Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР) Кафедра конструирования узлов и деталей радиоэлектронной аппаратуры (КУДР) «УТВЕРЖДАЮ» Зав.каф.КУДР _______Лощилов А.Г. «___»_________2024г. Курсовой проект по дисциплине "Схемотехника электронных средств" Генератор линейно изменяющегося напряжения Выполнил студент гр.231-2 ___________ А.Д. Ермаков «___» _____________2024г Томск 2024 СОДЕРЖАНИЕ 1. Введение 2. Техническое задание 2.2 Общие сведения 3. Генератор линейно изменяющегося напряжения 3.1 Анализ схемы генератора линейно изменяющегося напряжения 3.2 Расчет параметров схемы 3.3 Разработка схемы в среде MICRO-CAP 4. Анализ известных схем генераторов по литературным источникам 5. Выбор структурной схемы генератора. Описание работы с применением временных диаграмм 6. Заключение Список литературы 1. Введение 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. Генераторы линейно-изменяющихся напряжений (ГЛИН) формируют периодические сигналы, изменяющиеся по линейному закону. ГЛИН широко применяются в электронной технике: для развертки электронного луча в электронно-лучевых трубках с электростатическим отклонением (например, в осциллографах), для 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 аналого-цифровых преобразователях. Целью настоящего проекта является изучение и приобретение навыков расчета генератора линейно изменяющегося напряжения на операционных усилителях. Для этого необходимо спроектировать электрическую схему ГЛИН, работающую на ОУ в соответствии с техническим заданием. 2. Техническое задание Исходные данные для проектирования: - формирование трех значений длительности импульсов линейно изменяющегося напряжения: 1 мс, 10 мс, 100 мс; - импульсы примыкают друг к другу (напряжение типа "пила"); - переключение длительности импульсов выполняется дискретно; - регулировка амплитуды импульсов в пределах от 1 до 10 В; - нагрузка: активное сопротивление 1 кОм. Вопросы, подлежащие разработке: - Анализ известных схем генераторов по литературным источникам. - Выбор структурной схемы генератора. Описание работы с применением временных диаграмм. 2.2.Общие сведения Классификации ГЛИН По элементной базе: 1. на электронных лампах (пентодах, триодах) 2. на газоразрядных приборах 3. на диодах 4. на транзисторах 5. 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 вольтамперные 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. По функциональной реализации: 1. с простой интегрирующей цепью 2. с токостабилизирующими элементами 3. с компенсирующей Э.Д.С. 1. с положительной обратной связью 1. параллельной 2. последовательной 2. с отрицательной обратной связью 3. с комбинированной обратной связью Рассмотрим некоторые из них. Генераторы линейно операционном усилителе изменяющегося напряжения на 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. Рис.2.1 Схема ГЛИН на ОУ В следствие 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. а) диаграммы напряжений в ждущем режиме б) диаграммы напряжений в автоколебательном режиме. Линейно изменяющимся напряжением (ЛИН) называют импульсы, (рис.2.2) передний фронт (прямой, или рабочий, ход) которых представляет собой линейно изменяющийся во времени участок, а задний фронт (обратный ход) изменяется по экспоненциальному закону. Рис. 2.2. 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 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. 2.3, 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. 2.3. 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. 3. Генератор линейно изменяющегося напряжения 3.1 Анализ схемы генератора линейно изменяющегося напряжения Рис.3.1 Основная схема генератора пилообразного напряжения Схема генератора, изображенная на рисунке 3.1, была смоделирована в программе Multisim. ГЛИН состоит из триггера Шмитта на операционном усилителе U1A, и из интегратора, собранного на операционном усилителе U2A, с выхода которого снимается ЛИН. Оба ОУ соединены последовательно через диодно-резисторные цепи D1, D2, R5, R6. С помощью резистора R4 схема охвачена обратной связью. При включении питания конденсатор С1 разряжен, он начинает заряжаться через цепочку D2R5 и выход усилителя U1A, на котором установилось низкое напряжение, другой вывод конденсатора С1 подключён к выходу ОУ U2A, на котором напряжение растёт. Как только это напряжение достигнет порога переключения триггера Шмитта U1A, то триггер переключится и на его выходе установится некоторое напряжение, которое через диод D1 и резистор R6 будут вначале