Министерство общего и профессионального образования
Российской Федерации
УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ
ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра технической кибернетики
Генератор линейно изменяющегося напряжения
КУРСОВАЯ РАБОТА
по дисциплине ‘Электроника’
Выполнил:
студент группы Т28-219
Андреяшкин И. В.
Проверила:
Алексеева А.Н.
Уфа 2003
Оглавление.
Теоретическая часть. 4
Проработка научно-технической литературы и обоснование выбора. 12
Техническое задание. 15
Выбор принципиальной схемы генератора линейно-изменяющегося напряжения. 16
Расчет принципиальной схемы генератора линейно - изменяющегося напряжения. 17
Заключение. 25
Список литературы.. 26
Вводная часть.
Курсовая работа по дисциплине «Электроника и основы схемотехники». Содержит выбор, обоснование и расчет генератора линейно-изменяющегося напряжения. При проектировании было использовано восемь источников. Электрическая структурная и электрическая принципиальная схемы устройства прилагаются.
Теоретическая часть.
Генераторы импульсов
Генератор одиночных импульсов (ждущий мультивибратор). Ждущий мультивибратор называют также одновибратором. Одновибраторы предназначены для вырабатывания одиночных импульсов с заданной длительностью. При этом длительность запускающего импульса особой роли не играет, лишь бы она была не больше длительности вырабатываемого одновибратором импульса, т.е. tи зап<tи, где tи зап - длительность запускающего импульса; tи - длительность выходного импульса одновибратора.
Схема одновибратора приведена на рис. 1, а. Он выполнен на двух элементах логики типа 2И-НЕ путем введения положительной обратной связи (выход второго элемента соединен с входом первого).
рис 1
В исходном состоянии на выходе элемента Э2 имеется уровень “1”, а на выходе элемента Э1- “0”, так как на обоих его входах имеется “1”(запускающие импульсы представляют отрицательный перепад напряжения). При поступлении на вход запускающего отрицательного перепада напряжения на выходе первого элемента появится уровень “1”, т.е. положительный скачок, который через конденсатор С поступит на вход второго элемента. Элемент Э2 инвертирует этот сигнал и уровень “0” по цепи обратной связи подается на второй вход элемента Э1. На выходе элемента Э2 поддерживается уровень “0” до тех пор, пока не зарядится конденсатор С до уровня Uc пор = U1 - Uпор, а напряжение на резисторе R не достигнет порогового уровня Uпор (рис. 1, б).
Длительность выходного импульса одновибратора может быть определена с помощью выражения
,
где Rвых - выходное сопротивление первого элемента. Uпор - пороговое напряжение логического элемента.
Несимметричный мультивибратор.
На базе логических элементов можно построить различные генераторы импульсов. Наиболее широкое применение в цифровых устройствах нашли два типа - несимметричный и симметричный мультивибраторы. В несимметричном мультивибраторе (рис. 2, а) резистор R выводит в усилительный режим первый инвертор, а выходное напряжение этого инвертора должно удерживать в режиме усиления второй инвертор. Положительная обратная связь через конденсатор С вызовет мягкое (не нуждающееся в первоначальном толчке) самовозбуждение автоколебательного релаксационного процесса. Период Т импульсов, вырабатываемых мультивибратором, определяется в первом приближении постоянной времени t = RC (Т = а t, где а обычно имеет значение 1...2). Частоту следования импульсов можно оценить (с точностью до 10 %) из выражения f = 1/2RC.
рис 2
Симметричный мультивибратор.
Схема симметричного мультивибратора показана на рис.2, б. Симметричность выходных импульсов может быть достигнута при выполнении условий: R1 = R2; C1 = C2. Период следования импульсов Т определяется как сумма двух времен заряда конденсаторов, т.е.
Т = tзар1 + tзар2 ,
где tзар1 = t1 ln(U1/Uпор); tзар2 = t2 ln(U1/Uпор).
Значения t1 и t2 определяются с учетом выходных сопротивлений инверторов Rвых Э1, Rвых Э2
t1 = С1 (R2 + Rвых Э1)
t2 = С2 (R1 + Rвых Э2).
Частота следования выходных импульсов симметричного мультивибратора определяется из соотношения:
Генераторы линейно изменяющего напряжения (ГЛИН).
