Генератор прямоугольных импульсов

Тип работы:
Курсовая
Предмет:
Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Министерство образования РФ

Тольяттинский государственный университет

Кафедра «Промышленная электроника»

Пояснительная записка к курсовой работе

Генератор прямоугольных импульсов

по дисциплине «Микроэлектроника»

Руководитель: Певчев В. П.

Исполнитель: студент Кудашев С. А.

Группа: ПЭ — 401

Вариант № 16

Тольятти 2007

Содержание

  • Задание на расчет
    • 1. Описание работы схемы
    • 2. Расчет схемы
    • 3. Принципиальная схема
    • 4. Выбор элементов схемы
    • 4.1 Расчет соответствия предельных параметров эксплуатации ОУ выбранному режиму работы схемы
    • 5. Составление схем замещения
    • Заключение
    • Список использованных источников

Задание на расчет

Построить генератор прямоугольных импульсов (ГПИ) с видом характеристики типа «меандр». Амплитуда сигнала стандартная для транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). Установленная частота ступенями: 100 Гц; 1 000 Гц; 10 000 Гц. Ток нагрузки 10мА.

1. Функциональная схема устройства

При построении ГПИ за основу взята схема симметричного мультивибратора реализованная на интегральном операционном усилителе (ОУ) [1]. Функциональная схема ГПИ приведена на рисунке 1. 1

Принципиальная схема мультивибратора приведена на рисунке 1. 2

Период переключений такого мультивибратора определяется постоянной времени интегрирующей RC-цепи, глубиной положительной обратной связи, входными и выходными сопротивлениями усилителя, его полосой пропускания и коэффициентом усиления. Если допустить, что вышеперечисленные параметры ОУ, такие как входное сопротивление, выходное сопротивление, коэффициент усиления (без обратной связи) и полоса пропускания приближаются к следующим величинам

Rвых; и ,

то для принципиальной схемы рисунок 1. 2

(1)

причем для получения прямоугольных импульсов необходимо, чтобы глубина положительной обратной связи удовлетворяла условию

(2)

при выполнении которого переключение ОУ происходит лавинообразно за доли-единицы микросекунды [1].

Рисунок 1.1 — Функциональная схема устройства.

Рисунок 1.2 — Принципиальная схема.

1. Описание работы схемы

При включении питания напряжение на выходе усилителя вследствие неидеальной балансировки отличается от нуля. Это напряжение (например положительное) с выхода усилителя через цепь положительной обратной связи (ПОС), образованной резисторами R1 и R2 подается на неинвертирующий вход ОУ, усиливается им, снова подается на вход и т. д., пока усилитель не переключится в состояние насыщения и напряжение на его выходе не станет максимально возможным. К инвертирующему входу ОУ подключен конденсатор С, напряжение на котором в начальный момент равно нулю. После переключения конденсатор начинает заряжаться через сопротивление R, подключенное к выходу ОУ и напряжение на нем начинает возрастать.

, (3)

где Uнас — напряжение насыщения усилителя, близкое к напряжению питания.

На инвертирующем и неинвертирующем входах действуют положительные напряжения — постоянное Uпос и изменяющееся Uс (t) и выходное напряжение определяется как

Uвых (t) = Ко [Uпос - Uс (t)], (4)

где Ко 103 106 — коэффициент усиления.

Это напряжение постоянно и равно Uнас до тех пор, пока разность входных напряжений положительна. Как только напряжения сравняются: Uпос = Uс (t), напряжение на выходе мгновенно становится равным нулю, что влечет за собой и равенство нулю напряжения обратной связи Uпос = 0. Но напряжение на конденсаторе остается и не может мгновенно изменится, поэтому выходное напряжение, равное усиленному напряжению на инвертирующем входе, становится отрицательным и равным напряжению насыщения:

Uвых = - Ко Uс (t) = - Uнас. (5)

При этом напряжение положительной обратной связи Uпос также становится отрицательным. Отрицательное напряжение с выхода через резистор R подается на конденсатор С, ранее заряженный положительно, и начинает его перезаряжать. Процесс перезарядки длится до тех пор, пока напряжения на инвертирующем и неинвертирующем входах не сравняются, вследствие чего в схеме снова происходит переключение.

Для получения в нагрузке импульсов напряжения только положительного уровня на выходе усилителя подключен диод.

2. Расчет схемы

Параметры элементов схемы обеспечивающей заданные частоты импульсов на выходе мультивибратора рассчитаем для принципиальной схемы рисунок 1. 2

Из условия (2) следует, что R1 10R2. Примем R1 = 12 000 Ом и R2 = 1 500 Ом, тогда

из (1) выражение под логарифмом будет

Подставив найденное значение в (1) получим следующую зависимость периода T от параметров времязадающей RC цепи. (6)

Для заданных частот выберем общий конденсатор такой емкостью чтобы наименьшее сопротивление резистора R (для наивысшей заданной частоты) обеспечивало облегченный режим работы ОУ по току нагрузки, например 1 мА. Сопротивление резистора будет

R = 5 /1*10-3 = 5000 Ом

Напряжение 5 В соответствует моменту переключения ОУ и является суммой выходного напряжении ОУ 2,5 В и заряженного конденсатора -2,5 В.

