Розрахунок RC(генератора гармонічних коливань Технічне завдання Діапазон частот: нижня частота fн, Гц; верхня частота fв, кГц. Коефіцієнт гармонік kг, %. Амплітуда вихідної напруги Uвих.m, В. Опір навантаження Rн, Ом. Глибина регулювання Температурний діапазон: мінімальна температура Тоc.min, оС; максимальна температура, Тоc.max, оС. Вступ Найчастіше низькочастотні RC(генератори виконуються на базі операційних підсилювачів, охоплених колами додатного і від’ємного зворотного зв’язку з використанням фазоповертаючих RC(ланок. Для забезпечення самозбудження RC(генератора необхідно на вхід підсилювача РП (рис. 1) подавати частину вихідної напруги, яка рівна вхідній і збігається з нею за фазою. Для отримання гармонічних синусоїдальних коливань необхідно, щоб ці умови виконувалися на одній частоті і різко порушувалися на всіх інших частотах. Це завдання вирішується з допомогою фазоповертаючої ланки (ФПЛ), яка складається з декількох RC(ланок, що служать для повороту фази вихідної напруги підсилювача на певний кут. Такими ланками можуть служити диференцюючі або інтегруючі RC?ланки, пасивні смугові RC?фільтри, подвійні Т?подібні фільтри або інтегратори на основі операційних підсилювачів.
На рис. 2 приведена схема пасивного смугового. Він складається з послідовного з’єднання фільтрів верхніх і нижніх частот. Модуль коефіцієнта передачі RC?фільтра і фазовий зсув описуються виразами
. Частотна і фазова характеристики показані на рис. 3, де ? частота резонансу ланки. Добротність такого фільтра невелика і крутизна фазочастотної характеристики поблизу резонансної частоти мала, тому нестабільність частоти генератора на основі такого фільтра велика. Якщо смуговий фільтр доповнити резисторами R1 і 0,5R1 то одержимо схему, яка називається мостом Віна (рис.4). Модуль коефіцієнта передачі моста Віна і фазовий зсув описуються виразами
Частотна і фазова характеристики моста Віна показані на рис. 5. Вихідна напруга моста Віна (рис. 5а) на резонансній частоті дорівнює нулю, тому він не може бути використаним безпосередньо у схемах генераторів. Тому у схемах генераторів дещо розстроюють: величину нижнього опору вибирають рівною R1/(2+?), де ? ? додатне число, яке значно менше від одиниці. У цьому випадку на резонансній частоті коефіцієнт передачі моста дорівнює
При ? = 0 на частоті f0 фаза напруги стрибком змінюється на 1800 (рис. 5б). Зміна фази умовно показана штриховою лінією. При ? > 0 фазова характеристика описується виразом
На рис. 5б для випадку ? = 0,01 ця залежність показана пунктирною лінією. У дуже малому частотному діапазоні фаза вихідної напруги змінюється в межах від ? 900 до + 900, і цей діапазон тим вужчий, чим менше значення ?. При малих значеннях ? нестабільність частоти генератора практично визначається температурною залежністю значень номіналів елементів R і С моста Віна. Порядок розрахунку генератора Розрахунок елементів генератора з мостом Віна
На основі аналізу технічного завдання складаємо структурну схему генератора. Для забезпечення синусоїдальної форми вихідної напруги самого генератора Віна, у його склад необхідно ввести вузол стабілізації рівня цієї напруги. Оскільки вихідна напруга і потужність генератора Віна менші від заданих технічним завданням і рівень їх не регулюється, то у схему слід ввести регулятор вихідної напруги, підсилювач потужності і джерело живлення. Рекомендована структурна схема приведена на рис. 6. Розрахунок починаємо з вибору типу інтегрального операційного підсилювача виходячи з таких умов
В де - максимальна додатна і від'ємна напруги на виході операційного підсилювача. Максимальна швидкість наростання вихідної напруги операційного підсилювача повинна задовольняти таку вимогу В/с = 2,07 В/мкс Задаємося значенням ? у межах 0,01 ... 0,02. І вибираємо = 0,01 Мінімальне значення коефіцієнта підсилення
