Зміст
§ 1. Технічне завдання
§ 2. Теоретичні міркування
§ 3. Вибір RC-ланцюжка
§ 4. Розрахунок елементів схеми генератора
§ 5. Вимоги до джерела живлення
§ 6. Висновок
§ 7. Список літератури
§ 1. Технічне завдання
Виконати електричний проект генератора гармонійних коливань на операційному підсилювачі, що задовольняє таким умовам:
Частота генеруючих коливань f г = 8 кГц;
Амплітуда вихідного напруги: U м.вих.
5 В;
Опір навантаження R н = 75 Ом (кабель);
Сформулювати вимоги до джерела живлення;
§ 2. Теоретичні міркування
Генератором гармонійних коливань називають пристрій, без стороннього порушення перетворює енергію джерела живлення в енергію гармонійних коливань. Схемотехнічні генератор - це підсилювач з глибокою позитивним зворотним зв'язком. Глибина ПОС підбирається така, при якій підсилювач самозбуджується і генерує незгасаючі коливання.
Розрізняють генератори з зовнішньої і внутрішньої ПОС. Однак, виходячи з умов технічного завдання до курсового проекту, генератори з внутрішньої ПОС не розглядаються.
Генератори з зовнішньої ПОС реалізуються на підсилювачі, з виходу якого частина енергії коливання повертається на вхід. Такий генератор представимо структурною схемою, показаної на рис. 1. Він складається з підсилювача К і ланцюга ПОС g. Частотна вибірковість, ланцюги ПОС може забезпечуватися за допомогою LC-контурів, п'єзоелектричних і електромеханічних резонаторів, а також RC-ланцюгів. Найбільш поширені LC - і RC-генератори.
Частота коливань в LC-генераторі f г близька до резонансної частоти контуру: f 0.
Звідси видно, що для генерування коливань з низькими частотами потрібні великі індуктивності і ємності, застосування яких ні технологічно, ні конструктивно не виправдано.
Частота коливань RC-генераторів пропорційна частоті зрізу RC-ланцюжків
f р
Малогабаритні резистори і конденсатори можуть мати великі номінальні значення параметрів, тому RC-генератори переважні в низькочастотній частині діапазону. Верхній частотний межа RC-генераторів обмежується значеннями паразитних ємностей і мінімальними опорами R, при яких допустимі сили струмів підсилювачів ще забезпечують напругу необхідної амплітуди. Практично такі генератори використовуються для генерування коливань, частоти яких досягають сотень кілогерц.
Враховуючи все вище написане і те, що необхідно виконати генератор гармонійних коливань з частотою f г = 8 кГц. в якості частотно виборчої ланцюжка ПОС вибираю RC-ланцюг, а підсилювальним елементом за завданням є операційний підсилювач (ОП).
§ 3. Вибір RC-ланцюжка
RC-ланцюжок може бути підключена як до інвертує, так і до неінвертуючий вхід ОП. При підключенні RC-ланцюги на інвертує входу ОУ вона повинна вносити фазовий зсув, рівний . Приклад такого генератора показаний на рис. 2. Недолік RC-генератора на інвертуючому підсилювачі - велика кількість (не менше 6) елементів в ланцюга негативного зворотного зв'язку (ООС), тому частіше застосовуються RC-генератори з неінвертірующего підсилювачем. Тобто RC-ланцюжок підключається до неінвертуючий вхід ОП.
На низьких і середніх частотах хорошим джерелом синусоїдальних коливань з малим рівнем спотворень служить генератор з мостом Вина (рис. 2). Ідея його полягає в тому, щоб створити підсилювач зі зворотним зв'язком, що має зсув фази 0 ° на потрібній частоті, а потім відрегулювати петлеве посилення таким чином, щоб виникли автоколивання. Для гарантованого порушення автогенератора за будь-яких коливаннях параметрів підсилювача і ланцюги ПОС петлеве посилення повинно бути дещо більшим, ніж одиниця. Після виникнення автоколивань їх амплітуда стабілізується, в кінцевому рахунку, на такому рівні, при якому за рахунок нелінійного елемента в петлі коефіцієнт посилення знижується до одиниці. Згадана нелінійність проявляється в амплітудної характеристиці ОУ.