При выбранном сопротивлении проведем расчет емкости для частоты 10 000 Гц по (6)

С = T /0,446R = 4,48*10-8Ф

Тогда для частоты 1000 Гц, также по (6) получим

R'= 1/ (0,446*1000*4,48*10-8) = 50 кОм

и для частоты 100 Гц

R" = 1/ (0,446*100*4,48*10-8) = 500 кОм

Выбрали значение емкости из стандартного ряда, С = 4500 пФ, и провели пересчет значений сопротивлений для получения заданных частот

R = 4 982 Ом; R'= 49 825 Ом; R" = 498 256 Ом.

3. Принципиальная схема

Составим принципиальную схему устройства, где для устранения разброса параметров элементов схемы включим подстроечные резисторы, а вычисленные значения сопротивлений получим путем параллельного подключения резисторов к R".

Из стандартного ряда выбрали следующие номиналы резисторов для принципиальной схемы

R3 = 510 кОм; R4 = 47 кОм и R5 = 4,5 кОм.

Подстроечные резисторы выберем с учетом превышения вычисленных значений сопротивлений и включим последовательно с R3, R4, R5. Так

R6 = 50 кОм; R7 = 4,7 кОм и R8 = 1 кОм.

4. Выбор элементов схемы

В качестве ОУ выберем микросхему К140УД14, для которой напряжение питания можно выбирать в диапазоне 5−20 В. Это позволяет при выборе Uпит 5 В получить на выходе ГПИ положительные импульсы уровня ТТЛ т. е. U1 = 2,4 В. Технические характеристики ОУ приведены в таблице 4. 1

Таблица 4.1 — Технические характеристики ОУ.

Параметр

Значение

Входной ток

5 нА

Разность входных токов

1 нА

Напряжение смещения нуля

5 мВ

Коэффициент усиления

50 000

Максимальное выходное напряжение

12 В

Максимальное входное дифференциальное напряжение

13 В

Напряжение питания

5…20 В

Входное сопротивление

30 МОм

Выходное сопротивление

10 кОм

Конденсатор выберем типа К21−9 (стеклокерамический) с ТКЕ группы МП0 т. е. с емкостью независящей от температуры.

Сопротивления возьмем типа МЛТ с номинальной мощностью 0,125 Вт. Подстроечные типа СП3 — 38 также номинальной мощностью 0,125 Вт. Максимальный ток пропускаемый резисторами

Imax = Pном/Umax = 0,125/3,2 = 39 мА

позволяет применять резисторы выбранной номинальной мощности в схеме.

Подключение нагрузки, произведем последовательно с диодом типа Д9Б, рассчитанным на ток (прямой, постоянный) 40мА, для получения на выходе только положительных импульсов.

Для выбора частоты генератора ключи SА1 и SА2 выполнили на клавишном переключателе типа П 2 КЛ с 2-я клавишами.

4.1 Расчет соответствия предельных параметров эксплуатации ОУ выбранному режиму работы схемы

4.1.1 Максимальное входное дифференциальное напряжение присутствует на входе ОУ во время перезарядки конденсатора, когда напряжение на неинвертирующем входе суммируется с напряжением обратной полярности н-а конденсаторе подключенном к инвертирующему входу и величина этого напряжения равна удвоенному значению на неинвертирующем входе

4.1.2 Максимальный ток на выходе ОУ является суммой токов нагрузки Iн=10 мА, ПОС

Iпос= = 0,23 мА

и тока RC цепи. Максимальный ток RC протекает в момент переключения схемы т. е. когда происходит перезарядка конденсатора с уровня Uc. max=Uпос=Uвых* = 0,35 В выходным напряжением ОС обратной полярности 3,2 В через минимальное сопротивление RC цепи.

После суммирования токов нагружающих выход ОУ получим

Iвых. макс = 10 + 0,23 + 0,71 = 10,94 мА

После проведенных расчетов следует, что в схеме можно применить ОУ К 140 УД 14 параметры которой превышают максимально возможные режимы работы схемы.

Макс. входное диф. напряжение, В = 13 > 0,74,Максимальный выходной ток, мА = 12 > 10,94.

5. Составление схем замещения

При составлении схем замещения необходимо знать значение сопротивления которое дают в сумме резисторы R3 — R8. Воспользовавшись правилами сложения последовательно и параллельно подключенных сопротивлений, получили Rэкв = 4929 Ом. Следовательно на месте входного сопротивления ОУ будет разрыв, т. к оно на порядок превышает Rэкв, а выходное сопротивление остается, т. к оно соизмеримо с R1 и R2.

Рисунок 5.1 — Схема замещения при положительном напряжении на выходе.

Рисунок 5.2 — Схема замещения при отрицательном напряжении на выходе.

Заключение

В ходе проделанной курсовой работы был разработан генератор меандра с уровнями ТТЛ со ступенчатой установкой частоты от 100 до 10 000 Гц и током нагрузки 50 мА, что полностью соответствует заданию на проектирование.

Список использованных источников

1. Бобровников Л. З. Радиотехника и электроника; Учебник для ВУЗов. -М.; Недра, 1990. — 374с.; с ил.

2. Гутников В. С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. — Л; Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1988. — 304 с.; ил.

3. Терещук Р. М. и др. Полупроводниковые приемно-усилительные устройства; Справочник радиолюбителя — Киев; Наук. думка. 1989. — 800 с.; ил.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой