Министерство образования и науки Российской Федерации ГОУ ВПО «Череповецкий государственный университет» Кафедра электропривода и электротехники Курсовая работа по дисциплине «Общая электротехника и электроника» Тема работы: «Расчет генератора линейно изменяющегося напряжения в автоколебательном режиме» Исполнитель: Махова А.Н. Группа 5АТ-31 Руководитель: Нохрин А.Н. г. Череповец 2005 год Задание на курсовую работу Рассчитать схему генератора линейно изменяющегося напряжения в автоколебательном режиме по следующим исходным данным: Um=10B, Tpx=(0.1-2) мкС, Тох=0.01 мкС 1 Линейно изменяющимся напряжением (ЛИН) называют импульсы, (рис.1) передний фронт (прямой, или рабочий, ход) которых представляет собой линейно изменяющийся во времени участок, а задний фронт (обратный ход) изменяется по экспоненциальному закону. Рис. 1. Временная диаграмма ЛИН Параметрами ЛИН являются: начальный уровень U0=u(t0), амплитуда Um=│u(t1)-u(t0)│, длительность прямого хода Tpx=t1-t0, длительность обратного хода Tox=t2-t1, период Т, скорость изменения ЛИН на интервале прямого хода u’(t) при t0≤t≤t1 (скорость нарастания переднего фронта) коэффициент нелинейности γ =│[u’(t)-u’(t0)]/ u’(t0)│, коэффициент использования напряжения источника питания, показывающий , насколько амплитуда импульса меньше предельно возможной. ε= Um/(E-Uo) величина запаздывания начала изменения ЛИН относительно фронта входного импульса стабильность амплитуды ∆Um /Um Применение линейно изменяющегося напряжения Линейно изменяющееся напряжение используется для развертки электронного луча в электронно-лучевых трубках с электростатическим отклонением (например, в осциллографах), преобразования медленно меняющегося напряжения в импульсы, длительность которых пропорциональна этому напряжению, в схемах точного измерения времени, радиолокационных и телевизионных индикаторах, в устройствах задержки импульсов на калиброванное время, на аналогоцифровых преобразователях. 2 Получение линейно изменяющегося напряжения ЛИН обычно получают с помощью емкостной интегрирующей цепи или интегрирующего усилителя, периодически заряжая и разряжая конденсатор постоянным (или приблизительно постоянным) током; поэтому ГЛИН часто называют интеграторами. Упрощенная схема ГЛИН показана на рис. 2, где R и C образуют интегрирующую цепь, а ключ Кл служит для переключения конденсатора С с зарядки на перезарядку и наоборот. Сопротивление r можно рассматривать как вынесенное сопротивление замкнутого ключа. Рис. 2. Схема простейшего ГЛИН Если в качестве ключа КЛ используют электронные лампы, транзисторы, газоразрядные приборы, а также управляемые диоды, включаемые и выключаемые с помощью внешних управляющих импульсов, то такие генераторы называют управляемыми ГЛИН. Время рабочего хода таких генераторов равно длительности управляющего импульса. Классификации ГЛИН 1. 2. 3. 4. 5. По элементной базе: на электронных лампах (пентодах, триодах) на газоразрядных приборах на диодах на транзисторах на операционном усилителе Выходные вольт-амперные характеристики пентодов и транзисторов таковы, что при постоянном входном напряжении или токе (в транзисторах) выходной ток очень мало зависит от выходного напряжения. Ламповые триоды таким свойством не обладают, однако при наличии отрицательной обратной связи, создаваемой резистором, включенным в катод, эквивалентные вольт-амперные характеристики триода становятся подобными вольт-амперным характеристикам пентода. Транзистор, включенный по схеме c общим эмиттером, применять как нелинейный элемент нежелательно, так как его выходное сопротивление невелико и ток через транзистор меняется при изменении выходного напряжения в относительно больших пределах. 3 По функциональной реализации: 1. с простой интегрирующей цепью 2. с токостабилизирующими элементами 3. с компенсирующей Э.Д.