Оглавление

1.Введение 3

1.Обоснование выбора и описание работы схемы 4

1.1Анализ задания и разработка структурной схемы. 4

1.2Анализ возможных схемных решений 4

1.3 Описание работы выбранной схемы и назначение элементов. 21

2.Расчет и выборы элементов 23

2.1 Расчет моста Вина на заданные частоты. 23

2.2 Расчет усилителя мощности. 26

2.3 Расчет вторичного источника питания 27

3.Моделирование. 29

4.Заключение. 33

5.Литература. 34

1. Введение

Неотъемлемой частью почти любого электронного устройства являются генераторы. Они используются в БРЭА в качестве модулированного сигнала, также как самостоятельная аппаратура для лабораторных исследований, для построение АЧХ. Генератором синусоидальных колебаний называется устройство, с помощью которого энергия источника постоянного тока преобразуется в энергию переменного тока, изменяющегося во времени по гармоническому закону. В зависимости от области применения такого генератора, к нему могут быть предъявлены различные требования, скажем, стабильность заданной частоты, амплитуды, точность. Различают генераторы прямоугольных, пилообразных, синусоидальных колебаний.

Генератор обычно содержит усилительный элемент и цепь частотно-зависимой положительной обратной связи. Усилитель может быть реализован на дискретных транзисторах или на базе интегральной микросхемы - операционного усилителя. В настоящее время в качестве усилительного элемента наиболее широкое применение нашли интегральные операционные усилители (ОУ). Использование ОУ позволяет построить стабильные генераторы с хорошим воспроизведением формы выходного сигнала.

1. Обоснование выбора и описание работы схемы

   1. Анализ задания и разработка структурной схемы.

Согласно поставленной задаче принципиальная схема должна работать от сети переменного напряжения 220В и частотой 50 Гц. Электронные компоненты использующие такие параметры отсутствуют, поэтому необходим источник питания –ИП. Для постоянной генерации синусоидального сигнала нужна автоколебательная система с возможностью регулировки частоты генерации. Поскольку переключение частоты идет ступенчато, то система должна содержать механический или электронный переключатель. Для согласование нагрузки по току, и получения заданных пределов амплитуды необходим блок усиления мощности получаемого сигнала.

1. Анализ возможных схемных решений

LC-генераторы

Особенностью данных видов схем является наличие колебательного контура состоящего из индуктивностей и емкостей.

Устройство состоит из мультвибратора на логических элементах D1.1, D1.2 и колебательного контура на катушке индуктивности L3 и конденсатора переменной емкости С3, определяющего частоту колебаний.

Генератор стабильно работает в диапазоне частот от 5.5 МГц до 10 МГц. Амплитуда на выходе достигает нескольких вольт (от 2.4).

Устройство состоит из генератора на логическом элементе D1 и эммитерного повторителя на транзисторе VT1. Эммитерный повторитель предназначен для устранения влияния нагрузки на работу генератора. Катушка индуктивности состоит из 35 -40 витков провода ПЭЛ-0,2 , намотанных на ферритовом сердечнике диаметром 6 мм.

LC генератор управляемый логическими уровнями.

Устройство состоит из генератора на логическом элементе D1 и эммитерного повторителя на транзисторе VT1.Частота задается параметрами колебательного контура. Регулировка частоты осуществляется изменением емкости С2. Конденсатор С3 не пропускает постоянную составляющую. Колебания прекращаются при подаче на вход Логического уровня 0. Таким образом, схема позволяет генерировать пучки синусоиды заданной продолжительности.

Преимущества:

Использование генератора на высоких частотах.

Простота реализации.

Недостатки:

Необходимость намотки катушки для колебательного контура

Генерируемая частота зависит не только от параметров колебательного контура, но и от параметров усилителя. На стабильность частоты сильное влияние оказывает напряжение источника питания, от него требуется высокая стабильность. Влияние температуры.