ГЛИН представляют собой электронные устройства, выходное напряжение которых в течение некоторого времени изменяется по линейному закону. Часто такое напряжение меняется периодически. В этом случае ГЛИН называется генератором пилообразного напряжения (ГПН) или генератором напряжения треугольной формы (рис. 3, а, б). Если напряжение меняется от минимального значения к максимальному (по абсолютной величине), то его называют линейно-нарастающим напряжением. Если меняется от максимального значения к минимальному - линейно-падающим.
ГЛИН нашли широкое применение в отклоняющих системах осциллографов, телевизоров, в радиолокации, в преобразователях “напряжение-временной интервал”, широтно-импульсных модуляторах и т.д.
рис 3
ГЛИН строятся на принципе заряда и разряда конденсатора. Схема простейшего ГПН, работающего по принципу заряда конденсатора, показана на рис. 3, в. Она состоит из времязадающего конденсатора С, резистора Rк и транзисторного ключа VT1. На вход транзисторного ключа подается последовательность прямоугольных импульсов с заданным интервалом между импульсами и длительностью (рис. 3, г). Когда на базе транзистора нулевое напряжение (промежуток времени между импульсами), транзистор закрыт и происходит заряд конденсатора через резистор Rк. Если постоянная времени цепи Rк C достаточно большая, т.е. существенно больше периода следования прямоугольных импульсов, напряжение на конденсаторе нарастает линейно. Заряд конденсатора продолжается до поступления импульса, открывающего транзистор VT. Когда транзистор открывается, начинается процесс разряда конденсатора. Интервал времени между отпирающими импульсами должен быть достаточным для полного разряда конденсатора С.
Напряжение на конденсаторе изменяется по закону:
,
где t = RC - постоянная времени цепи, состоящей из Rк и С; t - текущее значение времени, когда t=0, Uс = Еп(1- 1) = 0.
Известно, что функцию ех можно представить в виде степенного ряда
.
Для значений Х<<1 функцию можно определить первыми двумя членами ряда
ех = 1+Х,
тогда, используя это выражение для случая заряда конденсатора при t<<t, определяем напряжение на конденсаторе
Uc = Eп(1- ,
где t/t <<1.
Очевидно, что в случае использования этого процесса в ГПН, t = tи = tзар; t = Rк С, тогда
.
Линейно изменяющееся напряжение Uc (t) характеризуется рядом параметров:
- длительностью прямого хода tпр, т.е. временем, в течение которого конденсатор заряжается через сопротивление Rк до напряжения Uc;
- длительностью обратного хода to (время восстановления) - это время, в течение которого происходит разряд конденсатора;
- периодом повторения линейно изменяющегося напряжения (пи-лообразных импульсов) T = to + tпр;
- амплитудой пилообразных импульсов Um;
- коэффициентом нелинейности g.
Одним из самых важных параметров ГЛИН является коэффициент нелинейности. Для определения g воспользуемся известным утверждением, что линейная функция характеризуется постоянством производной во всех её точках, поэтому отклонение от линейного закона можно оценить коэффициентом нелинейности. Нелинейность определяется максимальным отклонением реальной формы сигнала от идеальной линейной формы. Коэффициент нелинейности находят как отношение изменений производных функции в начале и в конце процесса нарастания
.
Учитывая, что dUc/dt = ic/C, где ic - ток заряда конденсатора, можно получить удобное для расчетов выражение
,
где iн - ток заряда конденсатора в начале процесса (импульса); iк - ток заряда к моменту окончания импульса.
Если пренебречь обратным током транзистора и током утечки конденсатора iн можно определить как
iн = Еп / Rк.
В конце импульса напряжение, заряжающее конденсатор С, будет меньше напряжения источника питания на величину Um, следовательно, ток в конце будет определяться как
iк = (Еп - Um) / Rк.
Так как при tпр <<t Um = Uc = Eп tпр/ RC, окончательное выражение коэффициента нелинейности будет иметь вид
.
Простейший генератор линейного напряжения характеризуется также коэффициентом использования напряжения источника питания
x = Um / Eп.
Если подставить значение Um в выражение для коэффициента использования напряжения источника питания, получим
x = .
