САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

БАЛАКОВСКИЙ ИНСТИТУТ ТЕХНИКИ, ТЕХНОЛОГИИ И УПРАВЛЕНИЯ

КАФЕДРА «УПРАВЛЕНИЕ И ИНФОРМАТИКА В ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по курсу

«Электроника»

ГЕНЕРАТОР СИНУСОИДАЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ

Выполнил: УИТ-3

Допущен к защите Защитил с оценкой

Руководитель проекта _____________________

Комлева О.А._______ Комлева О.А_______

«___» __________2010 г. «___» _________2010 г.

2010

Техническое задание

Разработать и рассчитать генератор синусоидальных колебаний со следующими параметрами:

Граничная частота F₀ = 20-50 Гц

Напряжение питания U_пит = не более ±18 В

Мощность Р_н = 0,1 Вт

Нагрузка R_н = 1000 Ом

Коэффициент гармоник К_г = 5%

Дополнительное условие ∆К_u = 15% , на основе ОУ

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение 4

1. Анализ существующих ГСК 7

2. Выбор структурной схемы 10

3. Синтез электрической схемы 11

3.1 Выбор усилителя генератора 11

3.2 Выбор схемы фильтра 11

3.3 Выбор схемы усилителя напряжения 12

4. Расчёт электрической схемы 13

4.1 Расчёт фильтра генератора 13

4.2 Расчёт усилителя генератора 16

4.3 Расчёт усилителя напряжения 19

5. Расчёт коэффициента полезного действия генератора 21

6. Анализ схемы (разработка математической модели) на ЭВМ 22

Заключение 23

Список использованной литературы 24

Приложение А 25

Приложение Б 26

Приложение В 27

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.

Сфера применения электроники постоянно расширяется. Практически каждая достаточно сложная техническая система оснащается электронными устройствами. Трудно назвать технологический процесс, управление которого осуществлялось бы без использования электроники. Функции электронных устройств становятся все более разнообразными.

Электроника имеет короткую, но богатую событиями историю, которая составляет чуть более 100 лет. За этот промежуток времени были достигнуты колоссальные успехи. Оценивая электронные устройства в плане быстродействия и плотности упаковки можно сделать вывод, что эти параметры возросли во много раз /1/. Если до появления полупроводниковых элементов использовались лампы, размеры которых были велики, то сейчас в таком же объеме как у лампы располагают миллионы транзисторов и других полупроводниковых элементов.

Роль электроники в настоящее время существенно возрастает в связи с применением микропроцессорной техники для обработки информационных сигналов и силовых полупроводниковых приборов для преобразования электрической энергии. Многие сферы нашей жизнедеятельности уже невозможно представить себе без электронных приборов.

Развитие электроники повлекло за собой бурное развитие и других точных наук. После изобретения электронных вычислительных устройств продвинулись в своих задачах такие науки как математика и физика. Они в свою очередь не оставались в долгу и тоже вносили свой вклад в развитие электроники. Таким образом, произошло бурное развитие микропроцессор-

ных систем в конце двадцатого века. Но это далеко не все положительные стороны развития электроники. Человечество достигло успехов и в других науках, таких как медицина, химия.

Одним из важнейших направлений электроники являются автогенераторы. Автогенераторы – это электронные устройства, в которых по какому-либо периодическому закону происходит изменение напряжений и токов соответствующей закону формы /1,2/. Эти цепи следует рассматривать как преобразователи энергии источника питания постоянного напряжения в энергию периодических колебаний.

Автогенераторы можно разделить на генераторы импульсов и генераторы синусоидальных колебаний. Генераторы импульсов в зависимости от формы выходного напряжения делят на генераторы: напряжений прямоугольной формы; напряжений экспоненциальной формы; линейно изменяющегося напряжения; напряжения треугольной формы; ступенчато изменяющегося напряжения/1,3/.

Одним из видов автогенераторов являются генераторы синусоидальных колебаний. На их выходе возникают гармонические колебания напряжения синусоидальной формы. Их отличие заключается в наличии у них цепи или компонента с резонансными свойствами. Благодаря ней условия возникновения автоколебаний выполняются для узкой полосы частот. Компоненты и цепи с резонансными свойствами могут быть установлены в цепях межкаскадной связи усилителя или в цепях, создающих положительную или отрицательную обратную связь.

Генераторы синусоидальных колебаний делятся на генераторы: с избирательными RC – цепочками, с избирательными LC – цепочками, с кварцевыми резонаторами/1,3,4/.

Генераторы с кварцевыми резонаторами обычно применяют на повышенных частотах, когда требуется получить колебания известной и стабильной частоты. Они значительно сложнее и дороже генераторов с RC и LC цепочками. Однако при создании прецизионных преобразовательных устройст-

ва без них обойтись невозможно.