Цифровые генераторы

Преимущества

Широкий диапозон регулирования частоты

Высокая стабильность

Универсальность

Недостатки:

Большое количество элементов

Трудность проектирования

В цифровом генераторе (рис. 2.39) нормирующие резисторы R4...R12 предназначены для формирования первой четверти периода синусоидальной функции (при прямом счете реверсивного счетчика D2) в виде тока, поступающего на инвертирующий вход суммирующего усилителя на операционном усилителе D7. RS-триггер, выполненный на логических элементах D1.3 и D1.4, переключается при достижении на выходах дешифратора D3 состояний «О» или «9» и управляет прямым или обратным счетом реверсивного счетчика D2. Таким образом, за двадцать тактовых синхроимпульсов, поступающих на вход генератора, на выходе суммирующего усилителя на операционном усилителе D7 окажется сформированной положительная полуволна синусоидального напряжения .

Отрицательная полуволна будет сформирована в течение следующих двадцати тактов из положительной полуволны благодаря инвертированию. Это происходит в управляемом каскаде на операционном усилителе D8, который работает попеременно (через двадцать тактов) как повторитель с единичным коэффициентом передачи (если ключ на полевом транзисторе VT3 закрыт) и как инвертор с коэффициентом, равным единице (если ключ на полевом транзисторе VT3 открыт). Для управления ключом сигнал с выхода iîS-триггера подается через D-триггер D4 на стабилитрон VD1 и транзистор VT1 (сдвигающие уровень напряжения) и далее, через транзистор VT2, предотвращающий нечеткое срабатывание вблизи точки переключения, — на затвор полевого транзистора VT3.

Напряжение смещения, снимаемое с движка переменного резистора R18, подбирают таким образом, чтобы напряжение на выходе суммирующего усилителя на операционном усилит еле D7 было равно нулю при нулевом состоянии на всех четырех выводах счетчика D2.

Частота выходного сигнала синусоидальной формы в 40 раз меньше частоты повторения входных тактовых импульсов при использовании в качестве дешифратора D3 микросхемы типа К134ИД6 и в 64 раза при использовании микросхемы типа К155ИДЗ.

Амплитуда выходного напряжения составляет около 6 В.

Генератор со ступенчатой аппроксимацией сигнала

Генератор со ступенчатой аппроксимацией сигнала построен на эле­ментах дискретной техники. Входной импульсный сигнал с равномерной частотой следования поступает на счетчик DDI. Коэффициент пересчета счетчика определяется наличием уровня 1, поступающего на один из вхо­дов S1-S4. В начальный момент, когда реверсивный счетчик DD3 находит­ся в одном из состояний 0, 1, 2 или 3, сигнал 1 присутствует на входе S1 счетчика DDI. Коэффициент пересчета счетчика DDI минимален и равен двум. Импульсы с выхода А через элемент DD2.2 проходят на суммирую­щий вход +1 счетчика DD3. Этот счетчик начинает считать приходящие импульсы. Двоичное число с выхода счетчика приложено к входу дешиф­ратора DD4. Дешифратор преобразует с одного выхода на другой это дво­ичное число в последовательный переход высокого уровня. Когда выход­ной сигнал перейдет от выхода 3 к выходу 4, то импульс через инвертор DD5.1 поступит на вход S2 счетчика DDI. Этот счетчик теперь будет счи­тать до 4 до тех пор, пока на выходе А не появится очередной сигнал. Че­рез четыре входных импульса выходной сигнал еще раз пройдет в счетчик DD3 и сложится с предыдущим числом. На выходе DD3 появится сигнал в двоичном коде числа 5. После дешифрации частота деления счетчика DD1 вновь увеличивается в 2 раза и т. д. Этот процесс будет протекать до того момента, когда на выходе 17 дешифратора DD4 появится сигнал, который переключит триггер, собранный на элементах DD2.J и DD2.3. После этого изменится направление счета счетчика DD3. Начинается формирование спадающего участка выходного гармонического сигнала. Этот сигнал об­разуется после преобразования двоичного кода с выхода счетчика DD) цифро-аналоговым преобразователем, построенным на резисторах R1-R4 и ОУ DA1.

После того как выходной сигнал дешифратора вернется к выходу ^ он снова перебросит триггер на элементах DD2A и DD2.2 в исходное со­стояние и одновременно переключит триггер DD6. Этот триггер управляет работой ОУ DA2, который формирует положительную и отрицательную полуволны выходного сигнала.