разряжать, а затем заряжать до другой полярности конденсатор С1. Далее процесс повторяется и схема переходит в автоколебательный режим. Поскольку резисторы R5 и R6, через которые происходит заряд и разряд конденсатора С1 имеют разный номинал, то и время заряда и разряда конденсатора будет разным, соответственно пилообразное напряжение на выходе ОУ U1A будет долго нарастать и быстро спадать. Резисторы R1 и R2 служат для компенсации напряжения смещения ОУ, так как используется однополярное питание ОУ. Принцип работы триггера Шмитта. На рис. 3.2 представлена условная схема триггера Шмитта. Рис.3.2 Схема триггера Шмитта На рис. 3.3 представлена передаточная и временная характеристики. При уровне входного сигнала Uвх ниже нижнего порога срабатывания Uпор.н, на выходе триггера Шмитта – тоже, соответственно, напряжение низкого уровня U0, близкое к нулю. Рис.3.3 Передаточная и временная характеристики В процессе нарастания напряжения входного сигнала Uвх, его значение сначала достигает нижней границы области гистерезиса Uпор.н, нижнего порога, при этом на выходе как и прежде ничего не изменяется. И даже когда входное напряжение Uвх заходит в область гистерезиса, и в течение некоторого времени находится внутри нее, то на выходе все равно ничего не происходит – на выходе по-прежнему напряжение низкого уровня U0. Но как только уровень входного напряжения Uвх сравнивается с верхним порогом области гистерезиса Uпор.в (области срабатывания) – выход триггера скачком переходит в состояние высокого уровня напряжения U1. Если входное напряжение Uвх будет продолжать нарастать дальше (в пределах допустимого для микросхемы), выходное напряжение Uвых изменяться уже не будет, так как достигнуто одно из двух устойчивых состояний — высокий уровень U1. Теперь, допустим, что входное напряжение Uвх стало снижаться. При возврате в область гистерезиса изменений на выходе не происходит, уровень по-прежнему высокий U1. Но как только напряжение входного сигнала Uвх сравняется с нижней границей области гистерезиса Uпор.н – выход триггера Шмитта скачком перейдет в состояние с напряжением низкого уровня U0. На этом основана работа триггера Шмитта. Это хорошо видно на виртуальном осциллографе при анализе нашей схемы. Интегратор. Интегратором называется устройство, временная зависимость напряжения на выходе которого пропорциональна интегралу по времени входного напряжения. Интегрирование – одна из математических операций. Ее электрическая реализация сводится к построению схемы, в которой скорость изменения выходного напряжения пропорциональна входному напряжению. Упрощенная схема интегратора приведена на рис 3.4. Рис.3.4. Схема интегратора на ОУ В схеме интегратора на рис. 3.1 входной сигнал Uвх подается на инвертирующий входной зажим; неинвертирующий входной зажим заземлен (присоединен к резистивному делителю R1 - R2 «виртуальная земля»). Входной сигнал формируется через входные резисторы R5 и R6. Интегратор аналогичен инвертирующему усилителю за исключением одной особенности: вместо резистора в цепи обратной связи у него имеется конденсатор. Этот конденсатор C1 называется конденсатором цепи обратной связи. Интегратор интегрирует постоянное напряжение, имеющееся на выходе триггера Шмитта. Когда выходное напряжение интегратора достигает порога срабатывания триггера Шмитта, напряжение на его выходе U1 скачком меняет свой знак. Вследствие этого напряжение на выходе интегратора начинает изменяться в противоположную сторону пока не достигнет другого порога срабатывания триггера Шмитта. Элементы интегратора R6 и С обеспечивают требуемые временные соотношения т.е. изменяя постоянную интегрирования RC, можно перестраивать частоту формируемого напряжения в широком диапазоне. Амплитуда треугольного напряжения U2 зависит только от установки уровня срабатывания триггера Шмитта Uпор, который для данной схемы включения триггера составляет UнасR4/R3 (Uнас - напряжение насыщения ОУ). 