біполярними вхідними транзисторами) або в межах 100кОм (для ОП з уніполярними вхідними транзисторами).

Задаючись значенням опору резистора кола зворотного зв’язку у вказаних межах, визначають опір резистора .Коефіцієнт додатного зворотного зв’язку за напругою визначається за виразом:

Ємність конденсатора визначається з виразу для періоду коливань мультивібратора

Враховуючи, що , а , величина ємності

= =73 73pF

Період коливань визначаємо зі співвідношення:

T=

T=

=3*

Опір резисторів R, R 1, R 2вибирають з урахуванням максима­льно припустимого вихідного струму ОП.

8. Розрахунок загальмованого мультивібратора.

Одновібратори – це генератори прямокутних імпульсів, які працюють в очікувальному режимі. Такий режим характеризується стійким і квазістійним станами рівноваги. Перехід зі стійкого до квазістійкого стану здійснюються за наявності зовнішнього імпульсу, який називають запускальним. Тобто формується один прямокутний імпульс заданої тривалості під дією запускального імпульсу.

В момент увімкнення джерела живлення напруги на виході ОП приймає одне зі значень, нехай .

Під дією цієї напруги проходять струми по ланці від’ємного (R-VD2) і додатного () зворотних зв’язків. Оскільки вихідна напруга ОП є від’ємною, то діод VD2 відкритий і напруга на конденсаторі . Напруга на неінвертуючому вході ОП дорівнює

Якщо в момент часу на вхід подати короткотривалий імпульс, напруга якого більша за , то компаратор перейде в стан зі вихідною напругою . Діод VD2 закривається і починається заряд конденсатора C через резистор R, а напруга на неінвертуючому вході ОП має додатне значення. Коли напруга конденсатора досягає значення компаратор повертається до стану з вихідною напругою . При цьому конденсатор розряджається до напруги ().

Таким чином, тривалість імпульсу визначається параметри схеми

Подання наступного імпульсу запускання можливе за умови повного розряджання конденсатора, який визначається часом відновлення

Тобто повинна забезпечуватись тотожність

В вихідніх даних для розрахунку схеми повинні бути відомими: тип ОП, період повторення запускаючи імпульс T, протяжність генерованих імпульсів t_і.

1. Значення опорів R₁ R₂ R визначаємо зі співвідношень:

Величина вибирається згідно типу ОП.

, кОм; звідси .

2. Значення ємності конденсатора визначається за формулою:

С= = 14nF

3. Опір резистора вибирається з умови:

4. Значення ємності конденсатора розраховується за формулою:

0,0007мс

= 2,8 =2,8nF

5. Розраховуємо

0,0007*ln =1,6c

9. Розрахунок генератора лінійно-змінної напруги.

Генератори лінійно змінної напруги (ГЛЗН) є найбільш широко використовуваними пристроями імпульсної техніки. Вони застосовуються в телевізійних і радіолокаційних приймачах, в пристроях амплітудо-часового та аналого-цифрового перетворення, у широтно-імпульсних і часо-імпульсних перетворювачах, у пристроях керованої часової затримки та інших пристроях радіоавтоматики

Розглянемо конкретні схеми генераторів лінійно-змінної напруги в інтегральному виконанні. Як активні ключові елементи у проектуванні таких генераторів в наш час найбільш широко використовують операційні підсилювачі, що мають велику функціональну надмірність. Щоб вихідна напруга була пропорційною інтегралові вхідної напруги, в ОП вмикають конденсатор в колі негативного зворотнього зв’язку. Тому генератори пилкоподібної напруги на ОП будують за принципом генераторів із зворотнім зв’язком, що інтегрують сталу напругу джерела живлення.

Генератор пилкоподібної напруги, яка лінійно зростає, можна створити, якщо інтегруюче RC-коло ввімкнути в коло позитивного зворотнього зв’язку. У відсутності вхідного керуючого імпульсу U_зап (інтервал часу 0-t₁) U_вх, діод відкритий, напруга на неінвертуючому вході U_вх⁺ =0 і конденсатор розряджений (U_c(0)=0). Напруга на інвертуючому вході U_вх^- задається такого рівня, при якому ОП перебуває в режимі обмеження з U_вих=-E_c.

Вхідний керуючий імпульс U_зап, впливаючи на вхід схеми в момент часу t₁ закриває діод VD. Конденсатор С з урахуванням того, що (U_c(0)≈ 0) та U_вих=-E_c, починає заряджатися струмом I_c=i₁-i₂=E/R₁-E/R₅. Якщо відповідним чином розрахувати параметри елементів схеми генератора, щоб ∆ i₁=∆ i₂, то I_c=const, конденсатор заряджається строго постійним струмом. При цьому напруга U_вих збільшується і в момент закінчення робочого ходу досягає значення +E_c. В

момент закінчення керуючого імпульсу(t=t₂) діод різко відкривається і конденсатор з великою швидкістю розряджається. Вихідна напруга зменшується до рівня -E_c. Час відновлення вихідного стану схеми

t_в=5C(r_д+R_вих),

де r_д – опір відкритого діода VD; R_вих – вихідний опір джерелі керуючих імпульсів.

Рис. Електрична схема генератора лінійно-змінної напруги

Дата добавления: 2015-08-31