Министерство образования Российской Федерации

Южно-уральскии Государственный Университет

Кафедра Автоматики и Управления

Пояснительная записка к курсовому проекту по курсу

“Электроника в приборостроении”

по теме “Генератор синусоидального напряжения”

Нормоконтролер: Руководитель:

Константинов В.И. Константинов В.И.

« » 2002 г. « » 2002 г.

Автор проекта:

студент группы ПС-328

Горшенева А.П.

Проект защищен

с оценкой

«_____»__________2002 г

Челябинск

2002 г.

Аннотация

Горшенева А.П. Генератор синусоидального напряжения: Пояснительная записка к курсовой работе по курсу «Электроника в приборостроении»

-Челябинск: ЮурГУ,2002.-

В курсовом проекте рассматривается построение электронного устройства.

Помимо расчетов принципиальной схемы в данной работе также представлены принципиальная схема и корпус устройства.

Проект реализован в программной среде Word 97, моделирование схемы произведено в среде Electronics Workbench

Ил. , список лит.- назв.

Содержание

1. Введение

2. Обоснование и выбор функциональной схемы устройства

3. Выбор и расчет принципиальных схем узлов устройства

4. Моделирование на ЭВМ работы функциональных узлов устройства

5. Заключение и выводы по соответствию характеристик и параметров устройства требованиям технического задания

6. Список используемой литературы

Введение.

Генераторы гармонических колебаний представляют собой устройства, предназначенные для преобразования энергии источников питания постоянного тока в энергию гармонического выходного сигнала напряжения (тока) требуемой амплитуды и частоты.

Так как генератор сам является источником сигнала, он не имеет входа. Генераторы строятся на основе усилителей с цепями положительной обратной связи, которые работают в режиме самовозбуждения на фиксированной частоте. В качестве цепей обратной связи могут использоваться резонансные L-C или R-Cсхемы чему соответствует два типа генераторов.

L-C генераторы обычно используются для формирования радиочастотных сигналов, т.к весогабаритные характеристики элементов колебательных контуров в звуковом диапазоне частот становятся неприемлемыми. В звуковом диапазоне генераторы строятся на базе использования резонансных R-C схем, и в качестве усилителей обычно применяются ОУ

Обоснование и выбор функциональной схемы устройства.

Генератор синусоидального напряжения состоит из задающего генератора и усилителя мощности.

ПОС.

КЧЗЦ

У

РУ

ПУ

УМ

Uвых

СА

ООС

Rн

Рис3.5. Функциональная схема генератора синусоидального напряжения (ГСН)

1. коммутируемая частотозадающая цепь (К.Ч.З.Ц.);

2. усилитель (У.);

3. цепь положительной обратной связи (П.О.С.);

4. стабилизатор амплитуды (С.А.);

5. регулятор уровня выходного напряжения (Р.У.);

6. предварительный усилитель (П.У.);

7. усилитель мощности (У.М.);

8. цепь отрицательной обратной связи (О.О.С.);

9. источник питания (И.П.).

От задающего генератора подается напряжение синусоидальной формы, стабильной амплитуды и частоты на вход усилителя. Обычно во время работы ГСН амплитуда выходного напряжения задающего генератора не меняется и для установки нужной величины напряжения на нагрузке в схему включен регулятор амплитуды. Перестройка частоты задающего генератора производится в пределах какого-либо диапазона плавно, а смена диапазонов производится дискретно.

Обычно плавная перестройка частоты производится в пределах декады, то есть

где Кп-коэффициент перестройки, -максимальная частота в диапазоне, -минимальная частота в диапазоне.

Учитывая разброс параметров частотазадающих цепей, для гарантированного получения любой частоты, из предусмотренных техническим заданием, вводят коэффициент запаса, тогда

Величина выходного напряжения задающего генератора в техническом задании не оговаривается и может выбираться любой в разумных пределах. Без затруднений можно получить амплитудное значение этого напряжения в пределах 3…10 В.

Тогда при указанной на рис.3.5 структуре усилителя мощности глубина обратной связи велика, а значит, он имеет хорошие качественные показатели во всем частотном диапазоне (малые нелинейные искажения, стабильный коэффициент усиления, низкое выходное сопротивление и т.д.).

Выбор и расчет принципиальных схем узлов устройства

Расчет задающего генератора.

