8 Делитель частоты

Исходные данные:

- входной сигнал – прямоугольные импульсы с частотой f_ГТИ = К_д∙ f_н = 512 кГц;

- выходной сигнал – прямоугольные импульсы с частотой f_н = 2 кГц.

Коэффициент деления делителя частоты должен быть равен:

Для реализации делителя частоты используем интегральную микросхему (ИМС) К561ИЕ10, представляющую собой двоичный счетчик [15]. Полученная схема делителя частоты представлена на рисунке 8.1.

Рисунок 8.1 – Принципиальная схема делителя частоты

В случае, если второй счётчик ИМС К561ИЕ10 не требуется, то рекомендуется убрать все соединения этого счётчика.

9. Активный фильтр

Введение в схему ГСС активного фильтра связано с необходимостью отфильтровывания основной гармоники прямоугольного сигнала f_н

Исходные данные:

- входной сигнал – прямоугольные импульсы с частотой f_н = 2 кГц;

- выходной сигнал – синусоидальный сигнал с частотой f_н = 2 кГц.

В качестве активного фильтра лучше всего применить полосовой биквадратный фильтр (ПФ) 2-го порядка [7] (см. рис.9.1).

Рисунок 9.1 – Принципиальная схема биквадратного ПФ второго порядка.

Резонансная частота фильтра в данном случае совпадает с частотой нагрузкиПФ: f_o = f_н =2 кГц.

Задаемся коэффициентом передачи фильтра на резонансной частоте К=1 и допустимой добротностью фильтра Q = 100. Тогда полоса пропускания ПФ:

Граничные частоты полосы пропускания:

Для реализации ПФ используем операционные усилители типа К140УД6 [5]:

ПФ второго порядка описывается передаточной функцией:

. (9.1)

Параметры биквадратного ПФ второго порядка [7]:

Определяем номинальное значение емкости:

Тип конденсатора: КЛГ - 5.1нФ 5%.

Определяем величины резисторов в схеме ПФ:

Тип резистора МЛТ - 0.125-1.6 МОм 5%.

Тип резистора МЛТ - 0.125-1.6 МОм 5%.

Тип резистора МЛТ - 0.125 - 16 к 5%).

Сопротивления R_f1, R_f, R_b и R_g является нагрузкой для ОУ и, следовательно, их значение не должно быть меньше R_выхОУ, которое для выбранного типа составляет 1 кОм, т.е. это условие удовлетворяется.

Для использования возможности подстройки центральной частоты данного ПФ с помощью R_f1 при сохранении постоянства ширины полосы пропускания применим показанную на рисунке 9.2 схему включения двух сопротивлений (постоянного и подстроечного резистора) вместо R_f1.

Рисунок 9.2 – Цепочка подстройки резонансной частоты ПФ

Значения сопротивлений R_f1' и R_f1” находятся из условия:R_f1' + R_f1” = R_f1.

Используем резисторы типов: R_f1' – МЛТ-0.125-15 кОм5%; R_f1” – СП3-6-0.25-2 кОм5%.

Графики АЧХ и ФЧХ полосового фильтра, построенные по выражению 9.1, представлены на рисунках 9.3 и 9.4.

Рисунок 9.3 – АЧХ полосового фильтра

Рисунок 9.4 – ФЧХ полосового фильтра

10. Генеравтор синусоиды на операционном усилителе

Исходные данные:

- выходной сигнал – синусоидальный сигнал с частотой f_н = 2 кГц.

Схема генератора синусоиды со стабилизацией амплитуды с помощью полевого транзистора и использованием в цепи положительной ОС моста Вина приведена на рис. 10.1.

Стабилизация частоты выходного напряжения осуществляется с помощью кварцевого кристалла; стабилизация амплитуды осуществляется с помощью схемы автоматической регулировки усиления (АРУ). В целом схема генератора такого типа обеспечивает уровень искажений синусоидального напряжения не хуже 0.2%.

Расчёт генератора ведётся в следующей последовательности.

Рисунок 10.1 – Принципиальная схема генератора синусоиды

1. Выбор полевого транзистора

Обозначим через R_к сопротивление канала полевого транзистора. Тогда типичная зависимость R_к от напряжения на затворе для ПТ, изготовленного методом двойной диффузии [22], будет следующая:

.

ПТ работает в режиме малого сигнала (U_си около 1.5 В) и представляет собой переменный резистор. U_{зи_с} следует выбирать в середине активной области. Например, для ПТ с n-каналом и управляющим p-n-переходом U_{зи_с} необходимо выбирать между U_зи=0 и U_{зи max}.