Генераторы с LC – цепочками имеют большую стабильность частоты, из–за хороших избирательных свойств LC контура. В основном такие генераторы применяются для получения высокочастотных колебаний. Не возможность использовать эти цепи на низких частотах обуславливается необходимостью больших емкостей и индуктивностей. К их недостаткам относится трудность изготовления высокостабильных температурно-независимых индуктивностей, а также стоимость и громоздкость последних.

Генераторы с RC – цепочками применяются в основном для генерирования сигналов низких частот. Резонансные RC цепи делятся на фазосдвигающие и мост Вина. В генераторах с мостом Вина достигается меньший коэффициент нелинейных искажений. В общем случае, для генераторов с RC – резонансной цепью коэффициент нелинейных искажений лежит в пределах от долей до нескольких процентов. К их недостаткам можно отнести низкий коэффициент полезного действия, который не превышает 50%.

Напряжение синусоидальной формы используется во многих отраслях человеческой деятельности, а именно: в радиолокации и телевидении, в медицине, в радиосвязи и радиовещании, при различных измерениях, для автоматизации производственных процессов, для уничтожения вредителей /5/. В качестве примера можно привести напряжение, которое используется у нас в домах и квартирах.

Высокая интеграция электронных компонент на сегодняшний день позволяет получать генераторы синусоидальных колебаний малых габаритов и более высоким КПД.

1 Анализ существующих гск

Обобщенная макромодель генератора приведена на рисунке 1 и представляет собой усилительный каскад, охваченный цепью ПОС.

Рис. 1 Макромодель генератора

Для возникновения колебаний в данной системе необходимо выполнение условия баланса амплитуд и баланса фаз:

, (1)

, (2)

где и - фазовые сдвиги, вносимые усилителем и цепью ОС соответственно, n - целое число.

Для получения на выходе генератора синусоидального напряжения достаточно, чтобы данные условия выполнялись только на одной частоте.

Существует большое количество схемных реализаций генераторов, поэтому ограничимся рассмотрением генераторов на основе ОУ. На рисунке 2 приведены различные варианты схем генераторов гармонических колебаний на ОУ. В схеме LC-автогенератора (рисунок 2а) баланс фаз обеспечивается наличием ПОС, вводимой с помощью резисторов и , баланс амплитуд достигается выбором номиналов резисторов и по условию

. (3)

Здесь под К подразумевается масштабный коэффициент усиления, равный

, (4)

Рис. 2 Автогенераторы на основе ОУ

где - сопротивление контура на частоте резонанса.

Частота резонанса определяется элементами LC-контура и рассчитывается по известной формуле

. (5)

Можно избежать применения индуктивностей, используя селективные RC-цепи. Наибольшее применение получила так называемая фазирующая RC-цепь, включенная в схеме RC-генератора (рисунок 2б) между выходом и неинвертирующим входом ОУ. На частоте генерации фазовый сдвиг =0 и выполняется условие баланса фаз, для выполнения баланса амплитуд необходимо скомпенсировать затухание, вносимое фазирующей цепью на частоте генерации, т.е. выполнить условие

, (6)

где - затухание, вносимое фазирующей цепью.

Чтобы генерировать колебания сложной формы, следует выполнить нера-

венство как условие генерации многочастотных колебаний. Оно легко реализуется. В схеме RC-автогенератора с электронной перестройкой частоты (рисунок 2г) в качестве управляемых сопротивлений используется сдвоенный ПТ, у которого сопротивление канала является линейной функцией управляющего напряжения . Очевидно, что при изменении происходит электронная перестройка частоты. Если в качестве управляющего напряжения использовать низкочастотное колебание, то по закону изменения амплитуды этого колебания будет изменяться частота автогенератора, т.е. осуществляться частотная модуляция. Важным параметром автогенераторов является температурная нестабильность частоты, которая в обычных LC-генераторах достигает порядка ()% на , в RC-генераторах - примерно на порядок ниже.

Гораздо лучшие показатели стабильности частоты обеспечивают кварцевые автогенераторы (рисунок 2в). Здесь кварц используется в качестве эквивалентной индуктивности, образующей с емкостью С последовательный колебательный контур, имеющий на частоте резонанса минимальное сопротивление. Для стабилизации режима ОУ охвачен глубокой ООС по постоянному напряжению, которая, в целях выполнения условия баланса амплитуд, устраняется на частоте генерации конденсатором , емкость которого выбирается из условия

. (7)

В термостатированных кварцевых генераторах достигается нестабильность частоты порядка % на . Для стабилизации амплитуды генерируемых колебаний в цепях ООС генераторов используют нелинейные элементы, например, диоды (рисунок 2 д), либо АРУ, на ПТ (рисунок 2е).