3.2. Расчет параметров схемы Период колебаний генератора равен удвоенному времени, которое необходимо интегратору, чтобы его выходное напряжение изменилось от -Uп до +Uп. Отсюда следует, что: (3.1) Определяем параметры необходимые для расчета соответствующих постоянных времени интегрирования необходимых частот: Резисторы R3 выбираем 180кОм, R4 = 56 кОм. Основная схема генерирования линейно-нарастающего напряжения Для понимания того как происходит формирование линейно-нарастающего напряжения вспомним как протекает переходный процесс в интегрирующих RC-цепях. Для этого изобразим схему заряда конденсатора некоторым током I Рис. 3.5. График заряда конденсатора Заряд Q конденсатора постоянным током I происходит за время t В тоже время напряжение UС на конденсаторе емкостью С определяется величиной заряда Q накопленного в конденсаторе Таким образом, напряжение UС на конденсаторе емкостью С, который заряжается током I будет определяться временем t Так как значение емкости и тока постоянны, то напряжение, до которого зарядится конденсатор пропорционально времени, прошедшего с момента замыкания ключа. Таким образом, напряжение на конденсаторе UС фактически является суммой напряжений за весь период t. Такое суммирование называется интегрированием, а схема, которая выполняет такую операцию, называется интегратором В схеме на рис. 3.1 зарядный ток I конденсатора С1 определяется входным напряжением UBX и резисторами R5 и R6, тогда выходное напряжение будет вычисляться по следующей формуле Знак «–» в выражении показывает то, что входной сигнал поступает на инвертирующий вход ОУ. Генератор пилообразного напряжения Для понимания принципа работы генератора импульсов типа «пила» рассмотрим график напряжений на его выводах UВЫХ 1 и UВЫХ 2. Рис. 3.6. Временная диаграмма напряжений Длительность импульса tИ1 найдем, учтя изменение напряжения на выходе интегратора от -UПЕР до UПЕР, где UПЕР – напряжение переключения. В триггере шмитта, на инвертирующем входе также создается «виртуальная земля», поэтому напряжение на выходе определяется из уравнения Uвх /R4= Uвых /R3 , откуда получаем: Uвых=-Uвх. R3/R4 Исходное напряжение разделяется с помощью резистивного делителя. Соответственно, напряжение в точке А на схеме рис.3.1 будет 10В. Диоды VD1 и VD2 позволяют выполнять заряд-разряд конденсатора разными токами. При изображённой на схеме полярности включения диодов длительность разряда конденсатора С1, а следовательно и длительность линейно-возрастающего напряжения определяется величиной сопротивления резистора R5, а длительность заряда С1 и линейно падающего сигнала на выходе интегратора – сопротивлением R6 по следующим формулам Что видим по схеме? Как и все триггеры Шмитта, наш охвачен положительной обратной связью (ПОС) — резистор R3, который и дает нам петлю гистерезиса. Для стабильных параметров схемы делитель напряжения R1R2 должен питаться со стабилизированного источника напряжения 20В, от которого запитываем и наш ОУ. Тонкость всего этого в том, что нужен более-менее точный расчет параметров резисторов и напряжений для обеспечения нужных вам порогов срабатывания. 3.3. Разработка схемы в среде MICRO-CAP 4. Анализ известных схем генераторов по литературным источникам Значительно улучшить параметры ГЛИН можно, используя операционные усилители с обратными связями, которые обладают очень большим коэффициентом усиления. Рассмотрим некоторые из них. ГЛИН с отрицательной обратной связью Принципиальная схема ГЛИН с отрицательной обратной связью через емкость С формирующей цепи показана на рис. 4.1, а. Здесь и далее приводится условное изображение разрядного ключа SW. Рис. 4.1 Заменив емкость С на Свн (4.1,б), получим схему простого ГЛИН, к выходу которого подключен инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления К. На выходе усилителя параметры ГЛИН оказываются лучше в (1 + К) раз: а = tnp / r * (1 + К) . Таким образом, введение глубокой обратной связи (К >>1) позволяет уменьшить коэффициент нелинейности в (1+ К) раз при неизменном коэффициенте использования а. В схемах ГЛИН удобно применять современные операционные усилители (К = 104...106) с высоким входным сопротивлением и большой скоростью нарастания выходного напряжения (до 80 В/мкс). Последний параметр ограничивает время восстановления и период повторения ГЛИН. Некоторым недостатком рассмотренной схемы ГЛИН с ООС может оказаться дрейф постоянной составляющей выходного напряжения операционного усилителя, поскольку он охвачен отрицательной обратной связью только по переменному току. От этого недостатка свободна схема ГЛИН (рис. 4.2), в которой ключ SW включен параллельно С, т. е. периодически замыкает выход усилителя на его инвертирующий вход. При этом в конце интервала выходное напряжение практически совпадает с напряжением на прямом входе усилителя. Рис. 4.2 ГЛИН с положительной связью При введении положительной обратной связи (рис. 4.3, а) через резистор на его верхнем выводе должна действовать сумма напряжений источника питания Ек и Uвых. Заменив R на Rвн (рис. 4.3, б), получим схему простого ГЛИН, к