2. Выбор ОУ

Следует выбирать ОУ, который имеет линейную характеристику в заданном диапазоне изменения выходного напряжения, а также он должен обеспечивать требуемый ток в нагрузке.

Наиболее подходящим следует считать ОУ с полевым транзистором на входе, для которого диапазон возможных величин сопротивлений в цепи ОС ограничивается десятками МОм.

3. Выбор диода VD1

Диод выбирают из условий:

U_обр=U_вых=U_{вых ОУ max}/2 < U_{обр max}; I_пр=I_ст < I_{пр ср max}.

После выбора диода рассчитывается его сопротивление при прямом включении:

4. Выбор стабилитрона VD2

Стабилитрон выбирают из условия: U_ст  U_вых-U_прVD1-U_{зи_c}.

5. Расчёт резисторов и емкостей

Сопротивление канала ПТ при U_зи=0 равно:

.

Для стационарного (установившегося) режима работы генератора сопротивление канала ПТ равно:

.

Сопротивления R1 и R2 равны:

Сопротивление резистора R3 рекомендуется принять равным (50100) кОм и с учётом этого рассчитать ёмкость С1 по формуле:

6. Расчёт моста Вина

Принципиальная схема моста Вина с кварцевым резонатором представлена на рисунке 10.2.

Для того, чтобы выполнить условие согласования резонансной частоты кристалла и частоты моста Вина, величину резистора R подбирают равной резонансному сопротивлению кристалла, а значение ёмкости конденсаторов С определяют из выражения RC=1/(2f_вых).

Рисунок 10.2 – Принципиальная схема моста Вина

Цепь АРУ, подключенная к инвертирующему входу ОУ, компенсирует изменения резонансного сопротивления кристалла с температурой, поддерживая тем самым амплитуду и частоту выходных сигналов постоянной.

Однако при больших изменениях температуры для лучшей стабилизации параметров выходного напряжения генератора в цепь положительной ОС последовательно с кварцевым кристаллом следует включить добавочный резистор небольшого номинала. В этом случае величина R должна быть равна сумме значений добавочного резистора и резонансного сопротивления кристалла.

Расчёт ведётся в следующей последовательности.

Сначала определяют: RC=1/(2f_н). После этого выбирают кварцевый резонатор [см. приложение B] на заданную частоту. Затем подбирают такое сопротивление R_д, чтобы привести суммарное значение R=R_кр+R_д к ближайшему по ГОСТ. После этого рассчитывают ёмкость С:

, где ω_н=2f_н.

Пример расчета генератора синусоиды.

Выбор полевого транзистора.

Выбираем полевой транзистор КП303Д и по ВАХ (см. рис. 1.16) определим параметры стационарного режима: U_{зи_ c}=0.5 В, I_{c_с}=3.5 мА.

При U_зи=0: U_{си нас}=2.7 В; I_с=5.4 мА.

Рисунок 10.3 – ВАХ транзистора КП303Д

Выбор ОУ.

Выберем ОУ типа К140УД8 с полевым транзистором на входе, имеющий следующие параметры:

U_п=±15В; I_п5мА; V=2 В/мкс; U_{вых max}=±10 В; R_н=2 кОм.

Выбор диода VD1.

Условия для выбора диода:

U_обр=U_{вых max}/2=10/2=5 B < U_{обр max}; I_пр=I_ст=3 мА < I_{пр ср max.}

выберем VD1 типа КД512А с параметрами:

I_{пр ср max}=20 мА;U_{обр max}=20 В; U_пр=1 В (при I_пр=1 мА);

.

Выбор стабилитрона VD2.

U_ст  U_вых-U_{пр VD1}-U_{зи с}=5-0.76-0.5=3.74 B.

Выберем стабилитрон КС119А с параметрами:

U_ст=1.9 В; I_{ст min}=1 мА; I_{ст max}=100 мА; R_{cт диф}=15 Ом.

Расчёт резисторов.

.

Принимаем: R3=75 кОм, тогда

После расчета сопротивлений и емкостей выбираем типы резисторов и конденсаторов, входящих в схему.

Расчёт моста Вина.

RC=1/(2f_н)=1/2∙·2000=7.96·10^-5.

Из приложения Б выберем кварцевый резонатор РГ-0.1 с R_кр=1700 Ом. Выберем сопротивление R_д=100 Ом , тогда суммарное значение R=R_кр+R_д=1800 Ом. Тогда:

.

Выбираем тип конденсаторов.