Вибираємо інтегральний операційний підсилювач К140УД6 з одержаних умов і використовуємо такі його електричні параметри: Швидкість наростання вихідної напруги Vmax, = 2 В/мкс. Коефіцієнт підсилення Кu0. = 50000 Мінімальний опір навантаження Rн.min. = 1КОм Максимальна вихідна напруга ,= 12 В. Температурний дрейф напруги зміщення (Uзм/(T, = 20 мкВ/оС. Напруга живлення , = 15 В. Спрощений варіант побудови генератора Віна зі стабілізатором амплітуди вихідної напруги приведено на рис. 7. Визначають коефіцієнт перекриття діапазону частот генератора kf = fв /fн = 30000 /300 = 100 Для симетричного моста Віна R1 + R2 = R3 + R4 = R, C1 = C2 = C, тому частота квазірезонансу буде дорівнювати 1пдд Гц 2пдд Гц (1) Одночасно повинна виконуватися умова R1=R3, R2=R4. Визначаємо мінімальне значення вхідного опору Zвх min моста Віна. Цей опір не повинен перевантажувати вихідне коло підсилювального каскаду операційного підсилювача, тобто повинна виконуватися умова . = 1000 Ом Визначаємо мінімальне значення опору одного плеча моста Віна
Вибираємо номінальні значення резисторів R2 = R4= Rmin= Якщо коефіцієнт перекриття частоти генератора , то весь діапазон зміни частоти розбивається на два або три піддіапазони з однаковими коефіцієнтами перекриття частоти піддіапазонів Кпд і визначають верхню fвпд= 3кГц÷30кГц і нижню fнпд= 300Гц÷3кГц частоти піддіапазонів. Змінний резистор (потенціометр), призначений для плавного регулювання частоти, повинен бути здвоєним, щоб забезпечувати одночасну зміну опорів кожного з плеч моста Віна
Вибираємо номінальні значення опорів потенціометрів R1=R3=. Для забезпечення запасу перекриття частоти значення опорів потенціометрів повинно бути близьким але не меншим від значення Розраховані значення величини опорів резисторів і потенціометрів для кожного піддіапазону залишаються однаковими, і для кожного піддіапазону розраховуються свої ємності С1 і С2, які комутуються за допомогою перемикача піддіапазонів. Знаходимо значення ємностей конденсаторів С1 = С2 = Спд для верхніх частот fвпд кожного з піддіапазонів
1пдд. Ф = 110 нФ 2пдд. Ф = 11 нФ
Рис. 7. Варіант побудови генератора на мості Віна Розрахунок схеми стабілізації амплітуди вихідної напруги Якщо не прийняти мір для стабілізації амплітуди вихідної напруги генератора, то ця напруга зростає аж до обмеження і форма напруги стає близькою до прямокутної з амплітудою, яка дорівнює . Тому генератор охоплюють колом інерційного нелінійного зворотного зв’язку, яке складається зі з’єднаного з виходом генератора дільника напруги R5R6 і опору каналу польового транзистора VT1. Одночасно ці елементи утворюють плече моста Віна. Опір такого дільника між інвертуючим входом операційного підсилювача DA1 і спільною шиною в момент включення є невеликим, що забезпечує умову надійного самозбудження генератора. Протягом певного часу опір каналу польового транзистора VT1 зростає, глибина зворотного зв’язку збільшується і коефіцієнт підсилення операційного підсилювача зменшується до значення і амплітуда вихідної поступово зменшується до заданого рівня, який визначається параметрами кола зворотного зв’язку. Якщо напруга стає меншою від цього рівня, глибина зв’язку зменшується, тому вихідна напруга стабілізується на заданому рівні і її форма стає синусоїдною. У простішому випадку в колі інерційного нелінійного зворотного зв’язку замість польового транзистора використовуються такі інерційні термозалежні елементи, як термістори або мініатюрні лампи розжарення, опір яких нелінійно збільшується разом з нагрівом їх вихідною напругою генератора. У наведеній схемі автоматичне регулювання глибини зворотного зв’язку здійснюється зміною опору польового транзистора VT1 випрямленою діодом VD1 вихідною напругою генератора. Ця напруга порівнюється з від’ємною постійною опорною напругою, яка знімається з потенціометра Rп і підсилюється в схемі додавання СД і через фільтр низьких частот RфCф подається на затвор VT1. Для забезпечення малих нелінійних спотворень вихідної напруги постійна часу фільтра повинна бути значно більшою від періоду найнижчої генерованої частоти. Амплітуда вихідної напруги встановлюється потенціометром Rп. Для ефективного регулювання вибирається польовий транзистор VT1 (2П303А) з p?n переходом і каналом n?