Генератор со ступенчатой аппроксимацией сигнала позволяет полу­чить гармонический сигнал частотой от 0,1 до 10 Гц. Число градаций по овню равно шестнадцати. Коэффициент гармоник меньше 2 %, причем его можно значительно уменьшить, если параллельно резистору RIO под­ключить конденсатор. Емкость конденсатора будет зависеть от частоты гармонического сигнала и ее лучше определить экспериментально.

Цифро-аналоговый генератор инфранизкой частоты

Генератор работает по принципу аппроксимации ступенчатой сину­соиды. Число градаций по уровню равно двадцати восьми. Сигнал генера­тора тактовых импульсов, собранного на элементах DD 1.1 и DD 1.2, посту­пает на вход кольцевого регистра сдвига, выполненного на счетчиках DD2 и DD3. Работой счетчиков управляет RS-триггер, собранный на элементах DD1.3 и DD 1.4. .На выходе кольцевого регистра сдвига формируются сиг­налы равной длительности. Эти сигналы поступают на суммирующий уси­литель DA1 через резисторы R5-17, кОм: R5 = 447, R6 = R16 = 229, R7 = R15 = 158, R8 = R14 = 109, = Д13 = 109, RIO = R12 = 100, RH = 97,6.

Аналоговый сигнал с выхода ОУ DA1 подается на коммутатор на­пряжения DA2. Для формирования отрицательной и положительной полу­волн выходного синусоидального сигнала на коммутатор подается сигнал с выхода триггера DD4. Коммутатор служит инвертором полярности вы­ходного сигнала, поступающего на входы ОУ DA3. На выходе генератора включен фильтр НЧ, построенный на ОУ DA4. Выходное напряжение име­ет амплитуду 10 В и частоту 1 Гц. Коэффициент гармоник составляет ме­нее 0,7 %.

Дискретный генератор гармонического сигнала

В основу дискретного генератора гармонического сигнала положена ппроксимация ступенчатого синусоидального напряжения. Каждый период выходного гармонического колебания образуется в результате аппрок­симации 32 дискретных значений. В генераторе амплитуда выходного сигнала зависит от частоты. Максимальная частота генератора определяется скоростью. переключения дискретных элементов и не превышает нескольких десятков килогерц.

На вход генератора поступает импульсная последовательность от импульсного тактового генератора. Счетчик DD1 работает в режиме последовательного счета. К его выходу подключен дешифратор DD2. На выходе дешифратора периодически формируется сигнал 0 при совпадении номера выхода с соответствующим состоянием счетчика.

Простой RС-генератор, схема которого приведена на рис. 2.10, выполнен на микросхеме D1 и предназначен для генерирования си­нусоидальных сигналов с амплитудой от 0,7 до 2 В на нагрузке с сопротивлением 10 кОм. Коэффициент гармоник лежит в пределах от 0,3 до 1 % [7].

Самовозбуждение усилителя на микросхеме D1 обеспечивается включением между его входом и выходом (соответственно выводы 11 и 4 микросхемы) фазосдвигающей RC-цепи, образованной кон­денсаторами С1...СЗ, резисторами RL..R5, а также входным сопро­тивлением микросхемы D1. При указанных на рисунке значениях элементов частота генерации будет около 1 кГц. Ее можно изме­нять в широких пределах увеличением или уменьшением емкости конденсаторов С1...СЗ (при соблюдении условия С1=С2=С3). Со­противления резисторов R1 и R2 должны лежать при этом в пре­делах от 1,5 до 4,7 кОм.

Глубина обратной связи, а следовательно, амплитуда выходного сигнала и коэффициент гармоник, устанавливаются подстроечным резистором Для получения плавной зависимости, т. е. перехода от состояния насыщения усилителя к срыву колебаний при изме­нениях положения движка резистора R4 в широких пределах, сле­дует точнее подобрать резисторы R3 и R5. Чтобы получить наи­лучшие результаты, рекомендуется предварительно включить вместо делителя RЗ...R5 переменный резистор сопротивлением 10 кОм и найти положение его движка, при котором происходит срыв ко­лебаний. Затем, измерив сопротивления плеч резистора, восстано­вить соединения, включив резистор RЗ, сопротивление которого близко к сопротивлению верхнего плеча (от верхнего по схеме вы­вода резистора до движка), и резистор R5, сопротивление которо­го равно сопротивлению нижнего плеча. Теперь подстроечным ре­зистором R4 нетрудно установить требуемую глубину обратной связи.