Рис. 2
Коефіцієнт передачі моста Вина
g = Z 2 / (Z 1 + Z 2) де Z 1 = R 1 +1 / (j × w × C 1), Z 2 = R 2 / (1 + j × w × C 2 × R 2)
Якщо R 1 = R 2 = R і C 1 = C 2 = C то
g = 1 / (3 + j (w × C × R-1 / (w × C × R)))
Коефіцієнт буде речовим на частоті w 0, визначається з рівняння
w 0 × C × R -1 / (w 0 × C × R) = 0
звідки частота автоколивань
w 0 = 1 / (R × C)
Так як на цій частоті g = 1 / 3, то для виконання умови До g = 1 підсилювач при замкнутому ланцюзі ООС повинен мати коефіцієнт посилення трохи більше трьох. При меншій посилення коливання загасають.
§ 4. Розрахунок елементів схеми генератора
Рис. 3
Розглянемо схему, зображену на рис. 3. У цій схемі підсилювальний елемент (ОУ) охоплений позитивної та негативної ОС.
ОУ в сукупності з ООС, яка представляє собою дільник, складений з резисторів R 3 і R 4, є неінвертірующего підсилювачем. Коефіцієнт підсилення підсилювача, при якому порушуються коливання, повинен бути не менше трьох. Аналітичний вираз для розрахунку коефіцієнта посилення має наступний вигляд: Ku = R 3 / R 4 + 1. Таким чином, для стійкої генерації, опір резистора R 3 повинно бути більше опору R 4 як мінімум в два рази.
ПОС є вже розглянутий міст Вина (R 1, R 2, C 1, C 2).
Після порушення, за рахунок нелінійності амплітудної характеристики ОУ коефіцієнт посилення підсилювача буде дорівнює трьом, а петлеве посилення одиниці, що забезпечить генерацію сигналу заданої частота з амплітудою, що буде дорівнює вихідній напрузі в режимі насичення ОУ.
Розрахуємо елементи схеми:
f г = 8кГц тоді RC = 1 / (2 * Pi * f) , Де R = R 1 = R 2, а C = C 1 = C 2.
R вибираємо так, щоб не перевантажити ОУ по вхідному струмі, а ОУ, у свою чергу, повинен володіти великим вхідним і малим вихідним опорами, а також досить великим значенням вхідного струму. В якості операційного підсилювача вибираю К153УД1Б.
Його електричні параметри:
Коефіцієнт підсилення: До> 10000
Вхідний струм: I вх <2000 нА
Опір навантаження: R н> 2 кОм
Вхідний опір: R вх> 0,2 мОм
Вихідний опір: R вих <200 Ом
Вихідна напруга: U вих 9 В
Задаємося опором R:
R = 47 кОм, тоді С = 1 / (2 * Pi * 8000 * 47000) = пФ.
Таким чином:
R 1 = R 2 = 47 кОм
С1 = C 2 = 430 пФ
Опору R 3 і R 4 вибираємо таким чином, щоб
R 3 / R 4> 2 і R 3 + R 4>> R вих ОУ
тоді отримаємо:
R 3 = 150 кОм,
R 4 = 70 кОм
Схема (рис. 3.) З розрахованими вище номінальними параметрами елементів, буде генерувати синусоїдальні коливання з частотою 8 кГц і вихідною напругою близько 9 В.
Для узгодження з навантаженням R н = 75Ом на виході необхідно поставити емітерний повторювач, який повинен відповідати таким вимогам: мати вхідним опором набагато більшим вихідного опору генератора, і малим, набагато меншим опору навантаження, вихідним опором.
Рис. 4
Вихідний опір генератора - це опір неінвертірующего підсилювача (ЗУ, R 3, R 4, де R 3 і R 4 - ООС), яке наближено знаходиться за формулою:
,
Рис. 5
Рис. 6
Де R вих - вихідний опір ОП,
До u - коефіцієнт посилення підсилювача,
g - глибина ООС.
= 200 Ом.
Як повторювача, який відповідає всім перерахованим вимогам, підходить ОУ К153УД1Б включений за схемою рис. 4.
Коефіцієнт передачі повторювача К = 1.
Вхідний опір
,
Де К - коефіцієнт посилення ОУ,
R вх - вхідний опір ОУ,
R сф - вхідний опір ОУ по синфазному сигналу, виміряний на вході (+) щодо землі або спільної точки. На низьких частотах це опір становить приблизно 100 МОм.
вх.п. =
Ом = 100 МОм.
Вихідний опір
,
Де R вих - вихідний опір ОП.
Ом.
Таким чином:
вх.п. = 100 МОм>>
= 200 Ом, і
= 0.02 Ом <<R н = 75 Ом,
емітерний повторювач на ОУ К153УД1Б повністю відповідає висунутим йому вимогам, а остаточна схема генератора наведена на рис. 5.
Розділові ємності С3, С4 вибираються таким чином, щоб їх коефіцієнти передачі Кп.р. були не менше . Це означає, що на кожному з розділових конденсаторів повинно виділятися не більше ніж
корисної потужності, що надійшла від джерела.
Кп.р. = ,
Де f р - частота генеруючих коливань,
Ср - ємність розділового конденсатора. У нашому випадку - це С3 і С4,
R - корисне опір, на якому повинна виділятися основна частина надійшов напруги. У нашому випадку R - це вх.п. і R н.
Прийнявши Кп.р. = 0.99, визначимо значення ємностей:
C 3 = = 0,04 пФ,
С4 = = 5,4 нФ.
Отже, остаточні значення елементів схеми (рис. 5.):
DA 1, DA 2 - операційні підсилювачі серії К153УД1Б,
R 1 = R 2 = 47 кОм,
R 3 = 150 кОм,
R 4 = 70 кОм,
С1 = C 2 = 430 пФ,
C 3 = 0,04 пФ,
С4 = 5,4 нФ.
§ 5. Вимоги до джерела живлення
Для живлення ОУ потрібно два джерела харчування: позитивне + U п і негативне - U п щодо землі. Зазвичай на схемах умовно джерело живлення не показують.
Для ОУ К153УД1Б напруга живлення одно В.
Рис.6. Залежність мінімального значення коефіцієнта посилення і максимальних вихідних напруг ОУ К153УД1Б від напруг джерела живлення.
Ряд параметрів ОУ залежить від стабільності джерел живлення. Тому останні повинні бути добре відфільтровані і стабілізовані. Допускається розкид значень напруги живлення в межах % І пульсації не більше 5 мВ ефективного значення. Допускається використання ОУ в діапазоні живлячої напруги від
до
В. Однак, це впливає на коефіцієнт підсилення і максимальна вихідна напруга (рис. 6.), Що в свою чергу призводить до деякої зміни і відповідному перерахунку параметрів генератора.
Для запобігання паразитної генерації по ланцюгах харчування біля кожного ОУ рекомендується заблокувати ланцюга живлення + U п і - U п конденсаторами ємністю 0,01 - 0,05 мкФ.
§ 6. Висновок
У висновку хочеться зазначити, що схема виконаного генератора в деякій мірі ідеалізована. Я абстрагувався від деяких фізіологічних властивостей ОУ. Таких, як спотворення сигналу при насиченні підсилювача.
На практиці форма автоколивань такого генератора може відрізнятися від синусоїди. Це пояснюється тим, що необхідний для стійкої генерації петлевий коефіцієнт посилення До g досягається за рахунок нелінійності амплітудної характеристики ОУ, для чого ОУ входить у режим насичення, і генеруються коливання можуть спотворюватися.
Для отримання гармонічних коливань з малими спотворення, зворотній негативний зв'язок ОУ (дільник, що складається з резисторів R 3 і R 4) повинна бути інерційно-нелінійної ланцюгом. Такі інерційно-нелінійні ланцюги на практиці називаються ланцюгами автоматичного регулювання посилення (АРУ). Принципово розрахунок такого генератора не відрізняється від розрахунку, виконаного в даному проекті, за винятком додаткової складності у розрахунку ланцюгів АРУ.
§ 7. Список літератури
Гутников В.С. Застосування операційних підсилювачів у вимірювальній техніці. Л., "Енергія", 1975.
Гутников В.С. Інтегральна електроніка у вимірювальних пристроях. - Л.: Енергія. Ленінгр. отд-ня, 1980. - 248 с., Іл.
Гутников В.С. Інтегральна електроніка у вимірювальних пристроях. - 2-е вид., Перебивши. І доп. - Л.: Вища школа. Ленінгр. отд-ня, 1988. - 304 с., Іл.
Проектування і застосування операційних підсилювачів / Под ред. Дж. Грема, Дж. Тобі, Л. Хьюлсмана. - М.: Світ, 1974. - 510 с.
Олексієнко А.Г., Коломбет Е.А., Стародуб Г.І. Застосування прецизійних аналогових мікросхем. 2-е вид., Перераб. І доп. - М.; Радіо і зв'язок, 1985, - 256 с., Іл.
Веніамінов В.М., Лебідь О.М., Мірошниченко А.І. Мікросхеми і їхнє застосування: Справ. посібник. - 3-е изд., Перераб. І доп. - М.; Радіо і зв'язок, 1989. 240 с., Іл. - (Масова радіо бібліотека; Вип. 1143).
Кауфман М., Сідман А.Г. Практичний посібник з розрахунками схем в електроніці: Довідник. У 2-х т. Т. 1: Пер з англ. / За ред. Ф.Н. Покровського. - М.: Вища школа, 1991. - 368 с.: Іл.