По стабильности частоты и ширине частотного диапазона генерируемого сигнала на практике наиболее подходящим является генератор с мостом Вина

Получили 4 декады с учетом коэффициента запаса:

1. 20Гц-200Гц

2. 200Гц-2000ГЦ

3. 2000Гц-20000Гц

4. 20000Гц-200000Гц

С учетом коэффициента запаса:

1) 18Гц-220Гц

2) 180Гц-2200Гц

3) 1800Гц-22000Гц

1. 18000Гц-220000Гц

При использовании моста Вина в качестве частотно-задающей цепи генератора для выполнения условий самовозбуждения необходимо:1 чтобы мост Вина включался в цепь положительной обратной связи.

2 чтобы коэффициент передачи усилителя на частоте резонанса моста Вина был не <3

Для управления частотой выходного напряжения в качестве резисторов могут использоваться сдвоенные потенциометры. Учитывая, что динамический диапазон регулировки редко >20 дБ для его расширения помимо переменных резисторов могут использоваться наборы конденсаторов с декадно-переключаемым номиналом, т.о может быть осуществлено широкополосное регулирование.

Резонансная частота моста Вина

Зададимся С=1000пФ тогда R=1/(2*3.14*200000*0.1*1000*10^-12)=7957Ом

Тогда 0,1R=795.7Ом, 0,9R=7161.9Ом

В цепи отрицательной обратной связи могут использоваться полевые транзисторы, работающие на начальных участках выходных характеристик.

Выбираем полевой транзистор с n-каналом, так чтобы Rк.>1кОм при Uзи=-1В.

В качестве такого транзистора берем КП323А-2 (см.приложение), у которого Rк=5В/2,5mA=2кОм при Uзи=-1В

Кu=1/Кuоос=1/3. Следовательно, R2||Rк/(R2||Rк+R3)

Получаем R2=2кОм, R3=2кОм

Зададимся. С=10мкФ, тогда R*=1МОм R4=1000кОм/100=10кОм

Выбираем диод, работающий на Д101

В качестве ОУ берем 140УД23

Расчет регулятора уровня

Регулятор уровня выбираем исходя из следующих условий: регулятор является выходным сопротивлением ОУ, т.е должно быть больше либо равно 2кОм,с другой стороны сопротивление регулятора уровня должно быть на порядок меньше, чем входное сопротивление усилителя мощности, т.е меньше чем 50кОм.Т.к уровень регулировки сигнала составляет 50%,то номиналы сопротивлений будут одинаковы.

Uвых=Uвх*R2/(R1+R2)

Uвых/Uвх=1/2

R1=R2=2кОм

Расчет усилителя мощности

Усилитель мощности состоит из предварительного усилителя, оконечного каскада и цепи общей обратной связи.

Предварительный усилитель выполняем на операционном усилителе.

Коэффициент усиления усилителя мощности определяется как Ки=Uвых/Uвх=20/3=6, Uвх принимаем 3В.

Коэффициент усиления оконечного каскада определяем как Киок=Uвых/10=2, где 10 это выходное напряжение операционного усилителя.

Получаем коэффициент усиления ОУ без обратной связи Ки/Киок=6/2=3

Операционный усилитель выбираем по частотной характеристике при наличии обратной связи и скорости нарастания выходного напряжения во времени

Скорость нарастания выходного напряжения =2*3,14*200000*10=12,5В/мкс

Глубина обратной связи Ки=0,166

Коэффициент усиления усилителя мощности с отрицательной обратной связью

К= , где Кf=10%, коэффициент нелинейных искажений без обратной связи, -коэффициент нелинейных искажений с учетом отрицательной обратной связи. К=(10/0,2-1)/0,166=295,тогда коэффициент усиления операционного усилителя с учетом ООС Коу=295/2=147,5

Т.о на частоте 200000 коэффициент усиления ОУ Коу>43дБ

Частота среза f1>fm*Ки=1,2МГц

Данным требованиям отвечает 140УД23 с параметрами

Uп=15В, Rн=2кОм, Uвых.макс=10В, входной ток Iвх=0,2нА, частота единичного усиления f1=10МГц, Vuвых.макс=30В/мкс.

Зависимость коэффициента усиления от частоты приведена в приложении.

Для питания ОУ устанавливаем стабилизаторы на стабилитронах КС515 с

Uст=15В при токе стабилизации Iст=5мА, в этом случае падение напряжения на резисторах R будет определяться как UR=22-15=7В

IR=Iоу+Iст=10+5=15мА

R=7/15=466.6Ом

P=U*I=7*15*10^-3=0.105Вт

Расчет оконечного каскада

Выходной каскад может быть выполнен по трансформаторной и бестрансформаторной схеме. Критерием для принятия решения может служить соотношение между остаточным напряжением на транзисторе при максимальном токе нагрузки и амплитудой напряжения на нагрузке.