выходу которого подключен неинвертирующий усилитель с Кп < 1. Для такой схемы коэффициент нелинейности получается минимальным при Кп > 1 α = tnp ( 1 - Кп ) / R * C, а коэффициент использования остается неизменным Рис. 4.3 Практические схемы ГЛИН с положительной обратной связью показаны на рис. 4.4. В первой из них (рис. 4.4, а) в качестве усилителя с К < 1 используется эмиттерный повторитель на транзисторе VT. В схеме с операционным усилителем (рис. 4.4,б) ток фиксации Iф будет втекать в его выходную цепь. Поэтому в схеме необходимо использовать современные операционные усилители с комплементарной парой выходных эмиттерных повторителей. Для получения К<1 и устранения дрейфа выходного напряжения операционный усилитель на рис. 4.4, б охвачен отрицательной обратной связью по постоянному току (с выхода на инвертирующий вход), при которой его коэффициент передачи становится равным: Kп = K / (1+K), где К - коэффициент усиления без обратной связи Рис 4.4 Благодаря большим значениям К операционных усилителей Kп в этом случае ближе к 1, чем в схеме с эмиттерным повторителем, и коэффициент нелинейности значительно меньше. Сравнивая качества ГЛИН с положительной и отрицательной обратной связью можно сказать, что сравниваемые схемы ГЛИН обеспечивают при равных условиях одинаково хорошие результаты. ГЛИН со стабилизатором тока В отличие от рассмотренных выше схем в стабилизатор тока вводится обратная связь не по напряжению, а по току, что позволяет повысить внутреннее сопротивление стабилизатора. Эквивалентная схема ГЛИН (рис. 4.5) содержит идеальный источник тока I, параллельно которому включено внутреннее сопротивление переменному току R. Рис. 4.5 В ГЛИН со стабилизатором тока можно получить малые коэффициенты нелинейности. Практическая схема ГЛИН со стабилизатором тока на транзисторе VT показана на рис. 4.6. Конденсатор С заряжается коллекторным током транзистора. Отрицательная обратная связь по току создается за счет сопротивления Rэ. При большой глубине обратной связи, внутреннее сопротивление стабилизатора Ri будет определяться выходной проводимостью транзистора в схеме "общая база" и может достигать значений 106 - 108. Рис 4.6 Общий недостаток схем ГЛИН со стабилизатором тока - плохая нагрузочная способность, поскольку сопротивление нагрузки оказывается включенным параллельно Ri и увеличивает коэффициент нелинейности. Источник: © 2009-2024 Банк лекций Siblec.Ru. Учебные материалы ОКСО 210000. Электронная техника, радиотехника и связь. Лекции для преподавателей и студентов ВУЗ. 5. Выбор структурной схемы генератора. Описание работы с применением временных диаграмм Одним из требований, предъявляемым к ГЛИН, является максимально быстрый возврат сигнала в исходное состояние. В основе получения пилообразного напряжения лежат процессы зарядки и разрядки конденсатора. Если обеспечить зарядку конденсатора стабильным током, то можно получить весьма высокую линейность пилообразного напряжения. Действительно, при неизменном постоянном токе зарядки I напряжение на конденсаторе , т.е. линейно зависит от времени. В качестве токостабилизирующей схемы можно, например, использовать выходную цепь транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером и охваченного отрицательной обратной связью по току. ГЛИН достаточно просто осуществляется на базе операционного усилителя. Структурная схема ГЛИН в интегральном исполнении приведена на рис. 5.1, а. На вход интегрирующего устройства подключают генератор прямоугольных импульсов ГПИ. Временные диаграммы ГЛИН приведены на рис. 5.1,б. Для исключения постоянной составляющей необходимо, чтобы площади разнополярных прямоугольных импульсов были равны: S1 = S2. Обычно Δt1 << Δt2. В этом случае получают линейно меняющееся напряжение "пилообразной" формы. Для обеспечения высокой линейности пилообразного напряжения необходимо, чтобы передние и задние фронты прямоугольных импульсов были отвесными, полка условно-отрицательного импульса ГПИ (под осью t) должна обладать особой стабильностью напряжения, ГЛИН на микросхемах обладает высокой линейностью (ε = 10-4). Рис. 5.1 6. Заключение 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.153158, 169-172. 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. 10. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. - «Электроника» . 11. Джонс М.Х. «Электроника - практический курс» 12. Забродин Ю.С. - «Промышленная электроника» 5. Ибрагим - «Основы электротехники и электроники» 13. Москатов - «Электоронная техника - учебник»