Из полученного выражения для коэффициента нелинейности следует, что чем лучше линейность пилообразного напряжения, тем меньше амплитуда напряжения ГЛИН. Например, если напряжение источника питания 10 В, для получения коэффициента нелинейности g = 1 % амплитуда напряжения импульсов ГПН не должна превышать 0,1 В.
Для повышения коэффициента использования напряжения питания при малых значениях коэффициента нелинейности применяются стабилизаторы постоянного тока (ГСТ). Действительно, из выражения для g видно, что при обеспечении постоянства тока заряда (для линейно падающего напряжения - тока разряда) iн = iк, следовательно ®g0.
Схема простого генератора пилообразного напряжения со стабилизатором тока в цепи разряда конденсатора показана на рис. 4, а. Заряд конденсатора осуществляется через транзистор VT1 и сопротивление Rк. За время заряда напряжение на конденсаторе достигает практически напряжения источника питания. Когда приходит на базу транзисторов нулевой уровень, первый транзистор закрывается, а транзистор VT2 переходит в режим генератора стабильного тока (ГСТ) и через него протекает стабильный постоянный ток разряда конденсатора (рис. 4, б).
При определении коэффициента нелинейности импульсов этого генератора пилообразного напряжения необходимо учитывать влияние сопротивления нагрузки Rн на процесс разряда конденсатора. Ток через сопротивление нагрузки обусловлен напряжением на конденсаторе и в конце разряда он равен нулю, так как к концу разряда Uc = 0. С учетом высказанных соображений можно получить выражение для коэффициента нелинейности ГПН с генератором стабильного тока.
.
Из полученного выражения следует, что для уменьшения g желательно использовать высокоомные нагрузки или же уменьшать амплитуду импульса сигнала.
Проработка научно-технической литературы и обоснование выбора.
Существующая литература по генераторам линейно-изменяющегося напряжения весьма многочисленна и может быть разделена на три группы. Во-первых, это учебно-справочная литература по импульсной технике, в которой описаны лишь основные классические схемы генераторов линейно-изменяющегося напряжения чаще всего ориентированные в основном на устаревшую элементную базу и характеризующуюся узкими функциональными возможностями. Во-вторых – это научно - техническая литература в которой в которой рассматриваются генераторы линейно-изменяющегося напряжения специального применения, например, в телевидении. К третьей группе можно отнести периодическую печать, опи
Одним из наиболее полезных источников при рассмотрении данной темы является справочник Б. С. Гершунский “Справочник по расчету электронных схем ”, в котором приведены сведения о расчете наиболее распространенных современных схем генераторов линейно-изменяющегося напряжения, а также изложены основные этапы проектирования электронных устройств.
В учебном пособии для вузов “Электроника ” есть широкий выбор схем, рассмотрены основы теории электронных схем, но этот источник характеризуется достаточно строгим изложением основных положений электроники.
Бондарь В А “Генераторы линейно-изменяющегося напряжения ”. В этой книге приводится классификация генераторов линейно изменяющегося напряжения . Рассмотрены генераторы с положительной, отрицательной и комбинированными обратными связями, а также схемы с независимой компенсацией нелинейности , выполненные на современной элементной базе. Излагается методика инженерного расчета, даются рекомендации по выбору типов используемых элементов.
В следующем источнике – Хоровиц П., Хилл У.”Искусство схемотехники ”приведены наиболее интересные технические решения, внимание читателя сосредотачивается на тонких аспектах проектирования и применения электронных схем. Он посвящен быстро развивающимся областям электроники и характеризуется многообразием электронных схем.
Справочник Четвертков, Дубровский, Иванов “Резисторы” 1991г содержит основные электрические и эксплуатационные характеристики резисторов. Даны рекомендации по выбору и применению резисторов в аппаратуре. Основное внимание уделено новым типам резисторов, представляющих широкие серии по диапазонам номинальных сопротивлений, мощностей и другим параметрам.
Справочное пособие А И Аксенов, А В Нефедов “Резисторы. Конденсаторы ”; 2000г представляет собой систематизированные в табличной форме информационно–справочные материалы по параметрам и характеристикам резисторов и конденсаторов от условного обозначения до иллюстраций корпуса прибора. Для удобства поиска конкретного типа изделия справочник содержит алфавитный указатель всех изделий с указанием страниц где размещена информация на указанное изделие.