типу з малою напругою порогу Uп (Uп має від’ємне значення)=-0,5÷3 В і малим початковим струмом IC0=0,5÷2 мА. Якщо у довіднику приводяться максимальні і мінімальні значення цих параметрів, то для розрахунків приймаємо . . Опір між витоком і стоком транзистора визначається виразом . Мінімальне значення цього опору дорівнює опору відкритого транзистора RT0, яке визначається при нульовій напрузі на заслон UЗ = 0. . Вибираємо значення R6 в межах 20...50 кОм. =20 кОм Для забезпечення виникнення самозбудження вибираємо . Оскільки RT0 мале, то приймем, що =50 кОм. За номіналом R6 = 51 кОм У цьому випадку при включенні генератора транзистор відкритий, Ku0min > 9/?, генератор збуджується і напруга на заслоні починає закривати транзистор збільшуючи його опір до значення . При цьому напруга на виході генератора стабілізується, її форма стає синусоїдною і напруга на затворі транзистора дорівнює . Спрощена принципова схема RC-генератора Віна приведена на рис. 8 Для обмеження струму через затвор транзистора при включенні генератора вибираємо величину R12 рівною (200...300) кОм = 200 кОм. Розрахунок схеми регулювання вихідної напруги Величину опору навантаження випрямляча вибираємо з умови = 3 кОм Для випрямлення вихідної напруги використаємо низюкочастотний кремнієвий діод, у якого допустима обернена напруга Uоб > Еж і середній допустимий прямий струм Ідоп > Еж/R8 = А. Як правило, напруга живлення операційних підсилювачів Еж не перевищує ±15 В, а максимальна амплітуда вихідної напруги ±(10...12) В. З урахуванням дії схеми стабілізації вихідної напруги генератора напругу на виході DA1 вибираємо рівною Uвихм1 = 5...7 В = 7 В. Для однопівперіодного випрямляча середнє значення випрямленої напруги дорівнює . Схему додавання випрямленої і опорної напруги використаємо однакові резистори R9=R11.
Для забезпечення стабілізації вихідної напруги операційного підсилювача DA1 визначаємо величину опорної напруги, для чого використаємо подільник напруги R13R14. Вихідна напруга подільника і середнє значення випрямленої напруги порівнюються між собою за допомогою резисторів R9 і R11 і через операційний підсилювач DA2 підсилена різниця цих напруг подається на затвор транзистора. Як правило, операційний підсилювач DA2 вибирають такого типу, як і DA1. Приймемо, що R14 дорівнює декільком одиницям кОм (= 1 кОм) і значення R9 = R11 = (3 ... 5)R8 = 9,1 кОм. Тоді напруга на резисторі R14 повинна дорівнювати . Величина резистора
де Для того, щоб здійснити ефективне регулювання вихідної напруги і система автоматичного регулювання вихідної напруги не вносила нелінійних спотворень, вибираємо R10 = (15…30) R9 = 135=150 кОм; . Додаткове зменшення нелінійних спотворень досягається використанням коректуючої ланки С3=22 нФ R7=470 кОм. Розрахунок температурної нестабільності частоти генератора Температурна нестабільність частоти генератора в основному визначається відносною нестабільністю резисторів і конденсаторів моста Віна. Тому для побудови високостабільного генератора слід вибирати елементи моста з мінімальним значенням температурних коефіцієнтів опору ?R і ємності ?C. ?R = 0,01*10-2 = 1*10-4 1/?С 1пдд ?C =75*10-6 1/?С 2пдд ?C = (5*10-2)/160 = 3,1*10-4 1/?С Абсолютне значення нестабільності частоти
Абсолютне значення нестабільності частоти слід визначити на максимальній частоті кожного піддіапазону, оскільки типи конденсаторів для кожного піддіапазону можуть бути різними з різними значеннями температурних коефіцієнтів ємності. Відносне значення нестабільності частоти