С. 3.1. с положительной обратной связью 3.1.1. параллельной 3.1.2. последовательной 3.2. с отрицательной обратной связью 3.3. с комбинированной обратной связью Рассмотрим некоторые из этих типов подробнее. ГЛИН с простой интегрирующей цепью на ключевом каскаде (на транзисторе) Рис. 3. Схема ГЛИН с простой интегрирующей цепью на транзисторе До прихода входного импульса транзистор открыт и насыщен. Напряжение на коллекторе, емкости и выходе схемы равно нулю. Входной импульс положительной полярности длительностью, равной длительности рабочего хода ЛИН, поступая на вход схемы, запирает транзистор. Конденсатор С начинает заряжаться от источника Eк через сопротивление Rк с постоянной времени τ= Rк*C. При этом на выходе схемы (на конденсаторе) происходит нарастание отрицательного напряжения. По окончании запускающего импульса транзистор отпирается и конденсатор быстро через него разряжается. При регулярном поступлении на вход запускающих импульсов на входе схемы формируется ЛИН. Недостатки простейшего ГЛИН на ключевом каскаде: 1. Малое значение коэффициента использования коллекторного напряжения. Стремление повысить коэффициент использования коллекторного напряжения приводит к увеличению коэффициента нелинейности, т. е. к ухудшению ЛИН в течение рабочего хода. 3. Малая величина отношения tраб/tобр. 4. Низкая температурная стабильность амплитуды ЛИН 5. Верхний предел времени рабочего хода ограничен значением порядка 1 мсек. 4 ГЛИН с токостабилизирующими элементами Напряжение на конденсаторе изменяется нелинейно из-за уменьшения тока в процессе зарядки (разрядки). Ток в цепи в соответствии с выражением i3=(E-Uc)/R остается постоянны, если напряжение на том элементе, через который происходит зарядка, сохраняется неизменным. Таким токостабилизирующим элементом является, в частности, транзистор, вольт-амперные характеристики которого имеют пологий участок. Стабилизирующее действие особенно ощутимо при использовании транзистора в схеме с общей базой. В схеме токостабилизирующий элемент включается последовательно с конденсатором вместо резистора, через который в предыдущей схеме проходил зарядный (разрядный) ток. По мере зарядки напряжение на конденсаторе увеличивается, а на транзисторе уменьшается. При этом ток транзистора (конденсатора) на значительном участке характеристики меняется в сравнительно малых пределах. На рис. 4 изображена схема генератора линейно нарастающего напряжения, реализующая указанный принцип. Рис. 4. Схема ГЛИН с токостабилизирующими элементами Компенсационные генераторы ЛИН. Ток зарядки конденсатора окажется неизменным, если в его цепи будет действовать источник, напряжение которого «следит» за напряжением на конденсаторе и в любой момент времени компенсирует его. Генераторы, в которых реализуется указанный принцип, называют генераторами компенсационного типа, или генераторами с компенсирующей Э.Д.С. Источник компенсирующей Э.Д.С. можно включить последовательно или параллельно в цепи заряда (или разряда) конденсатора (рис. 5) 5 а) б) Рис. 5 Упрощенная схема компенсационного ГЛИН а) с последовательной положительной обратной связью б) с параллельной обратной связью При реализации схемы на рис. 5 а) функции источника Э.Д.С. выполняет усилитель, напряжение на выходе которого должно изменяться так же, как и напряжение на зарядном конденсаторе. Входным следует считать напряжение между точками а1 и а2. В этом случае потенциал обоих полюсов источника зарядного напряжения E при формировании ЛИН изменяется относительно «земли», что создает определенные неудобства. Зарядный ток в таком устройстве будет постоянным в том случае, если коэффициент усиления будет равен 1. При этом влияние изменения потенциала в точке a1 будет компенсироваться соответствующим изменением потенциала в точке a3 благодаря цепи ПОС, включающей источник E. Поэтому устройства, работа которых основана на этом принципе, называют компенсационными ГЛИН с последовательной положительной обратной связью (или ГЛИН с неинвертирующим усилителем) При реализации схемы на рис 5 б) также используется неинвертирующий усилитель, для которого Uвх=Uc и Uвых=Ку*Uвх=Uк. В этом случае для постоянства зарядного тока необходимо, чтобы коэффициент усиления Ку=1+Rи/R. Такие устройства называются ГЛИН с