В справочном пособии А И Аксенова, А В Нефедова “Отечественные полупроводниковые приборы ” 2000г данные систематизированы в табличной форме в алфавитно-цифровой последовательности по основным электрическим параметрам и конструкторскому исполнению на отечественные транзисторы. Характеризуется удобной формой поиска и восприятия информации.
При оформлении курсового проекта были использованы “Методические указания по оформлению курсовых и дипломных проектов для студентов специальностей 210300 – “Роботы и робототехнические системы”, 220200–“Автоматизированные системы обработки информации и управления”, 210100- “Управление и информатика в технических системах”/УГАТУ, Валеева Р. Г, Старцев Ю В, 1997.
Названы далеко не все источники литературы по генераторам линейно-изменяющегося напряжения. Но даже этот список дает возможность представить широкий спектр литературы по данному вопросу.
Техническое задание
Спроектировать генератор линейно – изменяющегося напряжения со следующими параметрами:
- время прямого хода tр
=30 мкс;
- время обратного хода tо
=20 мкс;
- амплитуда Umax = 9 В;
- коэффициент нелинейности e =0,4%
В результате расчетов определить параметры элементов схемы генератора.
Выбор принципиальной схемы генератора линейно-изменяющегося напряжения
Генератор пилообразного напряжения построим по схеме, приведенной на рисунке 1. Обозначения соответствуют схеме электрической принципиальной 5093.036000.000 Э3.
|
|
R1
|
|
|
|
Рисунок 1 – схема электрическая принципиальная генератора пилообразного напряжения
Данная схема отличается тем, что в ней коэффициент нелинейности будет минимальным, так как стабилитрон VD1 фиксирует напряжение база-эмиттер транзистора VT2. В связи с этим ток коллектор-эмиттер транзистора VT2 будет постоянным.
Полная принципиальная электрическая схема устройства приведена в документе 5093.036000.000 Э3.
Расчет принципиальной схемы генератора линейно - изменяющегося напряжения
В качестве разделительного конденсатора С1 возьмем алюминиевый оксидно-электролитический конденсатор К50-9-30В-10 мкФ.
В качестве элемента VT1 возьмем транзистор КТ3108Б p n p, ВЧ, со следующими параметрами:
b = 50 – 100;
Iк
max
= 200 мА;
Uкб
max
= 45 В;
Uкэ
max
= 45 В;
Uбэн
= 0,6 В;
I кбо
= 0,2 мкА.
Рассчитаем конденсатор С2 в генераторе пилообразного напряжения.
Ток разряда конденсатора С2 равен:
; (1)
Максимальный ток разряда конденсатора С2:
200 мА;
Емкость конденсатора С2:
; (2)
Ф.
В качестве С2 возьмем керамический монолитный конденсатор К10-47-50В-0,44 мкФ.
Ток заряда конденсатора С2 вычисляется по формуле:
; (3)
=0,13 А.
Для того чтобы конденсатор C2 успевал разрядиться за время обратного хода to
сопротивление транзистора VT1 должно быть равно:
; (4)
=15.15 Ом.
Конденсатор С2 успеет разрядиться, так как транзистор VT1 во время разряда С2 находится в насыщенном состоянии, в котором сопротивление транзистора равно единицам ОМ.
Расчет резистора R1 осуществляется следующим образом:
; (5)
Ток IR
1
протекающий через резистор R1:
; (6)
8 мА.
Из формулы (5) находим значение резистора R1:
кОм.
Из ряда номиналов Е 24 выбираем значение R1=2 кОм.
Мощность, рассеиваемая на резисторе R1:
; (7)
=0,128 Вт.
В качестве элемента R5 возьмем резистор МЛТ-0,25-2к±0,5.
В качестве VT2 выбираем транзистор КТ315А npn , ВЧ со следующими параметрами:
b = 50-350;
I к
max
= 100 мА;
U кэ
max
= 25 В;
U кэн
= 0,4 В;
U бэн
= 1,1 В.
Для поддержания транзистора VT2 в открытом состоянии необходимо чтобы напряжение Uкэ
было больше Uкэн
. Амплитуда напряжения на конденсаторе С2 UС4
= 10 В. Возьмем напряжение Uкэ
= 2 В, тогда напряжение на резисторе R3 равно:
UR
3
=Е к
– ( Uкэ
+UС2
); (8)
UR
3
=16- (2 + 10) = 4 В.
Произведем расчет резистора R3:
; (9)
Oм.
Из ряда номиналов Е24 выбираем резистор R3= 170 Ом .
Мощность, рассеиваемая на резисторе R3:
; (10)
Вт.
В качестве элемента R3 выбираем резистор МЛТ-0,125-170±0,5% .
Транзистор VT2 будет открыт, если U БЭ
³ U БЭН
в схеме U БЭ
VT
2
= 1,5 В.
Напряжение стабилизации стабилитрона V1 находим из условия:
U ст
= U R
3
+ U БЭ
VT
2
; (11)
U ст
= 4+1,5=5,5 В.
Выберем стабилитрон 2С210А со следующими параметрами:
U ст
= 9 – 10,5;
I ст
min
=3 мА;
I ст
max
=15 мА;
r д
= 15 Ом;
I ст
= 5 мА.
Расчет резистора R2 осуществляется следующим образом:
; (12)
Напряжение UR
2
определяется как разность напряжения питания ЕК
и напряжения стабилизации UСТ:
UR2
= ЕК
- UСТ
; (13)
UR2
=16-5,5= 10,5 В.
Из формулы (12) найдем значение R2:
= 2100 Ом.
Из ряда номиналов Е24 резистор R2=2200 Ом.
Мощность, рассеиваемая на R2:
; (14)
=0,05 Вт.
Выбираем резистор МЛТ-0,125-680- 0,5% .
Расчет коэффициента нелинейности генератора пилообразного напряжения осуществляется из следующего условия:
e *100%; (15)
Для расчета Rвыхэ
построим схему замещения транзистора VT2.
Рисунок 2 – схема замещения транзистора.
Расчет схемы замещения транзистора произведем по h-параметрам.
h11б
= 40 Ом;
h22б
= 0,3 мкСм;
h12б
= 45.
Дифференциальное сопротивление коллекторного перехода:
; (16)
Ом.
Сопротивление коллекторного перехода:
; (17)
=65359 Ом.
Дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода:
;
где - тепловой потенциал; (18)
=2,7 Ом.
Сопротивление базы транзистора:
; (19)
Ом.
RВЫХЭ
= (R3+)½½(r б
+(r д
½½R2))½½r*
к
; (20)
RВЫХЭ
= 4930,1 Ом.
Из формулы (15) рассчитаем коэффициент нелинейности генератора пилообразного напряжения:
e %.
Полученный коэффициент нелинейности генератора намного меньше данного e = 0,4 % .
Заключение
Спроектированное и рассчитанное выше устройство имеет низкий коэффициент нелинейности x=0,024%, что позволяет получить на выходе пилообразные импульсы с малой степенью искажений.
Из полученных расчетов следует, что данный генератор линейно – изменяющегося напряжения с динамической обратной связью обеспечивает низкий коэффициент нелинейности, а выходные напряжения ограничены лишь допустимыми параметрами транзистора.
Список литературы
1. Четвертков А Р, Дубровский С С, Иванов А В “Резисторы” : Справочник, Москва 1991г.
2. Аксенов А И, Нефедов А В “Резисторы Конденсаторы” : Справочное пособие, Москва 2000г.
3. Аксенов А И, Нефедов А В “Отечественные полупроводниковые приборы” : Справочное пособие, Москва 2000г.
4. Бондарь В А “Генератор линейно – изменяющегося напряжения ”, 1988г.
5. Гусев В Г, Гусев Ю М “Электроника”: Учебное пособие для вузов, Москва 1982.
6. Гершунский Б С “Справочник по расчету электронных схем”, Киев 1983.
7. Хоровиц П , Хилл У ”Искусство схемотехники” : Москва 2001г.
8. Валеева Р. Г, Старцев Ю В “Методические указания по оформлению курсовых и дипломных проектов для студентов специальностей
210300 – “Роботы и робототехнические системы”, 220200–“Автоматизированные системы обработки информации и управления”,
210100- “Управление и информатика в технических системах”/УГАТУ,
1997.