Если к форме выходного сигнала не предъявляется жестких требований, то резисторы RЗ...R5 можно вообще исключить, при­соединив правый по схеме вывод конденсатора СЗ непосредствен­но к выводу 11 микросхемы. В этом случае амплитуда выходного сигнала будет примерно от 2 до 2,2 В, а коэффициент гармоник возрастает до 5...10%.

RC-генератор с двойным Т-мостом

В данной схеме используется в цепи ОС двойной несимметричный Т-образный мост. При выполнении условий:

С1=С2=С С3=С/а; R1=R2=RR3=aR0.207<a<0.5K>11

Самовозбуждение происходит на частоте:

RC-генератор с мостом Вина

При выполнении условия β0С • К = 1 в уст­ройстве возникают автоколебания, частота которых определяется формулой

При условии что R1=R2 С1=С2.

Для получения гармонических колебаний с малыми искажениями исполь­зуют инерционно-нелинейную цепь отрицательной обратной связи (ООС) и операционный усилитель (ОУ). Нужный характер нелинейности обеспечивает­ся тогда, когда с ростом амплитуды сигнала увеличивается коэффициент пере­дачи цепи ООС и снижается петлевое усиление β0СК до единицы. Наиболее простым решением являются два диода, включённые по встречно-параллельной схеме в цепь ООС (последовательно с Rос).

Если требуется обеспечить высокую стабильность амплитуды и хоро­шую форму автоколебаний в ЯС-генераторе, то цепь регулировки глубины ООС выполняют на основе сравнения амплитуды генерируемого напряжения с опорным постоянным напряжением. Обычно вначале выпрямляют переменное напряжение с выхода с интегратора, затем из него вычитают опорное напряже­ние, разность усиливают и используют для управления одним из сопротивле­ний, входящих в ветвь ООС генератора. В качестве управляемых сопротивле­ний при этом могут использоваться полевые транзисторы, фото- и терморези­сторы и другие элементы. Пример такого решения рассмотрен далее.

RС-автогенераторы предназначены для работы на инфранизких (от долей герц) и звуковых частотах и в этом диапазоне имеют преимущества перед LC-автогенераторами из-за высокой стабильности частоты генерируемых сиг­налов, что связано с возможностью применения высокостабильных резисторов и конденсаторов. По сравнению с LС-генераторами #С-генераторы той же вы­ходной мощности имеют меньшие габариты и массу.

Основной проблемой во всех трёх рассмотренных разновидностях RС-цепей и генераторов на их основе является реализация перестройки частоты в широком диапазоне, т.к. обычно это требует одновременного изменения па­раметров двух или трех элементов. Интересные решения возможны при управ­лении частотой генератора путём изменения напряжения на одном из элемен­тов схемы или с использованием управляемого конденсатора-варикапа.

Для стабилизации частоты генераторов необходимо:

обеспечить высокую стабильность элементов времязадающей цепи, в частности, выбирать конденсаторы с малым значением ТКЕ;

стабилизировать рабочую точку усилительного элемента введением ООС и терморезисторов в цепи задания режима.

Наиболее кардинальным решением для обеспечения относительной не­стабильности частоты порядка 10" является применение кварцевых резонато­ров. Однако номенклатура низкочастотных резонаторов достаточно ограниче­на; в этом случае часто проектируют генератор на частоту выше 1 МГц с при­менением последующего деления (что одновременно позволяет решить про­блему точной перестройки частоты без применения переменных элементов времязадающей цепи).

Вывод:

Схемы LC-генераторов не подходят, т. к. они работают на высоких частотах и требуют намотки катушек индуктивностей.

В цифровых схемах используется аппроксимация сигнала, что повышает коэффициент гармоник, для снижения которого потребуется увеличение числа элементов.

Для проектирования выберем схему с мостом Вина, т. к. она проста в реализация, требует меньшее число элементов, удовлетворяет поставленным условиям, обладает не высокой себестоимостью.