параллельной положительной обратной связью. Рис. 6. Схема ГЛИН на операционном усилителе с параллельной положительной обратной связь 6 Рис. 7. Схема ГЛИН на операционном усилителе с последовательной положительной обратной связью Из компенсационных генераторов наиболее широко используются в устройствах на интегральных схемах ГЛИН с отрицательной обратной связью. Из-за наличия в цепи ООС и отсутствия источника напряжения с изолированными от «земли» полюсами такие генераторы наиболее эффективны. Основная схема ГЛИН с ООС приведена на рис. 8. В этой схеме обычный транзисторный усилитель представлен эквивалентной схемой усилителя тока. При замкнутом ключе, как диодном, так и транзисторном, входной каскад усилителя закрыт и выходное напряжение не превышает напряжения питания усилителя. При размыкании ключа начинается перезаряд конденсатора током, стабилизированным за счет того, что входное напряжение усилителя изменяется значительно медленнее, чем напряжение на конденсаторе и на выходе усилителя, разностью которых оно является. Рис 8 Упрощенная схема ГЛИН с отрицательной обратной связью 7 Рис. 9 Схема ГЛИН с отрицательной обратной связью на транзисторе Ламповые генераторы ЛИН Ламповые схемы уступают транзисторным по надежности, долговечности, габаритам и экономичности. Однако они превосходят транзисторные по линейности переднего фронта выходного импульса, по стабильности работы и за счет большого напряжения источника питания способны генерировать импульсы с амплитудой, значительно превышающей амплитуду импульса на выходе транзисторных генераторов. Все рассмотренные ранее схемы ГЛИН могут быть аналогично собраны на электронных лампах. Простейший ГЛИН может быть реализован, например, с разрядом конденсатора через триод. Рис. 10 Схема ГЛИН с разрядом конденсатора через триод 8 Режимы работы генераторов линейно изменяющегося напряжения Генераторы ЛИН могут работать в ждущем и в автоколебательном режимах. Ждущие ГЛИН имеют начальное устойчивое состояние, которое устанавливается после окончания цикла колебаний. В них период повторения циклов зависит от периода следования управляющих импульсов и может быть как постоянным, так и переменным. При работе в режиме автоколебаний ГЛИН не имеет статических состояний и период генерируемого непрерывного ЛИН определяется параметрами генератора, а управляющее напряжение используется для синхронизации его периода. Ждущий ГЛИН (рис 11) работает только при наличии управляющего напряжения, имеющего форму либо прямоугольных импульсов, запирающих на время прямого хода коммутирующее устройство, либо коротких пусковых импульсов. В последнем случае генератор должен быть охвачен цепью ПОС (штриховая линия), размыкающей ключ на время прямого хода. Рис 11. Упрощенная схема ГЛИН в ждущем режиме Самовозбуждающийся генератор непрерывного ЛИН (рис. 12)также охвачен цепью ПОС. Синхронизация генератора может осуществляться на основной частоте или на субгармониках синхронизирующего напряжения, которое может иметь самую различную форму. Рис 12. Упрощенная схема ГЛИН в автоколебательном режиме Общая характеристика и принципы построения автогенераторов. Автогенераторы пилообразного напряжения, в которых для стабилизации тока конденсатора используется компенсирующая э. д. с. получают из управляемых ГЛИН введением дополнительной цепи положительной обратной связи, обеспечивающей возникновение регенеративных процессов. 9 Управляемые ГЛИН с положительной обратной связью на практике почти не используются, так как при введении в них дополнительной цепи положительной обратной связи значительно усложняется схема и ухудшаются параметры ЛИН: коэффициент использования, линейность и стабильность. Генераторы с отрицательной обратной связью в автоколебательном режиме применяются в самых различных областях техники для получения ЛИН с регулируемой в широких пределах длительностью рабочего хода при малом (порядка единиц и долей процента) коэффициенте нелинейности. При этом схема автогенератора по сравнению с управляемым генератором почти не