Відносне значення нестабільності частоти також визначається для максимальній кожного піддіапазону. Ескізний розражунок підсилювача потужності За технічним завданням вихідна потужність генератора і амплітуда вихідної напруги генератора повинні бути більшими від потужності і амплітуди вихідної напруги, яку може забезпечити операційний підсилювач DA1. Тому у генераторі необхідно використати вихідний додатковий підсилювач потужності. У цьому підсилювачі можна використати операційний підсилювач. Схеми таких підсилювачів приведені на рис. 9. На рис. 9а показано схему неінвертуючого підсилювача, який складається з операційного підсилювача DA1 і комплементарної пари транзисторів VT1 і VT2, охоплених від’ємним зворотним зв’язком через резистори R1 і R3. Діоди DD1 і DD2 служать для усунення спотворень типу “сходинка”. Регулювання рівня вихідної напруги здійснюється потенціометром R2. Схема на рис. 9б відрізняється від попередньої наявністю спарених транзисторів VT1VT3 і VT2VT4. Таке включення дозволяє отримати більшу потужність на його виході. Операційний підсилювач вибираємо такого типу, як і у попередніх випадках. Визначаємо амплітудне значення струму в навантаженні, яке повинен забезпечити комплементарний повторювач
Необхідне підсилення за струмом вихідного каскаду . Для схеми рис. 9а необхідно виконати умову , для схеми рис. 9б - . Вибираємо комплементарну пару вихідних транзисторів, у яких допустимий середній струм колектора Ікдоп > Ін.т і ? > ?Н. Якщо останню умову не можна виконати, то необхідно застосувати схему рис. 9б і додатково вибрати малопотужну комплементарну пару транзисторів, які включаються перед вихідними. Цією комплементарною парою будуть транзистори КТ818 і КТ819 з такими параметрами: при , при
з охолоджувачем. Напругу живлення підсилювача потужності вибираємо стандартну для операційних підсилювачів Еп = ± 15 В. Визначаємо величини резисторів зміщення . Коефіцієнт підсилення підсилювача потужності . Вибираємо значення R1 в межах декількох кОм (=3 кОм) і визначаємо . Оскільки вхідний опір неінвертуючого входу DA1 дуже великий, то ним нехтуємо і для регулювання вихідної напруги генератора вибираємо потенціометр R2 величиною перших десятків кОм (=20 кОм). Величина конденсатора С1 вибирається з умови .тобто вибираємо С1 = 270 нФ
а) Рис. 9. Спрощена принципова схема підсилювача потужності на операційному підсилювачі
Моделювання характеристик генератора
МОП України Курсовий проект
Генератор гармонічних коливань
Принципова електрична схема стабілізованого джерела живлення Літера Маса Масштаі
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата
Проект. Риджак Г.І.
Керівник Мищишин М.В.
Аркуш 1 Аркушів
НУ«ЛП», ІКТА, гр. КС - 33
Література Воейков Д.Д. Конструирование низкочастотных генераторов. - М.: Энергия, 1964. Бондаренко В.Г. RC-генераторы синусоидальных колебаний на транзисторах. - М.: Связь, 1976. Герасимов С.М. Расчет полупроводниковых усилителей и генераторов. - Киев: Вища школа, 1961. Вавилов А.А., Солодовников А.И., Шнайдер В.В. Низкочастотные измерительные генераторы. - Л.: Энергоатомиздат, 1985. Акулов И.И., Теория и расчет основных радиотехнических схем на транзисторах. - М.: Радио, 1963. Гершунский Б.С. Справочник по расчету электронных схем. - Киев: Вища школа, 1983. Розевинг В.Д. Система проектирования печатных плат ACCEL EDA 15 (P?CAD 2000). ? М.: «Солон?Р», 2001. Розевинг В.Д. Система схемотехнического моделирования Micro?Cap V. ? М.: «Солон?Р», 2001. Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM PC. Лабораторнный практикум на базе Electronics Workbench и MATLAB. ? М.: «Солон?Р», 2004. Методичні розробки Методичні вказівки до курсового проекту з навчальної дисципліни “Електроніка та схемотехніка” для студентів базового напряму “Інформаційна безпека” / Укл. О.С. Вітер.?.Львів. Вид. НУ “ЛП”, 2005. Методичні вказівки до розрахункової роботи з навчальної дисципліни “Електроніка та схемотехніка” для студентів базового напряму “Інформаційна безпека” / Укл. О.С. Вітер.?.Львів. Вид. НУ “ЛП”, 2005. (стор. 62 ? 67) Проектування підсилювачів низької частоти. ? Методичні вказівки до курсової роботи з дисципліни “Аналогові електронні пристрої” для студентів базового напрямку “Радіотехніка”./ Уклали: І.І. Блажкевич, В.І. Шклярський. ? Львів. Вид. НУ “ЛП”, 2005. Методичні матеріали можна одержати у викладача