усложняется. Возможна другая реализация ГЛИН с положительной обратной связью: одноламповые релаксационные генераторы, или генераторы фантастронного типа. В зависимости от способа создания положительной обратной связи различают два типа фантастронов — с катодной связью и со связью но экранирующей сетке. Создание генераторов подобного типа на транзисторах затруднено тем, что транзистор имеет только один управляющий электрод. Специальным включением трех транзисторов можно получить некоторые свойства присущие многосеточным лампам. Генераторы линейно изменяющегося напряжения на операционном усилителе Разработано много схем ГЛИН. Большими преимуществами обладают схемы на операционном усилителе. В них в качестве источника постоянного тока применяются интеграторы на ОУ, а в качестве ключа – компараторы. По габаритным размерам и стоимости ОУ мало отличаются от одиночного транзистора. Такая реализация ГЛИН значительно проще аналогичной схемы на отдельных транзисторах, что позволяет получить выигрыш в габаритных размерах и массе. Также ОУ имеет чрезвычайно высокий коэффициент усиления по напряжению (десятки и даже сотни тысяч), большое входное сопротивление (сотни кОм), малое выходное сопротивление (десятки - сотни Ом). Он усиливает широкий спектр частот, вплоть до постоянной составляющей. Вследствие этих положительных факторов ГЛИН на операционном усилителе вытесняют генераторы на дискретных транзисторах. Поэтому в данной курсовой работе для проведения расчета выбрана реализация ГЛИН на ОУ. Рис. 14. Схема ГЛИН на ОУ а) диаграммы напряжений в ждущем режиме б) диаграммы напряжений в автоколебательном режиме. 10 Схема ГЛИН с внешним управлением на операционном усилителе приведена на рис. 14 а). Она состоит из компаратора и интегратора. На рис. 14 б) приведены диаграммы напряжений такого генератора при его работе в ждущем режиме. Чтобы получить ГЛИН в автоколебательном режиме достаточно в схему ввести обратную связь на прямой вход компаратора с выходов компаратора и интегратора с помощью резисторов – R3, R4 (пунктирная линия). Напряжение обратной связи UОС будет определяться напряжением на выходе компаратора U вых m и напряжением на выходе интегратора UГЛИН. На рис. 14 в) приведены графики напряжений, поясняющие работу генератора в автоколебательном режиме. Принцип работы ГЛИН на операционном усилителе В исходном состоянии напряжение на входе отсутствует Uвх = 0. Под воздействием напряжения Е0 компаратор находится в состоянии отрицательного насыщения U вых – Uвых. m. Это напряжение поступает на вход интегратора и вызывает заряд конденсатора С до напряжения U вых m . Пусть в момент времени t1 на прямой вход поступает прямоугольный импульс, амплитуда которого Um > E0. Компаратор переходит в положительное насыщение, т. е. U вых U вых m . Это напряжение является входным для интегратора. Открывается диод D1, начинается перезаряд конденсатора С до U вых m . Напряжение UГЛИН убывает по линейному закону U ГЛИН U вых m t R1C По окончании импульса компаратор под воздействием Е0 регенеративно переходит в отрицательное насыщение. Диод D1 закрывается. Открывается диод D2. Начинается перезаряд конденсатора С до напряжения U вых m . Напряжение UГЛИН возрастает по линейному закону U ГЛИН (U вых m ) R2 C t Расчетная часть Формулы для расчета Пусть в момент времени t1 = 0 компаратор перешел в состояние отрицательного насыщения: U вых U вых m . Диод D1 закрыт. Открывается диод D2 и на интеграторе начинается формирование линейно нарастающего напряжения. (U вых m ) U ГЛИН Тpx , где Tpx – длительность рабочего хода R2 C Напряжение обратной связи UОС находится методом суперпозиции: R3 R4 U OC U в ых m U () , R3 R4 R3 R4 где U ( ) - линейно нарастающее напряжение UГЛИН. В момент времени t2 наступает равенство UOC = Е0. Компаратор переключается, напряжение его на выходе скачком изменяется до U вых m . Напряжение интегратора не 11 может изменяться скачкообразно. Поэтому напряжение обратной связи скачком увеличивается до величины: R3 R4 U OC m U в ых m U ГЛИН . R3 R4 R3 R4 Напряжением U вых m открывается диод D1. На интеграторе начинается формирование линейно падающего напряжения. Напряжение UOC также линейно убывает и в момент t3 принимает значение: R3 R4 U OC (t 3 ) U в ых m U () E0 . , R3 R4 R3 R4 где U ( ) - линейно падающее напряжение UГЛИН Таким образом, в момент времени t3 заканчивается формирование одного импульса линейно изменяющегося напряжения. Затем компаратор под воздействием Е0 регенеративно переходит в отрицательное насыщение, процесс повторяется и формируются следующие импульсы ЛИН. Расчет схемы по заданным значениям Заданием определены следующие расчетные параметры: Um=10B, Tpx=(0.1-2) мкС, Тох=0.01 мкС. Другие необходимые для расчета значения задаются, используя справочную литературу. Пусть для реализации схемы используется компаратор КМ597СА3, для которого U вых m =9 В. Значения сопротивлений, емкости, напряжения возьмем по следующим номиналам: R3 = 10 кОм; R4 = 20 кОм; Е0 = 1 В; С=0,1 нФ 1. В момент времени t1 включается питание. Напряжение на выходе компаратора U вых U вых m 9B. Конденсатор С до включения питания был разряжен. Напряжение UC = 0 и скачком R3 измениться не может. Значит U ГЛИН (t1 ) 0 и тогда U OC (t1 ) U вых R3 R4 10 U OC (t1 ) 9 * =-3 В 10 20 2. Для момента времени t2 найдем значение когда значение U вых U вых m , а U U OC (t2 ) U вых m U OC (t2 ) 9 ГЛИН U OC (t 2 ) сразу после переключения, достигло Um=10B и еще не изменилось: R3 R4 U ГЛИН m R3 R4 R3 R4 . 10 20 10 =9,67 В 10 20 10 20 3.Для момента времени t3: Напряжение на выходе компаратора U вых U вых m . Напряжение обратной связи UOC определяется выражением U OC U вых m R3 R4 U ГЛИН (t 3 ) E0 . R3 R4 R3 R4 Здесь UГЛИН (t3) – минимальное. Определим это значение: 12 E0 U вых m U ГЛИН (t3 ) R3 R3 R4 R3 R3 R4 1 3 6 B . 0,33 Определим величину напряжения UОС (t3) сразу после переключения, когда значение U вых U вых m , а UГЛИН (t3) = - 6 В. R3 R4 U ГЛИН (t 3 ) 3 6 *1.67 7 В R3 R4 R3 R4 Далее значение UГЛИН периодически изменяется от –6 В до 10 В, а UОС от –7 В до 9,67В. U OC U вых m 4.Теперь по вычисленным минимальному и максимальному значению UГЛИН можно определить R1 и R2: U * Трх Uглин min = вых m Откуда R1= - Uвых m*Tpx/C* Uглин min R1C В начале рабочего хода R1=-9*0,1мкС/0,1 нФ*(-6В)=1,5 КОм В конце рабочего хода R1=-9*2мкС/0,1 нФ*(-6В)=30 КОм U * Тoх Uглин max= вых m Откуда R2= Uвых m*Tox/C* Uглин max R2C R2= 9*0.01мкС/0,1 нФ* 10В=90 КОм Вывод: В данной курсовой работе рассчитана схема генератора линейно изменяющегося напряжения на операционном усилителе в автоколебательном режиме. Схема должна иметь следующие характеристики: Tpx=(0.1-2) мкС, Тох=0.01 мкС U вых m =9 В. Е0 = 1 В С=0,1 нФ R1=(1,5 -30) КОм R2=90 КОм R3 = 10 КОм R4 = 20 КОм UГЛИН изменяется от –6 В до 10 В, UОС изменяется от –7 В до 9,67В. 13 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ: 1. Ерофеев Ю.Н., "Импульсная техника", М.: Высшая школа, 1989г. (1-ое издание 1979г.), 527с. 2. Л.М. Гольценберг. Импульсные устройства. М., Радио и связь, 1981 с.153-158, 169172. 3. Браммер Ю.А.., Пащук И.Н. Импульсные и цифровые устройства: Учеб. Для студентов электрорадиоприборостроительных сред. спец. учеб. заведений – 6-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. школа., 1999 – 351 с.: - 351 с.: ил. 4. Фролкин В.Г., Попов Л.Н. Импульсные устройства: Учебник для ВУЗов. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Сов. радио, 1980, - 386 с., ил. 5. Браммер Ю.А.., Пащук И.Н. Импульсная техника. Учеб. для радиотехн. cпец. Техникумов. Изд. 4-е, доп. И перераб. М.:Высшая школа, 1976, 319 с, с ил. 6. Яковлев В.Н., Воскресенский В. В., Генис А.А., Доронкин Е. Ф., Цветков А.В., Справочник по импульсной технике, «Техника», 1970, 565 с. 7. Импульсные устройства: учебное пособие/ О. Г. Антонов, Е.А. Бессчетов, О.С. Голод и др.: - Л.: СЗПИ, 1974 – 306 с. 8. Фролкин В.Г., Попов Л.Н., Импульсные и цифровые устройства: учеб. для ВУЗов. – М.: Радио и связь. -1992.- 336 с. 9. Важенина З.П. Импульсные генераторы на транзисторах. – Л.: Энергия, 1974. – 128 с. 14
